1. OSNOVE TEHNOLOGIJE INTEGRIRANIH I TISKANIH VEZA 4. nastavna cjelina

2. POVIJESNI PRIKAZ RAZVOJA POLUVODIČKE TEHNOLOGIJE

6. Skica planarnog procesa

7. Priprema silicijevih pločica Poluvodički monokristali najčešći su oblik u kojemu se poluvodički materijal upotrebljava. Kako je većina poluvodiča umjetnog porijekla, razvijeno je niz različitih postupaka dobivanja monokristala. Na svojstva poluvodiča, osim primjesa, utječu i kristalografski defekti, kao što su: točkasti, linijski ili plošni. Najvažniji postupci rasta kristala iz taljevine za dobivanje velikih i homogenih monokristala su: Bridgemanov, Czochralskoga i postupak lebdeće zone. Polikristalni silicij, koji je osnovni materijal, dobija se iz trgovačkog ferosilicija. Klorovodikom se silicij prevede u triklorsilan, koji se čisti, te se reakcijom s vodikom dobiva čisti polikristal u obliku granulata ili polikristaličnih štapova (tzv. ingota ). Kao granulat služi za dobivanje monokristala postupkom Czochralskog, a u obliku štapa postupkom lebdeće zone.

8. Priprema silicijevih pločica Planarni proces počinje od silicijeve monokristalne pločice (engl. wafera). Ona se dobija iz monokristalnog štapa silicija koji se reže u pločice debljine 250 – 650  m posebnim pilama u obliku koluta ili danas laserom. Takvim se rezanjem u kristalnu strukturu unosi minimalan broj defekata. Na površini pločica ostaje mehanički oštećena, pa se pločice zato bruse i poliraju . Pomoću abrazivnog sredstva (npr., Al 2 O 3 ) odbrusi se dio pločice, a zatim se površina pločice poliranom tkaninom ispolira do visokog optičkog sjaja. Obično je poliranje kemijsko-mehaničko. Silicijske pločice su pravilnog kružnog oblika s jednim ravnim bridom. Taj se ravni brid, još dok je monokristal u obliku šipke, oblikuje tako da predstavlja jedan, točno određen kristalografski smjer. Točnost tog brida tehnologijski je važna za pravilan raspored čipova po pločici s obzirom na kasnije lomljenje silicijske pločice u pojedine čipove. Kristalografska orijentacija podloge mora biti takva da je smjer rasta u epitaksiji nekoliko stupnjeva otklonjen od tog smjera, jer će u protivnom epitaksijalni sloj nepravilno stepeničasto rasti.

9. Epitaksijalni rast Pločice se koriste kao klica za rast kristala epitaksijalnim postupkom. Rast kristala istog materijala kao što je klica naziva se homoepitaksija , a klica se tad zove supstrat . Moguće je da na nekom supstratu naraste i neki drugi materijal, uz uvjet da taj materijal kristalizira u istom tipu kristalne rešetke i da se parametri rešetke međusobno bitno ne razlikuju. Takav rast naziva se heteroepitaksija . Primjenom epitaksijalne tehnike na podlozi P-tipa raste sloj N-tipa nanošenjem atoma silicija i atoma primjesa. Proces se odvija na visokoj temperaturi od preko 1000  C. Debljina epitaksijalnog sloja obično iznosi 3-10  m. Epitaksijalni rast silicijeva kristala vrši se u tzv. epitaksijalnom reaktoru . U epitaksijalnom reaktoru se silicijeve pločice sa čistom i kemijski poliranom površinom zagrijavaju.

13. Oksidacija Oksidni se sloj nanosi na silicijevu površinu termičkom oksidacijom u atmosferi kisika ili vodene pare pri temperaturi od 900 do 1200  C prema reakcijama: Si + O 2  SiO 2 Si + 2H 2 O  SiO 2 + 2H 2 (5.6) Kako je silicij-nitrid znatno manje osjetljiv na ionske utjecaje od silicij-dioksida, ponekad se upotrebljavaju pasivizirajući slojevi sa silicij-nitridom umjesto silicij-dioksida, posebno kad se žele realizirati monolitni integrirani sklopovi otporni na ionske utjecaje.

