Первоначально берется SiO2 в виде песка, который в дуговых печах (при температуре около 1800°C) восстанавливают коксом:

SiO2 + 2C = Si + 2CO

Такой кремний носит название «технический» и имеет чистоту 98-99.9%. Для производства процессоров требуется гораздо более чистое сырье, называемое «электронным кремнием» - в таком должно быть не более одного чужеродного атома на миллиард атомов кремния. Для очистки до такого уровня, кремний буквально «рождается заново». Путем хлорирования технического кремния получают тетрахлорид кремния (SiCl4), который в дальнейшем преобразуется в трихлорсилан (SiHCl3):

3SiCl4 + 2H2 + Si 4SiHCl3

Данные реакции с использованием рецикла образующихся побочных кремнийсодержащих веществ снижают себестоимость и устраняют экологические проблемы:

2SiHCl3 SiH2Cl2 + SiCl4
2SiH2Cl2 SiH3Cl + SiHCl3
2SiH3Cl SiH4 + SiH2Cl2
SiH4 Si + 2H2

Получившийся в результате водород можно много где использовать, но самое главное то, что был получен «электронный» кремний, чистый-пречистый (99,9999999%). Чуть позже в расплав такого кремния опускается затравка («точка роста»), которая постепенно вытягивается из тигля. В результате образуется так называемая «буля» - монокристалл высотой со взрослого человека. Вес соответствующий - на производстве такая дуля весит порядка 100 кг. Слиток шкурят «нулёвкой»:) и режут алмазной пилой. На выходе – пластины (кодовое название «вафля») толщиной около 1 мм и диаметром 300 мм.
Слиток шкурят «нулёвкой»:) и режут алмазной пилой. На выходе – пластины (кодовое название «вафля») толщиной около 1 мм и диаметром 300 мм.

Тут надо сделать отступление. В ближайшее время планируется переход на пластины диаметром в 450 мм, что удвоит площадь пластин. Площадь пластин чрезвычайна важна в экономическом плане. Так как весь рабочий процесс ведётся с одной пластиной, а не с её частями. А значит, чем больше на пластину влазит(чем больше её площадь и чем меньше площадь микросхемы), тем дешевле и быстрее получается производство.
Например, на одной пластине вмещаются 160 чипов площадью 352 квадратных мм от видеокарты 7950. Или около 250 чипов размером в 250 кв мм intel broadwell. Ядро Cortex-A35, например, занимает 4 кв мм. Так что есть разница, получить за то же время с теми же усилиями 250 процессоров intel или 500.
Кроме других преимуществ в виде производительности и энергопотребления более совершенный техпроцесс позволяет уменьшить площадь микросхемы, значит можно разместить больше чипов на пластине и микросхема выйдет дешевле.
Надо ещё отметить тот факт, что Китай подсадил весь мир на свои пластины. Даже интел их не производит, а закупает.

2.
На кремниевую подложку\вафлю наносят слой материала, из которого нужно сформировать рисунок. На него наносится фоторезист - слой полимерного светочувствительного материала, меняющего свои физико-химические свойства при облучении светом. Потом производится экспонирование (освещение фотослоя в течение точно установленного промежутка времени) через фотошаблон\маску.


и удаление отработанного фоторезиста.


Весь процесс выглядит примерно так:


Операцию печати рисунка (с разными масками) нужно повторить от ~10 (для самых простых и старых микросхем) до ~40 раз чтобы сформировать все нужные слои на микросхеме (начиная от самих транзисторов, и заканчивая 2–10 слоями металлических соединений). Между операциями фотолитографии пластины подвергаются различной обработке - их греют в печке до 1100 градусов, травят в растворах и плазме.

На данный момент оптическая литография столкнулась с пределом роста на 57 нм из-за длины волны лазеров. Применяя хитрости вроде фазовых масок, многократной экспозиции, оптической коррекции близости, off-axis illumination, поляризации света - получают минимальные элементы до 22нм.
В кулуарах конференции Tae-Seung Eom, представляющий компанию Hynix Semiconductor, печально поведал: “Я не хочу разрабатывать двойное паттернирование, но мой босс заставляет. Это просто убивает меня”. “Шаблоны для двойного паттернирования – вот, что не дает мне спать по ночам” - сказал в дискуссии за круглым столом Harry Levinson, руководитель разработок литографических технологий компании AMD. “Но как раз это позволяет мне спокойно спать ночами” - парировал Bert Jan Kamperbeek из компании Mapper Lithography, о которой речь пойдёт немного позже. А сейчас применяется четырёхкратное паттернирование, что ещё более сложно и дорого. Чтобы вы понимали, двойное паттернирование требует два фотошаблона и экспонирования.
Способ литографии на жестком ультрафиолете EUV даёт теоретический максимум в 16 нм.

Сколько стоит сделать процессор?
А теперь немножечко о стоимости процесса. Тут самым интересным является изготовление масок.
Они не должны иметь ни одного повреждения, и их изготовление обходится очень дорого: от ~7"000$ за комплект для микросхем на 1000нм, ~100"000$ для микросхем на 180нм и до ~5"000"000$ для микросхем на 32нм. А ведь микросхема с первого раза скорее всего не заработает - и после нахождения ошибки маски придётся переделывать. Частично с этой проблемой можно бороться размещая тестовые микросхемы от многих заказчиков на одном наборе масок - тогда все получат по чуть–чуть тестовых микросхем за 1/3–1/10 цены полного набора масок (это называют Shuttle или MPW - multi project wafer).
Сколько же должен стоить такой процессор, если производство мелкосерийное? Если сравнивать с процессором интел, которых влезает около 250 на пластину, то 5 000 000$ делим на 250 - 20 000 баксов на чип только за маски! А если они не удались с первого раза, то 40 000! За микросхему, Карл! Чтобы выйти на уровень 20 баксов за чип, надо продать 250 тысяч чипов! А ведь мы ещё не учли стоимость разработки, техпроцесса, корпусировки. Только маски!
По слухам каждая произведённая пластина стоит от 100–400$ для старых технологий на 1000нм, ~1000$ на 180нм и до ~5000$ для самых современных (помимо нанометров тут оказывает влияние и сложность технологии - простая логика дешевле, флеш память дороже, но не в разы).
Чтобы всё это окупить, надо клепать просто дикие масштабы и иметь достаточно ёмкий рынок, куда все эти миллионы микросхем можно слить. Именно поэтому военка и космос стоят космических денег.

3. Разрезание пластины. Упаковка на подложку и корпусировка.

Без комментариев. Хотя перспективно было бы делать теплораспределительные крышки из композитов меди и графена .

И так с производством и основными проблемами слегка разобрались.

Сколько стоит фабрика
Давайте посмотрим, во сколько примерно обойдётся заиметь свой заводик по клепанию чипов.
Для постройки фабрики требуется около 3 лет и порядка $5млрд (10 млрд за завод с 450 мм вафлями)– именно эту сумму должен будет «отбить» завод в последующие 4 года (к тому времени как появятся новые технологический процесс и архитектура, а прибыль будет переть только по последнему техпроцессу, устаревшие технологии идут по себестоимости; необходимая для этого производительность – порядка 100 рабочих кремниевых пластин в час ).
Несмотря на всю сложность индустрии, только монополисты работают с видимой прибылью (TSMC, Intel, Samsung и немногие другие), остальные еле сводят концы с концами. Мало кто может себе позволить выпускать чипы. Ещё меньше тех, кто умеет делать маски.
По всему миру микроэлектроника жесточайше дотируемая отрасль - заводы постоянно выклянчивают освобождение от налогов, льготные кредиты и демпингуют (в Китае пошли ещё дальше - Semiconductor заводы строит за государственный счёт, и потом ими «управляет» - это у них называется Reverse Build-Operate-Transfer). После появления каждой новой технологии (45нм, 32нм...) - первые заводы-монополисты обладающие ей и рубят основную прибыль, а те, кто приходят на 2-5-10 лет позже старта - вынуждены работать практически по себестоимости. В результате денег тут заработать крайне сложно (без монополии и без дотаций).

Проблемы ВПК и космоса.
Как видите, заниматься производством электроники, не имея ёмкого рынка просто невыгодно.
Но что делать военным и Роскосмосу? Ведь у них очень малые заказы и особые требования.
Такие микросхемы обходятся буквально в космические суммы, когда кусочек кремния может стоить дороже всего танка.
Это приводит даже к таким анекдотичным проблемам, когда американский F–22 Raptor по прозвищу "золотой" (ибо стоит на вес золота) до недавнего времени летал на процессоре Intel 960mx, разработанном в 1984–м году !
Можете представить, как дела обстоят у нас. И не удивляйтесь, почему наша техника устарела, а Система Управления Огнём стоит дороже танка и покупается у французов.
У военных и космонавтов (в России всё перемешано) нет нужды в больших сериях, но у них есть особые требования.

Это повышенные требования к надёжности кристалла и корпуса, устойчивости к вибрациям и перегрузкам, влажности, большой температурный диапазон.

В США микросхемы разделяются на коммерческие с диапазоном от 0...70 градусов по Цельсию и индустриальные и военные с диапазоном -40...125С. Не прошедшие проверку понижаются в звании и маркируются, как коммерческие.
Военные по старой привычке очень ценят керамические корпуса. В советские времена пластик не переносил термоциклирование, был пористый, набирал влагу, плохо переносил мороз. Сейчас этих проблем нет.
Керамика дороже, меньше вибростойкость и в целом от больших ускорений проволока, которой контактные площадки на кристалле соединены с выводами микросхемы, может отвалится (в пластиковом корпусе проволока «поддерживается» по всей длине пластиком).
Однако на гражданском рынке нет керамических корпусов. Этакая защита от подделок.

Ну и отдельно рассмотрим космические требования.
Когда гамма и рентгеновское излучение (в том числе вторичное, полученное из-за столкновения электронов с корпусом аппарата) проходит через микросхему - в подзатворном диэлектрике транзисторов начинает постепенно накапливаться заряд, и соответственно начинают медленно изменятся параметры транзисторов - пороговое напряжение транзисторов и ток утечки. Обычная гражданская цифровая микросхема уже после 5000 рад может перестать нормально работать (впрочем, человек может перестать работать уже после 500-1000 рад). На низкой орбите 300-500км (там где и люди летают) годовая доза может быть 100 рад и менее, соответственно даже за 10 лет набранная доза будет переносима гражданскими микросхемами. А вот на высоких орбитах >1000km годовая доза может быть 10"000-20"000 рад, и обычные микросхемы наберут смертельную дозу за считанные месяцы. Шанс получить ошибку в конкретном транзисторе пропорционален его объему, а он быстро уменьшается с уменьшением технологии (т.к. транзисторы становятся не только меньше по площади, но и тоньше). Помимо этого, отмечено аномальное увеличение радиационной стойкости с современными толщинами подзатворных диэлектриков (3нм и менее). В целом, на современных стойких тех.процессах (65нм и менее) рутинно получаются микросхемы выдерживающие дозу облучения в 1млн рад , что превышает все разумные требования по стойкости.

