2015 m. balandžio 26 d.

Integrinio Grandyno Fabrikavimas [IG, III dalis]

Pagrindiniai IG formavimo procesai

Integrinių grandynų fabrikavimo laboratorija
Integrinio grandyno gamyba vadinama fabrikavimu – tai labai sudėtingas, pusiau automatizuotas procesas, reikalaujantis didelių investicijų, laiko ir aukštos kvalifikacijos specialistų kontrolės visų integrinio grandyno fabrikavimo procesų metu. Pati fabrikavimo technologija nuolatos tobulinama, siekiant vis didesnio integracinio laipsnio. Fabrikavimo infrastruktūros atnaujinimo išlaidos tokios didelės, jog fabrikantams kyla klausimas – atnaujinti turimos fabrikacijos įrangą ar statyti naujas patalpas su nauja fabrikavimo infrastruktūra.
Fabrikavimo patalpos laikomos tūkstančius kartų švaresnės nei ligoninės operacinė – viename kubiniame metre oro yra viena dulkelė, 15 μm skersmens (milijoninė dalis metro). Net mažiausi nešvarumai, kaip nematomos plika akimi dulkės (pvz., esant 65 nm fabrikacijos technologijai, net 22-33 nm dalelės pražudo IG), gali sugadinti visą integrinio grandyno fabrikavimo procesą. Todėl patalpų oras ypatingai filtruojamas, o darbuotojai vilki specialius baltus kostiumus, vadinamuosius bunny suits (iš anglų kalbos išvertus – triušių kostiumai), tai apsaugo IG fabrikavimo aplinką nuo pleiskanojančios odos ir plaukų taršos.
Pats IG gamybos procesas keičiasi priklausomai nuo gaminamo lusto tipo ir fabrikacijos technologijos. Pažangiausi Intel firmos mikroprocesorių fabrikacijos procesai susideda iš maždaug 300 žingsnių-etapų, panaudojant įvairias medžiagas ir technologijas.
Šioje dalyje bus apžvelgta IG fabrikacija aukščiausiame lygmenyje – pagrindiniai integrinių grandynų gamybos proceso etapai (lusto gamyboje eiliškumas gali nesutapti).

Silicio plokštelė (angl. Silicon Wafer)

IG fabrikacija prasideda nuo silicio plokštelės, ant kurios statomas grandynas. Silicis yra puslaidininkis, todėl, skirtingai negu izoliatorius (medžiaga, kuri sulaiko elektronų judėjimą) ar laidininkas (medžiaga, praleidžianti elektronus), silicis gali būti ir izoliatorius, ir laidininkas, tai priklauso nuo to, su kokiomis medžiagomis jis maišomas. Silicis yra puikus pasirinkimas, nes jo gausu gamtoje (sudaro net 27 proc. Žemės plutos masės) ir jo oksidas geras izoliatorius. Visa tai palengvina integrinio grandyno fabrikaciją. Nors silicis – viena labiausiai paplitusių medžiagų, tačiau gryno gamtoje nerandama. Jis išgaunamas iš kvarco, tiksliau kvarcinio smėlio.
Silicio plokštelės išgavimas ir apdorojimas iki IG lusto

Norint našių integrinių grandynų, puslaidininkis turi būti itin grynas (be priemaišų). Išgauti ypatingai gryną silicio kristalą naudojama Czochralskio metodas, kvarcas (smėlis) yra įkaitinamas ir išlydomas, atliekamos keletas procedūrų gryno silicio liejiniui išgauti (galima į silicį įterpti šiek tiek kitos medžiagos, siekiant p arba n tipo laidumo puslaidininkio). Užaugintas kristalas dažniausiai būna cilindro formos (šiuo metu jų skersmuo dažniausiai būna apie 300 mm), o jų grynumas siekia 99.9999 proc. Vėliau šie cilindrai supjaustomi į maždaug 0,75 mm storio silicio plokšteles ir viena pusė nupoliruojama iki nepriekaištingai lygaus paviršiaus (žr. pav. apačioje). Tokia puslaidininkio plokštelė, perėjusi visą IG fabrikavimo procesą, turės šimtus stačiakampio formos lustų. Tai integriniai grandynai, kurie supjaustomi į atskiras dalis specialiais deimantiniais diskais, rėžikliais ar lazeriais (žr. pav. viršuje).