14. Fotolitografija Procesu fotolitografije prethodi postupak izrade maski za difuziju i metalizaciju. Ovisno o vrsti sklopa i tehnološkom postupku, broj potrebnih maski obično varira između tri i osam. Optička maska, izrađena u obliku fotonegativa, prenosi se na površinu silicija prekrivenog oksidnim slojem fotolitografskim postupkom. Koraci u fotolitografskom postupku: a) nanošenje fotorezista na oksidni sloj, b) djelovanje ultraljubičastog svjetla na fotorezist, c) a-područje nepolimeriziranog fotorezista, d) odstranjenje nepolimeriziranog fotorezista, e) odstranjenje oksidnog sloja, f) odstranjenje polimeriziranog fotorezista

15. Fotolitografija Prvi korak je pokrivanje površine silicijeve pločice fotoosjetljivom emulzijom , poznatom kao fotorezist . Ako se želi u oksidnom sloju napravit otvor za selektivnu difuziju primjesa, na optičkoj maski područje koje odgovara otvoru za difuziju mora biti neprozirno za ultraljubičasto svjetlo . Pod djelovanjem ultraljubičastog svjetla dolazi do polimerizacije fotorezista u osvijetljenom dijelu, dok u neosvijetljenom dijelu fotorezist ostaje nepolimeriziran. Vrsta fotorezista koji se polimerizira pod utjecajem ultraljubičastog svjetla naziva se negativni fotorezist . Djelovanjem odgovarajućeg razvijača, odstranjuje se nepolimerizirani fotorezist iz neosvijetljenog dijela. Na polimerizirani fotorezist taj razvijač ne djeluje. Postoji i pozitivni fotorezist , te se postupak može analogno odvijati s njim.

16. Fotolitografija Na fotorezist se preslikava negativ optičke maske, jer neprozirnom polju u njoj odgovara otvor u sloju fotorezista. Djelovanjem fluorovodične kiseline uklanja se sloj silicij-dioksida s površine koja nije prekrivena polimeriziranim fotorezistom. Kiselinom se uklanja preostali sloj silicij-dioksida s odgovarajućim otvorima za difuziju primjesa. Za postupak fotolitigrafije važna je izrada maski. Zahvaljujući računalnom dizajnu, topografski podaci o maski unose se na magnetsku vrpcu. U posebnom uređaju iz podataka nastaje slika u mjerilu 10:1, a u redukcijskoj kameri se reducira na stvarne dimenzije.

17. Difuzija Difuzijom primjesa P-tipa na epitaksijalni N-sloj (ili N-tipa na epitaksijalni P-sloj), formira se PN-spoj. Pri difuziji područje gdje difundiraju primjese je šire od prozora predviđenog maskom u fotolitografskom postupku. Tako PN-spoj dolazi na površinu silicijeve pločice ispod oksidnog sloja. Sam difuzijski proces služi za upravljivo unošenje primjesa u pločicu kroz difuzijske prozore. Proces je učinkovit pri visokim temperaturama. Difuzija se obavlja u difuzijskim pećima. Difuzija je volumna pojava, ali je zadovoljavajuće i opisivanje jednodimenzionalnim modelom. Trajanje depozicije fosfora je 10 do 20 minuta pri temperaturama od 800 do 1100  C, a dubina prodiranja fosfora je manja od 0,2  m. Površinska koncentracija fosfora određena je temperaturom depozicije. Istovremeno se, u praksi, uz dušik pušta i kisik, kako bi površina silicija lagano oksidirala. Nakon depozicije, jetkanjem se uklanja oksidni sloj bogat fosforom. Difuzija je za sve primjese ista, a depozicija se razlikuje prema vrsti primjese i njenom agregatnom stanju. U praksi se može razlikovati dva slučaja difuzije: difuzija iz neograničenog izvora i difuzija iz ograničenog izvora primjesa.