Кроме того существуют Тяжёлые Заряженные Частицы.
ТЗЧ имеют такую высокую энергию(никакая свинцовая защита не поможет от этого снаряда), что «пробивают» микросхему насквозь (вместе с корпусом спутника), и оставляют за собой «шлейф» заряда. В лучшем случае это может привести к программной ошибке (0 стать 1 или наоборот - single-event upset, SEU), в худшем - привести к тиристорному защелкиванию (single-event latchup, SEL). У защелкнутого чипа питание закорачивается с землей, ток может идти очень большой, и привести к сгоранию микросхемы. Если питание успеть отключить и подключить до сгорания - то все будет работать как обычно. Возможно именно это было с Фобос-Грунтом - по официальной версии не-радиационно-стойкие импортные микросхемы памяти дали сбой уже на втором витке, а это возможно только из-за ТЗЧ (по суммарной набранной дозе излучения на низкой орбите гражданский чип мог бы еще долго работать).
Методы борьбы:
1) Следить за потребляемым током, и быстро передергивать питание
2) Использовать микросхемы на сапфировой подложке (Silicon-on-sapphire, SOS, в более общем виде Silicon-on-insulator, SOI).Пластины кремний-на-сапфире стоят дорого, обрабатывать их сложно, и они имеют ограниченное применение в гражданском секторе - соответственно производство получается дорогим.
3) Использовать так называемый triple-well процесс - он также очень сильно снижает возможность защелкивания микросхемы за счет дополнительной изоляции транзисторов pn-переходом, но не требует каких-то особенных пластин или оборудования и соответственно само производство намного дешевле кремния на сапфире.
4) Для исключения программных ошибок блоки могут дублироваться по три блока и ответ принимается таким, каким выдали два блока из трёх.

Как мы видим, никакого особого космоса тут нет и микросхемы производятся обычным техпроцессом с небольшими особенностями.

Подведём итоги:
1. Фотолитография достигла своего технологического потолка и дальнейшее повышение техпроцесса связано с ухищрениями и технологическими трудностями.
2. Производство мелкой серии стоит космических денег. А значит нужен крайне ёмкий рынок, который не может обеспечить РФ.
3. Прибыль идёт в основном только первые пару лет, пока кто-то не введёт новые технологические нормы. Дальше идёт работа по себестоимости. Область крайне дотационная, ибо маржу имеют всё-таки не с чипа, а конечного продукта, например бытовой техники. Так что от мечтаний сказочно разбогатеть, продавая русские микросхемы, придётся отказаться.

Как видим, производство микропроцессоров не может развиваться в России по причине мелкого рынка, а посему приходится закупать, что дают, в Китае, который клепает миллиарды чипов на многочисленных фабриках.
Военные вынуждены покупать свои игрушки за границей по конским ценникам, с дипломатическими проблемами и без всяких гарантий. Именно поэтому мы видим иностранные СУО сомнительного качества на наших танках, которые стоят дороже самих танков. Кроме того у наших "партнёров" есть замечательная возможность скинуть нам брак и неликвид, совершенно негодный для военных действий. Как известно, надежность - уже лет 10 как является результатом компромисса со скоростью и тепловыделением. И пути повышения и снижения надежности очень хорошо изучены: достаточно например не добавлять 1% меди в алюминиевые соединения, или отжигать микросхему не в дейтерии, а в водороде - и срок службы сократиться в 10 раз. Обнаружит ли это тестирование - еще вопрос.

То есть, электронная литография снимает технологический барьер по тонким техпроцессам .
Кроме того, электронным пучком можно управлять. Как на 3Д-принтере, только отклоняют его не механическим способом. И он, как зд-принтер или луч развёртки на экране, способен сформировать любую структуру. А это значит, что маска больше не нужна .
Единичные микросхемы для экспериментов учёных уже давно делаются таким образом.

Однако, в промышленности этот метод не используют. Почему?
Вечная проблема всех 3D-принтеров. Скорость работы.
Насколько медленно?
Для типичных хороших электрон-резистов - экспозиция получается порядка 30 микрокулон на квадратный сантиметр. Это значит, что один луч с током 10nA (10 нанокулон в секунду) засветит 300мм пластину площадью 706 см2 за 706*30/(10*0.001) = 24 дня
Грубо говоря, 10 процессоров в сутки. Ни о чём. Ваще.

Но выход есть!
Выход нашла нидерландская фирма Mapper Litography . Она предлагает распараллелить электронный пучок на множество пучков, каждый из которых будет открываться\закрываться и отклоняться в пределах 2 микрометров.
У Mapper - один мощный источник электронов(энергия 5kV, то есть рассеяние будет ещё ниже, чем на ранее приведённом рисунке), коллиматор (электростатическая линза, фокусирующих их так, чтобы получался широкий параллельный пучок электронов). Затем этот широкий пучок попадает на матрицу бланкеров (на фото справа) - фактически пластина с дырками, у одной из стенок которых - отклоняющий электрод. Когда на электрод подают напряжение - электроны отклоняются и не попадают дальше никуда. Если тока нет - так параллельным пучком и летят дальше.


Слева - Mapper, справа - обычный электронный микроскоп.
Для каждого луча\дырки идут индивидуальные дефлекторы, которые могут отклонять каждый луч примерно на 2 микрометра вдоль одной оси (перпендикулярно движению пластины). И наконец - для каждого луча своя электростатическая линза для фокусировки.
Управляют отклоняющими электродами с помощью лазера, видимо чтобы проводники не вносили искажений в «не свои» каналы.

В результате такую систему намного проще масштабировать - все эти микропластинки с «дырками» изготавливаются по уже отработанным MEMS техпроцессам на серийных заводах, и при необходимости их можно масштабировать и дальше. Электронная оптика максимально упрощена (=удешевлена) - за счет того, что отклонять каждый луч нужно на совсем небольшое расстояние (2 микрона), да еще и вдоль одной оси.
В начале 2012 года в рамках программы IMAGINE компания MAPPER достигла размерности элементов 22 нм, что соответствует следующим технологическим стандартам в микроэлектронике - 14 нм и 10 нм. Вполне современно, как по мне.
Модель Matrix 1.1, имеет 1300 лучей и обрабатывает одну вафлю за час.
Модель Matrix 10.1, имеет 13 260 лучей и обрабатывает 10 вафель в час.
Для достижения промышленной производительности предлагается объединять десять установок в кластер.
А это уже серьёзно. По взрослому.

Цена вопроса:
Производитель ориентируются на стоимость, сравнимую с EUV сканерами из расчета на 1 пластину в час (~500тыс$/wph). Т.к. максимальная производительность у Mapper на одной установке получается 10 пластин в час, для получения тех же ~100 пластин в час - систему предлагается ставить в нескольких экземплярах.
То есть, одна установка на 10 пластин в час стоит примерно 5 млн долларов, а кластер - всего 50 млн долларов. Вполне доступно, как по мне.
Впрочем, тут утверждается, что прогнозируемая стоимость установок E-beam (€50–60 млн) . Надеюсь, это за кластер. Впрочем, и пол-миллиарда не астрономическая сумма в масштабах страны за свою электронику.
Когда же система пойдет в серийное производство - можно ожидать дальнейшего снижения стоимости, т.к. тут нет самых больных мест оптической фотолитографии - источника света (и EUV и ArF лазеры стоят больших денег), сложного и чудовищно дорогого объектива и фотошаблонов, которые нужно изготавливать для каждого нового типа изготовляемых микросхем. А электронная микрооптика - изготовляется серийно хоть в миллионе экземпляров без проблем.

А группа китайских учёных из Канады предложила способ использования крайне дешёвого полистирола в качестве фоторезиста в электронно-лучевой литографии, позволяя создавать 3D объекты до 1.5 микрон высотой при необычайно малой толщине (ниже сотни нанометров).
При этом повышается чувствительность, а вместе с ней и производительность всего метода в целом, так как требуется меньше времени на создание одного «пикселя» и увеличивается производительность. Суть предложенного метода заключается в том, что полистирол наносится на подложку за счёт термического испарения, а затем после воздействия электронного пучка экспонированную область можно легко растворить смесью ксилолов.


К тому же, при желании можно одновременно «рисовать» на изогнутых поверхностях и даже создавать волноводы на таких поверхностях.

Наши возможности.
Инвесторами являются TSMC (Тайвань), STMicroelectronics (Франция) и...Роснано .
В России в 2014 году приступил к работе завод МЭМС(Микроэлектромеханические системы), построенный специально для этих целей и выпускающий электроннооптическую часть данного литографа. Кроме того, такой завод может производить кучу важных датчиков, например, акселерометров, гироскопов, магнитных, барометрических и даже DLP-чипов для проекторов.

То есть насадка на электронный микроскоп, превращающий его в литограф, у нас есть. Но я не слышал о российских электронных микроскопах. Зато слышал об украинских . А это значит, что теоретически мы могли бы производить данные литографы для себя сами, даже в условиях автаркии.

Возможности и перспективы.
Применение данной технологии означает только одно: отныне имеет важность и стоимость только площадь чипа.
Что это значит?
Это значит, что каждый производитель сможет разработать свой чип с минимальным энергопотреблением, в котором не будет ничего лишнего. Ему больше не нужны универсальные контроллеры. Ему не важен объём заказа. Хоть одна микросхема. Стоимость имеет только площадь чипа и исследовательские работы.

Я уже вижу этакий электронный магазин IP-ядер. Где ты выбираешь себе части, которые будут в микросхеме. Вот ядро arm или mips процессора, вот видеоядро, вот вайфай, вот usb 3.0. Ты не рассматриваешь, какой чип из существующих тебе подходит. Ты создаёшь чип под себя, наполняя его стандартными элементами.

Для инженеров это значит, что в любой момент чип можно исправить или улучшить. И не надо тратить сотни тысяч на новую маску. А это значит, что развитие техники пойдёт быстрее. Модными станут опенсорс-ядра, они начнут стремительно развиваться. Проверить новую идею или архитектуру в железе будет стоить буквально копейки. При этом все микросхемы будут изготавливаться по самому совершенному техпроцессу.

