Технология изготовления микросхем

Все элементы ИС и их соединения выполнены в едином технологическом цикле на общей подложке.

Технологические процессы:

а) наращивание полупроводникового материала на кремниевой подложке;

б) термическое окисление кремния для получения слоя окисла SiO 2 , защищающего поверхность кристалла от внешней среды;

в) фотолитография, обеспечивающая требуемые конфигурации пленок(SiO 2 , металл и т.п.) на поверхности подложки;

г) локальная диффузия – перенос примесных атомов в ограниченные области полупроводника (в настоящее время – ионная имплантация легирующего вещества);

д) напыление тонких (до 1 мкм) пленок;

е) нанесение толстых (более 1 мкм) пленок путем использования специальных паст с их последующим вжиганием.

ИС изготавливаются методами интегральной технологии , имеющей следующие отличительные особенности :

1. Элементы, однотипные по способу изготовления, представляют собой или полупроводниковые p-n структуры с несколькими областями, различающиеся концентрацией примесей или пленочные структуры из проводящих, резистивных и диэлектрических пленок.

2. Одновременно в едином технологическом цикле изготавливается большое количество одинаковых функциональных узлов, каждый из которых, в свою очередь, может содержать до сотен тысяч и более элементов.

3. Сокращается количество технологических операций (сборка, монтаж элементов) на несколько порядков по сравнению с традиционными методами производства аппаратуры на дискретных элементах.

4. Размеры элементов и соединений между ними уменьшаются до технологически возможных пределов.

5. Низконадежные соединения элементов, выполненные с помощью пайки, исключаются и заменяются высоконадежными соединениями (путем металлизации).

Последовательность основных этапов построения полупроводниковой ИС :

1. Выращивание кристалла кремния.

2. Разрезка на пластины (200…300мкм, Ø 40 – 150мм).

3. Очистка поверхности пластин.

4. Получение элементов и их соединений на пластине.

5. Разрезка пластин на отдельные части (кристаллы).

6. Закрепление в корпусе.

7. Подсоединение выводов с контактными площадками.

8. Герметизация корпуса.

Пр. Фотолитография :

1. Очистка пластин.

2. Нанесение фоторезистора.

4. Совмещение с фотошаблоном и экспонирование.

5. Травление SiO 2 .

6. Задубливание (сушка).

7. Проявление.

8. Удаление фоторезистора.

Пр. Толстопленочная технология :

1. Очистка подложек.

2. Трафаретная печать.

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.

Без чего сложно представить существование современного человека? Конечно, без современной техники. Некоторые вещи так вошли в нашу жизнь, так приелись. Интернет, телевизор, микроволновки, холодильники, стиральные машины – без этого сложно представить современный мир и, конечно, себя в нем.

Что делает практически всю сегодняшнюю технику по-настоящему полезной и нужной?

Какое изобретение предоставило прогрессу широчайшие возможности?

Одно из самых незаменимых открытий человека - технология производства микросхем.

Благодаря ей современная техника имеет такие небольшие размеры. Она компактна и удобна.

Все мы знаем, что в доме может уместиться огромное количество вещей, состоящих из микросхем. Многие из них помещаются в кармане брюк и имеют незначительный вес.

Тернистый путь

Чтобы добиться результата и получить микросхему, ученые трудились долгие годы. Начальные схемы имели огромнейшие по нынешним меркам размеры, они были больше и тяжелее холодильника, при ом что современный холодильник не состоит сплошь из сложных и запутанных схем. Ничего подобного! В нем есть одна маленькая, но превосходящая по своей полезности старые и громоздкие. Открытие произвело фурор, дав толчок дальнейшему развитию науки и техники, прорыв был сделан. Оборудование для производства микросхем выпущено.

Оборудование

Производство микросхем является непростой задачей, но благо у человека имеются те технологии, которые максимально упрощают задачу производства. Несмотря на сложность, ежедневно выпускается огромное количество микросхем по всему миру. Они постоянно совершенствуются, приобретают новые особенности и повышенные характеристики. Как же появляются эти маленькие, но умные системы? В этом помогает оборудование для производства микросхем, о котором, собственно, говорится далее.

