Tasotekniikkaa

Tasotekniikka  on joukko teknisiä operaatioita, joita käytetään tasomaisten (taso-, pinta-) puolijohdelaitteiden ja integroitujen piirien valmistuksessa . Prosessi käsittää yksittäisten transistorikomponenttien muodostamisen sekä niiden yhdistämisen yhdeksi rakenteeksi. Tämä on pääprosessi nykyaikaisten integroitujen piirien luomisessa . Tämän tekniikan on kehittänyt Jean Herni, yksi Treacherous Eightin jäsenistä työskennellessään Fairchild Semiconductorissa . Tekniikka patentoitiin ensimmäisen kerran vuonna 1959 .

Konseptin ydin oli kaavion tarkastelu projektiossa tasossa, mikä mahdollisti valokuvaelementtien , kuten negatiivisten valokuvafilmien, käytön, kun valoherkkiä reagensseja valaistiin. Tällaisten valoprojektioiden järjestys mahdollisti piidioksidin (dielektrisen) ja seostettujen alueiden (johtimien) yhdistelmien luomisen piisubstraatille. Sovelletaan myös metallointia (piirielementtien liittämiseen) ja pn-liitoksilla varustettujen piirielementtien eristämisen käsitettäKurt Lehovecin ehdottaman Fairchildin tutkijat pystyivät luomaan piirin yhdelle piikiekolle ("kiekko"), joka oli valmistettu yksikiteisestä piiharkosta ("boule").

Prosessi sisältää myös piin (SiO 2 ) hapetus-, syövytys- ja diffuusiooperaatiot.

Teknologian periaatteet

Teknologian tulona ovat levyt, joita kutsutaan substraateiksi . Substraattimateriaalin koostumusta, kiderakennetta (jopa atomien välisiin etäisyyksiin substraateissa nykyaikaisissa prosessoreissa) ja kristallografista suuntausta valvotaan tiukasti. Teknologisen prosessin aikana substraattina olevan tai alustalle kerrostetun puolijohdemateriaalin pintaa lähellä olevaan kerrokseen syntyy alueita, joilla on erityyppinen tai -arvoinen johtavuus, jonka lopulta määrää erilainen luovuttajan pitoisuus. ja akseptoriepäpuhtaudet sekä kerrosmateriaali. Puolijohdemateriaalikerroksen päälle, käyttämällä eristemateriaalin välikerroksia oikeisiin paikkoihin, levitetään johtavaa materiaalia olevat kerrokset muodostamaan kosketuspinnat ja tarvittavat liitokset alueiden välille. Johtimen, puolijohteen ja eristeen alueet ja kerrokset muodostavat yhdessä puolijohdelaitteen tai integroidun piirin rakenteen.

Tasotekniikan ominaisuus on, että jokaisen teknisen toimenpiteen päätyttyä levypinnan tasainen (tasomainen) muoto palautetaan, mikä mahdollistaa melko monimutkaisen rakenteen luomisen rajallisella teknisten toimintojen sarjalla.

Tasoteknologia mahdollistaa yhden teknisen prosessin aikana valtavan määrän erillisiä puolijohdelaitteita tai integroituja piirejä valmistuksen samanaikaisesti yhdelle alustalle, mikä voi merkittävästi vähentää niiden kustannuksia. Myös silloin, kun valmistetaan identtisiä laitteita yhdelle levylle, kaikkien laitteiden parametrit ovat lähellä. Rajoitin on vain alustan pinta-ala, joten substraattien halkaisijalla on taipumus kasvaa substraattien valmistustekniikoiden kehittyessä.

Substraatilla suoritettavien välitoimintojen laadun hallitsemiseksi erotetaan yleensä useita pieniä alueita (yleensä keskellä ja reunalla), joilla testataan johtavia raitoja ja peruslaitteita (kondensaattorit, diodit, transistorit jne.) muodostuu normaalin teknologisen prosessin aikana. ). Samoille alueille muodostetaan suhteellisen suuren alueen kosketuslevyjä levyjen sopivuuden testaamiseksi ennen piirtämistä (erottelua erillisiksi laitteiksi) . Kuvien yhdistämiseksi fotolitografian aikana muodostetaan myös kohdistusmerkit erityisesti valitulle alueelle, samanlaisia ​​kuin moniväripainotuotteissa.

Teknologiset perustoiminnot

Litografia

Tasotekniikan tärkeimmät tekniset vaiheet perustuvat litografiaprosessiin (fotolitografia).
Seuraavat menetelmät ovat voimassa:

  1. optinen fotolitografia (standardi), λ=310-450 nm ;
  2. ultraviolettifotolitografia eksimeerilasereilla , λ = 248 nm, λ = 193 nm;
  3. fotolitografia syvässä ultravioletissa , λ=10-100 nm;
  4. röntgenlitografia , λ = 0,1 - 10 nm;
  5. elektroninen litografia ;
  6. ionisuihkulitografia ;
  7. nanoprint litografia .