Для военных и космоса это означает, что всю электронику можно и нужно будет переделать под свои задачи, учитывая особенности применения в архитектуре. Вся электроника танка или самолёта может быть интегрирована в одну специализированную микросхему, где данными радара будет заниматься большое множество примитивных, заточенных под задачу, параллельных процессоров, а общее "руководство" будет на сложных производительных ядрах общего применения. И всё это будет интегрировано в один чип по цене обычного гражданского процессора. СУО, которая стоит пол-танка станет стоить копейки. ВПК кардинально преобразуется, станет более интеллектуальным, производительным, гибким.

Что приятно, так это возможность постепенно наращивать производство, поставив в кластер сначала 2 машины, потом ещё одну-две-три, сколько угодно. Это очень удобно для нашего маленького рынка и плановой экономики. При этом производство будет сразу по самым современным нормам.

Итого, мы имеем чрезвычайно гибкое производство по последним технологическим нормам(с запасом), которое легко масштабируется и совсем не зависит от величины серии микросхем. Идеально для автаркии!

Мальчики и девочки, это и есть новый техноуклад! Когда производство индивидуальных вещей ничуть не отличается от массовой штамповки. Это индустрия 4.0, детка! Эта та самая основа технологического могущества страны, с которой и надо бы начинать строительство сверхдержавы.
И лучше потратить полмиллиарда или даже 10 млрд на это, чем 2,5 в год на ролс-ройсы и или 6 млрд в месяц на облигации госдолга США .

Где размещать производство?

К сожалению, перенос структуры на подложку является только одной частью техпроцесса. Основной же стоимостью фабрики являются именно "чистые помещения". Кроме чистых помещений ещё требуются установки по осаждению металлов и тд и тп.
Так что нельзя поставить по одной установке в каждом городе и сделать распределённую промышленность, как я бы хотел. Ибо концентрированная промышленность уязвима для ударов противника, диверсий и саботажа.
Однако, это оборудование может быть установлено с минимальными затратами на предприятиях с устаревшим оборудованием. И если Микрон выходит на 65 нм и пока в модернизации не сильно нуждается, то вот эти производства можно модернизировать смело, Родина много не потеряет.

Ангстрем-Т
Хрен поймёшь, что с ним. Вроде ещё не окончен. Обещают 90нм. Так как он в процессе, самое время лепить туда электронную литографию. и делать его основным центром производства.

НИИСИ РАН
Или как его еще называют - «Курчатник». Нормы 350 нм. Объём производства - считанные пластины в день, работает на оборонку. Думаю, что одного такого литографа на 10 пластин в час для армии достаточно.
Но завод должен контроллироваться полностью военными специалистами, которые бы следили за техпроцессом, содержанием меди, дейтерием и прочими технологическими требованиями за качеством микросхем.

Ангстрем («старый»)
Производство с нормами 600нм на пластинах диаметром 150мм (8тыс пластин в месяц) и 100мм, 1200нм кремний-на-сапфире/карбид кремния (4тыс. пластин в месяц).

Интеграл.
Долгое время Белорусский Интеграл обладал технологией 800нм, но несколько лет назад наконец смогли запустить 350нм производство на пластинах 200мм, с объемом производства 1000 пластин в месяц. Также есть своё производство «чистых» пластин диаметром 200мм для 350нм линейки.

Владельцы патента RU 2244364:

Использование: в микроэлектронике, при производстве микросхем. Сущность изобретения: способ изготовления k штук микросхем заключается в том, что n штук элементов устанавливают на общее диэлектрическое основание с внешними выводами. Затем наносят герметизирующий компаунд, который, обволакивая элементы, растекается по поверхности общего диэлектрического основания с внешними выводами, удерживаясь на нем за счет сил поверхностного натяжения. Сформированную таким образом единую заготовку разделяют на части, получая k штук микросхем. Техническим результатом изобретения является создание группового способа изготовления микросхем без использования формообразующей индивидуальный корпус микросхемы оснастки. 2 ил.

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано в производстве микросхем.

В качестве прототипа выбран способ изготовления микросхем, заключающийся в том, что n штук элементов устанавливают на кристаллодержателях выводов, объединенных внешней рамкой. Кристаллодержатели выводов с элементами размещают в оснастке, имеющей k формообразующих индивидуальный корпус микросхемы полостей, которые затем заполняют герметизирующим компаундом. После этого вывода отделяют от внешней рамки, получая k штук микросхем .

Целью изобретения является создание группового способа изготовления микросхем без использования формообразующей оснастки.

Поставленная цель достигается тем, что n штук элементов устанавливают на общее диэлектрическое основание с внешними выводами. Под установкой элементов подразумевается их механическое закрепление на общем диэлектрическом основании и электрическое соединение с внешними выводами и между собой в соответствии с функциональным назначением микросхемы. В качестве элементов могут служить полупроводниковые кристаллы, пленочные и/или чип - электронные компоненты. Описываемый способ позволяет изготавливать одновременно, в одной группе, микросхемы с разным количеством элементов и/или различного функционального назначения. В общем случае количество элементов n≤k. Затем методом, например, окунания наносят герметизирующий компаунд так, чтобы он, обволакивая установленные элементы, растекся по поверхности общего диэлектрического основания с внешними выводами, удерживаясь на нем за счет сил поверхностного натяжения. Нанесенный подобными методами герметизирующий компаунд покрывает всю поверхность общего диэлектрического основания с внешними выводами сплошным слоем. Сформированную таким образом единую заготовку разделяют, например, резкой абразивом с помощью проволоки на части, получая k штук микросхем.

На фигуре 1 представлена последовательность технологических операций изготовления микросхем, n штук элементов 1 устанавливают на общее диэлектрическое основание 2 с внешними выводами 3. Герметизирующий компаунд 4, обволакивая установленные элементы 1, наносят на общее диэлектрическое основание 2. Сформированную таким образом единую заготовку 5, разделяют на части 6, получая k штук микросхем 7. За счет сил поверхностного натяжения верхняя часть индивидуального корпуса микросхем может быть сформирована плоской или куполообразной в зависимости от ширины общего диэлектрического основания с внешними выводами, количества нанесенного герметизирующего компаунда и его вязкости (фигура 2).

Источники информации

1. Патент США № 5317189, кл. H 01 L 23/48, 31.05.94.

Способ изготовления k штук микросхем, отличающийся тем, что n штук элементов устанавливают на общее диэлектрическое основание с внешними выводами, на поверхность которого затем наносят герметизирующий компаунд так, чтобы он, обволакивая установленные элементы, растёкся по поверхности общего диэлектрического основания с внешними выводами, удерживаясь на нём за счёт сил поверхностного натяжения, сформированную таким образом единую заготовку разделяют на части.

Похожие патенты:

Изобретение относится к производству полупроводниковых приборов и может быть использовано при создании структур "кремний на сапфире", предназначенных для изготовления дискретных приборов и интегральных схем, стойких к воздействию дестабилизирующих факторов, например к радиации.

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано в новом технологическом процессе: изготовлении структур кремний на изоляторе или кремний на арсениде галлия (через окисел) путем прямого соединения полупроводниковых пластин.

Изобретение относится к электроадгезионным захватам и предназначено для фиксации пластин и подложек из электропроводящих и диэлектрических материалов при обработке, ориентированном разделении на отдельные кристаллы, подготовке к операциям сборки и монтажа.

Изобретение относится к области полупроводниковой нанотехнологии и может быть использовано для прецизионного получения тонких и сверхтонких пленок полупроводников и диэлектриков в микро- и оптоэлектронике, в технологиях формирования элементов компьютерной памяти

Изобретение относится к полупроводниковой технологии и предназначено для сборки мозаичных фотоприемных модулей. В способе формирования граней чипа для мозаичных фотоприемных модулей наносят защитное покрытие на планарную сторону приборной пластины, после чего, используя лазер, производят скрайбирование и осуществляют раскалывание приборной пластины. Защитное покрытие наносят толщиной, обеспечивающей поглощение лазерного излучения с плотностью энергии меньшей порога плавления в материале защитного покрытия и препятствование его воздействия на полупроводниковый материал. Скрайбирование, формирующее грань, осуществляют с использованием многопроходного режима. В каждом проходе приборной пластины скорость ее движения выбирают из условия отсутствия на поверхности больших зон расплава материала за счет перекрытия световых пятен от импульсного излучения, а также отсутствия уменьшения ширины канавки за счет осаждения расплава. При скрайбировании формируют канавку симметричной V-образной формы, направляя излучение по нормали к поверхности приборной пластины и получая канавку со стенками, образующими с поверхностью приборной пластины тупой угол α, или асимметричной V-образной формы, путем отклонения оптической оси лазерной системы, генерирующей требуемое излучение для скрайбирования, от нормали к поверхности приборной пластины в поперечном направлении формируемой канавки, получая канавку со стенкой со стороны чипа, образующей с поверхностью приборной пластины угол менее величины α и не более 180°-α. В результате достигается повышение эффективности преобразования изображений в мозаичном фотоприемном модуле и расширение области его применения. 5 з.п. ф-лы, 9 ил., 2 пр.

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при производстве электронных приборов. В способе изготовления полупроводникового прибора в полупроводниковой пластине прошивают переходные сквозные отверстия, поверхности отверстий, образовавшиеся сколы, лицевую и обратную поверхности полупроводниковой пластины селективно покрывают изоляционным слоем, поверх изоляционного слоя наносят металлические проводники, необходимые для проведения электротермотренировки и полного контроля всех кристаллов, после электротермотренировки и полного контроля пластину разрезают на кристаллы, годные из которых используют для корпусирования. Изобретение обеспечивает групповую электротермотренировку и полный контроль кристаллов в составе полупроводниковой пластины, что значительно удешевляет производство полупроводниковых приборов. 8 з.п. ф-лы, 5ил.

Группа изобретений касается структурного блока, имеющего в качестве линии инициирования разлома лазерный трек, который состоит из углублений, полученных от лазерного луча, для подготовки последующего разделения этого структурного блока на отдельные конструктивные элементы. Тем самым обеспечивается то, что при разделении на отдельные части разлом всегда происходит вдоль этого лазерного трека, предотвращаются разломы, отклоняющиеся от лазерного трека, и после разламывания формируются ровные и не имеющие осыпаний края излома. Причем расстояние между двумя расположенными рядом углублениями от лазера меньше или равно диаметру этих углублений от лазера, соответственно измеренному на поверхности структурного блока. При этом лазерный трек скомбинирован с выемкой в отдельном конструктивном элементе. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к способам изготовления структур высокочувствительных многоэлементных твердотельных преобразователей изображения - многоэлементных фотоприемников. Технический результат заключается в разработке надежного процесса вскрытия контактных окон при котором минимизируется вероятность замыкания металлических электродов контактных площадок с кремниевой подложкой и снижаются требования к допустимому значению поверхностного сопротивления подзатворного диэлектрика, благодаря чему обеспечивается существенное повышение выхода годных фотоприемников. Способ изготовления высокочувствительного многоэлементного твердотельного преобразователя изображения включает этап изготовления приборной пластины, этап соединения приборной пластины с пластиной-носителем, этап обработки обратной стороны приборной пластины, этап вскрытия контактных окон, этап разделения на чипы и формирования внешних выводов. На этапе вскрытия контактных окон сначала вытравливают окна в слое кремния приборной пластины, расположенные над контактными площадками, большие по размеру, чем размер контактных площадок, при этом используют преимущественно щелочные травители, а затем вскрывают контактные окна в слое диэлектрика, расположенного над контактной площадкой преимущественно методом реактивного ионного травления, используя в качестве травителей фторзамещенные углеводороды. 5 ил.

