Technologie wytwarzania układów scalonych

[Podstavsky 0]

Witam wszystkich PCLabowiczów

Postanowiłem stworzyć wątek na temat technologii wytwarzania układów scalonych, zjawiska tranzystorowego oraz być może w przyszłości – ściśle określonej elektronice praktycznej. Poruszane przeze mnie zagadnienia dla niektórych użytkowników mogą się wydać bajecznie proste bądź nudne i niepotrzebne. Zwracam się do nich ze szczególną prośbą – skoro posiadacie wiedzę na określony temat – nie narzekajcie tylko pomóżcie. W końcu zależy nam, aby każdy z tego forum (i nie tylko) wyniósł choć cząstkę wiedzy, która w przyszłości może mu się przydać. Mam nadzieję, że temat stanie się także elementem zainteresowania młodszego grona stałych czytelników PCLab.pl. Nie zrażajcie się, że informacje tu zawarte przerastają Wasze możliwości wyobraźni i myślenia. Daję słowo – to nie jest trudne!!!

Wstęp jest mocno teoretyczny, ale nie pomijajcie go! Warto go przeczytać i zrozumieć.

A więc do dzieła!

 

Dziś pierwsza część przedstawienia – zapoznamy się z dawno wynalezioną i doskonaloną metodą otrzymywania wafla półprzewodnikowego. Następny „rozdział” (zostaną umieszczone w pewnych odstępach czasu) będzie poświęcony metodzie przygotowywania struktury pod elektrody tranzystora unipolarnego. Chwilowo rezygnuję z tranzystora bipolarnego, ponieważ w dzisiejszych procesorach ich nie ma Dlaczego? Dowiecie się w kolejnej części, o ile realizacja tej się Wam spodoba. Życzę miłej lektury.

 

>>>CZYM SĄ PÓŁPRZEWODNIKI (SEMICONDUCTORS)? <<<

 

Mówiąc najprostszym językiem, są to materiały, bez których elektronika nie istniałaby. Cechują się odpowiednimi zakresami rezystancji (oporu). Owe zakresy zawarte są pomiędzy charakterystycznymi wartościami rezystancji przewodników oraz izolatorów (dielektryków).

Przykładowo: miedź (Cu) jest świetnym przewodnikiem – jej opór właściwy oscyluje w granicach 0.17*10^(-7) Ohm*m, natomiast bardzo dobrym izolatorem jest bursztyn o rezystywności około 10^16 Ohm*m; dla krzemu (Si) jest to wartość w granicach 650 Ohm*m. Widać dosyć spore różnice...

Ważnym elementem odróżniającym półprzewodniki od przewodników jest odwrotna zależność R(T). Otóż wraz ze wzrostem temperatury rezystancja półprzewodnika maleje – przewodnika – zupełnie odwrotnie – rośnie.

Dlaczego tak się dzieje? Wyobraźmy sobie kawałek miedzi – drucik. Posiada on specyficzną budowę wewnętrzną – sieć krystaliczną. Taka sieć posiada elektrony swobodne (nośniki prądu elektrycznego, które nie są związane z atomami). Jeśli zwiększamy temperaturę – sieć coraz mocniej drga w znacznym stopniu uniemożliwiając uporządkowany ruch elektronów. Rośnie zatem opór.

Do opisania zależności R(T) w półprzewodnikach potrzebne będą pewne pojęcia:

 

*** eV – elektronowolt – to nic innego jak energia, choć w bardzo małej porcji. 1eV odpowiada energii elektronu przyspieszonego różnicą potencjałów równą 1V.

 

*** Teoria pasmowa – teoria, którą zajmuje się dział fizyki kwantowej. Opisuje stany energetyczne elektronów w krysztale. W przewodnikach pasmo przewodnictwa i walencyjne zachodzą na siebie. Istnieje duża koncentracja elektronów - powstaje tzw. gaz elektronowy, które pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego tworzą uporządkowany ruch ładunków – prąd. Kryształy półprzewodników zaś posiadają pasma: walencyjne(tzw. podstawowe), zabronione oraz przewodnictwa. Każde z nich cechuje „szerokość” rzędu kilku eV.

