Plan teknik

Planteknologi  är en uppsättning tekniska operationer som används vid tillverkning av plana (plana, ytliga) halvledarenheter och integrerade kretsar . Processen går ut på att forma individuella transistorkomponenter såväl som att kombinera dem till en enda struktur. Detta är huvudprocessen i skapandet av moderna integrerade kretsar . Denna teknik utvecklades av Jean Herni, en av medlemmarna i Treacherous Eight , medan han arbetade på Fairchild Semiconductor . Tekniken patenterades första gången 1959 .

Kärnan i konceptet var att betrakta schemat i en projektion på ett plan, vilket gjorde det möjligt att använda fotografiska element , såsom negativa fotografiska filmer, när ljuskänsliga reagenser belystes. Sekvensen av sådana fotoprojektioner gjorde det möjligt att skapa kombinationer av kiseldioxid (dielektrisk) och dopade områden (ledare) på ett kiselsubstrat. Tillämpar även metallisering (för att ansluta kretselement) och konceptet att isolera kretselement med pn-övergångarföreslog av Kurt Lehovec kunde forskare vid Fairchild skapa en krets på en enda kiselskiva ("wafer") gjord av en enkristallkiselgöt ("boule").

Processen inkluderar även oxidation, etsning och diffusion av kisel (SiO 2 ).

Teknikprinciper

Vid ingången av tekniken finns plattor som kallas substrat . Substratmaterialsammansättning, kristallstruktur (upp till interatomära avstånd i substrat för moderna processorer) och kristallografisk orientering är strikt kontrollerade. Under den tekniska processen, i det ytnära skiktet av ett halvledarmaterial som är ett substrat eller avsatt på ett substrat, skapas regioner med en annan typ eller värde av konduktivitet, vilket i slutändan bestäms av en annan koncentration av donator och acceptorföroreningar, såväl som skiktmaterialet. Ovanpå skiktet av halvledarmaterial, med hjälp av mellanskikt av dielektriskt material på rätt ställen, appliceras skikt av ledande material för att bilda kontaktdynorna och de nödvändiga anslutningarna mellan områdena. Områdena och skikten av en ledare, halvledare och dielektrikum bildar tillsammans strukturen av en halvledarenhet eller en integrerad krets.

En egenskap hos den plana tekniken är att efter slutförandet av varje teknisk operation återställs plattans platta (plana) form, vilket gör det möjligt att skapa en ganska komplex struktur med hjälp av en ändlig uppsättning tekniska operationer.

Planar teknologi gör det möjligt att samtidigt tillverka i en enda teknisk process ett stort antal diskreta halvledarenheter eller integrerade kretsar på ett enda substrat, vilket avsevärt kan minska deras kostnad. Dessutom, vid tillverkning av identiska enheter på en platta, visar sig parametrarna för alla enheter vara nära. Begränsaren är bara ytan av substratet; därför tenderar substratens diameter att öka när tekniken för produktion av substrat utvecklas.

För att kontrollera kvaliteten på att utföra mellanliggande operationer på substratet särskiljs som regel flera små områden (vanligtvis i mitten och i periferin), på vilka testar ledande spår och elementära enheter (kondensatorer, dioder, transistorer, etc.) bildas under den tekniska standardprocessen. ). I samma områden bildas kontaktdynor med relativt stor yta för att testa plattornas lämplighet före ritsning (separering i separata enheter) . För att kombinera bilder under fotolitografi, bildas även justeringsmärken i ett speciellt utvalt område, liknande de som finns på flerfärgstryckta produkter.

Grundläggande tekniska funktioner

Litografi

De huvudsakliga tekniska stegen som används i planteknik är baserade på processen för litografi (fotolitografi).
Följande metoder gäller:

  1. optisk fotolitografi (standard), λ=310—450 nm ;
  2. ultraviolett fotolitografi på excimerlasrar , X=248 nm, X=193 nm;
  3. fotolitografi i djup ultraviolett ljus , λ=10-100 nm;
  4. röntgenlitografi , X=0,1-10 nm;
  5. elektronisk litografi ;
  6. jonstrålelitografi ;
  7. nanoprint litografi .

Metoderna för tillämpad fotolitografi kan vara skanning och projektion; kontakt, icke-kontakt och mikrogap (se även immersionslitografi ). Metoden med strålningsstimulerad diffusion kan också tillämpas i begränsad omfattning.

Litografisk utrustning

EUV litografimaskiner från det holländska företaget ASML är hjärtat i modern spåntillverkning.

Operationskedja

Den tekniska kedjan består av en serie cykler (upp till flera dussin), inklusive följande huvudoperationer (i ordning):

Huvudcyklerna som utförs när du skapar halvledarenheter är följande:

Schema för alternering av operationer och cykler är ganska komplexa, och deras antal kan mätas i dussintals. Så, till exempel, när man skapar mikrokretsar på bipolära transistorer med kollektorisolering, med kombinerad isolering (isoplanar-1,2; polyplanar) och i andra kretsar där det är nödvändigt eller önskvärt att minska kollektorresistansen och öka hastigheten), oxidation, fotolitografi och diffusion under det nedgrävda n+-lagret, då byggs halvledarens epitaxiallager ("begravning") upp, och specifika element i mikrokretsen skapas redan i epitaxiallagret. Därefter isoleras plattans yta igen, kontaktfönster görs och ledande spår och dynor appliceras. I komplexa mikrokretsar kan kontaktspår göras i flera nivåer med applicering av dielektriska skikt mellan nivåerna, återigen med etsade fönster.

