XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

В последнее время появился новый окружающий человека мир, включающий компьютеры, Интернет, беспроводную связь и глобальные системы позиционирования. Эволюция от микросхемы к микроэлектромеханическим системам (МЭМС) сочетает в себе технологии производства искусственного интеллекта и микрообработки для установки двигателей, датчиков, насосов, клапанов или радиоприемников и антенн на микросхеме.

Микрочипы или микросхемы в основном состоят из тысяч или миллионов транзисторов, упакованных в небольшой кусок кремния. Транзистор - это электронный переключатель, не содержащий движущихся частей, но использующий электричество для включения и выключения. Транзисторы соединены вместе проволокой из алюминия или меди для выполнения различных функций [4]. Транзистор включается, когда к затвору плдводится электрический заряд низкого напряжения. Такое изменение электрического заряда транзистора позволяет электронам перемещаться от истока к стоку. Компьютерные микросхемы чаще всего создаются из чистого кремния и металлов. Затравочный кристалл кремния погружается в очищенный расплавленный кремний и вращается и вытягивается в то время, когда он вращается, чтобы превратиться в кремниевый цилиндр или слиток. Как только слиток достигает желаемого размера, его достают, проверяют и испытывают на соответствие необходимым требованиям. Затем слиток разрезается на множество тонких кремниевых пластин, которые затем полируются. Сотни чипов сделаны из каждой пластины. Чипы изготавливаются в рамках точного производственного процесса, который включает в себя сотни операций, выполняемых слой за слоем на кремниевой пластине с постоянным тестированием.

Производство микросхем включает большое количество процессов с использованием ультрафиолетового света, полимеров, растворителей и газов. Эти процессы включают изоляцию (диоксид кремния), размещение (осаждение), формирование рисунка (с помощью трафаретов, известных как маски), удаление (травление), имплантацию (легирование) и диффузию, а также осаждение металлов межсоединений (алюминий, медь). Каждый слой состоит из тысяч микроскопических компонентов. В процессе построения этих слоев создаются и соединяются между собой от тысяч до миллионов транзисторов. По завершении одна пластина будет содержать сотни одинаковых штампов (чипов), которые должны пройти тщательное тестирование, а затем будут вырезаны из пластины. Затем каждый чип устанавливается на металлический или пластиковый корпус. Установленный чип проходит финальные испытания, а затем готов к сборке в конечные продукты [1].

На пластине на основе кремния первый тонкий слой диоксида кремния формируется поверх всей пластины путем воздействия на пластину высокой температуры в печи. Температура окисления обычно находится в диапазоне 900–1200 ° C. Слой диоксида кремния используется для обеспечения изоляции для защиты кремния под ним и для формирования затворов транзисторов. Затем пластина равномерно покрывается веществом, называемым фоторезистом, светочувствительным материалом, который может быть обработан в определенный узор после воздействия ультрафиолетового света в форме желаемого рисунка. Есть два основных типа фоторезистов - негативные и позитивные. Когда используется отрицательный резист, неэкспонированная часть фоторезиста становится растворимой, оставляя отрицательное изображение. В качестве альтернативы, когда используется положительный резист, открытая часть фоторезиста становится растворимой.

Как положительные, так и отрицательные резисты могут иногда использоваться в одной маске для двух этапов, делая дополнительные области доступными для обработки и, следовательно, уменьшая количество масок. В процессе, называемом фотолитографией, ультрафиолетовый свет затем проходит через узорчатую стеклянную маску. или трафарет на кремниевую пластину. Маска представляет собой один цветной слой интегральной схемы из чертежей маски и содержит необходимый рисунок, который должен быть перенесен на кремний. При наличии положительного фоторезиста маска прозрачна в области, которую необходимо обработать, и непрозрачна в других. Когда ультрафиолетовый свет обнажает фоторезист через комбинацию маски и пластины, фоторезист становится растворимым везде, где маска прозрачна. После создания рисунка экспонированный фоторезист растворяется путем распыления на пластину проявляющего растворителя. Это показывает рисунок фоторезиста, нанесенного маской на диоксид кремния. Затем пластина закаливается при низкой температуре, так что оставшийся фоторезист, способный противостоять сильной кислоте, используется для травления обнаженного оксидного слоя.

Обнаруженный диоксид кремния удаляется путем травления, которое останавливается на поверхности кремния. Существует два основных метода при использовании технологий травления - мокрое и сухое травление. Влажное травление удаляет участки, не покрытые фоторезистом, с помощью жидкостей, включая много различных типов кислот, оснований и щелочных растворов, в зависимости от материала, который должен быть удалено. При сухом травлении или плазменном травлении реактивный ионизированный газ используется вместо раствора для влажного травления. Сухое травление обеспечивает более высокое разрешение, чем влажное травление, и поэтому появилось, чтобы заменить подходы влажной химии в современном производстве полупроводников. После травления диоксидом кремния оставшаяся часть фоторезиста удаляется в устройстве для удаления фоторезиста с помощью с использованием растворителя или плазменного окисления. Этот процесс оставляет гребни диоксида кремния на основе кремниевой пластины с тем же рисунком, что и изображение на маске [2].

