Комплексный процесс изготовления интегральных схем

Изготовление интегральных схем включает в себя процесс создания очень тонких поверхностных слоев полупроводникового материала поверх слоя подложки, обычно изготовленного из кремния, который можно химически изменять на атомном уровне для создания функциональности различных типов компонентов схемы, включая транзисторы, конденсаторы, резисторы и диоды. Это шаг вперед по сравнению с предыдущими конструкциями схем, в которых отдельные компоненты резисторов, транзисторов и т. д. вручную присоединялись к соединительному макету для формирования сложной схемы. Процесс изготовления интегральных схем работает с компонентами, которые настолько малы, что по состоянию на 2011 год миллиарды из них могут быть созданы на площади в несколько квадратных сантиметров с помощью различных процессов фотолитографии и травления на предприятии по производству микрочипов.

Интегральная схема или микросхема — это буквально слой полупроводникового материала, в котором все компоненты схемы соединены между собой в рамках одной серии производственных процессов, так что все компоненты больше не нужно изготавливать индивидуально и собирать позже. Самая ранняя форма интегральной схемы микрочипа была произведена в 1959 году и представляла собой грубую сборку из нескольких десятков электронных компонентов. Однако сложность производства интегральных схем росла в геометрической прогрессии:к 1960-м годам на микросхемах использовались сотни компонентов, а к 1969 году, когда был создан первый настоящий микропроцессор, - тысячи компонентов. Электронные схемы по состоянию на 2011 год имеют микросхемы длиной или шириной в несколько сантиметров, которые могут содержать миллионы транзисторов, конденсаторов и других электронных компонентов. Микропроцессоры для компьютерных систем и модули памяти, которые содержат в основном транзисторы, по состоянию на 2011 год являются самой сложной формой микросхем и могут содержать миллиарды компонентов на квадратный сантиметр.

Поскольку компоненты при производстве интегральных схем очень малы, единственный эффективный способ их создания — использовать процессы химического травления, которые включают реакции на поверхности пластины под воздействием света. Для схемы создается маска или своего рода узор, и свет через нее попадает на поверхность пластины, покрытую тонким слоем фоторезиста. Эта маска позволяет выгравировать узоры на фоторезисте пластины, который затем запекается при высокой температуре для затвердевания рисунка. Затем фоторезистный материал подвергается воздействию растворяющего раствора, который удаляет либо облученную область, либо замаскированную область поверхности в зависимости от того, является ли фоторезистный материал положительным или отрицательным химическим реагентом. Остается тонкий слой взаимосвязанных компонентов шириной с длину волны используемого света, который может быть либо ультрафиолетовым, либо рентгеновским.

После маскировки изготовление интегральных схем включает легирование кремния или имплантацию отдельных атомов, обычно атомов фосфора или бора, на поверхность материала, что придает локальным областям кристалла либо положительный, либо отрицательный электрический заряд. Эти заряженные области известны как P- и N-области, и там, где они встречаются, они образуют передающий переход, образующий универсальный электрический компонент, известный как PN-переход. По состоянию на 2011 год для большинства интегральных схем ширина таких переходов составляет от 1000 до 100 нанометров, что делает каждый PN-переход размером примерно с эритроцит человека, ширина которого составляет примерно 100 нанометров. Процесс создания PN-переходов химически адаптирован для проявления различных типов электрических свойств, что позволяет переходу действовать как транзистор, резистор, конденсатор или диод.

Из-за очень тонкого уровня компонентов и связей между компонентами в интегральных схемах, когда процесс нарушается и появляются неисправные компоненты, всю пластину приходится выбрасывать, поскольку она не подлежит ремонту. Этот уровень контроля качества повышается до еще более высокого уровня благодаря тому факту, что большинство современных микросхем по состоянию на 2011 год состоят из множества слоев интегральной схемы, наложенных друг на друга и соединенных друг с другом для создания самого конечного чипа и придания ему большей вычислительной мощности. Между каждым слоем схемы также должны быть размещены изолирующие и металлические межсоединения, чтобы сделать схему функциональной и надежной.

Хотя многие бракованные чипы производятся в процессе изготовления интегральных схем, те, которые действительно работают как конечные продукты, которые проходят электрические испытания и микроскопические проверки, настолько ценны, что делают этот процесс очень прибыльным. Интегральные схемы теперь контролируют почти все современные электронные устройства, используемые с 2011 года, от компьютеров и мобильных телефонов до бытовой электроники, такой как телевизоры, музыкальные плееры и игровые системы. Они также являются важными компонентами систем управления автомобилями и самолетами и других цифровых устройств, которые предлагают пользователю определенный уровень возможностей программирования, от цифровых будильников до климатических термостатов.

Компания About Mechanics стремится предоставлять точную и достоверную информацию. Мы тщательно отбираем авторитетные источники и применяем строгий процесс проверки фактов для поддержания самых высоких стандартов. Чтобы узнать больше о нашем стремлении к точности, прочтите наш редакционный процесс.

Ссылка на источники

• https://www.kpsec.freeuk.com/comComponents/ic.htm
• https://www.pbs.org/transistor/background1/events/icinv.html
• https://www. Thoughtco.com/history-of-integrated-circuit-aka-microchip-1992006