В этом разделе кратко описан процесс производства полупроводников (и только на основе кремния, из которого подавляющее большинство полупроводников и сделано). Кремний очень подходящий материал для интегральных схем, потому что легко образует оксидное покрытие, полезное для создания «рисунка» из интегральных компонентов, вроде транзисторов.
Кремний
Кремний – второй по распространенности элемент земной коры, находящийся в основном в виде диоксида кремния SiO2, также известного как кварцевый песок. Кремний высвобождается из диоксида кремния при восстановлении с помощью углерода в электродуговой печи:
SiO2 + C = CO2 + Si
Такой «металлургический» кремний подходит для использования в слоистых пластинах трансформаторов из кремниевой стали, но его чистота недостаточна для применения в полупроводниках. Преобразование в хлорид SiCl4 (или SiHCl3) позволяет произвести очистку фракционной перегонкой. Восстановление сверхчистым цинком или магнием даёт губчатый (пористый) кремний, для которого всё ещё требуется дополнительная очистка. Или же сверхчистый кремний можно получить после термического разложения водородом на стержневом нагревателе из горячего поликристаллического кремния:
Si + 3HCl = SiHCl3 + H2SiHCl3 + H2 = Si + 3HCl2
Поликристаллический кремний плавится в тигле из плавленого кварца, нагреваемом индукционным графитовым токоприёмником. В качестве альтернативы графитовый нагреватель может напрямую приводиться в действие низким напряжением при высоком токе. По методу Чохральского расплав кремния затвердевает на монокристаллическом кремниевом стержне размером с карандаш, при этом указывается нужная ориентация кристаллической решетки (рисунок 1 ниже). Стержень вращается и тянется вверх со скоростью, достаточной для расширения диаметра до нескольких дюймов. По достижении этого диаметра монокристалл автоматически вытягивается со скоростью, обеспечивающей постоянный диаметр в пределах несколькофутовой длины. В расплав тигля можно добавлять легирующие примеси, чтобы создать, например, полупроводник P-типа. В устройстве для выращивания поддерживается инертная атмосфера.
Рис. 1. Выращивание монокристалла кремния по методу Чохральского.
Готовый монокристалл измельчается до точного окончательного диаметра, а концы обрезаются. Монокристаллы нарезают на пластины внутренним краем круглой алмазной пилы. Затем пластины шлифуются и полируются. Пластины могут иметь эпитаксиальный слой N-типа, выращенный поверх пластины путём термического осаждения для более высокого качества. Пластины на этом этапе производства поставляются производителем кремниевых пластин производителю полупроводников.
Рис. 2. Кремниевый монокристалл распиливается круглой алмазной пилой на пластины.
Обработка полупроводников
Обработка полупроводников включает фотолитографию – процесс изготовления металлических литографических печатных форм путем кислотного травления. Версия, основанная на электронике, – это обработка медных печатных плат. Это показано на рисунке 3 ниже, как простое введение в фотолитографию, используемую при обработке полупроводников.
Перво-наперво нам нужна медная фольга, приклеенная к стекловолоконной плате (рисунок 3.а). Также понадобится позитивный фотошаблон с чёрными линиями, соответствующими медным проводам и контактным площадкам, которые должны остаться на готовой плате. Фотошаблон нужен именно позитивный, потому что обычно используется позитивный фоторезист. Впрочем, отрицательный фоторезист также доступен как для печатных плат, так и для обработки полупроводников. На рисунке 3.б жидкий позитивный фоторезист наносится на медную поверхность печатной платы. Даём время высохнуть, после чего запекаем в печи. Фотошаблон – это позитив оригинального шаблона на пластиковой плёнке, увеличенный до необходимого размера. Фотошаблон укладывается на печатную плату и придавливается сверху стеклом (рисунок 3.в). Плата обрабатывается ультрафиолетом (рисунок 3.г), после чего на ней проявляется скрытое изображение размягчённого фоторезиста. Фотошаблон удаляется (рисунок 3.д), а размягчённый резист смывается щелочным раствором (рисунок 3.е). На промытой и высушенной (запечённой) печатной плате остаётся изображение затвердевшего резиста поверх медных линий и контактных площадок, оставшихся после травления. Плата погружается в травитель (рисунок 3.ж) для удаления меди, не защищённой прокалённым резистом. Остаётся только ополоснуть протравленную плату растворителем и смыть остатки резиста.
Основное различие при обработке полупроводников состоит в том, что во время этапов высокотемпературной обработки вместо резиста на поверхность платы наносится слой диоксида кремния. Тем не менее, без фоторезиста не обойтись – он необходим при низкотемпературной влажной обработке для формирования рисунка для диоксида кремния.
