Tecnología plana

La tecnología plana es un conjunto de operaciones tecnológicas utilizadas en la fabricación de dispositivos semiconductores y circuitos integrados  planos (planos, de superficie) . El proceso implica formar componentes de transistores individuales y combinarlos en una sola estructura. Este es el proceso principal en la creación de circuitos integrados modernos . Esta tecnología fue desarrollada por Jean Herni, uno de los miembros de los Traicioneros Ocho , mientras trabajaba en Fairchild Semiconductor . La tecnología fue patentada por primera vez en 1959 .

La esencia del concepto era considerar el esquema en una proyección sobre un plano, lo que hacía posible utilizar elementos fotográficos , como películas fotográficas negativas, cuando se iluminaban reactivos sensibles a la luz. La secuencia de tales fotoproyecciones hizo posible crear combinaciones de dióxido de silicio (dieléctrico) y regiones dopadas (conductoras) sobre un sustrato de silicio. Aplicando también la metalización (para conectar elementos de circuito) y el concepto de aislar elementos de circuito con uniones pnpropuesto por Kurt Lehovec , los investigadores de Fairchild pudieron crear un circuito en una sola oblea de silicio ("oblea") hecha de un lingote de silicio de un solo cristal ("boule").

El proceso también incluye operaciones de oxidación, grabado y difusión del silicio (SiO 2 ).

Principios tecnológicos

En la entrada de la tecnología se encuentran placas llamadas sustratos . La composición del material del sustrato, la estructura cristalina (hasta distancias interatómicas en sustratos para procesadores modernos) y la orientación cristalográfica están estrictamente controladas. En el curso del proceso tecnológico, en la capa cercana a la superficie de un material semiconductor que es un sustrato o se deposita sobre un sustrato, se crean regiones con un tipo o valor diferente de conductividad, que en última instancia está determinada por una concentración diferente de donante. y aceptor de impurezas, así como el material de la capa. Encima de la capa de material semiconductor, usando capas intermedias de material dieléctrico en los lugares correctos, se aplican capas de material conductor para formar las almohadillas de contacto y las conexiones necesarias entre las áreas. Las regiones y capas de un conductor, un semiconductor y un dieléctrico forman juntas la estructura de un dispositivo semiconductor o un circuito integrado.

Una característica de la tecnología plana es que después de completar cada operación tecnológica, se restaura la forma plana (plana) de la superficie de la placa, lo que permite crear una estructura bastante compleja utilizando un conjunto finito de operaciones tecnológicas.

La tecnología planar permite fabricar simultáneamente en un solo proceso tecnológico una gran cantidad de dispositivos semiconductores discretos o circuitos integrados sobre un solo sustrato, lo que puede reducir significativamente su costo. Además, en el caso de fabricar dispositivos idénticos en una placa, los parámetros de todos los dispositivos resultan ser similares. El limitador es solo el área del sustrato, por lo tanto, el diámetro de los sustratos tiende a aumentar a medida que se desarrollan las tecnologías para la producción de sustratos.

Para controlar la calidad de la realización de operaciones intermedias en el sustrato, por regla general, se distinguen varias áreas pequeñas (generalmente en el centro y en la periferia), en las que se prueban pistas conductoras y dispositivos elementales (condensadores, diodos, transistores, etc.) se forman durante el proceso tecnológico estándar. ). En las mismas áreas, se forman almohadillas de contacto de un área relativamente grande para probar la idoneidad de las placas antes del trazado (separación en dispositivos separados) . Para combinar imágenes durante la fotolitografía, también se forman marcas de alineación en un área especialmente seleccionada, similares a las que se pueden encontrar en los productos impresos en varios colores.

