Методы производства полупроводников

В этом разделе описано производство полупроводников только на основе кремния; большинство полупроводников - кремний. Кремний особенно подходит для интегральных схем, потому что он легко образует оксидное покрытие, полезное для создания рисунка на интегральных компонентах, таких как транзисторы.

Кремний

Кремний - второй по распространенности элемент в земной коре в виде диоксида кремния SiO ₂ . , иначе известный как кварцевый песок. Кремний освобождается от диоксида кремния восстановлением углеродом в дуговой электропечи

SiO ₂ + C =CO ₂ + Si

Такой кремний металлургического сорта подходит для использования в слоистых пластинах трансформаторов из кремнистой стали, но он недостаточно чистый для применения в полупроводниках. Превращение в хлорид SiCl ₄ (или SiHCl ₃ ) позволяет производить очистку фракционной перегонкой. Восстановление сверхчистым цинком или магнием дает губчатый кремний, требующий дополнительной очистки. Или, термическое разложение на стержневом нагревателе из горячего поликристаллического кремния водородом дает сверхчистый кремний.

Si + 3HCl =SiHCl ₃ + H ₂ SiHCl ₃ + H ₂ =Si + 3HCl ₂

Поликристаллический кремний плавится в тигле из плавленого кварца, нагреваемом индукционным графитовым токоприемником. В качестве альтернативы графитовый нагреватель может напрямую приводиться в действие низким напряжением при высоком токе. В процессе Чохральского расплав кремния затвердевает на стержне из монокристаллического кремния размером с карандаш с желаемой ориентацией кристаллической решетки. (Рисунок ниже) Стержень вращается и тянется вверх со скоростью, позволяющей увеличить диаметр до нескольких дюймов. Как только этот диаметр будет достигнут, буль автоматически вытягивается со скоростью, обеспечивающей постоянный диаметр до нескольких футов. В расплав тигля можно добавлять легирующие примеси, чтобы создать, например, полупроводник P-типа. Устройство для выращивания находится в инертной атмосфере.

Выращивание монокристаллического кремния Чохральского.

Готовую булю измельчают до точного окончательного диаметра и обрезают концы. Були нарезают на пластины алмазной пилой внутреннего диаметра. Вафли отшлифованы и отполированы. Пластины могут иметь эпитаксиальный тип N слой, выращенный поверх пластины путем термического осаждения для более высокого качества. Пластины на этом этапе производства поставляются производителем кремниевых пластин производителю полупроводников.

Кремниевая були распиливается алмазами на пластины.

Обработка полупроводников

Обработка полупроводников включает фотолитографию, процесс изготовления металлических литографических печатных форм путем кислотного травления. Версия, основанная на электронике, - это обработка медных печатных плат. Это показано на рисунке ниже как простое введение в фотолитографию, используемую при обработке полупроводников.

Обработка медных печатных плат аналогична этапам фотолитографической обработки полупроводников.

Начнем с медной фольги, приклеенной к плите из стекловолокна на рисунке выше (а). Нам также нужны позитивные иллюстрации с черными линиями, соответствующими медным проводам и контактным площадкам, которые должны остаться на готовой плате. Позитивные художественные работы необходимы, потому что используется положительное действующее сопротивление. Тем не менее, отрицательный резистор доступен как для печатных плат, так и для обработки полупроводников. На этапе (b) жидкий положительный фоторезист наносится на медную поверхность печатной платы (PCB). Дать высохнуть и запекать в духовке. Произведение искусства может представлять собой позитивную репродукцию оригинального произведения искусства на пластиковой пленке, увеличенную до необходимого размера. Художественное произведение соприкасается с печатной платой под стеклянной пластиной в точке (c). Доска подвергается воздействию ультрафиолетового света (d), чтобы сформировать скрытый изображение размягченного фоторезиста. Художественное произведение удаляется (e), а размягченный резист смывается щелочным раствором (f). Промытая и высушенная (запеченная) печатная плата имеет изображение затвердевшего резиста поверх медных линий и контактных площадок, которые должны остаться после травления. Плата погружается в травитель (g) для удаления меди, не защищенной закаленным резистом. Протравленный картон ополаскивается, а резист удаляется растворителем.

Основное различие в структуре полупроводников состоит в том, что слой диоксида кремния поверх пластины занимает место резиста во время этапов высокотемпературной обработки. Тем не менее, резист необходим при низкотемпературной влажной обработке для создания рисунка из диоксида кремния.