18. Difuzija Shema uređaja za difuziju primjesa u silicij

19. Metalizacija Ovaj postupak služi za izradu metalnih kontakata s pojedinim komponentama monolitnih sklopova, kao i za vanjske veze preko sloja oksida. Kod unipolarnih tranzistora, ovim se postupkom formiraju i upravljačke elektrode. Najčešće se za metalizaciju koristi aluminij. Aluminij ostvaruje neispravljački kontakt sa silicijem, te ima nizak iznos električne otpornosti, dobro prianja na sloj silicijevog dioksida i dobro odvodi toplinu, pa je zato vrlo pogodan za kontakte. Jedan od načina kako se aluminijski tanki film nanosi na površinu pločice je vakuumsko naparavanje. U uvjetima visokog vakuuma isparava aluminij. On se naparuje na površinu silicijeve pločice. Taj tanki metalni (aluminijski) film obično je debljine 0,5 do 2  m, te se nanosi po cijeloj površini pločice. Kako bi se uklonio s dijelova gdje nisu potrebni, ili čak poželjni, metalni kontakti, koristi se fotolitografski postupak. Fotolitografijom se uklanja metal sa svih dijelova pločice, osim tamo gdje je potreban kontakt. Preostali metal se legira kako bi se konačno formirali kontakti i veze među komponentama preko sloja oksida (npr. SiO 2 ).

20. Ionska implantacija i ostali postupci Jedan od postupaka koji su korisna nadopuna planarnoj tehnologiji je i ionska implantacija . Pod njom se podrazumijeva kontrolirano unošenje atoma primjesa u poluvodič djelovanjem jakog električnog polja. Za tu namjenu se koriste razni postupci elektronske balistike i optike kako bi se ioni fokusirali i ubrzali, te odvojili od neželjenih iona prije udara u metu, tj. poluvodičku pločicu. Raspodjela implantiranih primjesa može se aproksimirati Gaussovom raspodjelom. Dubina prodora čestica ovisi o njihovoj kinetičkoj energiji, koja, pak, ovisi o jakosti električnog polja. Jedan od tehnologijskih postupaka kojim se metal nanosi na površinu supstrata ionskim bombardiranjem je naprašivanje ( engl. sputtering postupak prevlačenja filmom premještanjem čestica oslobođenih bombardiranjem ionima ).

21. Uređaj za naprašivanje metala

23. Ionska implantacija i ostali postupci Kontrola tehnologijskih postupaka najbitnija je kod poluvodičkih proizvoda zbog njihove osjetljivosti na razne utjecaje. Osim električnih svojstava, provjeravaju se i kemijska i mehanička svojstva. Koriste se spektrometri, mikroskopi, te razni drugi složeni elektronički uređaji. Zaštitini slojevi se postavljaju na poluvodičke elemente da bi se zaštitili od atmosferskih utjecaja.

24. Industrijski planarni postupak Početak izrade: a) supstrat N-tipa, b) silicijski ingot, c) izgled izrezanog ingota - silicijske tanke pločice Druga faza: a) rast N-tipa silicija, b) vanjski izgled epitaksijalnog reaktora, c) unutrašnjost epitaksijalnog reaktora Formira se n-sloj epitaksijalnim rastom u epitaksijalnom reaktoru. Primjese se unose plinskim mlazom.

25. Industrijski planarni postupak Oksidacijom nastaje sloj silicijevog dioksida koji služi za pasivizaciju površine pločice. Taj sloj je debljine 0,15  m. Reakcija se odvija na temperaturi 1100  C. Nanosi se tekući sloj fotorezista. Formiranje sloja fotorezista rotacijom (a, b, c), d) uređaj za kapanje fotorezista

26. Industrijski planarni postupak Pločica se peče dok fotorezist donekle ne otvrdne. Nakon izrade maske, ona se postavlja na pločicu. Pločica se izlaže ultraljubičastom zračenju. Fotoosjetljiva komponenta fotorezista rastvara se na izloženim djelovima, stvarajući kiselinu. Zatim se fotorezist razvija. Ostatak fotorezista se opet peče, a hidrofloridna kiselina se koristi za uklanjanje oksida u otvorima. Fotorezist se potpuno uklanja. (Nijedan poznati fotorezist ne može opstati na visokim temperaturama). Postavljanje maske izlaganje UV zračenju razvijanje fotorezista skica konačnog rezultata obrade u ovoj fazi