Ordningen på cyklerna bestäms i första hand av beroendet av diffusionskoefficienterna för föroreningar på temperaturen. De försöker först driva och destillera mindre rörliga föroreningar och för att minska processtiden använder de högre temperaturer. Sedan, vid lägre temperaturer, drivs och sprids mer rörliga föroreningar. Detta beror på det snabba (exponentiella) fallet i diffusionskoefficienten med sjunkande temperatur. Till exempel, i kisel, skapas först, vid temperaturer upp till ~950 °C, områden av p-typ dopade med bor, och först därefter, vid temperaturer under ~750 °C, skapas regioner av n-typ dopade med fosfor. När det gäller andra legeringselement och/eller andra matriser kan temperaturklassificeringarna och förfarandet för att skapa de legerade områdena vara annorlunda, men försök alltid att följa regeln "lägre grad". Spårskapandet görs alltid i de sista slingorna.

Förutom diffusionsdopning och spridning kan metoder för strålningstransmutation av kisel till aluminium och fosfor användas. Samtidigt skadar penetrerande strålning, förutom att utlösa transmutationsreaktioner, avsevärt substratets kristallgitter. Legeringen av plattan går över hela området och genom hela materialets volym, fördelningen av de resulterande föroreningarna bestäms av intensiteten av strålningen som tränger in i ämnets tjocklek och följer därför Bouguer-Lamberts lag :

N= N0 *e -ax , där N är föroreningskoncentrationen;

NO är föroreningskoncentrationen  på ytan; a är strålningsabsorptionskoefficienten; x är avståndet från den bestrålade ytan;

Kiselgöt som inte skurits i rån användes vanligtvis för legering. I detta fall beskrivs föroreningsfördelningsprofilen över skivans diameter genom transponering av exponenter med ett maximum vid skivans periferi och minima vid skivans centrum. Denna metod har begränsad tillämpning för tillverkning av speciella högresistanskiselanordningar.

Slutoperationer vid produktion av mikrokretsar

Skriva

Efter fullbordande av operationer för bildning av anordningar på skivan delas skivan i små kristaller innehållande en enda färdig anordning.

Inledningsvis utfördes separeringen av plattan i individuella kristaller genom att skrapa den till ett djup av 2/3 av plattans tjocklek med en diamantskärare, följt av delning längs den repade linjen. Denna separationsprincip gav namnet till hela operationen med att dela wafers i kristaller: "scribing" (från den engelska scribe  - "mark").

För närvarande kan ritsning utföras både med skärning till plattans fulla tjocklek med bildning av individuella kristaller, och för en del av plattans tjocklek, följt av uppdelning i kristaller.

Ritning med viss sträckning kan hänföras till slutskedet av planteknik.

Skärning kan göras på olika sätt:

  1. Ritsning med en diamantskärare är repning av en platta längs en av de kristallografiska axlarna för efterföljande brytning längs riskerna, liknande hur de fungerar när man skär glas. Så på kiselsubstrat erhålls fel bäst längs klyvningsplanen . För närvarande är metoden föråldrad och praktiskt taget inte använd;
  2. Splittring av lokal termisk chock (lite använd);
  3. Sågning med en hålsåg med en yttre skärkant: installationen liknar installationen för att skära göt i plattor, men bladets diameter är mycket mindre och skäreggen sticker ut från klämmorna med högst ett och ett halvt djup av märket. Detta minimerar takten och låter dig öka hastigheten till 20-50 tusen varv per minut. Ibland sätts flera skivor på axeln för att skapa flera risker samtidigt. Metoden tillåter skärning genom hela plåtens tjocklek, men används vanligtvis för repning följt av klyvning.
  4. Kemisk skrift är skrift genom kemisk etsning. För att utföra operationen görs fotolitografi preliminärt med bildandet av fönster i delningssektionerna på båda sidor av plattan, och delningsområdena etsas. En variant av denna metod är end-to-end anisotropisk etsning, där skillnaden i etsningshastighet i olika riktningar av de kristallografiska axlarna används. De huvudsakliga nackdelarna som begränsar tillämpningen av metoden är svårigheten att matcha mönstret av fönster för etsning av båda sidor av plattan och lateral etsning av kristaller under masken. Metoden möjliggör både etsning av plåten för en del av tjockleken och för hela tjockleken.
  5. Skärning med stålblad eller trådar - bladen eller tråden gnider mot plattorna, en slipande slurry appliceras på kontaktpunkten. Det finns risk för skador på de färdiga strukturerna av en trasig duk eller tråd. Fluktuationer i suspensionens sammansättning, mekaniska förvrängningar i utrustningen kan också leda till defekter. Metoden användes i småskalig produktion och laboratorier. Metoden tillåter skärning genom hela plåtens tjocklek, men används vanligtvis för repning följt av klyvning.
  6. Skärning med laserstråle : bildandet av repor uppstår som ett resultat av avdunstning av substratmaterialet av en fokuserad laserstråle. Tillämpningen av metoden begränsas av plattornas tjocklek, och eftersom en större diameter på plattorna kräver en större tjocklek för att bibehålla den erforderliga styvheten, används inte alltid genom separation (mindre än 100 mikron - skärning är möjlig, från 100 till 450 mikron - endast skrift). Med en genomgående separation krävs inte efterföljande brytning av plattan till kristaller. Det rekommenderas inte att använda denna metod för att skära plattor som innehåller galliumarsenid, på grund av frisättningen av mycket giftiga föreningar. I Sovjetunionen användes huvudsakligen lasrar gjorda av yttriumaluminiumgranat och rubin för denna metod. Huvudproblemet vid användning av skärning med en laserstråle är skyddet av färdiga strukturer från droppar av smält och kondensering av det förångade substratmaterialet på dem. Ett originellt sätt att lösa detta problem är att använda en tunn sladd med vatten som tillförs under högt tryck som en fokuserande ljusledare och samtidigt som kylvätska för laserskärning.