Nupoliruotos 300 mm silicio plokštelės 


Epitaksinis auginimas (angl. Epitaxial Growth)

Tai monokristalo sluoksnio auginimas kito monokristalo paviršiuje (pvz., ant silicio plokštelės), kontroliuojant elektronų laidumą specialioje kameroje. Epitaksinis* sluoksnis auginamas virš įkaitintos iki 1200 °C plokštelės, leidžiant dujų ir silicio tetrochlorido mišinį, iš kurio plokštelės paviršiuje nusėda grynas silicis. Norint gauti p ar n tipo laidumo puslaidininkius, galima įterpti kitų medžiagų į silicio tetrochlorido dujas. Priemaišų pasiskirstymas epitaksiniame sluoksnyje tolygus, kas integrinių grandynų fabrikacijoje labai svarbu. Epitaksinis auginimas plačiai taikomas lustų gamyboje, kai reikia daugiau sluoksnių negu įmanoma difuzijos arba joninio legiravimo** būdu.
* epitãksija 〈epi- + gr. taxis – išdėstymas〉 – vienodai tarp savęs orientuotų kristalų augimas ant tos pačios ar kitos medžiagos.
** legirãvimas 〈plg. legiruoti〉 – priedų, suteikiančių tam tikrų fizikinių, cheminių ar mechaninių savybių, įterpimas į metalą;


Oksidavimas (angl. Oxidation)

Silicio oksidas yra puikus izoliatorius ir turi savybę sulaikyti priemaišų difuziją, todėl pasitarnauja kaip puikus apsauginis sluoksnis. Jo neveikia dauguma reagentų, tad palengvina priemaišų įterpimą į norimas vietas integrinio grandyno elementų suformavimui.
Silicio plokštelės oksidavimas vyksta 950–1115 °C temperatūroje, leidžiant deguonies arba deguonies ir vandens garų mišinio dujas. Įvykus cheminei reakcijai ant plokštelės paviršiaus susidaro silicio dioksidas SiO2. Šis oksidacijos procesas dar vadinamas termine oksidacija dėl aukštų temperatūrų auginant oksido sluoksnį. Jo storis priklauso nuo trukmės, temperatūros ir drėgmės.
Ploni (0,02–0,1 μm storio) silicio dioksido sluoksniai naudojami kaip izoliacija po MOP tranzistorių užtūromis.
Storesni (0,1–1 μm) naudojami plokštelės paviršiui apsaugoti nuo priemaišų difuzijos ar joninio legiravimo procese į paviršių išeinančioms pn sandūroms izoliuoti, suformuoto lusto-integrinio grandyno paviršiui apsaugoti nuo aplinkos poveikio.


Ėsdinimas (angl. Etching)

Po terminės oksidacijos silicio plokštelė pilnai padengta oksido sluoksniu, kuris stipriai saugo silicio plokštelę nuo sąveikavimo. Norint sukurti integrinį grandyną, dioksido sluoksnį numatytose vietose reikia pašalinti ir atitinkamai įterpti priemaišų/medžiagų, reikalingų jungiamiesiems takeliams, diodams, tranzistoriams bei kitiems integrinio grandyno elementams suformuoti. To pasiekti padeda IG fabrikacijos procesas, vadinamas ėsdinimu (angl. etchnig) – medžiagos sluoksnių pašalinimas nuo kristalo paviršiaus cheminiu, elektrocheminiu, joniniu ar plazmocheminiu ėsdinimu. Suprantama, ėsdinimo operacijų IG fabrikacijoje būna daug ir įvairių.
Cheminis ėsdinimas – viena pirmųjų ėsdinimo technologijų IG fabrikavime, dar vadinama drėgnu ėsdinimu. Tai plokštelės sluoksnių ardymas skystu tirpikliu. Nuėsdinamo sluoksnio storis priklauso nuo tirpalo koncentracijos, temperatūros bei trukmės.
Elektrocheminis ėsdinimas – vyksta tik tirpikliu tekant elektros srovei. Pašalinamo sluoksnio storis reguliuojamas tekančios tirpikliu elektros srovės stipriu ir trukme.
Joninis malimas – atliekamas labai žemame slėgyje (10 mPa), siekiant sumažinti susidūrimų su atmosferos dujomis. Plokštelės paviršiaus apšaudymas greitaisiais jonais (inertinių dujų).
Plazmocheminis ėsdinimas – taip pat atliekamas žemame slėgyje (133 Pa). Paviršių apšaudę jonai ne tik jį ardo, bet ir sąveikauja su ėsdinamąja medžiaga.