Использование: для создания сквозных микро- и субмикронных каналов в кристалле кремния. Сущность изобретения заключается в том, что способ создания сквозных микроканалов с диаметрами микронных и субмикронных размеров в кристалле кремния с помощью лазерных импульсов заключается в прошивке отверстия в кристалле кремния лазерным методом за счет наведения фокального пятна на поверхность кристалла и многоступенчатом перемещении этого пятна в направлении к входной поверхности кристалла, при этом для получения микроканалов с диаметрами микронных и субмикронных размеров в кристалле кремния используют инфракрасный фемтосекундный хром-форстерит лазер, а многоступенчатое перемещение фокального пятна в направлении к входной поверхности кристалла проводят с длиной волны излучения 1240 нм, при которой длина пробега фотона в структуре кремния равна 1 см, а энергия кванта меньше ширины запрещенной зоны. Технический результат: обеспечение возможности упрощения способа создания сквозных микро- и субмикронных каналов в кристалле кремния для создания чипов, имеющих возможность охлаждения внутренних слов структуры.

Изобретение относится к технологии производства многокристальных модулей, микросборок с внутренним монтажом компонентов. Технический результат - уменьшение трудоемкости изготовления, расширение функциональных возможностей и повышение надежности микроэлектронных узлов. Достигается тем, что в способе изготовления микроэлектронного узла на пластичном основании перед установкой бескорпусных кристаллов и чип-компонентов соединяют круглую пластину по внешней ее части с опорным металлическим кольцом, наносят тонкий слой кремнийорганического полимера. Устанавливают бескорпусные кристаллы чип-компоненты, ориентируясь на ранее сформированный топологический рисунок, герметизируют кремнийорганическим полимером, достигая толщины полимера равной высоте кольца. Удаляют основание - круглую металлическую пластину, закрепляют дополнительную круглую металлическую пластину с обратной стороны микроэлектронного узла. Проводят коммутацию методом вакуумного напыления металлов или фотолитографией. Наносят слой диэлектрика, второй слой металлизации, защитный слой кремнийорганического полимера. Наносят паяльную пасту на выходные площадки микроэлектронного узла, удаляют дополнительную круглую металлическую пластину с кольцом - проводят вырезку микроэлектронного узла из технологической оснастки. 1 ил.

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано в производстве микросхем

на тему: «Технология изготовления кристаллов полупроводниковых интегральных микросхем »

Дисциплина: «Материаловедение и материалы электронных средств»

Выполнил студент группы 31-Р

Козлов А. Н.

Руководитель Косчинская Е. В.

Орел, 2004

Введение

Часть I. Аналитический обзор

1.1 Интегральные схемы

1.3 Характеристика монокристаллического кремния

1.4 Обоснование применения монокристаллического кремния

1.5 Технология получения монокристаллического кремния

1.5.1 Получение кремния полупроводниковой чистоты

1.5.2 Выращивание монокристаллов

1.6 Механическая обработка монокристаллического кремния

1.6.1 Калибровка

1.6.2 Ориентация

1.6.3 Резка

1.6.4 Шлифовка и полировка

1.6.5 Химическое травление полупроводниковых пластин и подложек

1.7 Операция разделения подложек на платы

1.7.1 Алмазное скрайбирование

1.7.2 Лазерное скрайбирование

1.8 Разламывание пластин на кристаллы

Часть II. Расчет

Заключение

Список используемой литературы

Технология изготовления интегральных микросхем представляет собой совокупность механических, физических, химических способов обработки различных материалов (полупроводников, диэлектриков, металлов), в результате которой создается ИС.

Повышение производительности труда обусловлено в первую очередь совершенствованием технологии, внедрением прогрессивных технологических методов, стандартизацией технологического оборудования и оснастки, механизацией ручного труда на основе автоматизации технологических процессов. Значимость технологии в производстве полупроводниковых приборов и ИС особенно велика. Именно постоянное совершенствование технологии полупроводниковых приборов привело на определенном этапе ее развития к созданию ИС, а в дальнейшем - к широкому их производству.

Производство ИС началось примерно с 1959 г. На основе предложенной к этому времени планарной технологии. Основой планарной технологии послужила разработка нескольких фундаментальных технологических методов. Наряду с разработкой технологических методов развитие ИС включало исследования принципов работы их элементов, изобретение новых элементов, совершенствование методов очистки полупроводниковых материалов, проведение их физико-химических исследований с целью установления таких важнейших характеристик, как предельные растворимости примесей, коэффициенты диффузии донорных и акцепторных примесей и др.

За короткий исторический срок современная микроэлектроника стала одним из важнейших направлений научно-технического прогресса. Создание больших и сверхбольших интегральных микросхем, микропроцессоров и микропроцессорных систем позволило организовать массовое производство электронных вычислительных машин высокого быстродействия, различных видов электронной аппаратуры, аппаратуры управления технологическими процессами, систем связи, систем и устройств автоматического управления и регулирования.

Микроэлектроника продолжает развиваться быстрыми темпами, как в направлении совершенствования полупроводниковой интегральной технологии, так и в направлении использования новых физических явлений.

Часть I . Аналитический обзор

1.1 Интегральные схемы

В процессе развития микроэлектроники (МЭ) номенклатура ИС непрерывно изменялась. Главный тип ИС в настоящее время - полупроводниковые ИС.

Классификация ИС.

Классификация ИС может производиться по различным признакам, ограничимся одним. По способу изготовления и получаемой при этом структуре различают два принципиально разных типа интегральных схем: полупроводниковые и пленочные.

Полупроводниковая ИС - это микросхема, элементы которой выполнены в приповерхностном слое полупроводниковой подложки. Эти ИС составляют основу современной микроэлектроники.

Пленочная ИС - это микросхема, элементы которой выполнены в виде разного рода пленок, нанесенных на поверхность диэлектрической подложки. В зависимости от способа нанесения пленок и связанной с этим их толщиной различают тонкопленочные ИС (толщина пленок до 1-2 мкм) и толстопленочные ИС (толщина пленок от 10-20 мкм и выше).

Поскольку до сих пор никакая комбинация напыленных пленок не позволяет получить активные элементы типа транзисторов, пленочные ИС содержат только пассивные элементы (резисторы, конденсаторы и т. п.). Поэтому функции, выполняемые чисто пленочными ИС, крайне ограничены. Чтобы преодолеть эти ограничения, пленочную ИС дополняют активными компонентами (отдельными транзисторами или ИС), располагая их на той же подложке и соединяя с пленочными элементами. Тогда получается ИС, которую называют гибридной.

Гибридной ИС (или ГИС) - это микросхема, которая представляет собой комбинацию пленочных пассивных элементов и активных компонентов, расположенных на общей диэлектрической подложке. Дискретные компоненты, входящие в состав гибридной ИС, называются навесными, подчеркивая этим их, обособленность от основного технологического цикла получения пленочной части схемы.

Еще один тип «смешанных» ИС, в которых сочетаются полупроводниковые и пленочные интегральные элементы, называют совмещенными.

Совмещенная ИС - это микросхема, у которой активные элементы выполнены в приповерхностном слое полупроводникового кристалла (как у полупроводниковой ИС), а пассивные нанесены в виде пленок на предварительно изолированную поверхность того же кристалла (как у пленочной ИС).

Совмещенные ИС выгодны тогда, когда необходимы высокие номиналы и высокая стабильность сопротивлений и емкостей; эти требования легче обеспечить с помощью пленочных элементов, чем с помощью полупроводниковых.

Во всех типах ИС межсоединения элементов осуществляются с помощью тонких металлических полосок, напыленных или нанесенных на поверхность подложки и в нужных местах контактирующих с соединяемыми элементами. Процесс нанесения этих соединительных полосок называют металлизацией, а сам «рисунок» межсоединений - металлической разводкой.

В данной курсовой работе рассмотрена технология изготовления плат полупроводниковых интегральных микросхем. Полупроводниковая интегральная микросхема – это микросхема, элементы которой выполнены в приповерхностном слое полупроводниковой подложки. Эти ИС составляют основу современной микроэлектроники. Размеры кристаллов у современных полупроводниковых интегральных микросхем достигают 20x20 мм, чем больше площадь кристалла, тем более многоэлементную ИС можно на ней разместить. При одной и той же площади кристалла можно увеличить количество элементов, уменьшая их размеры и расстояния между ними.

1.2 Требования к полупроводниковым подложкам

Полупроводники в виде пластин или дисков, вырезанных из монокристаллов, называются подложками. В их объеме и на поверхности методами травления, окисления, диффузии, эпитаксии, имплантации, фотолитографии, другими технологическими приемами формируются элементы микросхем электронных приборов и устройств.

Качество поверхности подложки определяется ее микрорельефом (шероховатостью), кристаллическим совершенством поверхностных слоев и степенью их физико-химической чистоты. Поверхность подложки характеризуется неплоскостностью и непараллельностью. Высокие требования предъявляются и к обратной - нерабочей стороне подложки. Неодинаковая и неравноценная обработка обеих сторон подложки приводит к дополнительным остаточным механическим напряжениям и деформации кристалла, что обусловливает изгиб пластин.

После механической обработки в тонком приповерхностном слое подложки возникает нарушенный слой. По глубине он может быть разделен на характерные зоны. Для кристаллов Ge, Si, GaAs и других после их резки и шлифования на глубине 0,3...0,5 средней высоты неровностей расположена рельефная зона, в которой наблюдаются одинаковые виды нарушений и дефектов монокристаллической структуры: монокристаллические сколы, невыкрошившиеся блоки, трещины, выступы и впадины различных размеров. После резки дефекты располагаются в основном под следами от режущей кромки алмазного диска в виде параллельных дорожек из скоплений дефектов, в шлифованных кристаллах - равномерно по сечению. При полировании первый слой представляет собой поверхностные неровности, относительно меньшие, чем при шлифовании, и в отличие от шлифованной поверхности он является аморфным. Второй слой также аморфный, его глубина в 2...3 раза больше, чем поверхностные неровности. Третий слой является переходным от аморфной структуры к ненарушенному монокристаллу и может содержать упругие или пластические деформации, дислокации, а в некоторых случаях и трещины. В процессе обработки и подготовки поверхности подложек полупроводников необходимо создание совершенных поверхностей, имеющих высокую степень плоскопараллельности при заданной кристаллографической ориентации, с полным отсутствием нарушенного слоя, минимальной плотностью поверхностных дефектов, дислокаций и т.д. Поверхностные загрязнения должны быть минимальными.

