בנושא: " טכנולוגיה לייצור שבבי מעגלים משולבים מוליכים למחצה »

משמעת: "מדע חומרים וחומרים אלקטרוניים"

הושלם על ידי תלמיד מקבוצה 31-R

קוזלוב א.נ.

ראש Koschinskaya E.V.

נשר, 2004

מבוא

חלק א' סקירה אנליטית

1.1 מעגלים משולבים

1.3 מאפייני סיליקון חד גבישי

1.4 נימוק לשימוש בסיליקון חד גבישי

1.5 טכנולוגיה לייצור סיליקון חד גבישי

1.5.1 השגת סיליקון של טוהר מוליכים למחצה

1.5.2 גידול גבישים בודדים

1.6 עיבוד מכני של סיליקון חד גבישי

1.6.1 כיול

1.6.2 התמצאות

1.6.3 חיתוך

1.6.4 השחזה והברקה

1.6.5 תחריט כימי של פרוסות ומצעים מוליכים למחצה

1.7 תפעול חלוקת מצעים ללוחות

1.7.1 כתיבת יהלומים

1.7.2 שרבוט בלייזר

1.8 שבירת ופלים לגבישים

חלק שני. תַחשִׁיב

סיכום

בִּיבּלִיוֹגְרָפִיָה

טכנולוגיית הייצור של מעגלים משולבים היא קבוצה של שיטות מכניות, פיזיקליות וכימיות לעיבוד חומרים שונים (מוליכים למחצה, דיאלקטריים, מתכות), וכתוצאה מכך נוצר מעגל משולב.

העלייה בפריון העבודה נובעת בראש ובראשונה משיפור הטכנולוגיה, הכנסת שיטות טכנולוגיות מתקדמות, סטנדרטיזציה של ציוד וכלי עבודה טכנולוגיים וממיכון עבודת כפיים המבוססת על אוטומציה של תהליכים טכנולוגיים. חשיבותה של הטכנולוגיה בייצור התקני מוליכים למחצה ו-ICs ​​גדולה במיוחד. היה זה השיפור המתמיד של טכנולוגיית מכשירי המוליכים למחצה שהוביל, בשלב מסוים של התפתחותו, ליצירת מעגלים משולבים, ולאחר מכן לייצור נרחב שלהם.

הייצור של ICs החל בסביבות 1959, בהתבסס על הטכנולוגיה המישורית שהוצעה באותה תקופה. הבסיס של טכנולוגיה מישורית היה פיתוח של מספר שיטות טכנולוגיות בסיסיות. יחד עם פיתוח השיטות הטכנולוגיות, פיתוח ה-IS כלל מחקר על עקרונות הפעולה של היסודות שלהם, המצאת יסודות חדשים, שיפור שיטות לטיהור חומרים מוליכים למחצה, עריכת מחקרים פיזיקליים וכימיים שלהם על מנת לבסס מאפיינים חשובים כאלה. כמו המסיסות המגבילה של זיהומים, מקדמי דיפוזיה של זיהומים תורם ומקבל וכו'.

בתקופה היסטורית קצרה, מיקרו-אלקטרוניקה מודרנית הפכה לאחד התחומים החשובים ביותר של התקדמות מדעית וטכנולוגית. יצירת מעגלים משולבים גדולים וגדולים במיוחד, מיקרו-מעבדים ומערכות מיקרו-מעבדים אפשרה לארגן ייצור המוני של מחשבים אלקטרוניים מהירים, סוגים שונים של ציוד אלקטרוני, ציוד בקרת תהליכים, מערכות תקשורת, מערכות ומכשירים בקרה וויסות אוטומטיים.

המיקרואלקטרוניקה ממשיכה להתפתח בקצב מהיר, הן בכיוון של שיפור טכנולוגיה משולבת מוליכים למחצה והן בכיוון של שימוש בתופעות פיזיקליות חדשות.

חֵלֶק אני . סקירה אנליטית

1.1 מעגלים משולבים

בתהליך הפיתוח של מיקרואלקטרוניקה (ME), המינוח של ICs השתנה ללא הרף. הסוג העיקרי של ICs בימינו הוא IC מוליכים למחצה.

סיווג IP.

סיווג IP יכול להתבצע על פי קריטריונים שונים, אך נצמצם את עצמנו לאחד. בהתבסס על שיטת הייצור והמבנה שנוצר, נבדלים שני סוגים שונים מהותית של מעגלים משולבים: מוליכים למחצה וסרט.

IC של מוליכים למחצה הוא מעגל מיקרו שהאלמנטים שלו עשויים בשכבה הקרובה לפני השטח של מצע מוליכים למחצה. ICs אלה מהווים את הבסיס למיקרו-אלקטרוניקה מודרנית.

סרט IC הוא מיקרו-מעגל שהאלמנטים שלו עשויים בצורה של סוגים שונים של סרטים המופקדים על פני מצע דיאלקטרי. בהתאם לשיטת השקעת הסרט והעובי הנלווה, מתבצעת הבחנה בין IC-film דק (עובי סרט עד 1-2 מיקרומטר) לבין IC-film עבה (עובי סרט מ-10-20 מיקרומטר ומעלה).

מכיוון שעד כה שום שילוב של סרטים מקרטעים לא מאפשר להשיג אלמנטים פעילים כגון טרנזיסטורים, ICs של סרט מכילים רק אלמנטים פסיביים (נגדים, קבלים וכו'). לכן, הפונקציות המבוצעות על ידי IC סרטים טהורים מוגבלות ביותר. כדי להתגבר על מגבלות אלו, ה-IC של הסרט מתווסף ברכיבים פעילים (טרנזיסטורים בודדים או ICs) הממוקמים על אותו מצע ומחוברים לאלמנטים של הסרט. ואז נקבל IC שנקרא היברידי.

IC היברידי (או GIS) הוא שבב שהוא שילוב של אלמנטים פסיביים מבוססי סרט ורכיבים אקטיביים הממוקמים על מצע דיאלקטרי משותף. הרכיבים הדיסקרטיים המרכיבים IC היברידי נקראים רכיבי הרחבה, ובכך מדגישים את בידודם מהמחזור הטכנולוגי העיקרי להפקת חלק הסרט של המעגל.