Fotolitografija (angl. Photolithography)

Svarbiausias silicio plokštelės apdorojimo technologijos procesas, pagrįstas medžiagų savybe keisti atsparumą tirpikliams, paveikus jas šviesa. Fotolitografijos procese silicio plokštelė po oksidavimo proceso padengiama fotorezisto* sluoksniu (žr. pav., a ir b), ant jo uždedamas fotošablonas (skaidri plokštelė, iš apačios dalinai padengta metalo užtvariniu sluoksniu). Taip paruoštas šablonas iš viršaus apšviečiamas ultravioletiniais (UV) spinduliais (žr. pav., c). Apšviestos fotorezisto vietos praranda atsparumą ėsdinantiems tirpikliams ir yra pašalinamos ryškinimo metu (galimas ir atvirkščias procesas), tose vietose matyti dioksido sluoksnis (žr. pav., d). Šis SiO2 sluoksnis pašalinamas kitu tirpikliu, ėsdinančiu silicio dioksidą, ant kurio nėra likusio fotorezisto (žr. pav., e). Dar vienu tirpikliu pašalinamas fotorezistas ir plokštelės paviršiuje lieka išraižytas silicio oksido sluoksnis (žr. pav., f), tiksliai pakartojantis fotošablono vaizdą.
Pilka – silicio plokštelė; mėlyna – silicio dioksido sluoksnis; ruda – fotorezistas

Įprasto fotolitografijos proceso metu naudojant ultravioletinę šviesą galima pagaminti integrinio grandyno elementus iki 2 mikronų dydžio (kadangi fotolitografijoje naudojamų UV bangų ilgis yra 0,3–0,4 μm, o difrakcijos efektas jas padidina daugiau nei penkis kartus, atsiranda technologinis limitas). Pasitelkiant naujesnes litografijos technologijas (naudojant trumpesnių bangų šaltinius), rentgeno spindulius ar apšaudant elektronais, įmanoma pagaminti ir mažesnius nei vieno mikrono integrinio grandyno elementus.
* Fotorezistas yra šviesai jautris medžiaga, naudojama keliose pramonės procesuose, tokių kaip fotolitografija ir fotograviravimas, siekiant suformuoti šabloninę dangą ant paviršiaus.

Difuzija (angl. Diffusion)

Kaip jau buvo užsiminta, IG fabrikacijos procese taikomas legiravimas (priemaišų įterpimas į silicio plokštelę), siekiant pakeisti silicio elektrines savybes. Valdomas priemaišų įterpimas į silicį yra viena pagrindinių užduočių formuojant integrinio grandyno lustą – IG elementus (pvz., diodus, tranzistorius ir kt.).
Vienas iš būdų įterpti priemaišas į silicį – įlydyti jas pasitelkiant difuziją. Norint sukelti difuziją priemaišos atomams reikia suteikti energijos (pvz., šiluminiu energijos perdavimo būdu). Tam silicio plokštelės su priemaišomis kaitinamos specialioje krosnyje, kurios temperatūra maždaug 1150 °C ir tolygiai pasiskirsčiusi visoje kameroje. Priemaišų nešėjas paprastai yra dujos (sausas deguonis ar azotas). Proceso tikslas – įterpti donorines ar akceptorines priemaišas į neapsaugotus dioksido sluoksniu silicio plokštelės „langus“ ir suformuoti ten norimus IG elementus (pvz., pn sandūras – diodus). Difuzijos gylis – atomų įsiskverbimas į medžiagą – priklauso nuo trukmės, paprastai šis procesas trunka iki 2 val.


