De sablo ĝis ĉipo

1. DE SABLO ĜIS UNUKRISTALO

Purigo de silicio

Forigi kemiajn malpuraĵojn el materialoj en ida stato estas komplike kaj fareble nur iagrade. Pro tio la silicion oni transformas en pli facile purigeblan likvaĵon. La halogenaj kombinaĵoj de metaloj kutime proksimume ĉe ĉambro-temperaturo jam estas likvaĵoj, kaj ilia bol-punkto diferencas depende de la metalo. La klorido de silicio estas facile distilebla; pro tio el la kruda silicio oni faras silicio-tetrakloridon. Dume ankaŭ la malpurigaj materialoj kreas klorid-kombinaĵojn (BCl3, PCl3, AsCl3), kiuj per distilado jam facile apartigeblas. Se oni varmigas SiCl4 en la ĉeesto de hidrogeno, ĝi disfalas, kaj sur la varmigata fadeno elformiĝas firma silicio kaj klor-acido. Tiamaniere oni ricevas firman multakristalan silicion.

La konduktivo de purega silicio estas tre malgranda, tiamaniere ĝi ne konvenas por apliko; oni devas adicii ion al ĝi (konforme al la posta apliko), per kiu oni povas ĝustigi la rezistancon kaj la tipon de la konduktivo. La adiciaĵo estas boro (B), se oni volas ricevi la kristalon p, kaj fosforo aŭ arseno (P aŭ As), se oni celas krei duonkonduktanton n. La adiciaĵon oni povas plej facile enigi en puregan silicion en ties likva formo.

Unukristalo estas materialo, kiu havas unuecan kristalkradon el ajna vidpunkto, kaj en la regula kristalkrado ne havas gravan difekton aŭ deformiĝon. La kristaligo estas malfacila operacio, precipe se temas pri ampleksa, grand-diametra kristalo. Nuntempe oni produktas kristalojn kun diametro 76...160 mm. La kristaligon oni faras el likvaĵo, do oni devas komence likvigi la silicion; tiucele oni bezonas 1414·C temperaturon. La silicion oni likvigas en grafita ujo, kaj dum tiu etapo oni aldonas la adiciaĵon por atingi la bezonatan rezistancon. En la likvaĵon enigante malgrandan lanĉ-kristalon kaj ĝin malrapide eltirante, oni ricevas unukristalon kun longo 50...60 cm kaj diametro 75...150 mm. La ĉefajn etapojn de la kristal-kreado oni povas vidi sur fig 1.

La dimensioj de duonkonduktaj elementoj estas ege malgrandaj, do en unu grandan kristalon oni povas enmeti amason el ili. Precipe malgranda estas la profundo de duonkonduktaj rimedoj: ĉe la kutimaj integritaj cirkvitoj ĝi estas malpli ol 10...15 mikrometroj. La longan kristalon do estas laŭcele distranĉi en mallarĝajn segmentojn kaj sur ili fari la integritajn cirkvitojn.

Silicio estas malmola materialo, sed per specifa, diamanta segilo ĝi tranĉeblas. El la unukristalo oni tranĉas mallarĝajn segmentojn (kun larĝeco ĉ. 0,35 mm). La segil-aparatoj estas grandaj, des pli grandaj, ju pli granda estas la diametro de la siliciaj segmentoj. Per unu aparato oni faras samtempe 40...50 segmentojn. Oni povas facile kalkuli, kian lamenon tio rezultigas. La laboro estas malrapida, eble tio estas la plej malproduktiva en la tuta procezo. Ĝian simpligitan priskribon oni vidas sur fig. 2.

La integritajn cirkvitojn oni produktas per diversaj teknologioj, kies celo estas elformi unu apud la alia kaj unu sub la alia diverstipajn terenojn kun diversa konduktivo; memkompreneble sen la ruinado de la unukristala krado. Tiuj metodoj celas enigi diversajn adiciaĵojn en diversajn lokojn de la silicia segmento. En tiu ĉi ĉapitro estas priskribitaj tiuj ĉi metodoj.

La unuan etapon de la teknologia procezo de produktado de ebena transistoro (ĝis kreado de n-p fazo) oni povas sekvi laŭ fig. 4. Ia baza materialo estas n-tipa unukristala silicia segmento, kies unu flanko estas polurita ĝis optika delikateco. Sur tiu flanko oni faras la transistoron.