27. Industrijski planarni postupak g) uređaj za izlaganje UV-zračenju, h) kemijsko urezivanje, i) urezivanje kiselinom, j), k), l) različiti izgledi peći za pločice

28. Industrijski planarni postupak m) rotiranje i sušenje pločice, n) pakovanje pločica u odnosu na veličinu ljudskih ruku Nakon fotolitografije, planarni proces se nastavlja difuzijom primjesa. U pećici pri 950  C pločice se dopiraju s oksidiranim borovim nitridom (bor je primjesa p-tipa). Dopiranje p-tipom obavlja se termalnom difuzijom ili ionskom implantacijom. ionski implanter vanjski izgled uređaja

30. Industrijski planarni postupak http://jas.eng.buffalo.edu/education/bjt/bsim/index.html

31. HIBRIDNI INTEGRIRANI SKLOPOVI: TEHNIKE TANKOG I DEBELOG FILMA sklopova i sustava. Paralelno s monolitnim integriranim sklopovima razvijaju se i mikroelektronički sklopovi u tehnici debelog i tankog filma. U oba slučaja kao podloga služi tanka pločica od izolacijskog materijala (npr. keramičkog). Današnji mikroelektronički sklopovi temelje se na siliciju i planarnoj tehnologiji. To nije i jedini mogući pristup minijaturizaciji elektroničkih

32. HIBRIDNI INTEGRIRANI SKLOPOVI: TEHNIKE TANKOG I DEBELOG FILMA Hibridni integrirani krugovi su oni kod kojih se kombiniraju različite tehnike i tehnologije integracije. Pasivne komponente se realiziraju ili u tehnici tankog ili u tehnici debelog filma, a aktivne komponente uglavnom standardnom poluvodičkom tehnologijom, te se dodaju kao diskretne komponente, tj. čipovi. U tehnici tankog filma pasivne komponente se izvode vakuumskim naparavanjem otporničkih, vodljivih i dielektričnih tankih slojeva ili filmova na pasivnu podlogu. Umjesto vakuumskog naparavanja, može se koristiti tehnika ionskog raspršivanja. Ionsko raspršivanje izvodi se u uvjetima niskog tlaka u atmosferi plemenitog plina. U hibridnim sklopovima u tehnici debelog filma pasivne se komponente dobivaju postupkom sitotiska. Tiskanjem vodljivih, otporničkih i dielektričnih pasta kroz otvore u vrlo finom situ nastaju pasivne komponente sklopa.

36. Razlike između tehnike tankog i debelog filma Glavna razlika između tankoslojne i debeloslojne tehnike je u postupcima izrade pasivnih komponenti. U tehnici tankog filma slojevi su debljine oko 1  m, a u tehnici debelog filma 10 – 50  m. Ponekad se i pasivne komponente također dodaju diskretno. Aktivne komponente redovito se dodaju kao čip-komponente, iako se u tankoslojnoj tehnici mogu izvoditi i izravno vakuumskim naparavanjem. Tehnika tankog filma omogućuje gušće pakiranje vodljivih traka. Razmak između traka može biti 50  m, dok je isti u tehnici debelog filma 250  m. Sklopovi u tehnici debelog filma podnose veće snage zbog razlike u debljinama vodljivih staza i dopuštenih struja. Frekvencijski opseg sklopova u tehnici tankog filma je veći od onoga u tehnici debelog filma. Kako tehnika tankog filma ne zahtjeva visokotemperaturne postupke, ali zahtjeva visoki vakuum, jeftinija je oprema za proizvodnju u tehnici debelog filma. I debeloslojna i tankoslojna tehnika mogu poslužiti u proizvodnji kvalitetnih pasivnih komponenti. Aktivne komponente obično se dodaju kao diskretne poluvodičke komponente, tkz. čip-komponente. U tehnici tankog filma moguće je pojedine aktivne komponente formirati i izravno na podlozi.