 

Półprzewodniki różnią się od metali tym, że w zerowej temperaturze mają całkowicie zapełnione pasmo walencyjne i całkowicie puste pasmo przewodnictwa. Jedyną różnicą w stosunku do dielektryków jest szerokość pasma wzbronionego – oczywiście jest sporo mniejsza

Teraz ważna rzecz! Podwyższając temperaturę półprzewodnika, zmieniamy energię elektronów w paśmie walencyjnym. Przechodzą w pas przewodnictwa i w ten sposób mamy więcej nośników prądu. Zatem rezystancja maleje! Ot, cała filozofia...

 

Należy także wspomnieć o nośnikach prądu elektrycznego w półprzewodnikach. Są to dziury (dodatnie) oraz elektrony (chyba każdy wie, że mają ładunek ujemny )

 

W porządku – teraz trochę wytchnienia. Na pewno większość z Was zna poniżej przedstawione najpopularniejsze półprzewodniki:

- krzem (Si)

- german (Ge)

- arsenek galu (GaAs)

- antymonek indu (InSb)

- fosforek indu (InP)

- antymonek galu (GaSb)

- arsenek indu (InAs).

Możemy odrzucić od razu dwa spośród powyższej listy. Są to: InAs oraz InSb. Są bardzo wrażliwe na zmiany temperatury, co dyskwalifikuje te materiały w produkcji układów elektronicznych. Znajdują jednak zastosowanie np. w budowaniu detektorów czy też magnetorezystorów.

Pomimo tego, że german został wykorzystany jako pierwszy w wytworzeniu pierwszego na świecie tranzystora w 1947 roku (tzw. ostrzowego)

 

 

szybko został zastąpiony przez Si ze względu na problemy ze stabilnością powierzchniową oraz niezbyt wysoką, dopuszczalną temperaturą pracy.

Odrzucamy również GaSb. Jest po prostu przeciętny.

Zostały na placu boju tylko 3 stosowane półprzewodniki na szeroką skalę: Si, GaAs oraz InP.

Cały czas są rozwijane metody otrzymywania tych monokryształów(o tym co to jest za chwilę).

Zaznaczę tylko jeszcze jedną ważną kwestię. Koszty wytwarzania czystych GaAs oraz InP są znacznie wyższe niż Si, dlatego te związki stosuje się tam, gdzie potrzebna jest bezwarunkowa, bardzo duża szybkość układu.

 

Półprzewodniki możemy podzielić także pod innym względem. Rozróżniamy samoistne – bardzo czysta struktura mono- lub polikrystaliczna, oraz niesamoistne – czyli tak jakby samoistne domieszkowane.

 

*** Warto także wspomnieć czym jest mono oraz polikryształ. Ten pierwszy to kryształ o jednolitej strukturze w każdym punkcie objętości. Ten drugi jest zlepkiem ziaren monokrystalicznych.

 

>>>DOMIESZKOWANIE<<<

 

 

Domieszkowanie to nic innego jak celowe zanieczyszczanie struktury półprzewodnikowej atomami pierwiastków, w celu zmiany jej właściwości przewodnictwa. Jeśli do krzemu (czwarta grupa układu okresowego) wprowadzimy atomy z piątej grupy (takie jak np. fosfor czy arsen – mają po 5 elektronów walencyjnych, więc swobodnie zostaje 1e-) otrzymamy krzem typu "n" – negative, gdzie nośnikami prądu będą elektrony.

 

 

Po wprowadzeniu atomów grupy trzeciej (bor, aluminium – mają po 3 elektrony walencyjne) krzem stanie się półprzewodnikiem typu "p" – positive - nośnikami prądu będą tutaj dziury.

 

 

Oczywiście posługujemy się modelem atomu wg Nielsa Bohra, bo potrzebny jest nam w zasadzie prosty obraz powłok elektronowych.

 

Istnieją dwie podstawowe metody wprowadzania domieszek do materiału półprzewodnikowego: domieszkowanie dyfuzyjne oraz implantacja jonów.

 

DOMIESZKOWANIE METODĄ IMPLANTACJI JONOWEJ

 

Polega na bombardowaniu uprzednio uformowanego wafla półprzewodnikowego wysokoenergetycznymi jonami. Jest stosunkowo droga. Działa na zasadzie „jeden wafelek – jedno wbijanie jonów”. Później należy zadbać o wygrzewanie nowej struktury ze względu na jej pofałdowanie i defekty powstałe w wyniku owego bombardowania. Odbywa się w normalnej temperaturze (około 20*C) i wymaga próżni, aby nie pozbawiać wysokiej energii naszych rozpędzonych jonów. Pozwala na umieszczenie dowolnej domieszki w danym ciele stałym.