При создании микросхем используются системы электрохимического осаждения, камеры отмывки, лабораторные окислительные камеры, системы электроосаждения меди, фотолитографическое и другое технологическое оборудование.

Фотолитографическое оборудование является самым дорогим и точным в машиностроении. Оно отвечает за создание изображений на кремниевой подложке для выработки намеченной топологии микросхемы. На тонкий слой материала наносится фоторезист, впоследствии подвергающийся облучению фотошаблоном и оптической системой. В процессе работы оборудования идет уменьшение размеров элементов рисунка.

В системах позиционирования ведущую роль играет линейный электродвигатель и лазерный интерферометр, имеющие часто обратную связь. Но, например, в технологии, разработанной московской лабораторией «Амфора», такая связь отсутствует. Это отечественное оборудование имеет более точное перемещение и плавное повторение с обеих сторон, что исключает возможность люфта.

Специальные фильтры защищают маску от нагревания, исходящего от области глубокого ультрафиолета, перенося температуру за 1000 градусов на протяжении долгих месяцев работы.

Низкоэнергетичные ионы осваивают в нанесении на многослойные покрытия. Ранее эта работа выполнялась исключительно методом магнетронного распыления.

Технология производства микросхем

Начинается весь процесс создания с подбора полупроводниковых кристаллов. Самым актуальным является кремний. Тонкую полупроводниковую пластину начищают до возникновения зеркального отображения в ней. В дальнейшем обязательным этапом создания будет фотолитография с применением ультрафиолета при нанесении рисунка. В этом помогает станок для производства микросхем.

Что такое микросхема? Это такой многослойный пирожок из тонких кремниевых пластин. На каждую из них нанесен определенный рисунок. Этот самый рисунок и создается на этапе фотолитографии. Пластины осторожно помещают в специальное оборудование с температурой свыше 700 градусов. После обжига их промывают водой.

Процесс создания многослойной пластины занимает до двух недель. Фотолитографию проводят многочисленное количество раз вплоть до достижения необходимого результата.

Создание микросхем в России

Отечественные ученые в этой отрасли также имеют собственные технологии производства цифровых микросхем. По всей стране функционируют заводы соответствующего профиля. На выходе технические характеристики мало чем уступают конкурентам из других стран. Отдают предпочтение российским микросхемам в нескольких государствах. Все благодаря зафиксированной цене, которая меньше, чем у западных производителей.

Необходимые составляющие выпуска качественных микросхем

Микросхемы создаются в помещениях, оборудованных системами, контролирующими чистоту воздуха. На всем этапе создания специальные фильтры собирают информацию и обрабатывают воздух, тем самым делая его чище, чем в операционных. Работники на производстве носят специальные защитные комбинезоны, которые часто оборудованы системой внутренней подачи кислорода.

Производство микросхем является прибыльным бизнесом. Хорошие специалисты в этой области всегда востребованы. Практически вся электроника функционирует за счет микросхем. Ими оснащаются современные автомобили. Космические аппараты не смогли бы функционировать без наличия в них микросхем. Процесс получения регулярно совершенствуется, качество улучшается, возможности расширяются, срок пригодности растет. Микросхемы будут актуальны на протяжении долгих десятков, а то и сотен лет. Главная их задача - приносить пользу на Земле и вне ее.

В настоящее время для производства цифровых интегральных схем используются следующие основные технологические базисы : транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ); ТТЛ с диодами Шоттки (ТТЛШ); маломощная ТТЛШ (МТТЛШ); инжекционная интегральная логика (И 2 Л) и ее различные варианты (И 3 Л, ИШЛ и т.д.); p-канальная МОП-технология (p-МОП); n-канальная МОП-технология (n-МОП); комплементарная МОП-технология (КМОП); эмиттерно-связанная технология (ЭСЛ).

Рассмотрим основные схемотехнические особенности распространенных технологий производства цифровых микросхем.