Joninis legiravimas (angl. Ion Implantation)

Joninis legiravimas yra kitas metodas įterpti priemaišos atomus į silicio plokštelę ir šiuo metu labiausiai naudojamas dėl tikslumo. Jonizuoti priemaišos atomai dalelių greitintuvuose yra pagreitinti didelės įtampos elektriniu lauku iki labai didelės energijos (paprastai pagreitinto jono energija būna tarp 10 ir 500 keV) ir šaudomi į taikinį (silicio plokštelę). Greitinimo procesas vyksta vakuume, siekiant išvengti įgreitintų dalelių susidūrimo su atmosferos dujomis, nes tai pakeistų nustatytą kryptį bei energiją. Šaudomi jonai dėl didelės jų kinetinės energijos nesunkiai įsiskverbia į silicio plokštelę ir ten apsigyvena. Įsiskverbimo gylis priklauso nuo medžiagų ir elektrinio lauko stiprumo dalelėms įgreitinti.
Norint priemaišų jonus įterpti tiksliai tik į pageidaujamas vietas naudojamas apsauginis sluoksnis iš fotorezisto ir silicio dioksido. Prieš apšaudant silicio plokštelę jonais, jis plonu sluoksniu oksiduojamas (žr pav., a), tai atlieka izoliatoriaus ir apsauginio sluoksnio funkcijas, bet turi būti pakankamai plonas, jog praleistų šaudomus priemaišų jonus. SiO2 sluoksnis padengiamas fotorezistu, kuriame išbraižomi „langai“ pagal pasirinktą fotošabloną (žr pav., b). Toliau lustas apšaudomas priemaišų jonais. Jonai įsiskverbė į fotorezistu neapsaugotas „languotas“ šablono vietas (žr pav., c), o likęs fotorezistas nuėsdinamas tirpikliu.
Pilka – silicio plokštelė; mėlyna – silicio dioksido sluoksnis; ruda – fotorezistas; žalia – įterptos priemaišos

Paskutinis joninio legiravimo etapas yra grūdinimas aukštos temperatūros kameroje. Šis aukštos temperatūros grūdinimas skatina papildomą difuziją – priemaišos įsiskverbimą į silicio plokštelę dar giliau, kur susiformuoja tvirti IG elementai (pvz., pn sandūra – diodas). Aukšta temperatūra taip pat atitaiso pažeistus sluoksnius nuo stipraus apšaudymo didelės energijos jonais, kurie mažiau ar daugiau ardo silicio plokštelės struktūrą. Sritis, į kurią įterpti priemaišų atomai, po grūdinimo vadinama difuziniu klodu  (žr pav., d).

Metalizavimas (angl. Metallization)

Šio proceso tikslas suformuoti ploną metalinį sluoksnį – plėvelę, iš kurios bus sudaromi jungiamieji laidieji takeliai tranzistoriams bei kitiems IG elementams sujungti. Metalizavimui dažniausiai naudojamas aliuminis, nes yra geras laidininkas ir gerai sąveikauja su siliciu.
Šiam metalizavimo procesui naudojama speciali vakuuminė garinimo kamera. Patalpinus į ją silicio plokštelę oras išsiurbiamas iki maždaug 0,00001 Pa slėgio (sumažėjus slėgiui sumažėja medžiagų virimo temperatūra). Aliuminio medžiaga galingu elektronų spinduliu įkaitinama iki virimo temperatūros ir pradeda garuoti. Virš garuojančio aliuminio įtaisyta silicio plokštelė garinama; aliuminio garai pasiekę plokštelę kondensuojasi, sukietėja ir padengia ją plona aliuminio plėvele. Po metalizacijos proceso plokštelė pilnai padengta aliuminio plėvele. Sekančiais fotolitografijos ir ėsdinimo procesais suformuojami reikalingi laidieji takeliai, jungiantys IG elementus.