סוג נוסף של IC "מעורב", המשלב אלמנטים משולבים מוליכים למחצה וסרטים, נקרא משולב.

IC משולב הוא מיקרו-מעגל שבו האלמנטים הפעילים עשויים בשכבה הקרובה לפני השטח של גביש מוליכים למחצה (כמו IC מוליכים למחצה), והאלמנטים הפאסיביים מופקדים בצורה של סרטים על משטח מבודד מראש של אותו. קריסטל (כמו סרט IC).

ICs מרוכבים מועילים כאשר נדרשים ערכים גבוהים ויציבות גבוהה של התנגדויות וקיבולים; קל יותר לעמוד בדרישות הללו עם אלמנטים של סרט מאשר עם אלמנטים מוליכים למחצה.

בכל סוגי ה-IC, חיבורי האלמנטים מתבצעים באמצעות פסי מתכת דקים המרוססים או מופקדים על פני המצע ובמקומות הנכונים במגע עם האלמנטים לחיבור. תהליך יישום רצועות החיבור הללו נקרא מתכת, ו"דפוס" החיבורים עצמו נקרא חיווט מתכת.

עבודת קורס זו בוחנת את טכנולוגיית הייצור של לוחות מעגלים משולבים מוליכים למחצה. מעגל משולב מוליכים למחצה הוא מעגל מיקרו שהאלמנטים שלו עשויים בשכבה הקרובה לפני השטח של מצע מוליכים למחצה. ICs אלה מהווים את הבסיס למיקרו-אלקטרוניקה מודרנית. ממדי הגביש של מעגלים משולבים מוליכים למחצה מודרניים מגיעים ל-20x20 מ"מ; ככל ששטח הגביש גדול יותר, כך ניתן למקם עליו יותר IC מרובה אלמנטים. עם אותו שטח גביש, אתה יכול להגדיל את מספר האלמנטים על ידי הקטנת הגדלים שלהם והמרחקים ביניהם.

1.2 דרישות למצעי מוליכים למחצה

מוליכים למחצה בצורת פרוסות או דיסקים חתוכים מגבישים בודדים נקראים מצעים. בנפחם ועל פני השטח, אלמנטים של מעגלים מיקרו של מכשירים והתקנים אלקטרוניים נוצרים בשיטות של תחריט, חמצון, דיפוזיה, אפיטקסיה, השתלה, פוטוליטוגרפיה ושיטות טכנולוגיות אחרות.

איכות משטח המצע נקבעת לפי המיקרו-תבליט (חספוס), השלמות הגבישית של שכבות פני השטח ומידת הטוהר הפיזי והכימי שלהן. פני המצע מאופיינים באי-שטוחות ואי-מקביליות. דרישות גבוהות מונחות גם בצד ההפוך - שאינו עובד של המצע. עיבוד לא אחיד ולא שווה של שני הצדדים של המצע מוביל למתחים מכניים שיוריים נוספים ועיוות של הגביש, מה שגורם לצלחות להתכופף.

לאחר טיפול מכני מופיעה שכבה פגומה בשכבה דקה קרובה לפני השטח של המצע. לעומק ניתן לחלק אותו לאזורים אופייניים. עבור גבישים של Ge, Si, GaAs ואחרים, לאחר חיתוך וטחינה, בעומק של 0.3...0.5 מהגובה הממוצע של האי-סדירות, ישנו אזור הקלה שבו אותם סוגי הפרעות ופגמים של הסינגל. נצפים מבנה גבישי: שבבים חד-גבישיים, בלוקים לא מפוררים, סדקים, בליטות ושקעים בגדלים שונים. לאחר החיתוך, הפגמים ממוקמים בעיקר מתחת לסימנים מקצה החיתוך של דיסק היהלום בצורה של מסלולים מקבילים של הצטברות פגמים; בגבישים טחונים, באופן שווה על פני החתך. בליטוש השכבה הראשונה מציגה אי-סדירות משטח הקטנים יחסית בהשחזה, ובניגוד למשטח הקרקע, היא אמורפית. השכבה השנייה היא גם אמורפית, עומקה גדול פי 2...3 מאי סדרי פני השטח. השכבה השלישית היא מעבר ממבנה אמורפי ליחיד גביש בלתי מופרע ועשויה להכיל עיוותים אלסטיים או פלסטיים, נקעים ובמקרים מסוימים סדקים. בתהליך של עיבוד והכנת פני השטח של מצעים מוליכים למחצה, יש צורך ליצור משטחים מושלמים בעלי מידה גבוהה של מקביליות מישורית בכיוון קריסטלוגרפי נתון, עםהיעדר מוחלט של שכבה פגומה, צפיפות מינימלית של פגמי פני השטח, נקעים וכו'. זיהום פני השטח צריך להיות מינימלי.

3 מאפיינים של סיליקון חד גבישי

תכונות פיזיקוכימיות של סיליקון

1. הערך האופטימלי של פער הלהקה, שקבע ריכוז נמוך מספיק של נשאים פנימיים וטמפרטורת פעולה גבוהה.

2. טווח גדול של התנגדויות שניתן להשיג בפועל, החל מ-10 -3 אוהם-ס"מ (מנוון) ועד 10 5 (קרוב למקורי).

3. מודול אלסטי גבוה, קשיחות משמעותית (גדולה, למשל, מפלדה).

18 ..

טכנולוגיית ייצור שבבי מוליכים למחצה

בהתאם לסוג טכנולוגיית המוליכים למחצה (לוקליזציה וליתוגרפיה, שקיעת ואקום ותצהיר גלווני, אפיטקסיה, דיפוזיה, סימום ותחריט), מתקבלים אזורים בעלי מוליכות שונה, ששווים לקיבול, או להתנגדויות אקטיביות, או להתקני מוליכים למחצה שונים. על ידי שינוי ריכוז הזיהומים, ניתן לקבל מבנה רב שכבתי בגביש המשחזר מעגל חשמלי נתון.