Электрическая принципиальная схема стандартного ТТЛ-вентиля кроме обычных n-p-n транзисторов содержит один многоэмиттерный транзистор, с помощью которого реализуется необходимая входная логическая функция. Напряжение питания вентиля 50,5 В. Стандартные уровни выходных сигналов U 0 0,4 В, U 1 2,4 В. По ТТЛ-технологии реализованы ИС серий К133, К134, К155.

Электрическая принципиальная схема стандартного ТТЛШ-вентиля , отличается от предыдущей применением диодов и транзисторов с барьером Шоттки. По сравнению с обычным ТТЛ, ТТЛШ-вентиль обеспечивает приблизительно вдвое меньшие задержки включения и выключения за счет использования ненасыщенного режима работы транзисторов, а также несколько меньшую мощность потребления и обладает в 1,5-2 раза меньшей площадью. Напряжение питания и стандартные входные-выходные напряжения ТТЛШ-вентиля унифицированы с аналогичными параметрами обычного ТТЛ-вентиля.

По ТТЛШ технологии реализованы ИС и БИС серий К533, К555, К589, К585, К1802, К1804 и др.

Электрическая принципиальная схема И 2 Л-вентиля содержит p-n-p транзистор, играющий роль генератора тока (инжектора) и многоколлекторный n-p-n транзистор, выполняющий функцию инвертора. Диапазон размаха логического сигнала И 2 Л-вентиля лежит в пределах 0,2-0,8 В, поэтому для сопряжения И 2 Л БИС с ТТЛ-схемами используются специальные входные и выходные каскады.

Стандартные И 2 Л-вентили имеют широкий диапазон рабочих токов питания, при этом их быстродействие прямо пропорционально току инжекции. По сравнению с ТТЛШ И 2 Л-технология обеспечивает приблизительно в десять раз большую степень интеграции БИС при меньшем (в 2-3 раза) быстродействии. В настоящее время развиваются многочисленные разновидности И 2 Л-технологии, такие, как изопланарная И 2 Л (И 3 Л) и инжекционная Шоттки (ИШЛ)-логика. На основе И 2 Л-технологии реализованы БИС серий К582, К583, К584, КА1808, К1815.

Различают электрические схемы МОП инверторов р-типа и n-типа.

р-МОП вентили имеют небольшую площадь, но обладают малым быстродействием (время переключения более 0,1 мкс). В настоящее время р-МОП-технология практически не используется в новых разработках. Ранее по ней разрабатывались БИС серий К145, К536, К1814.

Для работы n-МОП-инвертора необходимо подать напряжение питания U CC =(50,25) В и напряжение смещения подложки U BC =(2,40,2) В. Входные и выходные напряжения n-МОП БИС обычно обеспечивают прямое сопряжение с ТТЛ-схемами. Площадь n-МОП-вентиля в два раза меньше, чем у р-МОП и в 5-7 раз меньше, чем у ТТЛ-вентиля. Быстродействие в 4-10 раз меньше, чем у ТТЛ-схем. По n-МОП-технологии разработаны комплекты БИС серий К145, К580, К581, К586, К1801 и др.

В состав КМОП-инвертора входят два транзистора разного типа проводимости. КМОП-вентиль потребляет энергию только в процессе переключения и имеет очень высокую помехоустойчивость. Амплитуда помехи может составлять до 40% от напряжения питания ИС. На основе КМОП-технологии реализованы ИС серии К564, К561 и К1564.

Электрическая принципиальная схема ЭСЛ-вентиля обладает самым большим быстродействием, но занимает самую большую площадь и потребляет большую, чем у всех остальных вентилей, мощность. ЭСЛ-вентили возможно использовать совместно с ТТЛ-схемами только при наличии специальных схем сопряжения.

Сравнительный анализ различных технологий ИС приведен в таблице 1. Из нее следует, что n-МОП, КМОП, ТТЛШ, И 3 Л и ЭСЛ являются наиболее перспективными. Каждая из технологий имеет свои преимущества:

КМОП и И 3 Л позволяют строить микромощные системы;

n-МОП имеют высокую плотность компоновки и низкую стоимость ИС;

ЭСЛ - максимальное быстродействие;

ТТЛШ - высокое быстродействие при высокой степени интеграции.

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.