Lustų apdorojimas

Paskutinis IG fabrikavimo procesas – silicio plokštelės integrinių grandynų kontrolė (patikrinimas) ir atskyrimas nuo bendros silicio plokštelės į individualias dalis, supjaustant specialiais deimantiniais diskais, lazeriais ar deimantiniais rėžtukais į pavienius lustus.

Dėl IG fabrikavimo technologinio sudėtingumo, ilgus metus silicio plokštelė su šimtais lustų turėdavo daugiau neveikiančių-brokuotų, nei veikiančių integrinių grandynų. Geriausiu atveju iš vienos silicio plokštelės tik 25 proc. lustų pilnai funkcionuodavo pagal normatyvus.
Šiais laikais brokuotų integrinių grandynų dalis per silicio plokštelę svyruoja nuo 2 iki 90 proc., tai priklauso nuo fabrikavimo technologijos įsisavinimo, kuri yra nuolat atnaujinama ir kelia vis naujus iššūkius lustų fabrikantams. Vienas iš nuolatinio technologinio progreso pavyzdžių yra Intel firmos Tick-Tock  mikroprocesorių plėtojimo modelis. Šiuo cikliniu modeliu Intel įsipareigoja tęsti pažangą procesorių fabrikacijos technologiniame procese ir mikroarchitektūros inovacijas, su kasmet besikeičiančiais Tick ir Tock ciklais. Tick ciklas reprezentuoja integracijos laipsnio didėjimą, o Tock naują mikroarchitektūrą. Šis ciklinis modelis paremtas Mūro dėsniu.

Taigi, siekiant išvengti papildomų kaštų montuojant, hermetizuojant, įpakuojant ir transportuojant IG lustus pardavimui, visi IG lustai turi pirmiausiai praeiti griežtą kontrolę dar prieš supjaustant silicio plokštelę į individualias dalis (integrinius grandynus). Kontrolę atlieka visiškai automatizuotas prietaisas, vadinamas zondu, kuris iš eilės apeina visus lustus ir tikrina IG veikimą bei jo elektrinius parametrus (žr. pav. apačioje). Brokuoti lustai patepami paskutinei kelionei (pažymimi dažais) ir vėliau pašalinami iš produkcijos.
Automatizuotas IG zondavimas ant silicio plokštelės, po patikros defektiniai lustai pažymimi dažais ir vėliau atmetami


