АРХИВ СТАТЕЙ ЖУРНАЛА «МОЙ КОМПЬЮТЕР» ЗА 2002 ГОД

В недрах микросхем

• Все журналы \ Номер 52/223 `2002 от 30.12.2002 \ В недрах микросхем

Сергей КРУШНЕВИЧ insgas@svitonline.com

Каждый, кто хоть раз забирался во внутренности сложного электронного прибора, замечал маленькие (и не очень :-)) микросхемы и задавал вопрос, а что там внутри, и как это работает. Давайте же попробуем проникнуть в секреты микросхем.

В этой первой статье цикла я хочу познакомить читателей с технологией производства полупроводниковых интегральных микросхем.

Немного теории

В процессе развития электроники непрерывно усложнялось оборудование — возрастало количество отдельных (дискретных) элементов, в результате чего увеличивались габариты и масса конечного изделия и, как следствие, уменьшалась надежность. Это привело к появлению пленочных, а чуть позже гибридных микросхем.

Физически гибридная микросхема представляет собой диэлектрическую (непроводящую ток) подложку, на которой нанесены тонкопленочные (толщина пленки меньше 10 мкм) или толстопленочные элементы (резисторы, конденсаторы (рис. 1), индуктивности и т.д.) и навесные (прикрепленные к подложке) элементы. Составляющие гибридных микросхем можно встретить на материнской плате — это SMD-компоненты.

Следующим этапом в развитии микроэлектроники стало появление полупроводниковых микросхем, практически вытеснивших гибридные микросхемы из серийного производства. Основное их преимущество —степень интеграции (количество элементов на единицу площади кристалла), которая на несколько порядков выше, чем у гибридных микросхем. Это и определяет меньшую себестоимость конечной микросхемы (хорошо, что Intel выпускает полупроводниковые процессоры :-)) и на несколько порядков повышает надежность (как минимум внешних соединений). К сожалению, из-за значительных паразитных емкостей полупроводниковые микросхемы, по сравнению с гибридными, имеют значительно более низкие предельные рабочие частоты.

Все полупроводниковые микросхемы изготавливаются по планарной технологии — все выводы и p-n-переходы выходят на одну сторону. Основным недостатком данной технологии является малая плотность упаковки элементов в единице объема, так как все элементы сформированы в приповерхностном шаре толщиной всего 1–2 мкм, тогда как толщина подложки — 200–500 мкм. Но с этим пока приходится мириться.

Чтобы получить законченную микросхему, необходимо пройти довольно много этапов: получение и очистка полупроводниковых подложек, создание структур (транзисторов, резисторов, проводников и т.д.), резка на кристаллы, контроль качества, сборка.

Получение слитка

Основным сырьем для создания полупроводниковых микросхем на основе кремния (Si) является одно из самых распространенных на нашей планете соединений — оксид кремния SiO2 (в народе его прозвали песок :-)). В современной химической номенклатуре кремний называется силициум (за бугром его еще иногда именуют силиконом).

Песок промывают, очищают от всевозможных примесей и с помощью реакций восстановления (не буду вдаваться в химические подробности) получают кристаллический кремний, который закрепляют в устройстве бестигельной плавки и проводят окончательную очистку. Этот процесс очистки выполняют следующим образом: на небольшой части слитка создается расплавленная зона (температура плавления кремния 1414°С), которую при помощи перемещения нагревательного элемента (лазер, высокочастотный индуктор и т.д.) двигают вдоль слитка. В результате разности температур кристаллизации кремния и примесей, последние перемещаются вместе с расплавленной зоной в конец слитка. После 10–20 проходов процесс завершают и отрезают конец слитка с примесями.

Для получения монокристаллического слитка (когда во всем его объеме сохраняется кристаллическая решетка одного типа) к одному концу слитка подносят затравку (кусочек материала с кристаллической решеткой, которую необходимо получить в конечном слитке) и место соприкосновения расплавляют. После чего, вращая штоки в разные стороны, нагреватель медленно перемещают к другому концу слитка (рис. 2).

Так как при высокой температуре чистый кремний химически активен, то эти операции проводят в высоком вакууме — давление в камере меньше 0.0001 Па (напомню, нормальное атмосферное давление — 101325 Па).

Сейчас на производстве «выращивают» слитки диаметром 300 мм, хотя довольно часто в промышленности все еще используют 100-мм подложки.

Получение подложек

Полученные слитки специальными методами ориентируют в пространстве для получения пластин с определенным направлением кристаллической решетки. Далее слиток разрезают на отдельные пластины толщиной 0.2–0.3 мм (рис. 3). Для этого могут использоваться как «классические» методы (резка диском с внутренней режущей кромкой), так и новые (ультразвуковая или лазерная резка и т.д.). Резать слитки — весьма непростая задача при твердости кремния 7-мь (по шкале Мооса, наибольшая твердость 10-ть — у алмаза).

При резке «классическим» способом до 60% слитка срезается режущим инструментом. В качестве режущей кромки чаще всего используется алмазный абразив, реже карбид бора.

Шлифовку полученных пластин выполняют свободным или связанным абразивом с размерами зерен от 120 до 50 мкм. В результате получается пластина с микронеровностью (RA) 0.32–0.04 мкм (9–12 класс чистоты). С помощью полировки микронеровность доводят до значения менее 0.01 мкм (14-й класс чистоты — почти как зеркало :-)). В качестве полировального вещества используют пасты и порошки (размер зерен меньше 0.2–0.4 мм). Если необходима более гладкая поверхность — проводят химическое травление.

Полученная пластина представляет собой основу для формирования структур и носит гордое название — подложка.

На сегодня все. У кого появились вопросы — пишите.

(Продолжение следует)

Идёт загрузка...

Данную страницу никто не комментировал. Вы можете стать первым.

Ваше имя:
Ваша почта:
Комментарий:
Введите символы или вычислите пример: * Обновить