נכון להיום, נעשה שימוש בשיטות קבוצתיות לייצור מעגלים משולבים מוליכים למחצה, המאפשרות לייצר כמה מאות חלקי מעגל מיקרו במחזור טכנולוגי אחד. הנפוצה ביותר היא השיטה המישורית הקבוצתית, המורכבת מהעובדה שמרכיבי המיקרו-מעגלים (קבלים, נגדים, דיודות וטרנזיסטורים) ממוקמים באותו מישור או בצד אחד של המצע.

הבה ניקח בחשבון את התהליכים הטכנולוגיים העיקריים המשמשים בייצור של מעגלים מיקרו מוליכים למחצה (חמצון תרמי, ליתוגרפיה, אפיטקסיה, דיפוזיה וסימום יונים).

אורז. 22. העברת תמונות באמצעות פוטוסיסטים שליליים (א) וחיוביים (ב):
1 - בסיס פוטומסכת, 2 - אזורים אטומים של תבנית הפוטומסק, 3 - שכבת photoresist, 4 - מצע

חמצון תרמי אינו שונה בהרבה מתהליכים טכנולוגיים סטנדרטיים הידועים בייצור התקני מוליכים למחצה. בטכנולוגיה של מעגלים מיקרו מוליכים למחצה סיליקון, שכבות תחמוצת משמשות לבידוד חלקים בודדים של גביש המוליכים למחצה (אלמנטים, מעגלים מיקרו) במהלך התהליכים הטכנולוגיים הבאים.

ליטוגרפיה היא הדרך האוניברסלית ביותר להשיג תמונות של אלמנטים מיקרו-מעגליים על גביש מוליכים למחצה והיא מחולקת לשלושה סוגים: אופטי, רנטגן ואלקטרוני.

בייצור של מעגלים משולבים מוליכים למחצה, תהליך הייצור המגוון ביותר הוא ליתוגרפיה אופטית או פוטוליתוגרפיה. המהות של תהליך הפוטוליתוגרפיה מבוססת על שימוש בתופעות פוטוכימיות המתרחשות בציפויים רגישים לאור (פוטו-רזיסטים) בעת חשיפה דרך מסכה. באיור. 22, א מציג את תהליך השלילי, ובאיור. 22, b - העברה חיובית של תמונות באמצעות photoresists, ובאיור. איור 23 מציג תרשים של תהליך הפוטוליתוגרפיה.

כל התהליך של פוטוליטוגרפיה באמצעות מסכת פוטו-רזיסט מורכב משלושה שלבים עיקריים: היווצרות שכבת פוטו-רזיסט 1 על פני המצע, מסכת מגע פוטו-רזיסט II, והעברת התמונה מ-photoresist לשכבת photoresist III.

ניתן לבצע פוטוליטוגרפיה בשיטות ללא מגע ומגע. צילום ללא מגע, בהשוואה לפוטוליתוגרפיה מגע, מספק מידת אינטגרציה גבוהה יותר ודרישות גבוהות יותר לציוד צילום.

תהליך השגת דפוס מיקרו-מעגל בשיטה הפוטוליתוגרפית מלווה במספר פעולות בקרה המסופקות על ידי כרטיסי בקרת התהליך המתאימים.

ליטוגרפיית רנטגן מאפשרת רזולוציה גבוהה יותר (דרגה גבוהה יותר של אינטגרציה) מכיוון שאורך הגל של קרני רנטגן קצר מזה של האור. עם זאת, ליתוגרפיית רנטגן דורשת ציוד טכנולוגי מורכב יותר.

ליטוגרפיה אלקטרונית (חשיפה לקרן אלקטרונים) מתבצעת במתקני ואקום מיוחדים ומאפשרת לקבל תבנית מיקרו-מעגל איכותית. סוג זה של ליתוגרפיה אוטומטית בקלות ויש לו מספר יתרונות בעת ייצור מעגלים משולבים גדולים עם מספר גדול (יותר מ-105) של אלמנטים.

נכון לעכשיו, אלמנטים מוליכים למחצה ורכיבי מיקרו-מעגל מיוצרים בשלוש שיטות: אפיטקסיה, דיפוזיה תרמית וסימום יונים.

אפיטקסיה היא תהליך של גידול שכבות בעלות מבנה גבישי מסודר על ידי יישום פעולת הכיוון של גביש המצע. שכבות מכוונות של החומר החדש שממשיכות באופן טבעי את סריג הקריסטל של המצע נקראות שכבות אפיטקסיאליות. שכבות אפיטקסיאליות על גביש גדלות בוואקום. תהליכי הצמיחה האפיטקסיאלית של שכבות מוליכים למחצה דומים לייצור של סרטים דקים. ניתן לחלק את האפיטקסיה לשלבים הבאים: אספקת אטומים או מולקולות של חומר השכבה אל פני השטח של גביש המצע והגירה שלהם לאורך פני השטח; תחילת קיבוץ חלקיקי חומר ליד מרכזי התגבשות פני השטח והיווצרות גרעיני שכבות; צמיחה של גרעינים בודדים עד שהם מתמזגים ויוצרים שכבה רציפה.

תהליכים אפיטקסיאליים יכולים להיות מגוונים מאוד. בהתאם לחומר המשמש (פרוסות מוליכים למחצה ואלמנטים מתגזרים), באמצעות תהליך האפיטקסיה ניתן להשיג חיבורי אלקטרונים-חור הומוגניים (מעט שונים) בהרכב הכימי, וכן מבנים חד-שכבתיים ורב-שכבתיים לגידול שכבות מסוגים שונים. של מוליכות. שיטה זו יכולה לייצר שילובים מורכבים: מוליך למחצה - מוליך למחצה; מוליך למחצה -

דיאלקטרי; מוליך למחצה - מתכת.

כיום, גידול אפיטקסיאלי מקומי סלקטיבי נמצא בשימוש נרחב ביותר באמצעות Si02 - מסכות מגע עם טכנולוגיה אפיטקסיאלית-מישורית.

