ELABORAREA SILICIULUI ŞI REALIZAREA PLACHETELOR SEMICONDUCTOARE

1. ELABORAREA SILICIULUI ŞI REALIZAREA PLACHETELOR SEMICONDUCTOARE

2. Dintre materialele semiconductoare, siliciul este cel care s-a impus pentru realizarea de dispozitive semiconductoare şi de circuite integrate monolotice. Motivul principal este acela că prin oxidare termică siliciul se acoperă cu un strat de oxid de siliciu amorf, care constituie o barieră în pătrunderea impurităţilor în materialul de bază, bioxidul de siliciu fiind în acelaşi timp şi un bun material dielectric. Siliciul şi oxidul său stau la baza tehnologiei planare, care a făcut posibilă realizarea cu productivitate ridicată a dispozitivelor semiconductoare şi a circuitelor integrate pe scară mare. • Siliciul se găseşte în cantitate mare la suprafaţa globului terestru (aprox. 28%). Sursele naturale de Si sunt în principal silicaţii (nisip, etc), dar şi zirconiul, jadul, mica, cuarţul. Siliciul există natural sub formă de oxizi (starea oxidată). Pentru elaborare este necesară o metodă de reducere a sa, iar apoi trebuie să fie purificat până la stadiul de siliciu "de calitate electronică" sau EGS (Electronic Grade Silicon).

3. Elaborarea siliciului • Prima etapă a tehnologiei siliciului corespunde elaborării siliciului de calitate "metalurgică" sau MGS (Metallurgic Grade Silicon). După această etapă în urma purificărilor repetate se obţine materialul de puritate "electronică". Temperatura de topire a siliciului este ridicată, situându-se la valoarea de 1415°C. Dificultatea în obţinerea siliciului constă în aceea că oxidul de siliciu (SiO2) nu poate fi redus direct prin folosirea hidrogenului, fiind necesară o tehnică adaptată de reducere (cu carbon, la temperatură ridicată).

4. Obţinerea siliciului metalurgic • Obţinerea siliciului metalurgic se efectuează prin electroliza silicei topite (SiO2) într-un cuptor cu arc electric. Se foloseşte cuptorul cu arc electric pentru a se putea atinge temperatura de topire a SiO2 care se găseşte în amestec cu carbon (cărbune). • Siliciul care se obţine în urma electrolizei are puritatea de 98 %. Puritatea trebuie mărită în continuare, cu multe ordine de mărime, până la obţinerea unui material utilizabil în microelectronică.

5. Electroliza silicei pentru obţinerea siliciului topit de calitate metalurgică

6. Obţinerea siliciului de calitate electronică • Teoria dispozitivelor semiconductoare este construită în ipoteza unui cristal perfect sau cvasi-perfect. Calitatea electronică (EGS) a siliciului este greu de obţinut fiind necesară aplicarea succesivă a unui număr mare de etape de purificare.

7. Succesiunea principalelor etape de purificare a siliciului • a) purificarea chimică – o metodă folosită constă în dizolvarea siliciului într-un produs lichid la temperatura ambiantă şi apoi distilarea acestui lichid. În mod frecvent se folosesc halogenurile de siliciu ca produs intermediar lichid.

8. Succesiunea principalelor etape de purificare a siliciului • b) purificarea fizică - se bazează pe redistribuirea impurităţilor existente în material la trecerea acestuia din faza lichidă în faza solidă. • metoda solidificarii directe, prin care materialul aflat iniţial în stare lichidăse solidifică treptat prin deplasarea unei singure interfeţe solid-lichid; • metoda topirii zonale simple - constă în topirea unei zone a lingoului dematerial semiconductor şideplasarea lentă a acestei zone de-a lungullingoului. • metoda topirii zonale multiple - constă în topirea mai multor zone, distanţate între ele şi separate prin faza solidă.

9. Schema topirii zonale a) Principiul încălzirii prin inducţie b) Variaţia temperaturii

10. Succesiunea principalelor etape de purificare a siliciului • c) obţinerea lingoului • Evoluţia dimensiunilor lingourilor a fost legată de evoluţia gradului de control asupra parametrilor de proces şi echipamentelor asociate, având ca scop creşterea randamentului de fabricaţie şi reducerea costurilor de producţie pe circuit integrat realizat. Astfel, în mai puţin de 30 de ani, diametrul plachetelor a crescut de 10 ori, respectiv de la 25 mm în 1964 la 300 mm în 1998.

11. Succesiunea principalelor etape de purificare a siliciului • d) tragerea şi creşterea cristalului - tehnică folosită pentru realizarea lingourilor de mari dimensiuni care porneşte de la un lingou de siliciu policristalin obţinut în reactorul de reducere. Creşterea cristalului se obţine pornind de la un germene fixat la extremitatea lingoului, prin deplasarea unei zone topite.