3 Характеристика монокристаллического кремния

Физико-химические свойства кремния

1.Оптимальное значение ширины запрещенной зоны, которая обусловила достаточно низкую концентрацию собственных носителей и высокую рабочую температуру.

2.Большой диапазон реально достижимых удельных сопротивлений в пределах от 10 -3 Ом-см (вырожденный) до 10 5 (близкий к собственному).

3.Высокое значение модуля упругости, значительная жесткость (большая, чем, например, у стали).

Процесс изготовления современных полупроводникоых ИС весьма сложен. Он проводится только в специальных помещениях с микроклимитом на прецезионном оборудовании. В настоящее время для создания полупроводниковых ИС на биполярных транзисторах используется несколько разновидностей технологических процессов, отличающихся главным образом способами создания изоляции между отдельными элементами . Основные технологические операции изготовления полупроводниковых микросхем можно разделить на шесть этапов.

1. Подготовка слитков к резке на пластины. Первоначально выращивают слиток кремния, затем этот слиток готовят к резке на пластины - отрезают затравочную и хвостовую часть, а также удаляют части слитка с электрофизическими параметрами, не соответствующими установленным нормам или с недопустимыми требованиями. Калибровка выполняется шлифовкой по образующей поверхности слитка (круглое шлифование) шлифовальным кругом. После калибровки торцы слитка подшлифовывают так, чтобы они были строго перпендикулярны геометрической оси слитка, а для удаления механически нарушенного слоя и загрязнений слиток травят. Контроль кристаллографической ориентации торца слитка и базового среза выполняется рентгеновским или оптическим методами. Базовый и дополнительные срезы получают сошлифовыванием слитка по образующей алмазным кругом на плоско-шлифовальном станке. Для получения срезов слиток соответствующим образом закрепляют в специальном зажиме. После базового среза слиток разворачивают в зажиме, закрепляют и сошлифовывают вспомогательный срез. После шлифования срезов слиток травят.

2. Резка слитков на пластины. Резка слитка является важной операцией в маршруте изготовления пластин, она обуславливает ориентацию поверхности, толщину, плоскостность и параллельность сторон, а также прогиб.

Основным методом резки кремниевых слитков на пластины является резка диском с внутренней режущей алмазосодержащей кромкой. Отрезаемые пластины в зависимости от устройства станков переносятся вакуумным съемником или остаются на оправке. Пластины после резки подвергаются очистке от клеющих, смазочных материалов, частиц пыли.

Преимущества резки диском с внутренней режущей кромкой: высокая скорость резания (до 40 мм/мин); хорошее качество обработки поверхности (8-ой класс шероховатости); малый разброс по толщине пластин (±20 мкм); небольшие отходы материала.

Недостатки резки диском с внутренней режущей кромкой: сложность установки алмазного диска, его натяжения и центровки, зависимость качества и точности обработки от точности и качества инструмента.

Этот метод в сравнении с другими методами обеспечивает лучшее качество пластин и большую производительность процесса.

3.Шлифование пластин кремния. Под шлифованием понимают процесс обработки поверхностей заготовок на твердых дисках - шлифовальниках из чугуна, стали, латуни, стекла и других материалов с помощью инструментов - шлифовальников и абразивной суспензии (обработка свободным абразивом) или с помощью алмазных шлифовальных кругов (обработка связанным абразивом).

Процесс двустороннего шлифования свободным образивом выполняется на специальных станках. Перед шлифованием пластины сортируют по толщине. Контролируют неплоскостность рабочей поверхности шлифовальников, в случае необходимости выполняют правку - подшлифовку с кольцевыми притирами. Затем шлифовальники очищают от пыли и других загрязнений, промывают водой смазывают глицерином. На поверхность нижнего шлифовальника устанавливают зубчатые кольца сепараторы, которые должны иметь специальные допуски по толщине, а толщина должна быть несколько меньше требуемой после шлифования толщины пластин. Обрабатываемые поверхности укладывают в отверстия сепараторов.

При вращении верхний шлифовальник свободно устанавливается на поверхности пластин. Движение шлифовальника через цевочные колеса передается сепараторам. Пластины, увлекаемые сепараторами совершают сложные перемещения между шлифовальниками, чем достигается равномерность их обработки и износа шлифовальников.

Для двустороннего шлифования применяют водные и глицериновые суспензии микропорошков карбида кремния зеленого или электрокорунда белого с зернистостью от М14 до М5.

Этот метод более производителен, обеспечивает высокую точность обработки поверхности, не требует наклейки пластины.

4.Снятие фаски. Фаски с боковых поверхностей пластин можно снимать абразивной обработкой либо химическим травлением собранных в специальной кассете заготовок. Наиболее часто фаски снимают методом шлифовки профильным алмазным кругом на специальном станке.

5.Полирование пластин. Полировка обеспечивает минимизацию микронеровностей поверхности пластин и наименьшую толщину нарушенного слоя.Её производят на мягких доводочных полировальниках (круги обтянутые замшей, фетром, батистом, велюром) с помощью использования алмазной пасты, суспензии.

Полирование выполняют в несколько этапов, постепенно уменьшая размер зерна и твердость абразива, а на последнем этапе полностью исключают абразивное воздействие на обрабатываемый материал. Последний этап безабразивного воздействия позволяет полностью удалить механически нарушенный слой с поверхности пластины.

Существует несколько методов полирования:

· Механическое (предварительное и промежуточное) полирование. Его выполняют алмазными суспензиями и пастами с размером зерна от 3 до 1 мкм. Механическое полирование по своей сущности не отличается от шлифования, отличие состоит лишь в применяемых абразивных материалах, их зернистости, материале полировальника и режиме обработки. При использовании для полирования алмазных суспензий и паст на поверхности пластин образуется тонкая сеть рисок (“алмазный фон”), возникающих под действием острых режущих граней алмазных зерен. С целью удаления “алмазного фона” и уменьшения шороховатости поверхности иногда выполняют механическое полирование более мягкими абразивными материалами.

· Тонкое механическое полирование выполняется мягкими полировальными составами на основе оксидов алюминия, кремния, хрома, циркония и других размером зерна менее 1 мкм с помощью полировальников из ворсовых материалов, в которых могут утопиться субмикронные зерна порошка. Это уменьшает рабочую поверхность зерен и улучшает качество обработки поверхности пластин.

· Химико-механическое полирование. Оно отличается тем, что кроме обычного абразивного воздействия поверхность подвергается химическому воздействию. Полирующие составы - суспензии, золи, гели из субмикронных порошков оксидов кремния (аэросил), циркония, алюминия - приготавливаются на основе щелочи.

Выберем механическое полирование, которое будет выполняться алмазной суспензией из порошка АСМ3, односторонняя, частота вращения полировальника не более 30…40 об/мин. При переходе на порошок АСМ1 частоту вращения полировальника снижаем, нагрузку на пластину увеличиваем. После полировки пластину надо тщательно промыть в мыльных растворах.

6.Физическая очистка. Для последующих операций очень важна чистота поверхности. Поэтому перед началом, а также неоднократно в течение технологического цикла производят очистку , удаляя посторонние вещества с помощью промывки, растворения и т.п. Процессы очистки пластин и подложек предназначены для удаления загрязнений до уровня, соответствующего технологически чистой поверхности. Наиболее важна очистка поверхности после механической обработки, перед термическими процессами, перед нанесением различного рода покрытий, плёнок, слоёв. При очистке в первую очередь необходимо удалить молекулярные органические и химически связанные с поверхностью загрязнения, а затем - остаточные ионные и атомарные. При физической жидкостной очистке происходит десорбция адсорбированных поверхностью загрязнений без изменения их состава, т.е. без химических реакций, путем простого растворения. Поскольку возможно обратное загрязнение поверхности из очищаемой жидкости, необходимо следовать принципу ее непрерывного обновления (освежения).

Обезжиривание (отмывка) в органических растворителях (толуоле, четыреххлористом углероде, дихлорэтане, спиртах: этиловом, метиловом, изопропиловом и др.) применяется для удаления с поверхности пластин (подложек) жиров животного и растительного происхождения, минеральных масел, смазок, воска, парафина и других органических и механических соединений.

Обезжиривание погружением выполняют в специальных герметичных установках с двумя-четырьмя сваренными в единый блок ваннами с повышающимся уровнем жидкости. Контролируемыми параметрами процесса обезжиривания для данного количества пластин и данной порции конкретного растворителя и время обработки.

Обезжиривание в парах растворителя применяют для удаления малорастворимых с высокой температурой плавления загрязнений. Для обработки в парах применяют изопропиловый спирт, фреоны, хлорированные углеводороды. Недостатки данного метода: необходимость предварительной очистки растворителей; необходимость создания герметичных рабочих камер установок; большие расходы растворителя.

Ультразвуковое обезжиривание выполняют в специальных ваннах, дно и стенки которых совершают колебания с ультразвуковой частотой. Данный метод обеспечивает гораздо большую производительность, и улучшают качество не только обезжиривания, но и других операций жидкостной обработки.

7.Отмывка водой применяется для очистки полярных растворителей после обезжиривания, от остатков травителей, флюсов, кислот, щелочей, солей и других соединений. Также как и в органических растворителях, отмывка в воде сопровождается растворением загрязнений или механическим смыванием пылинок ворсинок и других частиц. Отмывку выполняют в подогретой до 50 … 60 °С деионизованной воде.

8. Химическая очистка. Этот вид обработки предусматривает разрушение загрязнений или поверхностного слоя очищаемого обьекта в результате химических реакций.

Хорошие результаты обеспечивает очитка кремния в растворе” Каро” . Именно этот метод будет использован в данном курсовом проекте - очистку смесью Каро с последующей более “мягкой”

очисткой в перекисно-аммиачном растворе. Классический состав смеси Каро для химической очистки поверхности кремния и оксида кремния, объёмное соотношение компонент находится в пределах

H 2 SO 4: H 2 O 2 = 3:1

Химическая очистка в этой смеси проводится при Т = 90 -150 о С. Смесь Каро позволяет очистить поверхность полупроводниковой пластины от органических загрязнений и, частично, от ионных и атомарных примесей. Кислота Каро устойчива в кислых средах и является очень сильным окислителем. Эта смесь способна очистить поверхность кремниевой пластины и от неметаллических загрязнений.