Išvados

  1. Informacijos amžiuje formuojantis naujų pažiūrų ir įpročių informacinei visuomenei, didėja informacijos kiekiai ir srautai, kuriems apdoroti reikia vis spartesnių elektrinių įrenginių. Taigi, labai svarbu didinti elektrinių prietaisų veikimo spartą ir efektyvumą.
  2. Integrinis grandynas yra labai mažų matmenų puslaidininkio monokristalas, kurio tūryje sudaromi elementai (tranzistoriai, ...) ir juos jungiantys metalizuoti takeliai. Pagal tranzistorių tipą, integriniai grandynai skirstomi į dvipolius (Bi) ir MOP integrinius grandynus. Paskutinieji, o tiksliau jų grupės KMOP grandynai labiausiai išvystyti ir šiuo metu dominuoja dėl savo ypatybės mažam energijos kiekiui.
  3. Nepaisant savo nuopelnų, integrinis grandynas nėra netikėtas išradimas – panašų sprendimą dar 1949 metais užpatentavo vokiečių inžinierius Verneris Jakobas (Werner Jacobi), vėliau, 1952 metais, britų radijo inžinierius Džefris Dameris (Geoffrey Dummer) pasiūlė integruoti standartinius elektroninius komponentus į monolitinį puslaidininkio kristalą. Akivaizdu, jog šiam išradimui jau buvo pribręsta, kai 1958 m. pasirodė pirmieji lustai net iš kelių inžinierių stovyklų. Daug svarbesnis yra tranzistoriaus išradimas iš puslaidininkio, neišvengiamai atvedęs prie IG išradimo.
  4. Pradžioje didelės investicijos iš JAV karinės pramonės ir NASA agentūros skatino integrinių grandynų technologinę pažangą (integracijos laipsnio didėjimą), vėliau estafetę perėmė informacijos visuomenės susikūrimas, kurios nariai nebeįsivaizduoja gyvenimo be interneto ir mobilaus ryšio prietaiso, telpančio į kelnių kišenę.
  5. Integrinių grandynų panaudojimas labai platus, nuo karinės pramonės (pvz., kovinių raketų, valdomų kulkų) iki buitinės technikos (pvz., skalbimo mašina) ar medicinos (įvairūs elektroniniai implantai kaip širdies stimuliatorius, skaitmeninis pasas).
  6. Integrinių grandynų technologija paremta puslaidininkių unikalia savybe – jie gali tarnauti ir kaip izoliatorius, ir kaip laidininkas, priklauso nuo to, kaip jis apdirbtas. Vargu ar būtų atsiradusi alternatyva, galinti pavaduoti šią visapusišką medžiagą nuolatos didinančia savo integracijos laipsnį integriniuose grandynuose.
  7. Silicis yra puikus pasirinkimas fabrikuojant integrinius grandynus ne tik dėl to, jog jo gausu gamtoje (silicis sudaro net 27 proc. Žemės plutos masės), bet jo oksidas yra stiprus izoliatorius, kurį palyginus nesunku „užauginti“ ant silicio plokštelės ir vėliau apdirbti pagal poreikius. Visa tai labai palengvina integrinio grandyno fabrikaciją.
  8. Didėjant lustų integraciniam laipsniui – integrinio grandyno elementų skaičiui luste (ypač per vienetinį plotą), visos IG savybės pagerėja: sumažėja elektroninės įrangos tūris, masė, suvartojamas energijos kiekis bei didėja sparta ir patikimumas.
  9. Kalbant apie integrinių grandynų progreso sulėtėjimą ar visišką stagnaciją, reiktų atkreipti dėmesį į tai, kokią svarbią poziciją užima šios technologijos vystymas šiuolaikinėje visuomenėje bei į nuolatos augantį puslaidininkių pramonės mastą su savo mokslinių tyrimų ir plėtros padaliniais, kurie aktyviai bendradarbiauja su akademinėmis įstaigomis. Visada sunku nuspėti realias prognozes daugiau nei dešimtmetį į priekį, visgi atsižvelgiant į šiuo metu vystomas technologijas ir augantį IG kapitalo dydį, tikėtina, jog integrinių grandynų progresas niekur nesustos.
  10. Lustų fabrikavimas labai sudėtingas, pusiau automatizuotas procesas, reikalaujantis didelių investicijų, laiko ir aukštos kvalifikacijos specialistų kontrolės visų IG fabrikavimo procesų metu. Pats fabrikavimo technologinis procesas turi būti nuolat atnaujinamas arba produktai greit taps nekonkurencingi rinkos ekonomikoje. Fabrikavimo infrastruktūros atnaujinimo išlaidos tokios didelės, jog fabrikantams kyla klausimas – atnaujinti turimos fabrikacijos įrangą ar statyti naujas patalpas su nauja fabrikavimo infrastruktūra
  11. Labai svarbu prieš parduodant integrinį grandyną kaip produktą jį patikrinti, norint išvengti papildomų išlaidų montuojant, hermetizuojant, įpakuojant ir transportuojant, dėl didelės tikimybės, jog integrinis grandynas gali būti brokuotas. Šiais laikais brokuotų integrinių grandynų dalis per silicio plokštelę svyruoja nuo 2 iki 90 proc., tai priklauso nuo fabrikavimo technologijos įsisavinimo.



Kitos šio straipsnio dalys:

Komentarų nėra:

Rašyti komentarą