Technieken voor het vervaardigen van halfgeleiders

De vervaardiging van uitsluitend op silicium gebaseerde halfgeleiders wordt in deze sectie beschreven; de meeste halfgeleiders zijn silicium. Silicium is met name geschikt voor geïntegreerde schakelingen omdat het gemakkelijk een oxidecoating vormt, wat handig is bij het modelleren van geïntegreerde componenten zoals transistors.

Silicium

Silicium is het op één na meest voorkomende element in de aardkorst in de vorm van siliciumdioxide, SiO₂ , ook wel bekend als kiezelzand. Silicium wordt van siliciumdioxide bevrijd door reductie met koolstof in een vlamboogoven

SiO₂ + C =CO₂ + Si

Dergelijk silicium van metallurgische kwaliteit is geschikt voor gebruik in transformatorlaminaten van siliciumstaal, maar lang niet zuiver genoeg voor halfgeleidertoepassingen. Conversie naar het chloride SiCl₄ (of SiHCl₃ ) maakt zuivering door gefractioneerde destillatie mogelijk. Reductie door ultrapuur zink of magnesium levert sponssilicium op, dat verdere zuivering vereist. Of thermische ontleding op een hete polykristallijne siliciumstaafverwarmer door waterstof levert ultrazuiver silicium op.

Si + 3HCl =SiHCl₃ + H₂ SiHCl₃ + H₂ =Si + 3HCl₂

Het polykristallijne silicium wordt gesmolten in een smeltkroes van gesmolten silica die wordt verwarmd door een inductieverwarmde grafietsusceptor. De grafietverwarmer kan als alternatief direct worden aangedreven door een lage spanning bij hoge stroom. In het Czochralski-proces wordt de siliciumsmelt gestold op een eenkristal siliciumstaafje ter grootte van een potlood met de gewenste kristalroosteroriëntatie. (Figuur hieronder) De staaf wordt gedraaid en omhoog getrokken met een snelheid om de diameter aan te moedigen tot enkele centimeters uit te breiden. Zodra deze diameter is bereikt, wordt de boule wordt automatisch getrokken met een snelheid om een ​​constante diameter te behouden tot een lengte van enkele voet. Doteermiddelen kunnen aan de smeltkroes worden toegevoegd om bijvoorbeeld een P-type halfgeleider te creëren. Het groeiapparaat is ingesloten in een inerte atmosfeer.

Czochralski monokristallijn silicium groei.

De afgewerkte boule wordt geslepen tot een precieze einddiameter en de uiteinden worden bijgesneden. De boule wordt in wafels gesneden door een diamantzaag met een binnendiameter. De wafels zijn vlak geslepen en gepolijst. De wafels kunnen een N-type epitaxiale . hebben laag die bovenop de wafel is gegroeid door thermische depositie voor een hogere kwaliteit. Wafers in dit fabricagestadium worden door de fabrikant van siliciumwafels aan de halfgeleiderfabrikant geleverd.

Siliciumbol is diamant gezaagd in wafels.

Verwerking van halfgeleiders

De verwerking van halfgeleiders omvat fotolithografie, een proces voor het maken van metalen lithografische drukplaten door middel van zuuretsen. De op elektronica gebaseerde versie hiervan is de verwerking van koperen printplaten. Dit wordt in de onderstaande afbeelding besproken als een gemakkelijke introductie tot de fotolithografie die betrokken is bij de verwerking van halfgeleiders.

De verwerking van koperen printplaten is vergelijkbaar met de fotolithografische stappen van de verwerking van halfgeleiders.

We beginnen met een koperfolie gelamineerd op een epoxy-glasvezelplaat in bovenstaande figuur (a). We hebben ook positieve illustraties nodig met zwarte lijnen die overeenkomen met de koperen bedradingslijnen en pads die op het voltooide bord moeten blijven. Positief artwork is vereist omdat positief werkende resist wordt gebruikt. Negatieve resist is echter beschikbaar voor zowel printplaten als halfgeleiderverwerking. Bij (b) wordt de vloeibare positieve fotoresist aangebracht op het koperen oppervlak van de printplaat (PCB). Het mag drogen en kan in een oven worden gebakken. Het kunstwerk kan een plastic film-positieve reproductie zijn van het originele kunstwerk, geschaald naar het vereiste formaat. Het kunstwerk wordt in contact gebracht met de printplaat onder een glasplaat bij (c). Het bord wordt blootgesteld aan ultraviolet licht (d) om een ​​latente . te vormen afbeelding van verzachte fotoresist. Het kunstwerk wordt verwijderd (e) en de verzachte resist wordt weggewassen door een alkalische oplossing (f). De gespoelde en gedroogde (gebakken) printplaat heeft een uitgehard resist-beeld bovenop de koperen lijnen en pads die na het etsen achterblijven. De plaat wordt ondergedompeld in het etsmiddel (g) om koper te verwijderen dat niet wordt beschermd door geharde resist. Het geëtste bord wordt gespoeld en de resist wordt verwijderd met een oplosmiddel.

Het belangrijkste verschil in de patroonvorming van halfgeleiders is dat een siliciumdioxidelaag bovenop de wafel de plaats inneemt van de resist tijdens de verwerkingsstappen bij hoge temperatuur. De resist is echter vereist bij natte verwerking bij lage temperatuur om het siliciumdioxide te modelleren.