12. Cristalizarea lingoului şi purificarea prin metoda topirii zonale

13. Aceasta zonă este încălzită prin inducţie până la limita de topire a siliciului. Procesul de încălzire se obţine prin intermediul unei bobine parcurse de curent de înaltă frecvenţă, care induce în lingou curenţi turbionari (Foucault), la fel ca şi în cazul purificării lingoului. Diametrul lingoului este determinat de parametrii fizici în timpul tragerii.

14. Oaltă variantă pentru tragerea de lingouri este aceea în care lingoul se obţine într-o formă paralelipipedică, iar cristalizarea se efectuează progresiv, pornind de la una din extremităţi. Această metoda este numită metoda "Bridgman“. Această tehnică este folosită, în special, pentru lingouri din compuşi III - V, cum ar fi GaAs.

15. Succesiunea principalelor etape de purificare a siliciului • e) tăierea capetelor lingoului - Operaţia constă în eliminarea extremităţilor lingoului, care sunt fie imperfect cristalizate, fie bogate în impurităţi (în special dacă s-a folosit tehnica topiriizonale.

16. Succesiunea principalelor etape de purificare a siliciului • f) controlul rezistivităţii la extremităţile lingoului - Concentraţia de impurităţi nu este constantă în timpui tragerii, rezistivitatea finală variază de-a lungul lingoului. Se impune o verificare a acestui parametru în raport cu specificaţiile tehnologice (gama de variaţie). Măsurarea rezistivităţii se face cu metoda "celor patru sonde".

17. Succesiunea principalelor etape de purificare a siliciului • g) determinarea reperelor cristalografice şi marcarea lingoului - cunoaşterea orientărilor cristalografice este necesară, pentru a putea decupa materialul de-a lungul axelor cristalografice, la sfârşitul procesului de fabricaţie. După reperarea planurilor cristalografice la lingoul de siliciu se creează o teşitură care va servi ca referinţă

18. Succesiunea principalelor etape de purificare a siliciului • h) polizajul cilindric - în cursul tragerii diametrul lingoului variază uşor, suprafaţa fiind ondulată. Pentru a obţine plachete de acelaşi diametru este necesară o polizare cilindrică.

19. Succesiunea principalelor etape de purificare a siliciului • i) polizarea unei teşituri de referinţă - acest reper va folosi ca referinţă în cursul procedeului de fabricaţie (orientarea zonelor de conducţie în raport cu axele cristalului, reperarea desenelor gravate în cursul fotolitografiei, decuparea cipurilor după axele cristalografice)

20. Se vor realiza suplimentar şi alte repere, în funcţie de tipul de dopaj al substratului şi de orientarea sa cristalografică. La plachetele cu diametru mai mare de 3 inch (ţoli) (1 inch =25,4 mm) se foloseşte un reper cristalografie în formă de crestătură. • Se pot distinge uşor tipurile de dopaj n şi p precum şi orientările cristalografice. Pe lingou se marchează datele de identificare ale lingoului cu ajutorul unui fascicul laser: numărul lotului în care s-a realizat, data fabricaţiei.

21. Realizarea plachetelor semiconductoare • Din lingoul de siliciu cristalin se obţin plachetele (wafers) pe care prin tehnologii specifice urmează a se realiza dispozitivele electronice şi circuitele integrate.

22. Succesiunea principalelor operaţii de obţinere a plachetelor • a) debitarea plachetelor - după obţinerea lingoului de siliciu monocristalin acesta va fi decupat în discuri subţiri ce vor reprezenta plachetele (wafers). O modalitate de debitare a plachetelor este aceea care se face cu ajutorul unui ferăstrău diamantat. Dacă se ia în considerare eliminarea capetelor de lingou şi polizarea, rezultă că din lingou se elimină în total 50% la 60%

23. Succesiunea principalelor operaţii de obţinere a plachetelor • b) tratament termic - operaţia de debitare a plachetelor creează tensiuni mecanice în cristal. Eliminarea acestor tensiuni şi relaxarea cristalului se obţine printr-o creştere lentă a temperaturii plachetelor până la 600...700°C. Prin acest tratament termic de recoacere, atomii obţin suficientă energie proprie pentru a se reaşeza în şisturile cristaline. Se obţine în acelaşi timp diminuarea efectului atomilor de oxigen (de tip donor) şi se stabilizează rezistivitatea.

24. Succesiunea principalelor operaţii de obţinere a plachetelor • c) polizarea marginilor (debavurarea) - după tăiere, pe marginile plachetelor rămân bavuri ce trebuie eliminate. Se realizează în acelaşi timp şi o rotunjire a muchiilor, pentru a uşura manipularea plachetelor în cursul procesului de fabricaţie. Prin aceasta se evită degradarea dispozitivelor de prindere şi se suprimă amorsele de fisuri.

