Технология производства интегральных микросхем План.
Изготовление подложки.
Экспонирование.
Травление.
Многослойное структурирование.
Завершающие операции.
1. Изготовление подложки
Производство ИМС с высокой степенью интеграции, например, микропроцессоров (МП), которые содержит десятки миллионов элементарных транзисторов, осуществляется на заводах, напоминающих лаборатории с очень высокими требованиями к чистоте.
Большая часть операций по производству интегральных микросхем из кремниевых пластин выполняется робототехникой в автоматическом программном режиме.
Из очищенного кремния "выращивается" большой монокристалл цилиндрической формы. Цилиндр монокристалла режется на очень тонкие пластины, которые затем используются в качестве подложки для изготовления кристаллов ИМС
Кремниевая пластина – подложка для изготовления микросхем
На большинстве кремниевых фабрик для изготовления микропроцессоров используются подложки диаметром 8 дюймов (около 20 см). В настоящий период осуществлен переход на изготовление ИМС по технологическим нормам 0,13 мкм из пластин диаметром 12 дюймов (порядка 300 мм).
Технологические проектные нормы (конструктивные нормы или топологические размеры) выражаются в долях микрона (мкм) и показывают, каковы минимально-допустимые размеры элементов топологии микросхемы. Например, норма 0,25 мкм означает, что эффективная длина канала связи между вентилями кристалла составляет 0,25 мкм — такова дистанция пробега тока между двумя транзисторами. Чем короче канал, тем выше быстродействие, меньше потребление тока и нагрев элементов (выделение тепла). Чем меньше норма, тем плотнее набивка микросхемы элементами и меньше паразитные емкости.
Изготовление ИМС неразрывно связано с фотолитографией — автоматическим процессом экспонирования и травления участков пластин, подготовленных под воздействием ультрафиолетового света. Современная фотолитографическая машина способна обработать за один час несколько десятков 8-дюймовых полупроводниковых пластин.
На одном из начальных этапов изготовления ИМС на кремниевой подложке под воздействием высокой температуры и кислорода выращивается первый, очень тонкий слой двуокиси кремния. Он служит прекрасным изолятором и защищает поверхность пластины при фотолитографии.
Затем подложка покрывается защитным фотослоем (фоторезистом}. Фоторезист — светочувствительное вещество, которое под воздействием облучения ультрафиолетовым светом становится растворимым. Впоследствии ненужные участки фоторезиста и пленки окислов можно удалить (вытравить) с поверхности пластины в незащищенных от облучения ультрафиолетом местах. При этом обнажаются участки чистого кремния.
2. Экспонирование
Для экспонирования используется фотомаска, представляющая прецизионный фотошаблон, который изготовлен из квадратной пластинки на кварцевом стекле, покрытом хромом. На такой фотопластинке фотохимическим способом формируется высокоточный рисунок слоя, состоящий из прозрачных участков.
а) б)
Засвечивание пластины через фотомаску (а) и травление (б)
Различные фотомаски участвуют в процессе производства микросхем на всех этапах фотолитографии.
Для создания каждого слоя кристалла используется своя маска. Общее количество таких слоев — несколько десятков.
По меткам, заранее сформированным на поверхности пластины, в специальной установке светочувствительный слой засвечивается ультрафиолетовым светом через систему линз и через маску с уменьшением таким образом, что на пластине получается изображение элементов кристалла в масштабе 1:1. Затем пластина сдвигается, экспонируется следующий фрагмент кристалла и т.д., пока на подложке не будут обработаны все фрагменты.