Этапы производства современных микросхем

Самый популярный материал для основы кристалла микросхем — кремниевый полупроводник. Его корпус изготавливают из эпоксидной смолы, а в качестве подложки может использоваться керамика, хорошо отводящая тепло. В производстве микросхем также могут использоваться драгметаллы: серебро и золото, платина, палладий и др.

Кремниевые полупроводниковые микросхемы изготавливают в несколько этапов. Они очень сложные и дорогостоящие, поэтому ни одна страна мира не делает все нужные ей чипы с нуля. В производстве некоторых микросхем и оборудования для их выпуска участвуют предприятия, разбросанные по всему миру. В этой статье, вместе с экспертами «ЗУМ-СМД», мы рассмотрим основные технологии интегральной микроэлектроники.

Содержание:

1. Свойства и классификация микросхем
2. Производство микросхем
3. Техпроцесс
4. Этапы производства полупроводниковых кристаллов

Свойства и классификация микросхем

Прежде чем узнать основные этапы производства современных интегральных чипов, рассмотрим основные виды:

• КМОП (комплементарный металл-окисел-полупроводник) кристалл построен на полевых транзисторах — лежит в основе большинства интегральных компонентов, в том числе процессоров и микроконтроллеров, а также микросхем памяти;
• ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика) выполнена на базе биполярных транзисторов — применяется, в основном, для производства логических элементов и аналоговых устройств;
• комбинированные чипы — могут содержать как полевые, так и биполярные транзисторы, а также элементы других полупроводников, например, на основе арсенида галия и пр. Некоторые микросхемы памяти или часов могут содержать встроенную батарею питания, кварц или оптические излучатели для стирания или перезаписи информации.

Производство микросхем

Сам процесс изготовления некоторых полупроводниковых кристаллов может быть очень кропотливым, выполняться месяцами. Длительность создания чипа почти напрямую зависит от степени интеграции. Естественно, вытравить тысячу транзисторов получится быстрее, чем несколько миллионов. Причем любая, даже малейшая ошибка может привести к неисправности всего чипа. Выявить наличие ошибки можно будет только после завершения создания всего кристалла и его упаковки в корпус.

Техпроцесс

Размеры создаваемых и обрабатываемых деталей стараются минимизировать. От этого зависят важные параметры энергоэффективности и производительности. Оборудование литографии малых размеров очень дорогое, передовой технологией обладают только некоторые страны. Но, чем ниже техпроцесс (размер условных транзисторов), тем:

• больше элементов можно вместить на определенной площади кристалла;
• меньше мощность рассеивания активными элементами;
• быстрее происходит переключение каскада из одного состояния в другое.

Техпроцесс, выраженный в нанометрах, не всегда передает точное значение реальной величины активных элементов кристалла — транзисторов. Тем более, что пропорции их могут сильно отличаться друг от друга. К примеру, ключ выходного каскада почти всегда больше, чем обычный транзистор логики. Также слои соединений и изоляций могут занимать значительную долю кристалла. Их конфигурация имеет большое значение, так как от этого зависит емкость и индуктивность образованных соединений.

Для высокочастотных и скоростных интегральных элементов слишком близкое расположение транзисторов приведет к паразитным связям между ними, поэтому очень важна оптимизация. Такой параметр как техпроцесс может дать оценивающее представление лишь при сравнении свойств аналогов. Например, процессоров определенной линейки.

Этапы производства полупроводниковых кристаллов

Для изготовления кремниевых микросхем сначала создают материал требуемых свойств. Он представляет собой стержень, который выращивается в расплавленном кремнии. Процесс очень долгий, может составлять несколько недель. От качества полученного таким образом цилиндра зависят свойства будущих кристаллов и процент брака изделий.

Исходный материал, низколегированный кремний, еще больше очищают методом зонной плавки и другими технологиями. Заготовку поперечно режут на тонкие (около 1 мм) пластины в виде дисков, диаметром 10 — 30 см. На них изготавливают микросхемы одинаковых или разных топологий. После образования чипов на диске — его разрезают на отдельные кристаллы и упаковывают в корпуса или устанавливают на подложки микросборок.

Некоторые из микросхем могут содержать в своем составе несколько интегральных кристаллов, а также дискретных компонентов. Таких как литиевая батарея, кварц, кмкости с резисторами и даже индуктивности. Их установку делают на завершающих этапах производства микросхем.

Существует несколько процессов изготовления чипов из полупроводниковой кремниевой пластины.

Для получения интегральных компонентов на биполярных транзисторах нужно выполнить примерно такие процессы:

• нанесение масочных слоев фототрафаретами;
• напылением или химическим осаждением создать диэлектрические или токопроводящие площадки с дорожками;
• литографию и удаление ненужных участков с очисткой;
• имплантацию примесей в определенные зоны полупроводника для образования n- или p-областей;
• металлизацию — создать токопроводящие дорожки и теплоотводящие элементы.

Процессы могут чередоваться между собой большое количество раз. Тестирование проводится до и после упаковки кристалла в корпус. Бракованные образцы отправляются для исследования возникновения причин неисправности. КМОП-процесс требует более сложных операций, поэтому микросхемы на базе полевых транзисторов изготавливаются фотолитографией.

Она включает в себя:

• создание оксидного слоя на кристалле кремния горячим (1000°С) кислородом.
• нанесение светочувствительных полимерных покрытий (фоторезиста), которые являются нерастворимыми, но становятся растворимыми, если облучены светом.
• экспонирование для создания растворимых участков.
• проявление и дубление с кислотным и щелочным травлением;
• промывка и просушка — операция проводится после каждого химического воздействия на кристалл;
• химико-механическая планаризация — выравнивание поверхности, проводится после каждого процесса, изменяющего рельеф;
• ионная имплантация;
• плазменное травление;
• осаждение металла;
• сжигание фоторезиста.

Последовательность операций может быть различной, также как комбинации и количество повторений. Некоторые процессы могут отсутствовать, быть комбинированными или видоизмененными. Проводники создаются напылением или осаждением алюминия либо серебра. А изоляция — нанесением или созданием SiO₂ (оксида кремния). Проводные выводы вставляются в подготовленные вытравленные окна и привариваются термокомпрессорным процессом.

Купить микросхемы от известных производителей можно в компании «ЗУМ-СМД». Действует доставка по всей России. Чтобы уточнить подробности, звоните по телефону +7 (800) 333-48-97 или закажите звонок в форме обратной связи.