כדי לקבל את הפרמטרים המצוינים של שכבות אפיטקסיאליות, עובי, התנגדות, חלוקת ריכוז הטומאה על עובי השכבה וצפיפות הפגם מנוטרים ומותאמים. פרמטרי שכבה אלה קובעים את מתחי הפירוק והזרמים ההפוכים של צמתים p-hc, את התנגדות הרוויה של טרנזיסטורים, את ההתנגדות הפנימית ומאפייני המתח-קיבול של המבנים.

דיפוזיה תרמית היא תופעה של תנועה מכוונת של חלקיקים של חומר בכיוון של ירידה בריכוזם, הנקבעת על ידי שיפוע הריכוז.

דיפוזיה תרמית נמצאת בשימוש נרחב להחדרת זיהומי סימום לתוך פרוסות מוליכים למחצה או לשכבות אפיטקסיאליות הגדלות עליהן על מנת להשיג אלמנטים מיקרו-מעגליים בסוג מוליכות הפוך בהשוואה לחומר המקורי, או אלמנטים עם התנגדות חשמלית נמוכה יותר. במקרה הראשון, למשל, מתקבלים פולטים, במקרה השני, קולטים.

דיפוזיה, ככלל, מתבצעת באמפולות קוורץ מיוחדות בטמפרטורה של 1000-1350 מעלות צלזיוס. שיטת הדיפוזיה והדיפוזינט (הטומאה) נבחרים בהתאם למאפייני המוליך למחצה והדרישות לפרמטרים של מבני דיפוזיה. תהליך הדיפוזיה מציב דרישות גבוהות לציוד ולתדירות הדופנטים ומבטיח ייצור שכבות עם דיוק גבוה בשחזור פרמטרים ועוביים. המאפיינים של שכבות דיפוזיה מבוקרות בקפידה, תוך שימת לב לעומק המעבר p-gs, התנגדות פני השטח או ריכוז זיהומי השטח, התפלגות ריכוז הטומאה על פני עומק שכבת הדיפוזיה וצפיפות הפגמים בדיפוזיה. שִׁכבָה.

פגמים בשכבות דיפוזיה (שחיקה) נבדקים באמצעות מיקרוסקופ עם הגדלה גבוהה (עד פי 200) או אלקטרדיוגרפיה.

סימום יונים נמצא בשימוש נרחב גם בייצור התקני מוליכים למחצה עם מטוסי צומת גדולים, תאים סולאריים וכו'.

תהליך סימום יונים נקבע על פי האנרגיה הקינטית הראשונית של היונים במוליך למחצה ומתבצע בשני שלבים. ראשית, יונים מוכנסים לתוך פרוסת המוליך למחצה במיתקן ואקום עם פריקת קשת, ולאחר מכן חישול בטמפרטורות גבוהות, וכתוצאה מכך המבנה הפגוע של המוליך למחצה משוחזר ויוני טומאה תופסים את הצמתים של סריג הגביש. השיטה לייצור אלמנטים מוליכים למחצה היא מבטיחה ביותר לייצור מבני מיקרוגל שונים.

השלבים הטכנולוגיים העיקריים של השגת מיקרו-מעגלים מוליכים למחצה מוצגים באיור. 24. השיטה הנפוצה ביותר להשגת אלמנטים במיקרו-מעגל (הפרדת מקטעים של מיקרו-מעגל) היא בידוד עם סרט תחמוצת המתקבל כתוצאה מטיפול בחום של פני השטח של הגביש (המצע).

כדי להשיג חיבורי p-hc מבודדים על המצע של פרוסת סיליקון 1, הוא מטופל במשך מספר שעות בסביבה מחמצנת ב-1000-1200 מעלות צלזיוס. בהשפעת חומר החמצון, שכבת פני השטח של מוליכים למחצה האפיטקסיאליים של סיליקון 2 מתחמצנת. . עובי סרט התחמוצת הוא 3 - כמה עשיריות מיקרון. סרט זה מונע מאטומים של חומר אחר לחדור עמוק לתוך הגביש. אבל אם אתה מסיר את הסרט מפני השטח של הגביש במקומות מסוימים, אז באמצעות דיפוזיה או שיטות אחרות שנדונו לעיל, אתה יכול להכניס זיהומים לשכבת האפיטקסיאלית של הסיליקון, ובכך ליצור אזורים עם מוליכות שונה. לאחר יצירת סרט תחמוצת על המצע, מורחים על המצע שכבה רגישות לאור, photoresist 4. לאחר מכן, משתמשים בשכבה זו לקבלת תבנית פוטומסכה 5 בה בהתאם לטופולוגיה של המיקרו-מעגל.

העברת תמונה מפוטומסק למשטח המחומצן של פרוסת סיליקון המצופה בשכבת פוטו-רזיסט נעשית לרוב על ידי צילום, וחשיפה על ידי אור אולטרה סגול או קרני רנטגן. לאחר מכן מפתחים את המצע עם הדפוס החשוף. אותם אזורים שהיו מוארים מתמוססים בחומצה וחושפים את פני השטח של תחמוצת סיליקון 6. אותם אזורים שלא נחשפו מתגבשים והופכים לאזורים בלתי מסיסים 7. המצע המתקבל עם סידור הקלה של צמתים מבודדים המיושם עליו נשטף ומייבש. לאחר חריטת האזורים הלא מוגנים של תחמוצת סיליקון, שכבת ההגנה של הפוטו-רזיסט מוסרת כימית. לפיכך, "חלונות" מתקבלים על המצע. שיטה זו להשגת ציור מעגל נקראת חיובית.

אורז. 24. שלבים טכנולוגיים עיקריים להשגת שבבי מוליכים למחצה

דרך האזורים החשופים 6 של המצע, זיהומים של אטומי בורון או זרחן מוכנסים על ידי דיפוזיה, היוצרים מחסום מבודד 8. על האזורים המתקבלים של המצע, מבודדים זה מזה, על ידי דיפוזיה משנית, תחריט, צמיחת יתר או אחר השיטה, מתקבלים רכיבי מעגל אקטיביים ופסיביים וסרטים מוליכים 9.

