Фотолитография — основа планарной технологии

Сегодня подложки для микропроцессоров имеют диаметр 200 или 300 мм, что позволяет производителям чипов получать с каждой из них множество процессоров. Следующим шагом будут 450-мм подложки, но раньше 2013 года ожидать их не следует. В целом, чем больше диаметр подложки, тем больше можно произвести чипов одинакового размера. 300-мм подложка, например, даёт более чем в два раза больше процессоров, чем 200-мм.

3.1 Легирование, диффузия

 Легирование производится и с готовой подложкой, и во время процессов фотолитографии позднее. Это позволяет менять электрические свойства определённых областей и слоёв, а не всей структуры кристалла

Добавление легирующего вещества может происходить через диффузию. Атомы легирующего вещества заполняют свободное пространство внутри кристаллической решётки, между структурами кремния. В некоторых случаях можно легировать и существующую структуру. Диффузия осуществляется с помощью газов (азот и аргон) или с помощью твёрдых веществ или других источников легирующего вещества.

Ещё один подход к легированию заключается в ионной имплантации, которая очень полезна в деле изменения свойств подложки, которая была легирована, поскольку ионная имплантация осуществляется при обычной температуре. Поэтому существующие примеси не диффундируют. На подложку можно наложить маску, которая позволяет обрабатывать только определённые области. Конечно, об ионной имплантации можно говорить долго и обсуждать глубину проникновения, активацию добавки при высокой температуре, канальные эффекты, проникновение в оксидные уровни и т.д., но это выходит за рамки нашей статьи. Процедуру можно повторять несколько раз во время производства.

3.2 Создание маски

Чтобы создать участки интегральной схемы, используется процесс фотолитографии. Поскольку при этом нужно облучать не всю поверхность подложки, то важно использовать так называемые маски, которые пропускают излучение высокой интенсивности только на определённые участки. Маски можно сравнить с чёрно-белым негативом. Интегральные схемы имеют множество слоёв (20 и больше), и для каждого из них требуется своя маска.

Структура из тонкой хромовой плёнки наносится на поверхность пластины из кварцевого стекла, чтобы создать шаблон. При этом дорогие инструменты, использующие поток электронов или лазер, прописывают необходимые данные интегральной схемы, в результате чего мы получаем шаблон из хрома на поверхности кварцевой подложки. Важно понимать, что каждая модификация интегральной схемы приводит к необходимости производства новых масок, поэтому весь процесс внесения правок очень затратный. Для очень сложных схем маски создаются весьма долго.

 

 

3.3 Процесс фотолитографии  подложки.

С помощью фотолитографии на кремниевой подложке формируется структура. Процесс повторяется несколько раз, пока не будет создано множество слоёв (более 20). Слои могут состоять из разных материалов, причём, нужно ещё и продумывать соединения микроскопическими проволочками. Все слои можно легировать.

Перед тем, как начнётся процесс фотолитографии, подложка очищается и нагревается, чтобы удалить липкие частицы и воду. Затем подложка с помощью специального устройства покрывается диоксидом кремния. Далее на подложку наносится связывающий агент, который гарантирует, что фоторезистивный материал, который будет нанесён на следующем шаге, останется на подложке. Фоторезистивный материал наносится на середину подложки, которая потом начинает вращаться с большой скоростью, чтобы слой равномерно распределился по всей поверхности подложки. Подложка вновь затем нагревается.

Затем через маску обложка облучается квантовым лазером, жёстким ультрафиолетовым излучением, рентгеновским излучением, пучками электронов или ионов - могут использоваться все эти источники света или энергии. Пучки электронов применяются, главным образом, для создания масок, рентгеновские лучи и пучки ионов - для исследовательских целей, а в промышленном производстве сегодня доминируют жёсткое УФ-излучение и газовые лазеры.

 
Жёсткое УФ-излучение с длиной волны 13,5 нм облучает фоторезистивный материал, проходя через маску.