Operaciones tecnológicas básicas

Litografía

Los principales pasos tecnológicos utilizados en la tecnología planar se basan en el proceso de litografía (fotolitografía).
Se aplican los siguientes métodos:

  1. fotolitografía óptica (estándar), λ=310—450 nm ;
  2. fotolitografía ultravioleta sobre láseres excimer , λ=248 nm, λ=193 nm;
  3. fotolitografía en ultravioleta profundo , λ=10-100 nm;
  4. litografía de rayos X , λ=0,1-10 nm;
  5. litografía electrónica ;
  6. litografía por haz de iones ;
  7. Litografía de nanoimpresión .

Los métodos de fotolitografía aplicada pueden ser escaneado y proyección; contacto, sin contacto y microgap (ver también litografía de inmersión ). El método de difusión estimulada por radiación también se puede aplicar de forma limitada.

equipo litográfico

Las máquinas de litografía EUV de la empresa holandesa ASML son el corazón de la fabricación moderna de chips.

Cadena de operaciones

La cadena tecnológica consta de una serie de ciclos (hasta varias decenas), que incluyen las siguientes operaciones principales (en orden):

Los principales ciclos realizados al crear dispositivos semiconductores son los siguientes:

Los esquemas de alternancia de operaciones y ciclos son bastante complejos, y su número se puede medir en docenas. Entonces, por ejemplo, al crear microcircuitos en transistores bipolares con aislamiento de colector, con aislamiento combinado (isoplanar-1,2; poliplanar) y en otros circuitos donde es necesario o deseable reducir la resistencia del colector y aumentar la velocidad), oxidación, fotolitografía y difusión debajo de la capa n+ enterrada, luego se construye la capa epitaxial del semiconductor ("entierro"), y los elementos específicos del microcircuito ya se crean en la capa epitaxial. Después de eso, la superficie de la placa se aísla nuevamente, se hacen ventanas de contacto y se aplican pistas y almohadillas conductoras. En microcircuitos complejos, las pistas de contacto se pueden hacer en varios niveles con la aplicación de capas dieléctricas entre los niveles, nuevamente con ventanas grabadas.

El orden de los ciclos está determinado principalmente por las dependencias de los coeficientes de difusión de las impurezas con la temperatura. Intentan primero impulsar y destilar las impurezas menos móviles y, para reducir el tiempo de proceso, utilizar temperaturas más altas. Luego, a temperaturas más bajas, se impulsan y dispersan más impurezas móviles. Esto se debe a la caída rápida (exponencial) del coeficiente de difusión al disminuir la temperatura. Por ejemplo, en el silicio, primero, a temperaturas de hasta ~950 °C, se crean regiones de tipo p dopadas con boro, y solo luego, a temperaturas inferiores a ~750 °C, se crean regiones de tipo n dopadas con fósforo. En el caso de otros elementos de aleación y/u otras matrices, las clasificaciones de temperatura y el procedimiento para crear las regiones de aleación pueden ser diferentes, pero siempre intente seguir la regla del "grado inferior". La creación de pistas siempre se realiza en los bucles finales.

Además del dopaje por difusión y la dispersión, se pueden utilizar métodos de transmutación radiativa de silicio en aluminio y fósforo. Al mismo tiempo, la radiación penetrante, además de desencadenar reacciones de transmutación, daña significativamente la red cristalina del sustrato. La aleación de la placa recorre toda la superficie y en todo el volumen del material, la distribución de las impurezas resultantes está determinada por la intensidad de la radiación que penetra en el espesor de la sustancia y, por tanto, obedece a la ley de Bouguer-Lambert :

N=N 0 *e -ax , donde N es la concentración de impurezas;

N 0  es la concentración de impurezas en la superficie; a es el coeficiente de absorción de radiación; x es la distancia desde la superficie irradiada;

Los lingotes de silicio no cortados en obleas se usaban generalmente para el dopaje. En este caso, el perfil de distribución de impurezas sobre el diámetro de la oblea se describe mediante la transposición de exponentes con un máximo en la periferia de la oblea y un mínimo en el centro de la oblea. Este método tiene una aplicación limitada para la fabricación de dispositivos especiales de silicio de alta resistencia.