Efter att ha skurit igenom reporna delas plattorna i kristaller. Det finns tre huvudsakliga metoder:

  1. Fjäderbelastad valsmetod: plattan läggs i en plastpåse och placeras på en tjock elastisk gummibas med märkena nedåt och operatören rullar längs märkena med en fjäderbelastad rulle. Kvaliteten på brytningen beror på hur långt riktningen av rullrörelsen är parallell med riskerna, vid avvikelse är sprickning inte möjlig beroende på riskerna och skadorna på kristallerna.
  2. Brytning på en halvklot: plattorna krymps med ett elastiskt membran över en sfärisk yta. Membranet pressas antingen hydrauliskt eller med tryckluft. Vid separering av plåtar med en diameter över 76 mm på detta sätt ökar andelen rejekt kraftigt.
  3. Rullning mellan två cylindriska rullar. Plattan på den självhäftande bärartejpen komprimeras av en stål- och gummirulle, som roterar, som ett resultat av deformation av den elastiska gummirullen, appliceras en böjkraft på plattan.

Att fästa kristallerna i fodralet

Efter ritning fästs kristallerna på fodralets bas:

  1. genom limning - lim baserade på epoxiharts används, bryts ned med tiden: det leder värme sämre, blir skört, anslutningen blir skör. Denna metod används för närvarande inte.
  2. eutektisk fusionsmetod : ett tunt lager av guld appliceras på den keramiska basen av höljet och på baksidan av plattan innan den separeras i kristaller. Guldfolie placeras vid kristallens fästpunkt, kristallen placeras på basen av fodralet, värms upp till 380 ° (den eutektiska temperaturen för kisel-guld-systemet är 385 °) och en vertikal kraft appliceras. Den höga kostnaden gör det möjligt att använda metoden endast för speciella ändamål.
  3. vid försegling med plast placeras kristaller med svetsad förstärkning på en bärartejp.
  4. anslutning till glas - på grund av svårigheten att välja glas med låg mjukningstemperatur och en termisk linjär expansionskoefficient som motsvarar de använda materialen, är denna metod till liten användning för tunnfilmsteknologi (lämplig för hybrid- och tjockfilmsintegrerade kretsar )
  5. flip-chip-metod - vid användning av bulkledningar är både kristallen och alla kablar anslutna samtidigt.

Fästa ledningar till ett chip

stiftanslutningsmetoder:

  1. termokompressionssvetsning
  2. ultraljudssvetsning
  3. indirekt pulsad uppvärmning
  4. dubbelelektrodsvetsning
  5. laserpunktsvetsning
  6. elektronstrålesvetsning
  7. trådlös montering av element med volymledningar

Kristallförsegling

tätningsmetoder - valet av metod beror på husets material och form. Fodral är hermetiska (metall-glas, metall-keramik, keramik, glas) och icke-hermetiska (plast, keramik). Svetsning: kallsvetsning; elektrokontaktsvetsning: kontur, rulle, mikroplasma, argonbåge, laser, elektronstråle; Lödning: konvektiv i ugnar, het gas jet; limning; plastförsegling.

Testning

Under testningen kontrolleras kvaliteten på fastsättningen av ledningarna, liksom motståndet hos enheter (förutom läckande) mot extrema klimatförhållanden på stativet av värme och fukt och mekanisk belastning på stöt- och vibrationsstativet, liksom som deras elektriska egenskaper. Efter testning målas och märks instrumenten.

Anteckningar

  1. ↑ Hoerni, JA Patent US3025589 Metod för tillverkning av halvledarenheter . — 1959.
  2. ↑ "Digitala integrerade kretsar. Design Methodology.”="Digital Integrated Circuits" 2nd Ed, 2007 ISBN 978-5-8459-1116-2 page 75

Litteratur om ämnet