Кожен, хто хоч раз забирався в нутрощі складного електронного приладу, помічав маленькі (і не дуже) мікросхеми і задавався питанням, "а що там в середині, і як вони такі маленькі виконують такі складні задачі?". У цій статті хочу познайомити читачів з технологією виробництва напівпровідникових інтегральних мікросхем.
В процесі розвитку електроніки безперервно ускладнювалось обладнання – збільшувалась кількість окремих (дискретних) елементів, внаслідок чого збільшувалися габарити та маса кінцевого виробу та як наслідок зменшувалась надійність обладнання. В якийсь момент інженери прийшли до висновку, що можна позбавити елементи громіздкого корпусу і розмістити їх на спільній підложці, об'єднавши між собою в певну схему і розмістити це все у єдиному корпусі. Це дозволили дуже суттєво зменшити габарити такої схеми та підвищити її надійність за рахунок зменшення маси елементів, які в наслідок вібрації можуть відірватись. Наступним кроком стало освоєння технології нанесення тонких пілвок з високопровідних матеріалів (алюміній, мідь, золото) та матеріалів з високим опором чи діелектриком, що дозволило вже створити на підложці провідники, резистори та конденсатори, а напівпровідникові елементи приклеюються зверху (навісні компоненти) і приварюються тонкими виводами. І це все також об'єднується в загальний корпус зі своїми виводами для монтажу в класичну схему. Так з'явились гібридні мікросхеми.
Паралельно, по мірі вдосконалення технологічного процесу створення окремих напівпровідникових елементів (транзисторів) з'явилась можливість на одній підложці створити не один, а кілька елементів, що стало першим кроком до створення напівпровідникових мікросхем, які згодом витіснили гібридні у більшості застосувань. Основними перевагами напівпровідникових мікросхем є ступінь інтеграції (кількість елементів на одиницю площі кристала), яка на кілька порядків вища, ніж у гібридних мікросхем, менша собівартість кінцевої мікросхеми і на кілька порядків вища надійність (мінімум зовнішніх з'єднань, все знаходиться в монолітному об'ємі, хоч і не однорідному). На жаль, через значні паразитні ємності (внаслідок близького розташування) напівпровідникові мікросхеми мають значно нижчі граничні робочі частоти, порівняно з гібридними, але з часом технології вдосконалюються...
Всі напівпровідникові мікросхеми виготовляються за планарною технологією (примітка: 2002 рік) – всі виводи та p-n-переходи виходять на один бік підложки. Основним недоліком цієї технології є мала щільність упаковки елементів в одиниці об'єму, так як всі елементи сформовані в шарі приповерхневої товщиною всього 1-2 мкм, тоді як товщина підложки складає 200-500 мкм. Але з розвитком технології виробництва напівпровідникових мікросхем елементи почали як заглиблювати глибше, так і вирощувати вище, на додаткових шарах, але про це пізніше.
Щоб отримати закінчену мікросхему, необхідно пройти досить багато етапів: і самий перший етап - це отримання напівпровідникової підложки, на якій і починається процес створення елементів.
Основною сировиною для напівпровідникових мікросхем на основі кремнію (Si14 - Silicium) служить одна з найпоширеніших на нашій планеті сполук – оксид кремнію SiO2 (в народі його прозвали пісок). В сучасній хімічній номенклатурі кремній називається сіліціум.
"Пісок" промивають, очищають від всіляких домішок і за допомогою реакцій відновлення (детальніше дивіться у хіміків) отримують кристалічний кремній. Хоча після хімічного відновлення, отриманий матеріал і представляє собою кремній, а не оксид, він має ще досить велику кількість домішок так хаотичну кристалічну структуру, тобто в різних шматках кремнію кристалічна решітка орієнтована в різні напрямки і має багато розривів.
На наступному кроці проводиться вирощування монолотного кристала та його очищення від домішок.
Для вирощування кристала кремнія, в розплав опускають спеціальну "затравку" шматок матеріала, який має "ідеальну" кристалічну структуру, яка розміщена в заданому напрямку. По мірі повільного піднімання і обертання затравки з розплаву, на ній починає кристалізуватись кремній і повторювати кристалічну решітку. Контролюючи швидкість підйому, температуру розплаву і швидкість обертання з розплаву "витягується" злиток у вигляді цилінду заданого діаметру з конусом у верхній частині (де знаходиться затравка).
Черговим кроком є вдосконалення структури (зменшення кількості дефектів кристалічної структури) і подальше очищення структури від домішок. Циліндр кремнію закріплюють у пристрої безтигельної плавки. Цей процес виконують наступним чином: на невеликій частині злитка створюється розплавлена зона (температура плавлення кремнію 1414ºС), і повільно переміщується вздовж злитку. В результаті різниці температур кристалізації кремнію та домішок, останні переміщуються разом із розплавленою зоною в кінець злитку. Після 10-20 проходів процес завершують і відрізають кінець злитка з домішками.
Так як при високій температурі чистий кремній хімічно активний, ці операції проводять при високому вакуумі - тиск в камері менше 0.0001 Па та інертному середовищу (додаються інертні гази, які мають витіснити залишки кисню).
Зараз на виробництві "вирощують" зливки діаметром біля 300 мм, хоча досить часто ще використовують і 100 мм зливки.
Отримані зливки спеціальними методами перевіряють на орієнтацію кристалічної решітки і щакріплюють в просторі так, щоб в процесі різки циліндру на диски отримати на них задану орієнтацію кристалічної решітки. Далі злиток розрізають на окремі пластини товщиною 0,2-0,3 мм. Для цього можуть використовуватися як "класичні" методи: різання диском з внутрішньою ріжучою кромкою (для малих діаметрів) або стрічковою пилою з алмазним напиленням для великих діаметрів. Різання злитків дуже непросте завдання при твердості кремнію 7 одиниць (за шкалою Моосу найбільша твердість 10 у алмазу).
При різанні "класичними" методами до 60% зливка зрізається різальним інструментом. Як ріжуча кромка найчастіше використовується алмазний абразив, рідше карбід бору.
Черговими кроками є багатостадійне механічне шліфування поверхні отриманих пластин виконують вільним або зв'язанитм абразивом з розмірами зерен від 120 до 50 мкм. В результаті виходить пластина з мікронерівністю.
Наступні стадії шліфування виконуються вже різними хімічними способами для отримання заданого рівня шорховатості поверхні. Такі пластини на вигляд нагадують дзеркало.
Зміст
Опубліковано:
Оновленно: 22.11.2023
 |
Serhii K Home Page © 2003-2024 |  |