El procés de fabricació detallat de xips!

█ Oxidació

Primer, s'aplica una capa d'òxid a la hòstia tallada i polida. L'objectiu de l'oxidació és formar una pel·lícula protectora (capa d'òxid) a la superfície fràgil de l'hòstia. Aquesta capa d'òxid evita que l'hòstia es vegi afectada per impureses químiques, corrent de fuga i gravat.

L'oxidació seca implica la introducció d'oxigen pur, que flueix per la superfície de l'hòstia i reacciona amb el silici per formar una capa de diòxid de silici. L'oxidació humida utilitza tant oxigen com vapor d'aigua altament soluble.

█ Fotolitografia (revestiment, pre-cocció, exposició, post-cocció, desenvolupament)

La fotolitografia, en poques paraules, és com una impressora que "grava" el patró del circuit del xip a l'hòstia.

La fotolitografia es pot dividir en tres passos principals: recobriment, exposició i desenvolupament. Vegem-ne cadascun al seu torn.

El primer és el recobriment. Aquest adhesiu s'anomena fotoresist, de vegades també s'anomena fotoresist, i és un material fotosensible.

Hi ha dos tipus de fotoresistència: positiva i negativa.

El fotoresist positiu, quan s'exposa a un feix de llum específic (exposició), experimenta un canvi en la seva estructura molecular i es dissol més fàcilment. El fotoresistent negatiu, en canvi, es fa difícil de dissoldre després de l'exposició. La fotoresistència positiva s'utilitza en la majoria dels casos.

Revestiment

Una fotomàscara és una placa de vidre o quars amb una capa estampada d'un material opac (com el crom). Aquest patró és essencialment el pla del xip o la disposició del circuit integrat.

Fotomàscara

En una màquina de litografia, la hòstia i la fotomàscara estan fixades amb precisió. Aleshores, una font de llum especial (llum de vapor de mercuri o làser excímer) emet un feix de llum (llum ultraviolada). Aquest feix passa a través de retalls de la fotomàscara i de múltiples lents (per enfocar la llum), projectant-la finalment en una petita àrea de l'hòstia.

Així, el complex patró de circuit es "projecta" a l'hòstia.

Utilitzant el fotoresistent positiu com a exemple, el fotoresistent a la zona exposada es dissol més fàcilment. La fotoresistència no exposada es manté intacta.

Els accessoris mecànics que sostenen l'hòstia i la fotomàscara es mouen constantment i el feix de llum il·lumina contínuament l'hòstia. En última instància, el circuit de desenes o centenars de fitxes està "dibuixat" a tota la hòstia.

El procés de la litografia

Després que l'hòstia de silici surti de la màquina de litografia, se sotmet a un procés d'escalfament i cocció (cocció durant 20 minuts a 120-180 graus), conegut com a postcocció.

L'objectiu de la post-cocció és assegurar-se que la reacció fotoquímica a la fotoresist s'hagi completat completament, compensant la intensitat d'exposició insuficient. La-cocció posterior també redueix els patrons semblants a l'anell-que apareixen després del desenvolupament del fotoresistent a causa de l'efecte d'ona estacionària.

A continuació ve el desenvolupament. Després de l'exposició, l'hòstia es submergeix en una solució de desenvolupament. La solució de desenvolupament elimina el fotoresistent exposat (fotoresistència positiva), revelant el patró.

█ Gravat

D'acord, continuem parlant del procés de fabricació de xips. Ara, tot i que el patró és visible, només hem eliminat una part de la fotoresistent. El que realment hem d'eliminar és la capa d'òxid subjacent (la part no protegida pel fotoresistent).

En altres paraules, hem de continuar "cavantant" més a fons. El procés utilitzat en aquesta etapa és el gravat. Els processos de gravat es divideixen en dos tipus: gravat humit i gravat en sec.

El gravat humit consisteix a submergir l'hòstia en una solució líquida que conté productes químics específics, utilitzant una reacció química per dissoldre l'estructura semiconductora (pel·lícula d'òxid) no protegida pel fotoresistent.

L'aiguafort en sec utilitza feixos de plasma o d'ions per bombardejar l'hòstia, eliminant l'estructura semiconductora desprotegida.

Dos conceptes són importants en els processos de gravat: isotropia (o anisotropia) i selectivitat.

L'aiguafort humit grava en totes direccions, d'aquí el terme "isotropia". L'aiguafort en sec només grava en la direcció perpendicular, d'aquí el terme "anisotropia". Aquesta última és clarament millor.

Durant el gravat, tant la capa d'òxid com el fotoresist estan gravats. En les mateixes condicions de gravat, la proporció de la taxa de gravat de la fotoresistència a la velocitat de gravat del material que s'està gravant (capa d'òxid) és la selectivitat. És evident que hem de gravar el mínim de fotoresist possible i gravar la màxima capa d'òxid possible.

█ Dopatge (implantació iònica)

D'acord, amb això s'acaba el procés de "fer-forat". En aquest punt, la superfície de l'hòstia s'ha gravat amb diverses trinxeres i patrons. A continuació, mirem el procés de dopatge.

Quan vaig introduir els coneixements bàsics dels xips (com funcionen exactament els xips de semiconductors?), vaig esmentar que els transistors són els components bàsics dels xips. Cada transistor es basa en una unió PN. Com es mostra al diagrama següent (transistor MOSFET, NPN), inclou P-pous, N-pous, canals, portes, etc.

La fotolitografia i el gravat anteriors només van crear els forats. A continuació, hem de construir P-pous i N-pous a partir d'aquests forats. El silici pur no és-conductor. Per fer que el silici pur no conductor sigui un semiconductor, hem d'introduir impureses (anomenades dopants) al silici per canviar-ne les propietats elèctriques.

Per exemple, dopar silici amb fòsfor, antimoni i arsènic pot produir pous de N-. El dopatge amb bor, alumini, gal·li i indi crea un pou P-.

Els àtoms N tenen electrons lliures. Els àtoms de P tenen molts forats i un petit nombre d'electrons lliures. En aplicar una porta i una tensió al canal, els electrons dels àtoms P són atrets, formant un canal d'electrons (canal). L'aplicació de tensió entre els dos àtoms de N crea un corrent entre les unions NPN.

Com es mostra al diagrama següent:

Al diagrama, la part inferior és el substrat P-pou. Els dos forats són N-pous. És a dir, quan es fa aquest transistor NPN, s'utilitza la implantació d'ions abans del procés d'oxidació inicial. El substrat es dopa primer amb bor (que conté una petita quantitat de fòsfor), convertint-se en un substrat P-pou. (Per facilitar la lectura, no he explicat aquest pas abans.) Ara, la part-que fa el forat es pot dopar amb fòsfor per convertir-se en un pou N-. Ho entens? El propòsit del dopatge és crear una unió PN, creant un transistor.

El dopatge inclou dos processos: la difusió tèrmica i la implantació d'ions. Com que la difusió tèrmica és difícil d'aconseguir una difusió selectiva, actualment la implantació d'ions s'utilitza per a la majoria d'aplicacions, excepte per a necessitats específiques.

La implantació d'ions és el procés d'utilitzar un feix de partícules d'alta-energia per injectar directament impureses a una hòstia de silici.