Een N-type gedoteerde siliciumwafel in onderstaande figuur (a) is het uitgangsmateriaal bij de vervaardiging van halfgeleiderovergangen. Een siliciumdioxidelaag (b) wordt bovenop de wafel gekweekt in aanwezigheid van zuurstof of waterdamp bij hoge temperatuur (meer dan 1000 ° C in een diffusieoven. Een pool van resist wordt aangebracht op het midden van de gekoelde wafel en vervolgens rondgedraaid in een vacuümklem om de resist gelijkmatig te verdelen. De aangebakken resist (c) heeft een chromen op glasmasker aangebracht op de wafer bij (d). Dit masker bevat een patroon van vensters dat wordt blootgesteld aan ultraviolet licht (e).

Vervaardiging van een siliciumdiodeovergang.

Nadat het masker is verwijderd in figuur hierboven (f), kan de positieve resist worden ontwikkeld (g) in een alkalische oplossing, waardoor vensters in de UV-verzachte resist worden geopend. Het doel van de resist is om het siliciumdioxide te beschermen tegen de fluorwaterstofzuurets (h), waardoor alleen open vensters overblijven die overeenkomen met de maskeropeningen. De overblijvende resist (i) wordt van de wafel verwijderd alvorens terug te keren naar de diffusieoven. De wafel wordt blootgesteld aan een gasvormig P-type doteringsmiddel bij hoge temperatuur in een diffusieoven (j). De doteringsstof diffundeert alleen in het silicium door de openingen in de siliciumdioxidelaag. Elke P-diffusie door een opening produceert een PN-overgang. Als diodes het gewenste product zouden zijn, zou de wafel met diamanten worden bekrast en in afzonderlijke diodechips worden gebroken. De hele wafer kan echter verder worden verwerkt tot bipolaire junctietransistoren.

Om de diodes om te zetten in transistoren is een kleine N-type diffusie in het midden van het bestaande P-gebied nodig. Door de voorgaande stappen te herhalen met een masker met kleinere openingen wordt dit bereikt. Hoewel niet weergegeven in figuur hierboven (j), werd waarschijnlijk in die stap tijdens de P-diffusie een oxidelaag gevormd. De oxidelaag over de P-diffusie wordt weergegeven in onderstaande figuur (k). Positieve fotoresist wordt aangebracht en gedroogd (l). Het chroom op glas emittermasker wordt aangebracht (m) en UV-belicht (n). Het masker wordt verwijderd (o). De UV-verzachte resist in de emitteropening wordt verwijderd met een alkalische oplossing (p). Het blootgestelde siliciumdioxide wordt weggeëtst met fluorwaterstofzuur (HF) bij (q)

Vervaardiging van een bipolaire junctietransistor, voortzetting van Vervaardiging van een siliciumdiodeovergang.

Nadat de niet-belichte resist van de wafel (r) is verwijderd, wordt deze in een diffusieoven geplaatst (Figuur hierboven (s) voor verwerking bij hoge temperatuur. Een N-type gasvormig doteringsmiddel, zoals fosforoxychloride (POCl) diffundeert door de kleine emitter venster in de oxide(n). Dit creëert NPN-lagen die overeenkomen met de emitter, basis en collector van een BJT. Het is belangrijk dat de N-type emitter niet helemaal door de P-type basis wordt gedreven, waardoor de emitter wordt kortgesloten en collector. Het basisgebied tussen de emitter en de collector moet ook dun zijn, zodat de transistor een bruikbare β heeft. Anders zou een dik basisgebied een paar diodes kunnen vormen in plaats van een transistor. Bij (t) wordt metallisatie getoond waardoor contact met de transistorgebieden. Dit vereist een herhaling van de vorige stappen (hier niet getoond) met een masker voor contactopeningen door het oxide. Een andere herhaling met een ander masker definieert het metallisatiepatroon bovenop het oxide en het contact maken met de transistorgebieden via de openingin gs.

De metallisering zou talrijke transistors en andere componenten kunnen verbinden tot een geïntegreerd circuit . Er wordt echter slechts één transistor getoond. De afgewerkte wafel wordt met diamanten bekrast en in afzonderlijke matrijzen gebroken voor verpakking. Fijne aluminium draad verbindt de gemetalliseerde contacten op de matrijs aan een lead frame , die de contacten uit het definitieve pakket haalt.

BEOORDELING:

• De meeste halfgeleiders zijn gebaseerd op ultrapuur silicium omdat het een glasoxide vormt bovenop de wafel. Dit oxide kan worden gemodelleerd met fotolithografie, waardoor complexe geïntegreerde schakelingen mogelijk worden.
• Worstvormige eenkristallen van silicium worden gekweekt door het Czochralski-proces, dit zijn diamanten die tot wafels zijn gezaagd.
• Het modelleren van siliciumwafels door fotolithografie is vergelijkbaar met het patroontekenen van koperen printplaten. Op de wafer wordt fotoresist aangebracht, die via een masker wordt blootgesteld aan UV-licht. De resist wordt ontwikkeld en vervolgens wordt de wafer geëtst.
• Het etsen van fluorwaterstofzuur opent vensters in het beschermende siliciumdioxide bovenop de wafel.
• Blootstelling aan gasvormige doteermiddelen bij hoge temperatuur produceert halfgeleiderovergangen zoals gedefinieerd door de openingen in de siliciumdioxidelaag.
• De fotolithografie wordt herhaald voor meer diffusies, contacten en metallisatie.
• De metallisering kan meerdere componenten met elkaar verbinden tot een geïntegreerde schakeling.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Indeling van printplaten en werkblad voor fabricage