Operaciones finales en la producción de microcircuitos

Escritura

Una vez completadas las operaciones para la formación de dispositivos en la oblea, la oblea se divide en pequeños cristales que contienen un solo dispositivo terminado.

Inicialmente, la separación de la placa en cristales individuales se llevó a cabo rayándola a una profundidad de 2/3 del espesor de la placa con un cortador de diamante, seguido de un corte a lo largo de la línea rayada. Este principio de separación dio el nombre a toda la operación de dividir las obleas en cristales: "escribiendo" (del inglés scrib  - "mark").

Actualmente, el rayado se puede realizar tanto cortando todo el espesor de la placa con la formación de cristales individuales, como una parte del espesor de la placa, seguido de división en cristales.

La escritura con algo de estiramiento se puede atribuir a las etapas finales de la tecnología planar.

El corte se puede hacer de varias maneras:

  1. El rayado con cortador de diamante es el rayado de una placa a lo largo de uno de los ejes cristalográficos para su posterior rotura a lo largo de los riesgos, de forma similar a como funcionan al cortar vidrio. Por lo tanto, en sustratos de silicio, las fallas se obtienen mejor a lo largo de los planos de división . En la actualidad, el método está obsoleto y prácticamente no se utiliza;
  2. Desdoblamiento por choque térmico local (poco usado);
  3. Cortar con una sierra de corona con un borde de corte externo : la instalación es similar a la instalación para cortar lingotes en placas, pero el diámetro de la cuchilla es mucho más pequeño y el borde de corte sobresale de las abrazaderas por no más de una profundidad y media. de la marca Esto minimiza el ritmo y le permite aumentar la velocidad a 20-50 mil revoluciones por minuto. A veces se ponen varios discos en el eje para crear varios riesgos al mismo tiempo. El método permite cortar todo el espesor de la placa, pero generalmente se usa para rayar y luego partir.
  4. El trazado químico es un trazado mediante grabado químico. Para llevar a cabo la operación, se realiza una fotolitografía preliminar con la formación de ventanas en las secciones divisorias a ambos lados de la placa, y se graban las áreas divisorias. Una variación de este método es el grabado anisotrópico de extremo a extremo, donde se utiliza la diferencia en la velocidad de grabado en diferentes direcciones de los ejes cristalográficos. Las principales desventajas que limitan la aplicación del método son la dificultad de hacer coincidir el patrón de ventanas para grabar ambos lados de la placa y el grabado lateral de cristales debajo de la máscara. El método permite grabar la placa tanto en una parte del espesor como en todo el espesor.
  5. Corte con cuchillas o alambres de acero: las cuchillas o el alambre rozan las placas, se aplica una suspensión abrasiva en el punto de contacto. Existe el riesgo de dañar las estructuras terminadas por una lona o alambre roto. Las fluctuaciones en la composición de la suspensión, las distorsiones mecánicas en el equipo también pueden provocar defectos. El método se utilizó en producción y laboratorios a pequeña escala. El método permite cortar todo el espesor de la placa, pero generalmente se usa para rayar y luego partir.
  6. Corte con rayo láser : la formación de rayones se produce como resultado de la evaporación del material del sustrato por un rayo láser enfocado. La aplicación del método está limitada por el espesor de las placas, y dado que un mayor diámetro de las placas requiere un mayor espesor para mantener la rigidez requerida, no siempre se utiliza la separación pasante (menos de 100 micras - el corte es posible, a partir de 100 hasta 450 micras - solo trazado). Con una separación completa, no se requiere la posterior ruptura de la placa en cristales. No se recomienda utilizar este método para cortar placas que contengan arseniuro de galio, debido a la liberación de compuestos altamente tóxicos. En la URSS , los láseres hechos de granate de itrio, aluminio y rubí se utilizaron principalmente para este método. El principal problema cuando se utiliza el corte con un rayo láser es la protección de las estructuras terminadas de las gotas de material fundido y la condensación del material del sustrato evaporado sobre ellas. Una forma original de solucionar este problema es utilizar un fino cordón de agua suministrado a alta presión como guía de luz de enfoque y al mismo tiempo como refrigerante para el corte por láser.