 

DOMIESZKOWANIE DYFUZYJNE

 

Jest metodą umieszczania domieszki w strukturze półprzewodnikowej przy pomocy gazu o wysokiej temperaturze i gęstości. Pod wpływem gradientu koncentracji dokonujemy przemieszczeń odpowiednich atomów w naszym waflu. Jak wspomniałem odbywa się to w specjalnie podgrzanej atmosferze o stabilnych warunkach termicznych. Bardzo ważnym elementem tej technologii jest możliwość umieszczania wielu wafli w jednej komorze – jest relatywnie tania. Jak to wszędzie bywa, obowiązuje zasada „coś za coś”. Pozwala przeprowadzić proces domieszkowania tylko wtedy, gdy atomy domieszki „rozpuszczają się” w naszym waflu.

 

W porządku. Mniej więcej znamy już podział półprzewodników, zmianę ich przewodnictwa poprzez „zanieczyszczenie”. Ale czym są te ciągle wspominane wafle?

Na pewno nie jeden z Was widział kiedyś okrągły element wystawiany często przez Intela albo AMD na konferencjach technologicznych (choć z uprzednio już naniesionymi rdzeniami). Jest to końcowy produkt procesu zwanego wytwarzaniem płyt krzemowych. I do tego zagadnienia w tym momencie przechodzimy.

 

>>>WYTWARZANIE PŁYT KRZEMOWYCH<<<

 

Cały proces jest bardzo skrupulatnie przygotowywany i dzieli się na następujące etapy:

- wytwarzanie mono bądź polikryształu półprzewodnika

- cięcia

- polerowania mechanicznego oraz chemicznego

- końcowego czyszczenia, kontroli oraz wysyłki.

 

WYTWARZANIE MONOKRYSZTAŁU

sprowadza się do utworzenia walca półprzewodnikowego o określonej średnicy, który później poddawany jest cięciu. Wyróżniamy dwie popularne metody:

- Czochralskiego

- Wytapianie strefowe

Zobrazujmy i opiszmy pierwszą z nich:

 

 

Widzimy sporą komorę złożoną z wielu obszarów. Zaczynamy od wewnątrz. Między dwiema warstwami metalu płynie płyn chłodniczy obniżający temperaturę obudowy. Następnie jest warstwa izolująca. Zaraz za nią znajduje się okładzina metalowa która jest jedną, wielką grzałką wykorzystującą prąd elektryczny. Teraz bardzo ważny element – tygiel grafitowy. Jest to ogromne naczynie do utrzymywania stopionej masy ciekłego półprzewodnika (np. około 1500*C, bo T topnienia Si wynosi 1421*C). Ponieważ grafit jest czystym węglem, wytrzymuje temperaturę do ponad 3700*C i jeszcze nie staje się ciekły! Cała masa obraca się przy pomocy widocznego wału i jest odciągana ku górze. Dlaczego się obraca? Bo formujemy cylinder. Dlaczego akurat cylinder? Producenci tłumaczą to zapobieganiem przed odpryskami w późniejszym cięciu takiego wafelka

Celem metody Czochralskiego jest otrzymanie monokryształu o czystości 99.9999%

 

Wytapianie strefowe polega na umieszczeniu w specjalnej tulei przytrzymującej polikryształu.

Obraca się on między nagrzewnicami indukcyjnymi (wkracza tutaj pojęcie mikrofali) i jest poddawany procesowi topienia. Jak kształtuje się pożądana masa? Spójrzcie na rysunek:

 

 

Rozgrzewanie powoduje w efekcie końcowym ujednolicenie struktury – tak, by stała się monokrystaliczna.

 

Następny proces to

 

CIĘCIE

 

Mamy już pseudocylinder. Ścinamy jego stożkowe zakończenia. Później następuje etap zeszlifowania powierzchni bocznej, tak, aby powstała wyjściowa średnica przekroju 8-12 cali (200-300mm). Dalej określamy orientację naszego wytworu oraz parametry pod proces domieszkowania.

Przystępujemy bracia-rodacy do cięcia!

Wyróżniamy dwie metody:

- ścinanie szybkoobrotową tarczą diamentową: nakładamy tarczę w kształcie pierścienia na cylinder i tniemy;

- oscylujący drut – mamy szpulę nawijającą i odwijającą drut. Przez przesuwanie w górę lub w dół naszego cylindra dokonujemy procesu cięcia.