Последовательность шагов процесса формирует ровно один слой полупроводникового материала, и такая же последовательность формирует слой всей поверхности пластины. Таким образом, на поверхность полупроводника одновременно переносятся сотни миллионов рисунков. Чтобы ввести полигональный слой, второй, более тонкий слой диоксида кремния выращивают из термического окисления, как и раньше, над выступами и протравленными участками основы пластины. Затем на пластину равномерно наносят слой поликремния и еще один слой фоторезиста. Процесс фотолитографии применяется для определения области многоугольника. Ультрафиолетовый свет выставляет фоторезист через вторую маску, оставляя на фоторезисте новый узор для поликремния. Фоторезист растворяют в растворителе, чтобы обнажить поликремний и диоксид кремния, которые затем протравливаются химическими веществами. После удаления оставшегося фоторезиста на области многоугольника остаются гребни из поликремния и диоксида кремния. Подобный процесс будет повторяться снова и снова с каждой маской для создания рисунка на разных слоях нанесенных материалов.

Рисунок 1 1Нанесение рисунка на плату посредтвом травления

Во время этого производственного процесса формируются токопроводящие области, которые изолированы друг от друга. Позже они выборочно соединяются друг с другом для создания интегральной схемы. Многие этапы процесса изготовления ИС требуют изменения концентрации примеси в некоторых областях, чтобы сделать их более проводящими. Для введения легирующих добавок используются два подхода - диффузия и ионная имплантация. Диффузионная имплантация выполняется либо путем воздействия на пластину высокотемпературной среды паров легирующей примеси (газовая диффузия), либо путем предварительного осаждения ионов легирующей примеси на поверхность и последующего термического воздействия на них путем высокотемпературной обработки (негазовая диффузия). Конечная концентрация максимальна на поверхности и уменьшается глубже в материале. Ионная имплантация осуществляется путем бомбардировки открытых участков кремниевой пластины различными химическими примесями, называемыми ионами. С помощью имплантера ионы ускоряются и имплантируются в верхний слой кремниевой пластины чуть ниже поверхности, изменяя проводимость в этих областях.
Ускорение ионов определяет, насколько глубоко они проникают в материал, а время воздействия определяет дозировку.

Следовательно, ионная имплантация обеспечивает более управляемый механизм легирования, чем диффузия. Это причина того, что технология легирования перешла от диффузионного процесса к имплантации высокоэнергетических ионов в современном производстве полупроводников.

Для того, чтобы получить соединенные друг с другом различные слои, повторяются аналогичные процессы наслоения и формирования рисунка. Маска используется для определения контактных отверстий, позволяющих выполнять соединения между слоями. После травления диоксида кремния в открытой области и удаления оставшегося фоторезиста создаются контактные отверстия. Затем на всю пластину наносится комбинация вольфрама и алюминия для заполнения контактных отверстий в условиях высокого вакуума. Другой этап формирования рисунка и травления определяет рисунок контакта и оставляет полосы металла для электрических соединений. В сложных схемах межблочная разводка настолько сложна, что ее невозможно выполнить в пределах одного слоя. Примерно 20 слоев соединены, чтобы сформировать ИС в трехмерной структуре. Точное количество слоев на пластине зависит от сложности дизайна.

После того, как все нужные уровни установлены, наносится последний слой изоляции для защиты хрупкой алюминиевой проводки [3]. На последнем этапе фотолитографии небольшие площадки по краю микрочипа остаются открытыми. Эти алюминиевые контактные площадки являются точками контакта между микроскопической разводкой ИС и внешним миром. Затем каждый чип вставляется в защитную упаковку, которая обеспечивает механическую поддержку и интерфейс электрического соединения с другими внешними устройствами. Крошечный чип установлен на металлической раме, а тонкие золотые провода соединяют отдельный штифт на раме с маленькой алюминиевой площадкой на чипе. Таким образом, штыри на металлическом каркасе прикрепляются к микросхеме микроскопа. Чтобы дополнительно защитить микросхему и ее хрупкие проволочные соединения, микросхема заключена в твердый пластик.

Списоклитературы:

Elliott, D., Microlithography Process Technology for IC Fabrication, 2018, pp. 311–350.

Rabaey, J. M., A. Chandrakasan, and B. Nikolic, Digital Integrated Circuits, 2018, pp. 33–55.

Коледов, Л.А. Технология и конструкция микросхем, микропроцессоров и микросборок: Учебное пособие / Л.А. Коледов. - СПб.: Лань, 2009. – 78-83 c.

Свистова Т.В. Основы микроэлектроники: учеб. пособие [Электронный ресурс]. - Электрон. текстовые и граф. данные (2,6 Мб) / Т.В. Свистова. - Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2017. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM): цв. - Систем. требования: ПК 500 и выше; 256 Мб ОЗУ; Windows XP; SVGA с разрешением 1024x768; Adobe Acrobat; CD-ROM дисковод; мышь. - Загл. с экрана.