Sovellettavan fotolitografian menetelmät voivat olla skannaus ja projisointi; kosketus, kosketukseton ja mikrorako (katso myös immersiolitografia ). Säteilystimuloidun diffuusion menetelmää voidaan soveltaa myös rajoitetusti.

Litografiset laitteet

Hollantilaisen ASML -yhtiön EUV-litografiakoneet ovat modernin siruvalmistuksen ytimessä.

Toimintaketju

Teknologinen ketju koostuu sarjasta syklejä (jopa useita kymmeniä), mukaan lukien seuraavat päätoiminnot (järjestyksessä):

Puolijohdelaitteita luotaessa suoritetut pääjaksot ovat seuraavat:

Toimintojen ja syklien vuorottelukaaviot ovat melko monimutkaisia, ja niiden lukumäärä voidaan mitata kymmenissä. Joten esimerkiksi luotaessa mikropiirejä bipolaarisille transistoreille, joissa on kollektorieristys, yhdistetyllä eristyksellä (isoplanar-1,2; polyplanar) ja muissa piireissä, joissa on tarpeen tai toivottavaa vähentää kollektorin vastusta ja lisätä nopeutta), hapetus, fotolitografia ja diffuusio haudatun n+-kerroksen alle, sitten puolijohteen epitaksikerros ("hautaus") rakennetaan ja mikropiirin tietyt elementit syntyvät jo epitaksiaalisessa kerroksessa. Sen jälkeen levyn pinta eristetään uudelleen, tehdään kosketusikkunoita ja asennetaan johtavat radat ja tyynyt. Monimutkaisissa mikropiireissä kosketinraitoja voidaan tehdä useissa tasoissa käyttämällä tasojen väliin eristekerroksia, jälleen syövytetyillä ikkunoilla.

Jaksojen järjestyksen määrää ensisijaisesti epäpuhtauksien diffuusiokertoimien lämpötilariippuvuus. He yrittävät ensin ajaa ja tislata vähemmän liikkuvia epäpuhtauksia ja lyhentää prosessiaikaa käyttämällä korkeampia lämpötiloja. Sitten alemmissa lämpötiloissa enemmän liikkuvia epäpuhtauksia ajautuu ja leviää. Tämä johtuu diffuusiokertoimen nopeasta (eksponentiaalisesta) laskusta lämpötilan laskeessa. Esimerkiksi piissä syntyy ensin ~950 °C:n lämpötiloissa boorilla seostettuja p-tyypin alueita ja vasta sitten alle ~750 °C:n lämpötiloissa syntyy n-tyypin alueita, jotka on seostettu fosforilla. Muiden seosaineiden ja/tai muiden matriisien tapauksessa lämpötilaluokitukset ja seostettujen alueiden luontimenettely voivat olla erilaisia, mutta yritä aina noudattaa "alemman asteen" sääntöä. Kappaleen luominen tehdään aina viimeisissä silmukoissa.

Diffuusiodopingin ja dispergoinnin lisäksi voidaan käyttää menetelmiä piin säteilytransmutaatioon alumiiniksi ja fosforiksi. Samaan aikaan tunkeutuva säteily vaurioittaa merkittävästi substraatin kidehilaa sen lisäksi, että se laukaisee transmutaatioreaktioita. Levyn seostus kulkee koko alueella ja koko materiaalin tilavuudessa, tuloksena olevien epäpuhtauksien jakautuminen määräytyy aineen paksuuteen tunkeutuvan säteilyn intensiteetin mukaan ja noudattaa siksi Bouguer-Lambertin lakia :

N=N 0 *e -ax , missä N on epäpuhtauspitoisuus;

N 0  on epäpuhtauspitoisuus pinnalla; a on säteilyn absorptiokerroin; x on etäisyys säteilytetystä pinnasta;

Dopingissa käytettiin yleensä piiharkkoja, joita ei leikattu kiekoiksi. Tässä tapauksessa epäpuhtauksien jakautumisprofiilia kiekon halkaisijan yli kuvataan eksponentien transponoimalla maksimi kiekon kehällä ja minimi kiekon keskellä. Tällä menetelmällä on rajoitettu käyttömahdollisuus erityisten korkearesistanssisten piilaitteiden valmistuksessa.

Viimeiset toimenpiteet mikropiirien valmistuksessa

Scribing

Kun kiekolle laitteiden muodostustoimenpiteet on saatu päätökseen, kiekko jaetaan pieniksi kiteiksi , jotka sisältävät yhden valmiin laitteen.