Для получения требуемого результата очень важны время проецирования и фокусировка. Плохая фокусировка приведёт к тому, что останутся лишние частицы фоторезистивного материала, поскольку некоторые отверстия в маске не будут облучены должным образом. То же самое получится, если время проецирования будет слишком маленьким. Тогда структура из фоторезистивного материала будет слишком широкой, участки под отверстиями будут недодержанными. С другой стороны, чрезмерное время проецирования создаёт слишком большие участки под отверстиями и слишком узкую структуру из фоторезистивного материала. Как правило, очень трудоёмко и сложно отрегулировать и оптимизировать процесс. Неудачная регулировка приведёт к серьёзным отклонениям и в соединительных проводниках.

Специальная шаговая проекционная установка перемещает подложку в нужное положение. Затем может проецироваться строчка или один участок, чаще всего соответствующий одному кристаллу процессора. Дополнительные микроустановки могут вносить дополнительные изменения. Они могут отлаживать существующую технологию и оптимизировать техпроцесс. Микроустановки обычно работают над площадями меньше 1 кв. мм, в то время как обычные установки покрывают площади большего размера.

 

 

3.4 Травление и очистка.

Затем подложка переходит на новый этап, где удаляется ослабленный фоторезистивный материал, что позволяет получить доступ к диоксиду кремния. Существуют мокрый и сухой процессы травления, которыми обрабатываются участки диоксида кремния. Мокрые процессы используют химические соединения, а сухие процессы - газ. Отдельный процесс заключается и в удалении остатков фоторезистивного материала. Производители часто сочетают мокрое и сухое удаление, чтобы фоторезистивный материал был полностью удалён. Это важно, поскольку фоторезистивный материал органический, и если его не удалить, он может привести к появлению дефектов на подложке. После травления и очистки можно приступать к осмотру подложки, что обычно и происходит на каждом важном этапе, или переводить подложку на новый цикл фотолитографии.

 

 

 

 

 

 

 

3.5 Тест подложек.

Готовые подложки тестируются на так называемых установках зондового контроля. Они работают со всей подложкой. На контакты каждого кристалла накладываются контакты зонда, что позволяет проводить электрические тесты. С помощью программного обеспечения тестируются все функции каждого ядра.

3.6 Разрезание подложки.

С помощью разрезания из подложки можно получить отдельные ядра. На данный момент установки зондового контроля уже выявили, какие кристаллы содержат ошибки, поэтому после разрезания их можно отделить от годных. Раньше повреждённые кристаллы физически маркировались, теперь в этом нет необходимости, вся информация хранится в единой базе данных.

 

 

 

 

3.7 Крепление кристалла.

Затем функциональное ядро нужно связать с процессорной упаковкой, используя клейкий материал.

 

3.8 Проводное соединение.

Затем нужно провести проводные соединения, связывающие контакты или ножки упаковки и сам кристалл. Могут использоваться золотые, алюминиевые или медные соединения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.9 Упаковка.

 
Большинство современных процессоров используют пластиковую упаковку с распределителем тепла.

Обычно ядро заключается в керамическую или пластиковую упаковку, что позволяет предотвратить повреждение. Современные процессоры оснащаются так называемым распределителем тепла, который обеспечивает дополнительную защиту кристалла, а также большую контактную поверхность с кулером.

 

3.10 Тестирование процессора.

Последний этап подразумевает тестирование процессора, что происходит при повышенных температурах, в соответствии со спецификациями процессора. Процессор автоматически устанавливается в тестовый сокет, после чего происходит анализ всех необходимых функций.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключения

В данной отчете  рассмотрены фотолитография и производство интегральных схем. От фотолитография — основа планарной технологии до тестирование процессора. На тенденции развития полупроводниковой технологии сильное влияние оказывает то обстоятельство, что в настоящее время совершается переход от создания отдельных БИС и СБИС к созданию целых устройств в интегральном исполнении — интегральных систем. Для расширения функциональных возможностей систем сверхбольших интегральных схемах необходимо повышать степень интеграции и быстродействие, сохраняя низкую потребляемую мощность, случайных факторов, вызывающих нарушение функции элементов, приводит к уменьшению вероятности получения годных микросхем. Упомянутыми случайными факторами являются технологические ошибки (неточность совмещения шаблонов, подтравливание или недотравливание и пр.) и недостаточная чистота воздушной среды. Установлено, что размеры пылинок не должны превышать 0,1 от минимального размера топологических элементов. Для устранения технологических ошибок перспективным направлениемя вляется внедрение гибких автоматизированных линий, состоящих из герметизированных, чаще всего вакуумных, камер, соединенных шлюзами и транспортирующими устройствами. В каждой камере пластины подвергаются обработке сухими методами; к ним относятся электронная или рентгеновская литография, имплантация, ионноплазменное травление, термическое или плазменное напыление и др. Гибкие линии можно перестраивать на выпуск ИМС с различными технологическими маршрутами, их широкое использование позволит значительно повысить выпуск годных устройств и систем.

Следует упомянуть о важности организационных мероприятий в решении проблемы уменьшения дефектных систем. В последние годы повсеместное распространение получают так называемые операционные циклы. В технологическом маршруте выделяют группы операций, которые необходимо осуществлять одну за другой, чтобы длительность межоперационного хранения структур не превышала критической (обычно 0,5—24 ч). Четкое соблюдение этого требования позволяет сократить появление бракованных структур и приборов в два-три раза.

Прогресс в повышении степени интеграции полупроводниковых устройств связан со стремлением к созданию более дешевых, надежных и обладающих лучшими параметрами систем. Одним из основных направлений снижения времени задержки при передаче сигнала является уменьшение размеров системы.

Для обеспечения более высокого быстродействия ведутся работы по созданию БИС на GaAs, а также устройств на переходах Джозефсона. GaAs и ІпР обладают высокой собственной проводимостью, обусловленной более высокой подвижностью носителей заряда в этих материалах по сравнению с подвижностью в кремнии. Другой особенностью является то, что полуизолирующий арсенид, галлия можно использовать в качестве подложки для наращивания автоэпитаксиального слоя, поэтому накопление заряда в емкостных элементах в этом слое невелико. Обе особенности позволяют снизить задержку распространения сигнала и получить микросхемы со сверхвысоким быстродействием.

Элементы с пеі>еходами Джозефсона обладают еще более высоким быстродействием и на три порядка меньшей потребляемой мощностью при том же электрическом токе. Развитие микро- и мина-ЭВМ требует обеспечения их внешней памятью с малыми габаритными размерами и высокой информационной емкостью. Наиболее перспективными для этой цели являются устройства памяти на цилиндрических магнитных доменах, существующих в тонких эпвтаксиальных слоях ферритов-гранатов, выращенных на немагнитной гранатовой подложке.

Приведенные примеры показывают, что развитие- технологии создания СБИС и интегральных систем совершается в направлений использования новых типов полупроводниковых материалов, а так же сверхпроводящих металлов, магнитных диэлектрических кригсталлов и других неполупроводниковых веществ при сохранении  совершенствовании методов технологической обработки, присущих полупроводниковому производству. Поэтому успех в реализаций перспективных направлений микроэлектроники зависит от прогресса как в области проектирования систем, так и в области технологии их изготовления.

 

 

 

 

Список литературы

1. Березин А.С., Мочалкина О. Р. Технология и конструирование интегральных микросхем.— М.: Радио и связь, 1983.

2. Ефимов И. е., Г о р б у н о в Ю. И., К о 3 ы р ь И. Я. Микроэлектроника. М'., 1977.

3. Колобов Н. А. Основы  технологии электронных приборов.—  М.: Высшая школа, 1980.

4. Кремниевые планарные  транзисторы/Под ред. Я. А. Федотов а.— М.: Энергия, 1973.

5. Мензда Ф. Интегральные схемы. Технология и применение: Пер. с англ.— М.; Мир, 1981.

6. П и ч у г и н И. Г., Таиров Ю. Н. Технология полупроводниковых приоров.— М.: Высшая школа, 1984.

7. Скворцов И. М. и др. Технология  и аппаратура газовой эпитаксии  кремния и германия.— М.; Энергия, 1978.

8. Черняев В. Н. Технология  производства интегральных микросхем.—М.: Эргия, 1977.