Después de cortar los arañazos, las placas se dividen en cristales. Hay tres métodos principales:

  1. Método de rodillo con resorte: la placa se coloca en una bolsa de plástico y se coloca sobre una base de goma elástica gruesa con las marcas hacia abajo y el operador rueda a lo largo de las marcas con un rodillo con resorte. La calidad de la rotura depende de hasta qué punto la dirección del movimiento de los rodillos es paralela a los riesgos; en caso de desviación, la rotura no es posible según los riesgos y el daño de los cristales.
  2. Rotura en un hemisferio: las placas se engarzan con una membrana elástica sobre una superficie esférica. La membrana se presiona hidráulicamente o con aire comprimido. Al separar placas con un diámetro de más de 76 mm de esta manera, el porcentaje de rechazos aumenta considerablemente.
  3. Rodando entre dos rodillos cilíndricos. La placa en la cinta transportadora adhesiva es comprimida por un rodillo de acero y goma, que gira, como resultado de la deformación del rodillo de goma elástica, se aplica una fuerza de flexión a la placa.

Fijación de los cristales a la caja.

Después de trazar, los cristales se unen a la base de la caja:

  1. al pegar: se utilizan adhesivos a base de resina epoxi, se degrada con el tiempo: conduce peor el calor, se vuelve quebradizo, la conexión se vuelve frágil. Este método no se utiliza actualmente.
  2. método de fusión eutéctica : se aplica una fina capa de oro a la base de cerámica de la caja y al reverso de la placa antes de la separación en cristales. Se coloca lámina de oro en el punto de unión del cristal, se coloca el cristal en la base de la caja, se calienta a 380° (la temperatura eutéctica del sistema silicio - oro es de 385°) y se aplica una fuerza vertical. El alto costo hace posible usar el método solo para esquemas de propósitos especiales.
  3. cuando se sellan con plástico, los cristales con refuerzo soldado se colocan en una cinta portadora.
  4. Conexión con vidrios: debido a la dificultad de seleccionar vidrios con una temperatura de reblandecimiento baja y un coeficiente térmico de expansión lineal correspondiente a los materiales utilizados, este método es poco útil para la tecnología de película delgada (adecuada para circuitos integrados híbridos y de película gruesa )
  5. método flip-chip: cuando se utilizan cables a granel, tanto el cristal como todos los cables se conectan al mismo tiempo.

Conexión de cables a un chip

Métodos de conexión de pines:

  1. soldadura por termocompresión
  2. soldadura ultrasónica
  3. calentamiento indirecto pulsado
  4. soldadura de doble electrodo
  5. soldadura por puntos láser
  6. soldadura por haz de electrones
  7. montaje inalámbrico de elementos con cables de volumen

Sellado de cristal

métodos de sellado: la elección del método depende del material y la forma de la carcasa. Los estuches son herméticos (metal-vidrio, metal-cerámica, cerámica, vidrio) y no herméticos (plástico, cerámica). Soldadura: soldadura en frío; soldadura por electrocontacto: contorno, rodillo, microplasma, arco de argón, láser, haz de electrones; Soldadura: convectiva en hornos, chorro de gas caliente; pegado; sellado de plástico.

Pruebas

Durante las pruebas, se controla la calidad de la fijación de los cables, así como la resistencia de los dispositivos (excepto los que tienen fugas) a condiciones climáticas extremas en el soporte de calor y humedad y estrés mecánico en el soporte de choque y vibración, así como como sus propiedades eléctricas. Después de la prueba, los instrumentos se pintan y marcan.

Notas

  1. ↑ Hoerni, JA Patente US3025589 Método de fabricación de dispositivos semiconductores . — 1959.
  2. ↑ "Circuitos integrados digitales. Metodología de diseño.”="Circuitos Integrados Digitales" 2nd Ed, 2007 ISBN 978-5-8459-1116-2 página 75

Literatura sobre el tema