Aluksi levyn erottaminen yksittäisiksi kiteiksi suoritettiin raaputtamalla se timanttileikkurilla 2/3:n syvyyteen levyn paksuudesta, mitä seurasi halkaisu naarmuuntunutta viivaa pitkin. Tämä erotusperiaate antoi nimen koko kiekkojen jakamiselle kiteiksi: "kirjoitus" (englanninkielisestä kirjailijasta  - "merkki").

Tällä hetkellä scrribing voidaan suorittaa sekä leikkaamalla levyn täyteen paksuuteen muodostamalla yksittäisiä kiteitä, että osalle levyn paksuudesta, jonka jälkeen jaetaan kiteiksi.

Jonkin verran venyttelyä voidaan lukea tasotekniikan viimeisistä vaiheista.

Leikkaus voidaan tehdä useilla tavoilla:

  1. Piirustus timanttileikkurilla on levyn raapimista kristallografista akselia pitkin riskien myöhempää rikkomista varten, samalla tavalla kuin ne toimivat lasia leikattaessa. Joten piisubstraateilla viat saadaan parhaiten halkeamistasoja pitkin . Tällä hetkellä menetelmä on vanhentunut ja sitä ei käytännössä käytetä;
  2. Halkaisu paikallisella lämpösokilla (vähän käytetty);
  3. Leikkaaminen reikäsahalla, jossa on ulkoinen leikkuureuna: asennus on samanlainen kuin harkon levyiksi leikkaaminen, mutta terän halkaisija on paljon pienempi ja leikkuureuna työntyy ulos puristimista enintään puolentoista syvyyteen merkistä. Tämä minimoi lyönnin ja voit lisätä nopeutta 20-50 tuhanteen kierrokseen minuutissa. Joskus akselille laitetaan useita kiekkoja useiden riskien luomiseksi samanaikaisesti. Menetelmä mahdollistaa levyn koko paksuuden leikkaamisen, mutta sitä käytetään yleensä raapimiseen, jota seuraa halkaisu.
  4. Kemiallinen kirjoittaminen on kirjoittamista kemiallisen syövytyksen avulla. Toimenpiteen suorittamiseksi tehdään alustavasti fotolitografia muodostamalla ikkunoita levyn molemmille puolille jakoalueille ja jakoalueet syövytetään. Tämän menetelmän muunnelma on päästä päähän anisotrooppinen etsaus, jossa käytetään eroa etsausnopeudessa kristallografisten akselien eri suuntiin. Tärkeimmät menetelmän käyttöä rajoittavat haitat ovat vaikeus sovittaa ikkunoiden kuvioita levyn molemmille puolille syövytystä varten ja kiteiden sivusyövytys maskin alla. Menetelmä mahdollistaa sekä levyn syövytyksen osan paksuudesta että koko paksuudelta.
  5. Leikkaaminen terästerillä tai -langoilla - terät tai lanka hankaa levyjä vasten, kosketuskohtaan levitetään hankaavaa lietettä. On olemassa vaara, että rikkinäinen kangas tai lanka voi vahingoittaa valmiita rakenteita. Myös jousituksen koostumuksen vaihtelut, laitteiston mekaaniset vääristymät voivat aiheuttaa vikoja. Menetelmää käytettiin pientuotannossa ja laboratorioissa. Menetelmä mahdollistaa levyn koko paksuuden leikkaamisen, mutta sitä käytetään yleensä raapimiseen, jota seuraa halkaisu.
  6. Leikkaus lasersäteellä : naarmuja syntyy, kun substraattimateriaali haihtuu fokusoidun lasersäteen vaikutuksesta. Menetelmän soveltamista rajoittaa levyjen paksuus, ja koska levyjen suurempi halkaisija vaatii suurempaa paksuutta vaaditun jäykkyyden ylläpitämiseksi, läpierotusta ei aina käytetä (alle 100 mikronia - leikkaus on mahdollista, alkaen 100 450 mikroniin - vain kirjoitus). Läpierotuksen yhteydessä levyn myöhempää hajoamista kiteiksi ei tarvita. Tätä menetelmää ei suositella käytettäväksi galliumarsenidia sisältävien levyjen leikkaamiseen erittäin myrkyllisten yhdisteiden vapautumisen vuoksi. Neuvostoliitossa tähän menetelmään käytettiin pääasiassa yttrium-alumiinigranaatista ja rubiinista valmistettuja lasereita. Suurin ongelma käytettäessä lasersäteellä leikkaamista on valmiiden rakenteiden suojaaminen sulan pisaroista ja haihtyneen substraattimateriaalin kondensoitumisesta niihin. Alkuperäinen tapa ratkaista tämä ongelma on käyttää ohutta korkeapaineista vesijohtoa tarkennusvalon ohjaimena ja samalla laserleikkauksen jäähdytysnesteenä.