הטכנולוגיה לייצור מעגלים משולבים מוליכים למחצה מורכבת מ-15-20, ולפעמים יותר פעולות. לאחר
כל מרכיבי המעגלים מתקבלים וסרט התחמוצת נחרט מהמקומות בהם ימוקמו מובילי הרכיב, מעגל המוליכים למחצה מצופה בקישוט או בשקיעה גלוונית בסרט אלומיניום. חיבורים במעגל מתקבלים באמצעות פוטוליתוגרפיה ואחריה תחריט.

מכיוון שמספר רב של מעגלים משולבים מאותו סוג מיוצרים על מצע במחזור טכנולוגי אחד, הפרוסים נחתכים לגבישים בודדים, שכל אחד מהם מכיל מיקרו-מעגל מוגמר. הגבישים מודבקים למחזיק הדיור, והמגעים החשמליים של המיקרו-מעגל מחוברים על ידי הלחמה, ריתוך ודחיסה תרמית לטרמינלים באמצעות מגשרים תיל. מיקרו-מעגלים מוגמרים, במידת הצורך, נאטמים באחת מהשיטות המתוארות להלן.

התעשייה מייצרת מגוון גדול של מעגלים משולבים מוליכים למחצה. לדוגמה, שבבי סיליקון עם צימודי דיודה-טרנזיסטור מיועדים לעבוד בצמתים לוגיים של מחשב ובצמתי אוטומציה; שבבי מוליכים למחצה גרמניום עם חיבורים ישירים הם אלמנטים לוגיים אוניברסליים של NOT-OR.

פיתוח נוסף של טכנולוגיית ייצור מעגלים משולבים היה יצירת מעגלים עם אינטגרציה גדולה של מיקרו-אלמנטים.

במעגל משולב משולב, האלמנטים מיוצרים בנפח ועל פני השטח של מצע המוליכים למחצה על ידי שילוב טכנולוגיית הייצור של מיקרו-מעגלים מוליכים למחצה וסרטים. כל האלמנטים הפעילים (דיודות, טרנזיסטורים וכו') מתקבלים במצע סיליקון קריסטל יחיד באמצעות דיפוזיה, תחריט ושיטות אחרות, ולאחר מכן אלמנטים פסיביים (נגדים, קבלים) ומוליכים נושאי זרם מופקדים על מצע זה, מכוסים ב- סרט צפוף של תחמוצת סיליקון. הטכנולוגיה המשולבת משמשת לייצור מעגלים משולבים מיקרו-כוח ומהירות גבוהה.

כדי להשיג רפידות מגע וסיכות של המיקרו-מעגל, מונחת שכבת אלומיניום על המצע. המצע עם המעגל מותקן על הבסיס הפנימי של המארז, רפידות המגע על גבי הגביש היחיד מחוברים על ידי מוליכים למסופים של מארז המיקרו-מעגל.

ניתן ליצור מעגלים משולבים משולבים בצורה מבנית בצורה של מונובלוק של ממדים קטנים למדי. לדוגמה, מגבר דו-שלבי בתדר גבוה, המורכב משני טרנזיסטורים ושישה אלמנטים פסיביים, ממוקם על גביש סיליקון בגודל 2.54X1.27 מ"מ.

הצמיחה המהירה של שילוב שבבי מוליכים למחצה בפיתוח מכשירים אלקטרוניים אלקטרוניים הובילה ליצירת מעגלים מיקרו ברמת מורכבות גבוהה: LSI, VLSI ו-BGIS (מיקרו-הרכבות).

מעגל משולב גדול הוא שבב מוליכים למחצה מורכב עם רמה גבוהה של אינטגרציה. בשנים האחרונות נוצרו LSI מוליכים למחצה שכן
על גביש סיליקון בגודל 1.45x1.6 מ"מ עד 1000 אלמנטים או יותר (טרנזיסטורים, דיודות, נגדים וכו') ומבצע את הפונקציות של 300 מעגלים משולבים בודדים או יותר. פותח מיקרו-מעבד (מיקרו-מחשב) עם מידת אינטגרציה של למעלה מ-107 אלמנטים בשבב.

באמצעות מספר מבני LSI תלויים על מצע דיאלקטרי עם חלק סרט פסיבי של המיקרו-מעגלים, ניתן להשיג מיקרו-מכלולים (BGIS), שקל לתכנן וייצור.

אינטגרציה מוגברת של מיקרו-מעגלים מושגת על ידי אוטומציה והכנסת מידול מתמטי לתהליך הטכנולוגי עם תכנון טופולוגיית מכונה ושימוש בשיטות חדשות ליצירת אלמנטים מיקרו-מעגלים (סימום יונים וכו').

מחזור התכנון העיקרי של LSI מורכב משני שלבים: אדריכלי - תכנון מעגלים ועיצוב - טכנולוגי.

שלב התכנון האדריכלי והמעגל כולל פיתוח הארכיטקטורה והמבנה של המיקרו-מעגל, דיאגרמות פונקציונליות ומעגלים, מידול מתמטי ועבודות נוספות.

שלב התכנון והטכנולוגיה כולל פיתוח הטופולוגיה והעיצוב של המיקרו-מעגל, טכנולוגיית הייצור שלו וכן בדיקות שלהם.

מעגלים משולבים גדולים וגדולים במיוחד ברמה המודרנית מייצגים את השלב האחרון בפיתוח מעגלים משולבים קלאסיים, בהם ניתן להבחין בתחומים שווים לאלמנטים פסיביים ופעילים. פיתוח נוסף של הבסיס היסודי של האלקטרוניקה אפשרי על ידי שימוש באפקטים ותופעות פיזיקליות שונות במולקולות של מצב מוצק (אלקטרוניקה מולקולרית).

החומר העיקרי שעל בסיסו עשויים IC מוליכים למחצה הוא סיליקון, שכן על בסיסו ניתן להשיג סרט סיליקון דו חמצני בביצועים גבוהים ובשיטות פשוטות יחסית.