9.Эпитаксия. Эпитаксия - процесс наращивания монокристаллических слоев на монокристаллических подложках. Монокристаллические подложки в процессе эпитаксиального наращивания выполняют ориентирующую роль заставки, на которой происходит кристаллизация. Основная особенность - слои и локальные области противоположного типа проводимости или с отличной от полупроводниковой пластины концентрацией примеси представляют собой новые образования над исходной поверхностью. В процессе роста эпитаксиальные слои легируют, т.е. в них вводят донорные или акцепторные примеси. Особенностью также является то, что появляется возможность получения высокоомных слоев полупроводника на низкоомных пластинах.

При жидкофазовой эпитаксии атомы растущего слоя оседают на подложку из расплава или раствора, из которого необходимо вырастить соответствыущий слой. Второй вид эпитаксии - из парогазовой фазы - который и будет использоваться в данной технологии, основан на взаимодействии газа с пластиной. Здесь важными параметрами процесса является температуры газового потока и пластины. Можно использовать тетрахлорид кремния SiCl 4 либо силан SiH 4 .

Хлоридный метод основан на использовании химического взаимодействия паров тетрахлорида кремния с чистым водородом при Т =1200 о С:

SiCl 4 (газ) + 2H 2 (газ) = Si(тв) + 4HCl(газ)

Скорость роста эпитаксиального слоя может быть ограничена либо процессами массопереноса, т.е. количеством подводимых к поверхности подложек молекул реагентов или отводимых диффузией от подложки продуктов химических реакций, либо скоростями химических реакций. Основной недостаток - высокие температуры процесса, приводящие к диффузии примесей из пластин в растущий слой, а также автолегированию. Кроме того, обратимость реакции восстановления тетрахлорида требует высокой точности поддержания режима осаждения слоя.

Силановый метод основан на использовании необратимой реакции

термического разложения силана:

SiH 4 ------------->Siv+2H 2 ^

Установка для выращивания слоев эпитаксиальных слоев силановым методом близка по устройству к установке, используемой в хлоридном методе, и для предосторожности при работе с моносиланом она снабжается системой для откачки воздуха и следов влаги. Совершенные монокристаллические слои получаются при температурах разложения моносилана 1000 … 1050 °С, что на 200 … 150°С ниже чем при восстановлении тетрахлорида кремния. Это уменьшает нежелательную диффузию и автолегирование, что позволяет изготовить эпитаксиальные структуры с более резкими границами переходов. Скорость роста слоев выше чем при восстановлении тетрахлорида кремния.

Недостаток этого метода - самовоспламеняемость и взрывоопасность моносилана, требующие специальных мер предосторожности. Токсичность силана.

В данном курсовом проекте будем использовать SiCl 4 . т.к. с этим газом удаётся выращивать монокристаллические слои кремния, сохраняющие кристаллическую ориентацию кремниевой подложки без поверхностных нарушений.

Процесс эпитаксиального наращивания будет происходить в эпитаксиальном реакторе.

10.Оксидирование. Оксидирование можно проводить несколькими способами, такими как анодное оксидирование, катодное напыление оксидного слоя, либо термическое оксидирование кремния. Термическое оксидирование, как и другие высокотемпературные процессы предъявляют жесткие требования к кремниевым исходным слиткам (нежелательно содержание в них кислорода и углерода), к качеству процессов изготовления и очистки пластин. Оксидирование кремния сопровождается: диффузией кислорода под слой диоксида кремния; обогащением поверхностного слоя толщиной 1…2 мкм кислородом выше предела растворимости за счет напряженного состояния решетки кремния; взаимодействием кислорода с дефектами исходной пластины и генерацией дополнительных дислокаций и дефектов упаковки. На дефектах быстро скапливаются примеси диффундирующих металлов натрия, меди, железа и др. Поскольку именно в этом тонком слое формируются элементы ИМС, все это приводит к деградации их электрических параметров. Концентрацию кислорода в при поверхностном слое кремния снижают при отжиге пластин кремния в атмосфере азота при 1000 … 1100 °С. Поиск путей совершенствования процесса термического оксидирования привел к появлению модификаций метода термического оксидирования кремния.

Нанесение плёнок SiO на пластины кремния термическим окислением кремния при атмосферном давлении в горизонтальных цилиндрических кварцевых реакторах - наиболее распространённый метод. Температура окисления лежит в интервале 800…1200 о С и поддерживается с точностью ± 1 о С для обеспечения однородности толщины плёнок. Будем производить комбинированное окисление как в сухом кислороде, т.к. в этом случае плёнки SiO 2 получаются высокого качества, несмотря на то, что скорость окисления в этих условиях мала, так и во влажном кислороде (происходит всё с точностью до наоборот).

Основные реакции:

1. сухое оксидирование в атмосфере чистого кислорода:

Si(тв) > SiO 2 (тв)

2. влажное оксидирование в смеси кислорода с водяным паром:

Si(тв) + 2H 2 O > SiO 2 (тв) + H 2

Скорость оксидирования определяется самым медленным этапом диффузионного проникновения окислителя сквозь растущую пленку к границе раздела SiO 2 >Si. Коэффициенты диффузии сильно зависят от температуры. При низких температурах коэффициенты диффузии, а следовательно, скорость роста пленки малы. Повысить скорость роста можно либо увеличением давления в реакционной камере установки, либо повышением температуры процесса.

11.Фотолитография. Суть процесса фотолитографии состоит в следующем. Чувствительные к свету фоторезисты наносятся на поверхность подложки и подвергаются воздействию излучения(экспонированию). Использование специальной стеклянной маски с прозрачными и непрозрачными полями (фотошаблона) приводит к локальному воздействию на фоторезист и, следовательно, к локальному изменению его свойств. При последующем воздействии определенных химикатов происходит удаление с подложки отдельных участков пленки фоторезиста, освещенных и неосвещенных в зависимости от типа фоторезиста (проявления). Таким образом, из пленки фоторезиста создается защитная маска с рисунком, повторяющим рисунок фотошаблона.

В зависимости от механизма фотохимических процессов, протекающим под действием излучения, растворимость экспонированных участков может либо возрастать, либо падать. Соответственно, при этом фоторезисты является либо позитивными, либо негативными. Пленка позитивного фоторезиста под действием излучения становится неустойчивой и растворяется при проявлении, пленка негативного фоторезиста, наоборот, под действием излучения становится нерастворимой, в то время как неосвещенные участки при проявлении растворяются.

Свойства фоторезистов определяются рядом параметров:

· Чувствительность к излучению

В свою очередь, существуют некоторые критерии чувствительности: высокие защитные свойства локальных участков.

· Разрешающая способность фоторезиста.

· Кислостойкость (стойкость фоторезистов к воздействию агресивных травителей)

Технологический процесс фото литографии проводится в следующей последовательности:

1. Очистка поверхности подложки;

2. Нанесение фоторезиста (ФП-330) и распределение его по всей поверхности с помощью центрифугирования;

3. Сушка фоторезиста (15 мин при Т = 20 о С).

4. Совмещение фотошаблона с подложкой:

5. Экспонирование - засветка через фотошаблон УФ-лучами, t = 1ч2с;

6. Проявление: химическая обработка в специальных проявителях;

7. Задубливание производят для окончательной полимеризации оставшегося фоторезиста: термообработка при Т = 120 о С, t = 20мин;

8. Травление оксида кремния водным раствором плавиковой кислоты, лучше применяют буферные добавки солей плавиковой кислоты;

9. Удаление фоторезиста производится в щелочных средах.

10. Промывка пластины кремния в деионизованной воде с использованием УЗ и сушат при Т = 120 о С.

Для изготовления фотошаблонов используется, в основном, два метода. Первый метод основан на сочетании оптических и прецизионных механических процессов. Суть метода состоит в механическом вырезании первичного оригинала (увеличенного в 200…500 раз рисунка), в последующем фотографическом уменьшении размеров рисунка и его мультиплицировании. Во втором методе - фотоноборе - весь топологический рисунок разделяется на прямоугольники различной площади и с различным отношением сторон в зависимости от формы составляющих его элементов. Эти прямоугольники последовательной фотопечатью наносятся на фотопластинку, где, в конечном счете, образуется промежуточный фотошаблон с десятикратным увеличением рисунка по сравнению с заданным.

В данном курсовом проекте будем использовать позитивный фоторезист, т.е. свет разрушает полимерные цепочки: растворяются засвеченные участки. Позитивные фоторезисты обеспечивают более резкие границы растворённых (проявленных) участков, чем негативные, т.е. обладают повышенной разрешающей способностью, но имеют меньшую чувствительность и требуют большего времени экспонирования. Фотошаблон будет представлять собой стеклянную пластину, на одной из сторон которой нанесена тонкая непрозрачная плёнка Cr. Несколько капель раствора фоторезиста необходимо нанести

на окисленную поверхность кремниевой пластины, а потом с помощью центрифуги его распределить тонким (около 1мкм) слоем, высушить.

Существует контактная фотолитография, при которой фотошаблон плотно прилегает к поверхности подложки с нанесённым фоторезистом, и бесконтактная.

Бесконтактная фотолитография на микрозазоре основана на использовании эффекта двойного или множественного источника излучения. УФ-лучи подаются на фотошаблон под одинаковым углом, за счёт чего дифракционные явления сводятся к минимуму, и повышается точность передачи рисунка. Недостатком является очень сложное оборудование. Проекционная фотолитография основана на упрощённом процессе совмещения, т.к. с помощью специальных объективов изображение фотошаблона проектируется на пластину.

Удаление фоторезиста обычно производят в щелочных составах (NaOH).

12.Легирование. Легирование - введение примесей в пластину или эпитаксиальную плёнку. При высокой температуре (около 1000 о С) примесные атомы поступают через поверхность и распространяются вглубь вследствие теплового движения. Легирование полупроводников бывает трёх видов:

1. Диффузионное легирование - основано на использовании известного явления диффузии, т.е. направленного перемещения частиц вещества в сторону убывания их концентрации. Движущей силой является градиент концентрации атомов или молекул вещества. При диффузии выпрямляющие или концентрационные контакты получают в исходной пластине, изменяя ее свойства легированием на необходимую глубину. Диффузионные слои имеют толщины от сотых долей микрометров. Отличительной особенностью является неравномерное распределение концентрации примеси по глубине: концентрация максимальна возле поверхности и убывает вглубь слоя. Концентрация и распределение примеси во многом определяются свойствами примеси, легируемого материала и источника примеси.