25. Succesiunea principalelor operaţii de obţinere a plachetelor • d) selecţia plachetelor în funcţie de grosime - după debitare, grosimile plachetelor pot fi sensibil diferite. Pentru reducerea timpului de polizare plachetele se triază în game de grosimi • e) acoperirea plachetelor cu o suspensie de alumină şi polizarea - pentru a ameliora starea suprafeţelor, plachetele sunt polizate cu ajutorul unei soluţii ce conţine în suspensie granule de alumină de dimensiuni micronice. • f) curăţirea - aceasta etapă are rolul de a elimina produsele abrazive şi substanţele contaminante, prin spălare cu solvenţi şi apă deionizată.

26. Succesiunea principalelor operaţii de obţinere a plachetelor • g) atacul chimic al plachetelor - în cursul etapelor parcurse de plachete, acestea formează la suprafaţă un strat de oxid care conţine impurităţi. Aceste impurităţi sunt fie particule metalice şi pot fi eliminate cu soluţii acide, fie substanţe organice ce pot fi eliminate folosind soluţii bazice. Se obţine în acest fel o suprafaţă neutră din punct de vedere chimic, înaintea polizării "oglindă".

27. Succesiunea principalelor operaţii de obţinere a plachetelor • h) deteriorarea feţei inferioare - partea utilă a plachetei (în care se vor crea componentele electronice) se găseşte foarte aproape de suprafaţa superioară. Se urmăreşte realizarea unei calităţi maxime a materialului în această zonă, atât sub aspectul gradului de puritate (atomi străini), cât şi ai defectelor cristalografice (macle, dislocări, etc). În acest scop se creează intenţionat defecte pe faţa inferioară, prin sablaj sau bombardament laser

28. Succesiunea principalelor operaţii de obţinere a plachetelor • Aplicând ulterior un tratament termic, impurităţile de pe faţa activă a plachetei vor migra prin substrat spre faţa inferioară şi vor fi captate de defectele create în această parte, acestea oferind stări energetice favorabile fixării atomilor. Acest fenomen este numit efectul "getter".

29. Succesiunea principalelor operaţii de obţinere a plachetelor • i) selecţia în funcţie de grosime - prin operaţia precedentă se modifică grosimile plachetelor. Se face o nouă selecţie în game de grosime. • J)prelucrarea finală a suprafeţei - această prelucrare tip "oglindă" poate fi efectuată mecanic sau mecano-chimic. Se urmăreşte eliminarea zgârieturilor şi a micilor denivelări ale suprafeţei rămase de la operaţiile anterioare. Operaţia se efectuează cu discuri abrazive folosind o soluţie abrazivă cu granule foarte fine.

30. Succesiunea principalelor operaţii de obţinere a plachetelor • k) testarea rezistivităţii plachetelor, selecţia finală în funcţie de rezistivitate- formarea loturilor ce urmează să se livreze beneficiarilor după o selecţie în funcţie de rezistivitate. Determinarea rezistivităţii se realizează cu ajutorul a patru electrozi punctiformi care se aşează pe suprafaţa plachetei

31. Prin doi dintre aceşti electrozi se injectează un curent I în circuit, iar între ceilalţi doi electrozi se măsoară tensiunea UBC care ia naştere. În funcţie de configuraţia electrozilor, se poate determina prin calcul rezistivitatea plachetei. Atunci când electrozii sunt coliniari şi echidistanţi rezistivitatea se calculează cu relaţia:

32. Succesiunea principalelor operaţii de obţinere a plachetelor • l) reperarea/marcarea - se marchează pe lingou cu ajutorul unui fascicul laser: numărul lotului în care s-a realizat, data fabricaţiei. Prin aceste reperare este posibilă urmărirea plachetei de-a lungul întregii linii de fabricaţie. • m) curăţarea finală în "camera albă“- pentru a demara ansamblul etapelor ce formează procedeul de fabricaţie a circuitelor integrate, plachetele trebuie sa fie perfect curate (fără grăsime, fără particule de praf, etc). Curăţarea finală se realizează în incinta cu condiţii de mediu perfect controlate ("camera albă").

33. Succesiunea principalelor operaţii de obţinere a plachetelor • n) inspecţia vizuală - inspecţia finală se impune pentru a detecta variaţiile de culoare, zgârieturile, particulele de praf. Omul este la ora actuală cel mai bun inspector. El poate detecta vizual şi în scurt timp variaţiile de culoare, zgârieturile, particulele de praf cu dimensiuni mai mici de un micron. Un sistem automat de control cu baleiaj optic al întregii suprafeţe a plachetei ar necesita deocamdată un timp de analiză mult mai mare decât cel necesar unui operator uman antrenat. • o) testul de planeitate - planeitatea plachetelor este foarte importantă pentru operaţiile litografice la care acestea urmează să se supună. Exista în prezent dispozitive bazate pe măsurări optice (devierea unui fascicul laser), pentru testarea planeităţii. • Plachetele semiconductoare sunt în continuare supuse la o serie de operaţii dintre care se pot sintetiza: impurificarea controlată şi selectivă în mai multe etape, depuneri de straturi, realizarea conexiunilor la pini, încapsularea, testarea.