Кремниевая пластина с примесью N-типа на рисунке ниже (а) является исходным материалом при производстве полупроводниковых переходов. Слой диоксида кремния (b) выращивают поверх пластины в присутствии кислорода или водяного пара при высокой температуре (более 1000 ° C в диффузионной печи. Смесь резиста наносится на центр охлажденной пластины, затем вращается в вакуумный патрон для равномерного распределения резиста. Запеченный резист (c) имеет хромированную стеклянную маску, нанесенную на пластину в точке (d). Эта маска содержит узор из окон, который подвергается воздействию ультрафиолетового света (e).

Изготовление кремниевого диодного перехода.

После снятия маски на рисунке выше (f) положительный резист можно проявить (g) в щелочном растворе, открыв окна в резисте, размягченном УФ-излучением. Назначение резиста - защитить диоксид кремния от травления плавиковой кислотой (h), оставляя только открытые окна, соответствующие отверстиям маски. Оставшийся резист (i) снимается с пластины перед возвратом в диффузионную печь. Пластина подвергается воздействию газообразной примеси P-типа при высокой температуре в диффузионной печи (j). Легирующая добавка диффундирует в кремний только через отверстия в слое диоксида кремния. Каждая P-диффузия через отверстие создает PN-переход. Если бы диоды были желаемым продуктом, пластина была бы разрублена алмазами и разбита на отдельные диодные кристаллы. Однако вся пластина может быть переработана в транзисторы с биполярным переходом.

Чтобы преобразовать диоды в транзисторы, требуется небольшая диффузия N-типа в середине существующей P-области. Этого можно добиться, повторив предыдущие шаги с маской с меньшими отверстиями. Хотя это не показано на рисунке выше (j), оксидный слой, вероятно, был сформирован на этой стадии во время диффузии фосфора. Слой оксида над диффузией P показан на рисунке ниже (k). Положительный фоторезист наносится и просушивается (l). Нанесена маска эмиттера хром на стекле (m) и экспонируется УФ-излучение (n). Маска снимается (о). Смягченный УФ-излучением резист в отверстии эмиттера удаляется щелочным раствором (p). Открытый диоксид кремния протравливается плавиковой кислотой (HF) в точке (q)

Производство биполярного переходного транзистора, продолжение производства кремниевого диодного перехода.

После снятия неэкспонированного резиста с пластины (r) его помещают в диффузионную печь (рис. Выше (а) для высокотемпературной обработки. Газообразная легирующая примесь N-типа, такая как оксихлорид фосфора (POCl), диффундирует через небольшой эмиттер). окно в оксиде (ах). Это создает слои NPN, соответствующие эмиттеру, базе и коллектору BJT. Важно, чтобы эмиттер N-типа не проходил через базу P-типа, закорачивая эмиттер и коллектор. Базовая область между эмиттером и коллектором также должна быть тонкой, чтобы транзистор имел полезное значение β. В противном случае толстая базовая область могла бы образовать пару диодов, а не транзистор. контакт с областями транзистора. Это требует повторения предыдущих шагов (здесь не показаны) с маской для контактных отверстий через оксид. Еще один повтор с другой маской определяет рисунок металлизации поверх оксида и контактирует с областями транзистора через отверстие в оксиде. gs.

Металлизация может соединить множество транзисторов и других компонентов в интегральную схему . . Хотя показан только один транзистор. На готовую вафлю наносят алмазные риски и разбивают на отдельные штампы для упаковки. Алюминиевый провод тонкого сечения соединяет металлизированные контакты на кристалле с выводной рамкой . , который выводит контакты из окончательной упаковки.

ОБЗОР:

• Большинство полупроводников основано на сверхчистом кремнии, поскольку он образует оксид стекла на поверхности пластины. На этот оксид можно нанести рисунок с помощью фотолитографии, что делает возможными сложные интегральные схемы.
• Монокристаллы кремния в форме колбасы выращиваются методом Чохральского. Это алмаз, распиленный на пластины.
• Создание рисунка на кремниевых пластинах с помощью фотолитографии аналогично нанесению рисунка на медные печатные платы. Фоторезист наносится на пластину, которая через маску подвергается воздействию УФ-излучения. Резист проявляется, затем пластина протравливается.
• травление плавиковой кислотой открывает окна в защитном диоксиде кремния на поверхности пластины.
• Воздействие газообразных примесей при высокой температуре приводит к образованию полупроводниковых переходов, определяемых отверстиями в слое диоксида кремния.
• Фотолитография повторяется для большего количества диффузий, контактов и металлизации.
• Металлизация может соединить несколько компонентов в интегральную схему.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Схема расположения и изготовления печатной платы