2. Ионное легирование - осуществляется ионизированными атомами примеси, имеющими энергию, достаточную для внедрения в полупроводник. Также необходим отжиг для устранения радиационных нарушений структуры полупроводника и для электрической активации донорных и акцепторных примесей. Основной особенностью является возможность воспроизводимого получения заданной концентрации примеси на данной глубине практически на любой площади пластины. Это обусловлено тем, что можно с большой точностью задавать ток ионного луча. Распределениями примесей можно легко управлять в широких пределах, изменяя дозу облучения, энергию и угол падения ионов. Ионы примеси получают в специальных источниках, ускоряют и фокусируют в электрическом поле. Пучок ионов бомбардирует подложку. Ионы примеси размещаются в кристаллической решётке. Характеристики ионнолегированных слоев получаются более воспроизводимыми, чем при диффузии.

3. Радиационно-стимулиронанная диффузия - основана на внедрении примеси в результате бомбардировки кристалла лёгкими ионами с энергией, достаточной для смещения атомов подложки. Облучение проводится в процессе термообработки (t = 600-700 о С) или непосредственно перед ней.

Для данного курсового проекта будет использована высокотермическая диффузия, т.к. недостатком ионной имплантации является нарушение структуры поверхностного слоя и увеличение дефектов, а также сложность технологического оборудования. Диффузия будет проводиться традиционным методом открытой трубы из газообразных источников (BBr 3 ,PH 3) и твёрдых источников (оксид сурьмы).

13. Металлизация. Все системы металлизации, применяемые в настоящее время, можно разделить на следующие типы: однослойная, многослойная, многоуровневая, объемная (объемные выводы).

· Однослойная аллюминевая металлизация применяется преимущественно в ИМС малой степени интеграции, маломощных, работающих на частотах до 1 ГГц, не рассчитанные на высокие требования к надежности.

· Многослойная металлизация в ряде случаев полнее отвечает предъявляемым требованиям, но менее технологична, т.к. содержит не один слой металла. Обычно состоит из нескольких слоев: контактный слой - первый по порядку нанесения на кремниевую пленку (вольфрам, молибден, хром, никель, алюминий, титан, палладий, силициды тугоплавких металлов); разделительный слой - применяется в случаях, когда сложно подобрать согласующиеся материалы контактного и проводящего слов; проводящий слой - последний по порядку нанесения слой металлизации, должен иметь хорошую электропроводность и обеспечивать качественное надежное подсоединение контактных площадок к выводам корпуса (медь, алюминий, золото)

· Многоуровневая металлизация применяется в больших и сверхбольших ИМС. Увеличение числа элементов увеличивает и площадь межэлементных соединений, поэтому их размещают в несколько уровней.

В данном курсовом проекте будем проводить однослойная аллюминевую металлизацию.

14.Скрайбирование. Осуществлять скрайбирование необходимо алмазным резцом. Это приводит к образованию в пластине сравнительно глубоких (до 50…100мкм) и узких (до 25…40мкм) канавок. Достоинством этого скрайбирования является простота и низкая стоимость.

Разламывание пластин на кристаллы после скрайбирования необходимо осуществлять механически, приложив к ней изгибающий момент. Эту операцию выполняется на сферической опоре.

Достоинством этого способа являются простота, высокая производительность (ломка занимает не более 1…1.5мин) и одностадийность, а также достаточно высокое качество, так как кристаллы не смещаются относительно друг друга.

Укрупненные схемы технологических процессов изготовления полупроводниковых (монолитных) приведена ниже.

Рис. 1.

Опишем технологический процесс производства интегральной микросхемы генератора напряжения.

На первоначальном этапе происходит формирование слитков кремния и резка этих слитков алмазными дисками с внутренней режущей кромкой на пластины - базовые кристаллы, на которых будут сформированы в последствии элементы микросхем. Поверхность кристалла тщательно шлифуют для устранения поверхностных повреждений, полученных в результате резки. Производят полировку, причем разными материалами - алмазной суспензии, порошкообразными материалами. Затем производят очистку с целью удаления поверхностного слоя, в которых находятся поверхностные механические напряжения. Для этого над поверхностью пластины пропускают HCl при высокой температуре и обмывают кристалл деионизованной водой, растворами моющих порошков, проточной воде и, затем, сушат пластину до полного высыхания.

На следующем этапе производят окисление поверхности кристалла с целью образования двуокиси кремния с определенной толщиной.

Это делается для того, чтобы при проведении легирования, легированным оказался не весь кристалл, а только определенный участок.

Соответственным образом поверх слоя двуокиси кремния наносят слой фоторезиста, контактным (или другим способом) производят процесс фотолитографии. При этом используется фотошаблон (см. приложение). Открытые участки проявляют, задубливают и ликвидируют, и таким образом получают участок двуокиси кремния для последующего травления.

Образовавшиеся окна травят, в результате область подложки становится открытой для последующего легирования и образования скрытого n+ слоя. Слой фоторезиста ликвидируют. Поверхность оксида кремния тщательным образом очищают, омывают в проточной деионизованной воде и сушат центрифугированием. Таким образом, подложка становится полностью готовой для проведения операции легирования.

Для получения высоколегированного слоя n+ типа, производится высокотермическая диффузия сурьмой до предела ее растворимости. Таким образом, формируется скрытый n+ слой. Производится разгонка сурьмы в n+ кармане.

Слой двуокиси кремния стравливают в плавиковой кислоте, образуется открытая поверхность подложки с тремя участками высоколегированного слоя. Поверхность подложки тщательно очищают химическими методами и омывают в проточной деионизованной воде. После проведения этих операций, подложка становится готовой к проведению эпитаксиального наращивания кремния n-типа проводимости. Таким образом получают т.н. коллекторный слой, который присутствует в структурах активных элементов, и в этом же слое формируются резисторы среднего номинала (5кОм, 10 кОм), также этот слой присутствует в структуре МДП-конденсатора.

Далее производят разделительную диффузию с целью отделения одних элементов от других. Для этого повторяют ранее описанные процессы: нанесение слоя двуокиси кремния, нанесение фоторезиста, совмещение с фотошаблоном (см. приложение), экспонирование, проявление, удаление засвеченных участков фоторезиста, травления слоя двуокиси кремния в окне фоторезиста. После этого производят разделительную диффузию путем легирования бора в эпитаксиальный слой на поверхности подложки.

Для каждого элемента таким образом образовался свой эпитаксиальный слой. Далее производят диффузию фосфора в эпитаксиальный слой с целью создания базовой области. Для этого повторяют ранее описанные процессы: нанесение слоя двуокиси кремния, нанесение фоторезиста, совмещение с фотошаблоном, экспонирование, проявление, удаление засвеченных участков фоторезиста, травления слоя двуокиси кремния в окне фоторезиста. Затем производится легирование фосфором (см. приложение). Базовая область используется как база у активных элементов и в качестве резистивного слоя у резисторов.

Далее создаются области, которые у активных элементов используются как эмиттерная область, у резисторов она может отсутствовать. Перед этим производится совокупность ранее описанных процессов: нанесение слоя двуокиси кремния, нанесение фоторезиста, совмещение с фотошаблоном, экспонирование, проявление, удаление засвеченных участков фоторезиста, травления слоя двуокиси кремния в окне фоторезиста. Затем производится легирование сурьмы (см. приложение) и ликвидация фоторезиста и слоя двуокиси кремния с последующей тщательной очисткой поверхности.

После этого кристалл готов к нанесению на его поверхность внешней изоляции и нанесения алюминиевых выводов на базовую, коллекторную имиттерную области кристалла. Для этого производят тщательную очистку поверхности кристалла и осаждают нитрид кремния. Затем производят нанесение фоторезиста, совмещение с фотошаблоном, экспонирование, проявление, удаление засвеченных участков фоторезиста, травления слоя нитрида кремния в окне фоторезиста и удаление фоторезиста со вcей поверхности нитрида кремния.

Затем на всю поверхность кристалла наносят сплав алюминия и кремния методом катодного распыления. Далее производят операцию фотолитографии и травление алюминия. Таким образом производится электрическое соединение элементов схемы в соответствии со схемой электрической принципиальной.

Вся поверхность кристалла подлежит тщательной очистке и сушке центрифугированием. Затем на поверхность кристалла наносится слой двуокиси кремния методом окисления моносилана. Производится изготовление окон в изоляционном слое для соединения токоведущих дорожек микросхемы с внешними выводами.

18 ..

Технология изготовления полупроводниковых микросхем

В зависимости от разновидности полупроводниковой технологии (локализация и литография, вакуумное напыление и гальваническое осаждение, эпитаксия, диффузия, легирование и травление) получают области с различной проводимостью, которые эквивалентны емкости, либо активным сопротивлениям, либо различным полупроводниковым приборам. Изменяя концентрацию примесей, можно получить в кристалле многослойную структуру, воспроизводящую заданную электрическую схему.

В настоящее время применяют групповые способы изготовления полупроводниковых интегральных микросхем, позволяющие за один технологический цикл получить несколько сотен заготовок микросхем. Наибольшее распространение получил групповой планарный способ, заключающийся в том, что элементы микросхем (конденсаторы, резисторы, диоды и транзисторы) располагаются в одной плоскости или на одной стороне подложки.

Рассмотрим основные технологические процессы, применяемые при изготовлении полупроводниковых микросхем (термическое оксидирование, литография, эпитаксия, диффузия и ионное легирование) .

Рис. 22. Перенос изображений с помощью негативного (а) и позитивного (б) фоторезистов:
1 -основа фотошаблона, 2 - непрозрачные участки рисунка фотошаблона, 3 - фоторезистивный слой, 4 - подложка

Термическое оксидирование мало чем отличается от типовых технологических процессов, известных при производстве полупроводниковых приборов. В технологии кремниевых полупроводниковых микросхем оксидные слои служат для изоляции отдельных участков полупроводникового кристалла (элементов, микросхемы) при последующих технологических процессах.

Литография является самым универсальным способом получения изображения элементов микросхемы на кристалле полупроводника и делится на три вида: оптическая, рентгеновская и электронная.

В производстве полупроводниковых интегральных микросхем самый универсальный технологический процесс - это оптическая литография или фотолитография. Сущность процесса фотолитографии основана на использовании фотохимических явлений, происходящих в светочувствительных покрытиях (фоторезистах) при экспонировании их через маску. На рис. 22, а показан процесс негативного, а на рис. 22, б - позитивного переноса изображений с помощью фоторезистов, а на рис. 23 приведена схема технологического процесса фотолитографии.

Весь процесс фотолитографии с помощью фоторезистивной маски состоит из трех основных этапов: формирования на поверхности подложки фото-резистивного слоя 1, фоторезистивной контактной маски II и передачи изображения с фотошаблона на фоторе-зистивный слой III.