Oto powstały produkt:

 

 

który jeszcze musimy oczyścić z wszelkich zanieczyszczeń powierzchniowych (szczególnie metalicznych oraz organicznych – służy nam pomocą znana metoda RCA-1 o której na życzenie mogę coś napisać ). Tego wymagają niesamowicie restrykcyjne pod tym względem układy VLSI (Very Large Scale Integration) oraz ULSI (Ultra Large Scale Integration), gdzie przekroje linii przyszłej magistrali będą wyrażane wartościami nanometrów.

 

Jest to zalążek artykułu. Masz uwagi i propozycje? Pisz na PW.

[phoenix__ 0]

natomiast bardzo dobrym izolatorem jest bursztyn o rezystywności około 10^16 Ohm*m; dla krzemu (Si)

 

Ja tam się nie znam ale czy nie powinno być rezystancji? a nie rezystywności ?

 

Są to dziury (dodatnie)

dziury ? 0_o

No i sory że nie na pw ;]

[Gżehó 0]

Wystarczy czasem wpisac w google

http://pl.wikipedia.org/wiki/Rezystywno%C5%9B%C4%87

 

 

Fajne rzeczy piszesz, tak z ciekawosci spytam czy masz cos wspolnego z elektronika, czy tak sie interesujesz w wolnym czasie ?

[BlackBool 0]

Świetny temat moim zdaniem. Bardzo interesujący ! Chwała Ci Podstavsky.

[DaRkstaR2111 0]

Dobra robota

[bfme2pl 0]

Świetne! Dzięki za wyczerpujące informacje.

 

Pozdrawiam autora.

[Stjepan 677]

Podoba mi się czekam na kontynuacje.

[JMKS 0]

Ode mnie 5 gwiazek .

 

Jakiś czas temu (coś koło stycznia chyba ) miałem przyjemność wysłuchać u siebie na wydziale (chemia UW ) wykładu m.in. o takich zabawach (ogólnie o produkcji mikroprocesorów, ale razem z cleanroomami, rynkiem zbytu itd), a teraz sobie poczytać o konkretach nie zaszkodzi .

[Podstavsky 0]

Ja tam się nie znam ale czy nie powinno być rezystancji? a nie rezystywności ?

dziury ? 0_o

No i sory że nie na pw ;]

Rezystywność to wielkość wprost proporcjonalna do rezystancji i przekroju przez przewodnik, natomiast odwrotnie proporcjonalna do jego długości.

Jej jednostką jest Ohm*m. Często używa się pojęcia opór właściwy. Oczywiście zamiennie z rezystywnością

Co do dziur. Prosta sprawa: mamy domieszkowanie pierwiastkiem 3 grupy. Oznacza to, że na jego powłoce walencyjnej znajdują się 3 elektrony. Teraz łączymy go z półprzewodnikiem. Tam gdzie jest deficyt elektronu mamy dziurę elektronową. I ten fakt jest wykorzystywany jako nośnik ładunku

 

Wystarczy czasem wpisac w google

http://pl.wikipedia.org/wiki/Rezystywno%C5%9B%C4%87

Fajne rzeczy piszesz, tak z ciekawosci spytam czy masz cos wspolnego z elektronika, czy tak sie interesujesz w wolnym czasie ?

Jestem na 1 roku elektroniki. Ale zajmowałem się tym dużo wcześniej, choć niewiele o technologiach wiedziałem.

 

Dziękuję wszystkim za słowa uznania, ale to tylko próba języka. Nie możliwości.

To co zaplanowałem - zrealizuję. Mogę powiedzieć, że sporo tego będzie

[Diablo_06 0]

Az się dziwie bo całość z ciekawościa przeczytałem

[adicjusz 0]

Banał idę do piwnicy i zaraz zrobię jakiś wafel

[Podstavsky 0]

A wiesz co jest potrzebne do przyspieszania jonów?

 

Słuchajcie. To wymaga jeszcze dopracowania. Rozbuduję tą część.

Następna będzie o tranzystorach unipolarnych, litografii, rentgenolitografii oraz elektronolitografii. Takie wprowadzenie do specjalnej technologi samego wytwarzania procesorów i innych scalaków. Jest tego sporo i będzie co czytać

[wikktor 0]

chodźcie sie weźmy w garść i zbudujmy jakiegoś chipa

[A.D.A.Ś. 0]

chodźcie sie weźmy w garść i zbudujmy jakiegoś chipa

no to jazda....

 

no a temat bardzo ciekawy