בנוסף, יש לזכור יתרונות נוספים של סיליקון בהשוואה לגרמניום: פער פס גדול יותר, ולכן פחות השפעה של הטמפרטורה, זרמים הפוכים נמוכים יותר של נושאי מטען מיעוט; קבוע דיאלקטרי נמוך יותר, לכן, קיבולי מחסום נמוכים יותר, כל שאר הדברים שווים.

כדי להעניק לסיליקון סוג מסויים של מוליכות, מוכנסים זיהומים תורם ומקבל לתוך הגביש, וכתוצאה מכך בכל אזור של סיליקון P- או N ישנם נושאי מטען רוב ומיעוט. תנועת נושאי המטען במבני IC מוליכים למחצה מתרחשת כרגיל: או בצורה של דיפוזיה עקב ההבדל בריכוז נושאי המטען, או בצורה של סחיפה בהשפעת כוחות שדה חשמליים. בצמתי ה-PN המתקבלים מתרחשות התופעות הרגילות שתוארו קודם לכן.

הטכנולוגיה העיקרית לייצור IC מוליכים למחצה היא מישורית. המאפיינים של ICs נקבעים במידה רבה על ידי הטכנולוגיה של יצירתם.

הבה נבחן רק כמה תכונות של השימוש בטכנולוגיה מישורית בייצור ICs.

ניקוי פני השטח.יש לזכור כי כל זיהום של משטח המצע ישפיע לרעה על תכונות ה-IC ועל אמינותו. כמו כן, יש לקחת בחשבון כי הממדים של אלמנטי ה-IC דומים לכתם האבק הקטן ביותר. מכאן הצורך בניקוי יסודי ביותר של המשטח. הניקוי מתבצע באמצעות ממיסים אורגניים; לניקוי יסודי יותר משתמשים בשיטות אולטרסאונד, שכן רטט מאיץ את פירוק המזהמים. בשלב הסופי, פרוסות הסיליקון נשטפות במים דהיוניים.

חמצון תרמי של פני השטח. זה מתבצע כדי ליצור שכבת הגנה על פני השטח של הפרוסה, הגנה על פני השטח מפני השפעות סביבתיות במהלך תהליך יצירת ה-IC. ב-ICs המבוססים על טרנזיסטורי MOS, הסרט המתקבל על ידי חמצון משמש כדיאלקטרי לשער.

נִתוּך. זוהי הכנסת זיהומים לסיליקון טהור כדי לייצר צמתים על מנת ליצור מבני דיודה וטרנזיסטור. קיימות שתי דרכים לסימום - שימוש בדיפוזיה והחדרת יוני טומאה.

לאחרונה נעשה שימוש נרחב בשיטת השתלת יונים בשל מספר יתרונות שלה, בעיקר טמפרטורות נמוכות בהשוואה לשיטת הדיפוזיה.

המהות של השיטה היא החדרת יוני טומאה לתוך רקיק של סיליקון טהור, אשר תופסים מקומות בצמתים של סריג הגביש. יוני טומאה נוצרים, מואצים, ממוקדים ומוסטים במתקנים מיוחדים, ונופלים על פני הלוח, מפציצים אותו ומכניסים את עצמם למבנה הגבישי של הסריג. הסטייה נוצרת בשדה מגנטי. הבה נזכיר שרדיוס הסטייה תלוי במסה של חלקיקים טעונים. לכן, אם יש יונים זרים בקרן הממוקדת, הם יסטו לאורך מסלולים אחרים וייפרדו מהקרן הראשית של טומאת תורם או מקבל. זהו יתרון נוסף של שיטה זו - טוהר גבוה של זיהומים.

פוטוליטוגרפיה. מאפשר לך להשיג סידור נתון של אלמנטים והוא אחד התהליכים הטכנולוגיים האופייניים ביותר ליצירת IC. הבה נזכיר שפוטוליתוגרפיה מבוססת על שימוש בתכונות הרגישות לאור של חומרים מיוחדים הנקראים פוטו-רזיסטים.

ככל שטכנולוגיית ה-IC מתפתחת, החסרונות הגלומים בשיטה זו הופכים משמעותיים יותר ויותר: האפשרות לקבל ממדים מינימליים של התבנית על גבי הפוטומסק והמגע המכני של הפוטומסק עם פרוסת המוליכים למחצה מובילים לעיוותים של התבנית.

לאחרונה פותחה שיטת הליטוגרפיה האלקטרונית. הוא מבוסס על תנועה של אלומת אלקטרונים ממוקדת על פני השטח של רקיק מצופה התנגדות. זרם האלומה נשלט על ידי מתח, המשתנה בהתאם למקום על פני השטח הקרן ממוקמת. אם יש צורך להשיג חלון, זרם האלומה הוא מקסימלי; באותם אזורים שאמורים להישאר ללא שינוי, זרם האלומה קרוב לאפס.

מתכות ליצירת חיבורים במעגלים ב-ICs.חיבורים במעגל ב-ICs נעשים באמצעות סרטי מתכת דקים המופקדים על תחמוצת סיליקון, שהיא מבודד. אלומיניום, בעל מוליכות ספציפית גבוהה, חוסר קורוזיה, ומאפשר אפשרות של מגעים מרותכים עם מובילים חיצוניים, התברר כמתאים ביותר לדרישות הבסיסיות לאלמנט המחבר עבור ICs.

יצירת ההקלה הרצויה של מפרקי מתכת מתרחשת באמצעות photolithography. סרט רציף של אלומיניום מוחל על פני השטח של תחמוצת סיליקון. הסרט מצופה בפוטו-רזיסט, מניחים פוטומסק מעליו, ואז האלומיניום נחרט, ונותרים רק פסים היוצרים מגעים מתאימים עם שכבות המצע בחלונות שנעשו בעבר שנוצרו כדי לקבל את מבנה השכבה הרצוי ב-IC.

מניתוח הפעולות העיקריות עולה כי כולן מסתכמות בשלוש עיקריות - טיפול בחום, טיפול כימי ופוטוליתוגרפיה. יצירת סרט סיליקון דו חמצני, המגן על הצמתים מהסביבה במהלך יצירת ה-IC, מהווה גורם חשוב בהבטחת יציבות הפרמטרים ואמינות ה-IC.