Фотолитография может производиться бесконтактным и контактным способами. Бесконтактная фотолитография по сравнению с контактной дает более высокую степень интеграции более высокие требования к фотообо-рудованию.

Процесс получения рисунка микросхемы фотолитографическим способом сопровождается рядом контрольных операций, предусмотренных соответствующими картами технологического контроля.

Рентгеновская литография позволяет получить более высокую разрешающую способность (большую степень интеграции), так как длина волны рентгеновских лучей короче, чем световых. иднако рентгенолитография требует более сложного технологического оборудования.

Электронная литография (электронно-лучевое экспонирование) выполняется в специальных вакуумных установках и позволяют получить высокое качество рисунка микросхемы. Этот вид литографии легко автоматизируется и имеет ряд преимуществ при получении больших интегральных микросхем с большим (более 105) числом элементов.

В настоящее время полупроводниковые элементы и компоненты микросхем получают тремя методами: эпитаксии, термической диффузии и ионного легирования.

Эпитаксия-процесс выращивания слоев с упорядоченной кристаллической структурой путем реализации ориентирующего действия кристалла подложки. Ориентированно выраженные слои нового вещества, закономерно продолжающие кристаллическую решетку подложки, называют эпитаксиальными слоями. Эпитаксиальные слои на кристалле выращивают в вакууме. Процессы эпитаксиального выращивания полупроводниковых слоев аналогичны получению тонких пленок. Эпитаксию можно разделить на следующие этапы: доставка атомов или молекул вещества слоя на поверхность кристалла подложки и миграция их по поверхности; начало группирования частиц вещества около поверхностных центров кристаллизации и образование зародышей слоя; рост отдельных зародышей до их слияния и образования сплошного слоя.

Эпитаксиальные процессы могут быть очень разнообразными. В зависимости от используемого материала (полупроводниковой пластины и легирующих элементов) с помощью процесса эпитаксии можно получить однородные (мало отличающиеся) по химическому составу электронно-дырочные переходы, а также однослойные и многослойные структуры наращивания слоев различных типов проводимости. Этим методом можно получить сложные сочетания: полупроводник - полупроводник; полупроводник -

Диэлектрик; полупроводник - металл.

В настоящее время наиболее широко применяют избирательный локальный эпитаксиальный рост с использованием Si02 - контактных масок с эпитаксиально-планарной технологией.

Для получения заданных параметров эпитаксиальных слоев осуществляют контроль и регулировку толщины, удельного сопротивления, распределения концентрации примеси по толщине слоя и плотности дефектов. Эти параметры слоев определяют пробивные напряжения и обратные токи р-гс-переходов, сопротивления насыщения транзисторов, внутреннее сопротивление и вольт-фа-радные характеристики структур.

Термическая диффузия - это явление направленного перемещения частиц вещества в сторону убывания их концентрации, которое определяется градиентом концентрации.

Термическую диффузию широко используют для введения легирующих примесей в полупроводниковые пластины или в выращенные на них эпитаксиальные слои с целью получения элементов микросхемы противоположного по сравнению с исходным материалом типа проводимости, либо элементов с более низким электрическим сопротивлением. В первом случае получают, например, эмиттеры, во втором- коллекторы.

Диффузию, как правило, проводят в специальных кварцевых ампулах при 1000-1350° С. Способ проведения диффузии и диф-фузант (примесь) выбирают в зависимости от свойств полупроводника и требований, предъявляемых к параметрам диффузионных структур. Процесс диффузии предъявляет высокие требования к оборудованию и частоте легирующих примесей и обеспечивает получение слоев с высокой точностью воспроизведения параметров и толщин. Свойства диффузионных слоев тщательно контролируют, обращая внимание на глубину залегания р-гс-перехода, поверхностное сопротивление или поверхностную концентрацию примеси, распределение концентрации примеси по глубине диффузионного слоя и плотность дефектов диффузионного слоя.

Дефекты диффузионных слоев (эрозию) проверяют с помощью микроскопа с большим увеличением (до 200х) или электрорадиографии.

Ионное легирование также получило широкое применение при изготовлении полупроводниковых приборов с большой плоскостью переходов, солнечных батарей и др.

Процесс ионного легирования определяется начальной кинетической энергией ионов в полупроводнике и выполняется в два этапа. Сначала в полупроводниковую пластину на вакуумной установке с дуговым разрядом внедряют ионы, а затем проводят отжиг при высокой температуре, в результате чего восстанавливается нарушенная структура полупроводника и ионы примеси занимают узлы кристаллической решетки. Метод получения полупроводниковых элементов наиболее перспективен при изготовлении различных СВЧ-структур.

Основные технологические этапы получения полупроводниковых микросхем показаны на рис. 24. Самым распространенным методом получения элементов в микросхеме (разделения участков микросхемы) является изоляция оксидной пленкой, получаемой в результате термообработки поверхности кристалла (подложки).

Чтобы получить изолирующие р-гс-переходы на подложке кремниевой пластины 1, ее обрабатывают в течение нескольких часов в окислительной среде при 1000-1200° С. Под действием окислителя эпитаксиальный полупроводниковый поверхностный слой кремния 2 окисляется. Толщина оксидной пленки 3 - несколько десятых долей микрона. Эта пленка препятствует проникновению в глубь кристалла атомов другого вещества. Но если снять пленку с поверхности кристалла в определенных местах, то с помощью диффузии или других рассмотренных выше методов можно ввести в эпитаксиальный слой кремния примеси, создав тем самым участки различной проводимости. После того как на подложке получена оксидная пленка, на подложку наносят светочувствительный слой - фоторезист 4. Далее этот слой используют для получения в нем рисунка фотошаблона 5 в соответствии с топологией микросхемы.

Перенос изображения с фотошаблона на окисленную поверхность кремниевой пластины, покрытую слоем фоторезиста, чаще всего производят фотографией, а экспонирование - ультрафиолетовым светом или рентгеном. Затем подложку с экспонированным рисунком проявляют. Те участки, которые освещались, растворяются в кислоте, обнажая поверхность оксида кремния 6. Те же участки, которые не экспонировались, кристаллизуются и становятся нерастворимыми участками 7. Полученную подложку с нанесенной на ней рельефной схемой расположения изолирующих переходов промывают и сушат. После травления незащищенных участков оксида кремния защитный слой фоторезиста удаляют химическим способом. Таким образом, на подложке получают «окна». Такой способ получения рисунка схемы называют позитивным.

Рис. 24. Основные технологические этапы получения полупроводниковых микросхем

Через обнаженные участки 6 подложки методом диффузии вводят примеси атомов бора или фосфора, которые создают изолирующий барьер 8. На полученных изолированных друг от друга участках подложки методом вторичной диффузии, травления, наращивания или другим методом получают активные и пассивные элементы схемы и токопроводящие пленки 9.

Технология получения полупроводниковых интегральных схем состоит из 15-20, а иногда и более операций. После того как
получены все компоненты схем и пленка оксида вытравлена с тех мест, где будут находиться выводы компонентов, полупроводниковую схему покрывают методом напыления или гальванического осаждения пленкой алюминия. С помощью фотолитографии с последующим травлением получают внутрисхемные соединения.

Поскольку в едином технологическом цикле на подложке изготовляют большое количество однотипных интегральных схем, пластины разрезают на отдельные кристаллы, каждый из которых содержит готовую микросхему. Кристаллы приклеивают к держателю корпуса, а электрические контакты микросхемы методом пайки, сварки и термокомпрессии соединяют с выводами проволочными перемычками. Готовые микросхемы при необходимости герметизируют одним из описанных ниже способов.

Промышленность выпускает большую номенклатуру полупроводниковых интегральных микросхем. Например, кремниевые микросхемы с диодно-транзисторными связями предназначены для работы в логических узлах ЭВМ и узлах автоматики; германиевые полупроводниковые микросхемы с непосредственными связями являются универсальными логическими переключающими элементами НЕ - ИЛИ.

Дальнейшим развитием технологии производства интегральных микросхем явилось создание схем с большой интеграцией микроэлементов.

В совмещенной интегральной микросхеме элементы выполнены в объеме и на поверхности полупроводниковой подложки комбинированием технологии изготовления полупроводниковых и пленочных микросхем. В монокристалле кремния - подложке методами диффузии, травления и другими получают все активные элементы (диоды, транзисторы и др.), а затем на эту подложку, покрытую плотной пленкой оксида кремния, напыляют пассивные элементы (резисторы, конденсаторы) и токопроводящие проводники. Совмещенную технологию применяют для изготовления микро-мощных и быстродействующих интегральных микросхем.

Для получения контактных площадок и выводов микросхемы на подложку осаждают слой алюминия. Подложка со схемой крепится на внутреннем основании корпуса, контактные площадки на монокристалле соединяются проводниками с выводами корпуса микросхемы.

Совмещенные интегральные микросхемы конструктивно могут быть выполнены в виде моноблока довольно малых размеров. Например, двухкаскадный высокочастотный усилитель, состоящий из двух транзисторов и шести пассивных элементов, размещается на монокристалле кремния размером 2,54X1,27 мм.

Быстрый рост интеграции полупроводниковых микросхем при разработке РЭА привел к созданию микросхем высокой степени сложности: БИС, СБИС и БГИС (микросборок).

Большая интегральная схема представляет собой сложную полупроводниковую микросхему с высокой степенью интеграций. В последние годы созданы полупроводниковые БИС, имеющие
на кристалле кремния размером 1,45x1,6 мм до 1000 и более элементов (транзисторов, диодов, резисторов и др.) и выполняющие функции 300 и более отдельных интегральных микросхем. Разработан микропроцессор (микро-ЭВМ), имеющий степень интеграции свыше 107 элементов на кристалле.

Используя несколько навесных структур БИС на диэлектрической подложке с пассивной пленочной частью микросхем, можно получить микросборки (БГИС), которые просты в проектировании и изготовлении.

Повышение интеграции микросхем достигается автоматизацией и введением в технологический процесс математического моделирования с машинным проектированием топологии и применением новых методов формирования элементов микросхем (ионное легирование и др.).

Основной цикл проектирования БИС состоит из двух этапов: архитектурно - схемотехнического и конструкторско - технологического.

Архитектурно-схемотехнический этап включает разработку архитектуры и структуры микросхемы, функциональных и принципиальных электрических схем, математическое моделирование и другие работы.

Конструкторско-технологический этап включает разработку топологии и конструкции микросхемы, технологии ее изготовления, а также их испытания.

Большие и сверхбольшие интегральные микросхемы на современном уровне представляют последний этап развития классических интегральных микросхем, в которых можно выделить области, эквивалентные пассивным и активным элементам. Дальнейшее развитие элементной базы электроники возможно при использовании различных эффектов и физических явлений в молекулах твердого тела (молекулярная электроника).