Naarmujen läpi leikkaamisen jälkeen levyt jaetaan kiteiksi. On kolme päämenetelmää:

  1. Jousikuormitteinen rullamenetelmä: levy laitetaan muovipussiin ja asetetaan paksulle joustavalle kumipohjalle merkit alaspäin ja käyttäjä rullaa merkkejä pitkin jousikuormitteisella telalla. Rikkoutumisen laatu riippuu siitä, kuinka pitkälle rullan liikkeen suunta on yhdensuuntainen riskien kanssa, poikkeaman sattuessa halkeaminen ei ole mahdollista riskien ja kiteiden vaurioitumisen mukaan.
  2. Murtuminen puolipallolle: levyt puristetaan joustavalla kalvolla pallomaisen pinnan päälle. Kalvoa puristetaan joko hydraulisesti tai paineilmalla. Kun halkaisijaltaan yli 76 mm levyjä erotetaan tällä tavalla, hylkyjen prosenttiosuus kasvaa jyrkästi.
  3. Rullaa kahden sylinterimäisen rullan välissä. Tarranauhalla olevaa levyä puristaa teräs- ja kumitela, jotka pyörivät, elastisen kumitelan muodonmuutoksen seurauksena levyyn kohdistuu taivutusvoima.

Kiteiden kiinnittäminen koteloon

Kirjoituksen jälkeen kiteet kiinnitetään kotelon pohjaan:

  1. liimaamalla - käytetään epoksihartsiin perustuvia liimoja, se hajoaa ajan myötä: johtaa lämpöä huonommin, haurastuu, liitoksesta tulee hauras. Tätä menetelmää ei tällä hetkellä käytetä.
  2. eutektinen fuusiomenetelmä : ohut kultakerros levitetään kotelon keraamiseen pohjaan ja levyn kääntöpuolelle ennen erottamista kiteiksi. Kultakalvo asetetaan kiteen kiinnityskohtaan, kristalli asetetaan kotelon pohjalle, kuumennetaan 380 °:een (pii-kultajärjestelmän eutektinen lämpötila on 385 °) ja kohdistetaan pystysuuntainen voima. Korkea hinta mahdollistaa menetelmän käytön vain erityistarkoituksiin.
  3. muovilla sinetöitynä kiteet hitsatulla vahvistuksella asetetaan kantonauhalle.
  4. liitäntä lasien kanssa - koska on vaikea valita lasia, jolla on alhainen pehmenemislämpötila ja käytettyjä materiaaleja vastaava lineaarinen laajenemiskerroin, tästä menetelmästä on vähän hyötyä ohutkalvotekniikassa (sopii hybridi- ja paksukalvointegroituihin piireihin )
  5. flip-chip -menetelmä - käytettäessä bulkkijohtoja sekä kide että kaikki johdot kytketään samanaikaisesti.

Johtojen kiinnittäminen siruun

pin-liitäntätavat:

  1. lämpöpuristushitsaus
  2. ultraäänihitsaus
  3. epäsuora pulssilämmitys
  4. kaksoiselektrodihitsaus
  5. laserpistehitsaus
  6. elektronisuihkuhitsaus
  7. elementtien langaton asennus äänenvoimakkuuden johdoilla

Kristallitiiviste

tiivistysmenetelmät - menetelmän valinta riippuu kotelon materiaalista ja muodosta. Kotelot ovat hermeettisiä (metallilasi, metallikeramiikka, keramiikka, lasi) ja ei-hermeettisiä (muovi, keramiikka). Hitsaus: kylmähitsaus; sähkökontaktihitsaus: ääriviiva, rulla, mikroplasma, argonkaari, laser, elektronisuihku; Juotos: konvektiivinen uunissa, kuuma kaasusuihku; liimaus; muovinen tiiviste.

Testaus

Testauksen aikana valvotaan johtojen kiinnityksen laatua sekä laitteiden (paitsi vuotavien) kestävyyttä äärimmäisissä ilmasto-olosuhteissa jalustalla lämmön ja kosteuden sekä mekaanisen rasituksen kestävyyttä isku- ja tärinätelineessä sekä kuin niiden sähköiset ominaisuudet. Testauksen jälkeen instrumentit maalataan ja merkitään.

Muistiinpanot

  1. ↑ Hoerni, JA Patentti US3025589 Method of Manufacturing Semiconductor Devices . – 1959.
  2. ↑ "Digitaaliset integroidut piirit. Suunnittelumenetelmät."="Digital Integrated Circuits" 2. painos, 2007 ISBN 978-5-8459-1116-2 sivu 75

Aiheeseen liittyvää kirjallisuutta