על ידי שינוי תבנית הפוטומסק ומצב הטיפול בחום, ניתן ליצור מעגלי IC שונים. המבנים העיקריים לייצור רכיבי IC הם טרנזיסטורים דו-קוטביים ו-MIS.

מעגל משולב (IC) הוא מכשיר אלקטרוני בעל סידור בצפיפות גבוהה של רכיבי מעגל חשמלי, שבו כל האלמנטים או חלקם נוצרים ומחוברים ביניהם חשמלית על שבב מוליך למחצה בודד או מצע דיאלקטרי.

IC הוא גוף מרובה רכיבים של קומפוזיציות שכבות על פני השטח או בשכבה הקרובה לפני השטח של מוצק (מוליכים למחצה). המאפיינים שלו נקבעים על ידי המאפיינים של שכבות דקות של חומרים שונים, אשר בתורם תלויים במידה רבה בתנאי היווצרותם, ברצף ובסוג הפעולות הטכנולוגיות.

סוגיות של פיתוח וייצור של ICs נשקלות בענף חדש של מדע וטכנולוגיה - מיקרואלקטרוניקה, החוקר את תכונות העיצוב הטכנולוגיות והפיזיקליות של אלמנטים חשמליים ורדיו עם ממדים של לא יותר ממיקרון אחד בקואורדינטה אחת לפחות.

הבעיה החשובה ביותר ביצירת מיקרו-מעגלים היא פיתוח של אלמנטים וחומרים התואמים זה את זה עם מאפיינים יציבים וניתנים לשחזור של שכבות דקות, כמו גם רצף של פעולות טכנולוגיות ליצירת מבנה רב שכבתי, שבו הפעולות הבאות אינן מובילות לרעה. להשפיע על המאפיינים של שכבות שנוצרו בעבר.

בהתאם לשיטת יצירת קומפוזיציות הסרט, מעגלים מיקרו מחולקים לשתי מחלקות - מעגלים משולבים היברידיים (HIC) ומעגלים משולבים מוליכים למחצה (IC).

מעגל משולב היברידי הוא מכשיר אלקטרוני מיקרו-מיניאטורי, שמרכיביו מחוברים באופן בלתי נפרד מבחינה מבנית, טכנולוגית וחשמלית על פני מצע דיאלקטרי (זכוכית, קרמיקה). בטכנולוגיית GIS, אלמנטים פסיביים (נגדים, מוליכים, רפידות מגע, קבלים, שכבות דיאלקטריות ומבודדות) מיוצרים במחזור טכנולוגי אחד בצורה של סרטים מתכתיים ודיאלקטריים על פני המצע. רכיבים פעילים (דיודות, טרנזיסטורים), ובמידת הצורך גם רכיבים פסיביים דיסקרטיים מיקרו-מיניאטוריים (קבלים, משרנים וכו') מותקנים על פני המצע ומחוברים לאלמנטים אחרים.

בהתאם לתהליך הטכנולוגי של יצירת אלמנטים פסיביים, מעגלים היברידיים

הם מחולקים לסרט דק ולסרט עבה.

טכנולוגיית Goncofilm -יישום רציף של מוליכי סרט דק (פחות מ-1-2 מיקרומטר), מגעים, נגדים, מבודדים על בסיס משותף על ידי חיזוק המיקרוגיאומטריה של אלמנטים וחיבוריהם (תבנית טופולוגית) או בתהליך של שקיעה באמצעות סטנסילים (מסכות), כמו כמו גם שימוש בתחריט מקומי מפורש של שכבות מוצקות של חומרים.

רצף הפעולות הטכנולוגיות בייצור GIS סרט דק על פי שתי אפשרויות מוצג באיור. 19.1.

טכנולוגיית סרט עבה- יישום רציף באמצעות שבלונות רשת וצריבה לתוך מצעים קרמיים של משחות למטרות התנגדות, מוליכות ודיאלקטריות.

משחות מוליכות והתנגדות הן תערובת של אבקת מתכת עדינה, זכוכית, המשמשת כחומר מקשר קבוע, ונוזלים אורגניים, המספקים את הצמיגות של התערובת. המתכת מספקת היווצרות של פסים מוליכים (כסף, זהב, פלטינה, פלדיום וסגסוגותיהם) או התנגדות (מתכות אצילות והרכביהן עם תחמוצות).

משחות לשכבות בידוד הן תערובת של זכוכית ונוזלים אורגניים.

לשבלונות רשת יש גודל תא קטן מאוד (כ-50 מיקרון). בהתאם לטופולוגיה הנדרשת של המעגל, באזורים מסוימים של השבלונה, התאים ממולאים באמולסיה, בנייר פיגמנט או פוטו-רזיסט, המגן על המצע מלהיכנס לעיסה לאזורים אלו. הדבק נמרח באמצעות מגב נע. ראשית, משחה מוליכה מוחלת ליצירת אבקות חיבור, לוחות קבלים ורפידות מגע. העיסה מיובשת ולאחר מכן אופה בטמפרטורה של 750-950 מעלות צלזיוס. לאחר מכן, דרך שבלונה נוספת, מורחים משחה התנגדות, שנשרפת פנימה בטמפרטורה נמוכה יותר. משחה דיאלקטרית מוחלת באופן דומה ונצרבת ליצירת שכבה דיאלקטרית בקבלים בעלי סרט עבה ובצומתים של מוליכים.

לאחר יצירת הטופולוגיה, רצף הפעולות הטכנולוגיות האחרות דומה לתהליכי ייצור מעגלי סרט דק.

מעגלים משולבים מוליכים למחצה (מצב מוצק) מיוצרים על ידי שינוי מקומי מכוון של תכונות החומר של מצע מוליכים למחצה המסומם בטומאה.