Исходным материал для изготовления полупроводниковых переходов – кремниевая пластина с примесью N-типа (рисунок 4.а ниже). Слой диоксида кремния (рисунок 4.б) выращивают поверх пластины при высокой температуре (более 1000°C) в диффузионной печи в присутствии кислорода или водяного пара. Смесь резиста наносится на центр охлаждённой пластины, затем последняя вращается в вакуумном патроне для равномерного распределения резиста. К запечённому резисту (рисунок 4.в) прикладывается стекло с хромированной маской (рисунок 4.г). Эта маска содержит паттерн окна, который обрабатывается ультрафиолетом (рисунок 4.д).
После снятия маски (рисунок 4.е) проявляем положительный резист (рисунок 4.ж), обработав его щелочным раствором, для обнажения окон в резисте, размягчённом УФ-излучением. Смысл использования резиста – защитить диоксид кремния от травления плавиковой кислотой (рисунок 4.з), оставляя в открытом доступе только окна, соответствующие отверстиям маски. Остатки резиста (рисунок 4.и) снимаем с пластины, которую возвращаем в диффузионную печь. Там при высокой температуре пластина подвергается воздействию газообразной примеси P-типа (рисунок 4.к). Легирующая добавка диффундирует (проникает) в кремний только через отверстия в слое диоксида кремния. Каждая P-диффузия через отверстие создаёт P-N-переход. Если этим способом делать диоды, остаётся только разметить пластину алмазной пылью и разбить на отдельные диодные кристаллы. Однако после этого этапа пластину можно переработать в транзисторы с биполярным переходом.
Чтобы из диодов сделать транзисторы, требуется небольшая диффузия N-типа в центре существующей P-области. Этого можно добиться, повторив предыдущие шаги с маской с меньшими отверстиями. Хотя это и не показано на рисунке 4.к выше, оксидный слой, по всей видимости, формируется на этой стадии P-диффузии. Слой оксида поверх P-диффузии показан на рисунке 5.л. Положительный фоторезист наносится и просушивается (рисунок 5.м). Прикладывается стекло с хромированной маской эмиттера (рисунок 5.н) и экспонируется УФ-излучением (рисунок 5.о). После чего маску можно снять (рисунок 5.п). Смягчённый УФ-излучением фоторезист в отверстии эмиттера смывается щелочным раствором (рисунок 5.р). Открытый диоксид кремния протравливается плавиковой кислотой (рисунок 5.с).
После снятия остатков неэкспонированного резиста с пластины (рисунок 5.т) её помещаем в диффузионную печь (рисунок 5.у) для высокотемпературной обработки. Газообразная примесь N-типа, такая как оксихлорид фосфора (POCl), диффундирует через небольшой эмиттерное окно в оксиде (рисунок 5.у). Это создаёт слои N-P-N, соответствующие эмиттеру, базе и коллектору биполярного транзистора. Важно проследить, чтобы эмиттер N-типа не прошёл сквозь базу P-типа, тем самым закоротив эмиттер и коллектор. Базовая область между эмиттером и коллектором также должна быть тонкой, чтобы транзистор имел полезное значение β. В противном случае слишком толстая базовая область фактически образует пару приложенных друг к другу диодов, а не транзистор. После чего остаётся провести металлизацию, благодаря чему создаются контакты с областями транзистора (рисунок 5.ф). Для этого нужно повторить предыдущие шаги (на рисунках не показано) с оксидной маской с отверстиями для контактов. Ещё один повтор с другим шаблоном через отверстия в маске определяет паттерн металлизации поверхности оксида и контактов в области транзистора.
Металлизация может соединить множество (а не только единичный, как разобрано) транзисторов и другие компонентов в интегральное схеме. Готовая пластина режется алмазной пилой на отдельные матрицы, каждый из которых потом упаковывается в отдельный корпус. Тончайшая алюминиевая проволока соединяет металлизированные контакты матрицы с выводным каркасом, который выводит контакты из корпуса.
Итог
Большинство полупроводников делаются из сверхчистого кремния, потому что он образует стеклянный оксид на поверхности пластины. На этот оксид можно нанести рисунок с помощью фотолитографии, что делает возможным создавать интегральные схемы любой сложности.
Стержнеобразные монокристаллы кремния выращиваются методом Чохральского. При этом используется алмазная пила, распиливающая монокристалл на отдельные пластины.
На кремниевые пластины наносится рисунок схемы с помощью фотолитографии (процесс аналогичен нанесению рисунка на медные печатные платы). Фоторезист наносится на пластину, которая через маску подвергается воздействию УФ-излучения. Резист проявляется, после чего пластина протравливается.
Травление плавиковой кислотой обнажает окна в защитном слое диоксида кремния на поверхности пластины.