על ידי הוספת זיהומים במקומות ובכמויות מוגדרות בהחלט, ניתן לשנות את מאפייני המוליכה של חומר המצע ממוליכים למחצה סיליקון וגרמניום בטווח רחב מאוד - למעשה ממוליך למבודד. תכונה זו משמשת להשגת אלמנטים פעילים ופסיביים בגבישים. השינוי בתכונות מתרחש רק בשכבה קטנה של הגביש, השווה למספר מיקרומטרים ונקראת р-n- מעבר שבו שני אזורים בעלי מוליכות שונה - חור ואלקטרון - מתמזגים. בואו נסתכל על זה בפירוט.

ליסודות הכימיים סיליקון וגרמניום יש ארבעה אלקטרונים במעטפת האלקטרונים החיצונית שלהם, כלומר הערכיות שלהם היא ארבעה. ידוע שלאטום יש מצב יציב יותר כאשר יש שמונה אלקטרונים בקליפה החיצונית שלו. בטמפרטורות נמוכות בגבישים מוליכים למחצה, כל האלקטרונים קשורים לאטומים (אין אלקטרונים ניידים), והגביש הוא מבודד.

ככל שהטמפרטורה של מוליך למחצה עולה, אלקטרונים בודדים מופשטים מהאטומים, הופכים ניידים ויכולים ליצור זרם חשמלי בגביש כאשר מופעל עליו מתח. כאשר מוציאים אלקטרון מאטום, נוצר חלל פנוי (חור) במעטפת האטום. האלקטרונים החופשיים של החור נעים באקראי לאורך הגביש.

כאשר גביש כזה מחובר למעגל חשמלי, נצפית תנועה מסודרת של אלקטרונים מהקוטב השלילי אל הקוטב החיובי. כאשר אלקטרון חופשי פוגש חור, הם מתחברים מחדש ותנועתם נעצרת. מוליכות זו נקראת מוליכות משלומוֹלִיך לְמֶחֱצָה.

אם כמות קטנה של, למשל, אלומיניום מוכנסת לתוך גביש סיליקון או גרמניום, אז המוליכות של הגביש המסומם בו תהיה בעיקר חור. גביש כזה נקרא מוליך למחצה מסוג p.

כאשר אנו מכניסים, למשל, ארסן לסיליקון וגרמניום, אנו מקבלים מוליך למחצה עם מוליכות אלקטרונית, הנקרא מוליך למחצה ר-סוּג.

בגביש מוליכים למחצה, ניתן ליצור שני אזורים בו זמנית באמצעות סימום מקומי: ע-סוג ו נ-סוּג. הגבול ביניהם נקרא עמ-צומת שיכול לשמש כדיודה.

יצירת מגוון שילובים р-n-מעברים מתקבלים על ידי אלמנטים - דיודות, טרנזיסטורים, נגדים וכו'. שילובים של כל מספר של אלמנטים יוצרים את המעגל הרצוי, ומכיוון שכולם רכיבים של גביש אחד של חומר מוליכים למחצה, מתקבל מבנה מצב מוצק מונוליטי לחלוטין.

הטכנולוגיה הבסיסית ליצירת ICs מוליכים למחצה היא טכנולוגיה אפיטקסיאלית-מישורית,שלאורכו מתחמצן לראשונה פני השטח של רקיק חד גבישי מוליך למחצה. לאחר מכן מתבצעת תחריט מקומי של תחמוצת השכבה והמוליך למחצה מסומם דרך החלונות הנפתחים בו. דופטנטים מתפזרים לתוך המצע משלב הגז בטמפרטורה גבוהה. חמצון לאחר מכן סוגר את החלונות שוב. על ידי חזרה על הפעולות הטכנולוגיות של חמצון, תחריט סלקטיבי ודיפוזיה של זיהומים שונים, ניתן ליישם רכיבי מעגל שונים: דיודות, טרנזיסטורים, התנגדויות וקיבולים. עם זאת, אלמנטים קיבוליים אינם משמשים למעשה ב-ICs בשל שטחם הגדול והעלות הגבוהה של פעולות טכנולוגיות. עד כמה אלפי ICs נוצרים בו זמנית על פרוסת מוליכים למחצה חד-גבישית אחת בקוטר של כ-100 מ"מ.

הפעולות הבאות של התהליך הטכנולוגי הן: השגת, באמצעות שקיעת ואקום או פוטוליתוגרפיה, מוליכים מתכתיים המחברים את רכיבי המעגל ורפידות המגע, דחיית פרוסות לפי הפרמטרים של ICs בודדים, חיתוך ה-Wfer ל-ICs בודדים, התקנת ה-IC במארז. , חיבור רפידות המגע למובילי הגוף ואיטום.

הבחירה בטכנולוגיית התכנון והייצור של מעגלים משולבים נקבעת על ידי שיקולים טכניים וכלכליים. טכנולוגיות סרט עבה ודק נבדלות באפשרויות רחבות ליישום מעגלים מבחינת דיוק האלמנטים. בנוסף, הם מתאפיינים בעלות נמוכה יחסית של הכנת הייצור. על בסיסם, ניתן לייצר מגוון רחב של דיאגרמות סדרות קטנות (GIS מיוחד).

השימוש השולט בטכנולוגיית סרט דק בייצור מעגלים מדויקים מוסבר על ידי האפשרות להשיג רזולוציה, דיוק ויציבות גבוהים יותר של רכיבי מעגל.

טכנולוגיית הסרט העבה מאופיינת במחזור הכנה קצר יותר של הפקה וציוד טכנולוגי פחות מורכב. הוא משמש להשגת מעגלים פשוטים יחסית בהתקני בקרה מספריים, מחשבים וכו'. כדי להשיג GIS, לטכנולוגיית הסרט העבה יש במקרים מסוימים יתרונות על פני טכנולוגיית הסרט הדק.

טכנולוגיית IC מוליכים למחצה משמשת לייצור מוצרים בייצור המוני - מעגלי מחשב דיגיטליים, מיקרו-מעבדים, שעונים אלקטרוניים, מכונות חישוב וכו'.

מספר פעולות טכנולוגיות של שלושת הסוגים העיקריים של טכנולוגיית ייצור מעגלים משולבים דומות באופי הפיזי שלהן, למרות ההבדלים בחומרים ובציוד המשמשים.