Diversaj adiciaĵoj en diversaj materialoj difuziĝas per diversa rapideco, ekzemple en silicia dioksido (SiO2 aŭ kvarcovitro) la difuziĝo de boro kaj fosforo estas tre malrapida, multe malpli rapida ol en silicia kristalo. Kvarcovitron oni povas facile krei sur la surfaco de silicia segmento, simple varmigante ĝin ĝis 1000...1200·C en ĉeesto de oksigeno. La larĝo de la kreiĝinta kvarcovitra tavolo dependas de la temperaturo kaj de la daŭro de la procezo. Oni elektas tian larĝon por la kvarcovitro-tavolo, ke dum tempodaŭro bezonata por la adiciado, la adiciaĵo ankoraŭ ne penetru la vitron; tiamaniere oni sukcesas defendi ĝin de la difuzo. Se la surfacon ne ĉie kovras kvarcovitro, tiam tra la libera parto okazas difuziĝo, tra aliaj partoj ne. Se la koncentriĝo de endifuzita adiciaĵo estas pli granda ol la adiciaj-koneentriĝo de la baza kristalo, tiam la konduktad-tipo de la duonkondukta parto inversiĝas. En la ekzemplo ni elformis en la originale n-tipa kristalo p-tipan "insulon". Memkompreneble, la "ilustro" de la kvarcovitro-tavolo estas aparte komplika operacio. La kvarcovitra-tavolo kreskas homogene, el ĝi oni elformas 1a ilustraĵon per kemia erodado.

Multloke oni uzas jenan teknikon: per lumsensiva lako oni defendas terenojn kontraŭ kemia erodo, ekzemple en tipografio kaj produktado de presitaj cirkvitoj. La procezo, aplikata en la produktado de integritaj cirkvitoj estas simila, sed la dimensioj estas ege malgrandaj, ili jam atingas 1 mikrometron.

La lumsensiva lako devas kontraŭstari al erodo de kvarcovitro, kaj ĝi devas esti bone dispersebla. La disperseblo montras, kia estas la dimensio de la plej malgranda ilustraĵo, elformebla helpe de konkreta lako. La kvalito de la lakoj estas tiel bona, ke la dimension de la plej malgranda ilustraĵo nun jam difinas la ondolongo de lumo, aplikata ĉe lumigado. La evoluo iras en la direkto de pli kaj pli malgrandaj dimensioj, kaj oni eksperimentas por anstataŭigi la lumon per iks-radioj kaj elektron-radioj, kies ondolongo estas malpli granda. Tiuj ĉi teknikoj ebligas realigi dimensiojn de 0,2- I,0 mikrometroj, tamen ankoraŭ nur sur laboratoria nivelo.

La lumigon de lumsensivaj lakoj, surfacigitaj sur la silicia segmento, oni faras per maskoj. La maskoj enhavas la desegnaĵon de la cirkvito (vidu fig. 5 ).Ili portas la imagine de la projektisto en formo de nigra-blanka bildo pri la konsisto de la cirkvito. Por ĝia projektado oni jam larĝskale uzas komputilajn projekto-sistemojn.

En la integritaj cirkvitoj la diverskarakteraj duonkonduktaj terenoj povas situi ne nur unu apud la alia, sed ankaŭ unu sub la alia. Pro tio la maskadon oni devas kelkfoje fari per diversaj maskoj, tiamaniere, ke la nova ilustraĵo konformu al la antaŭa. La precizeco de la konformeco influas la definitivajn dimensiojn de la cirkvito; hodiaŭ oni povas postuli ĉ. 1,5...2-mikrometran precizecon. Post la konformigo oni lumigas la segmenton tra la masko. Krom la priskribita metodo oni aplikas ankaŭ metodon de projekciado, kiam la maskon oni projekcias tra speciala lenso al la surfaco de la lumsensiva lako. Post la lumigo - simile al fotografia filmo - oni aperigas la lumsensivan lakon. Tiun etapon sekvas la erodado de la kvarcovitro. La malfermon de tiel nomataj difuzaj fenestroj kaj la difuzon montras fig. 4.

Multfoje ripetante la operaciojn de maskado kaj difuzo, oni povas elformi en la silicia kristalo unu apud la alia kaj unu sub la alia terenojn kun diversaj kondukto-tipoj kaj diversa rezistanco. E1 ili konsistas la diodoj, transistoroj kaj rezistiloj. Necesas rimarki, ke la adiciado ne povas esti ia ajn, ĉar ekzemple, se iun terenon oni kun granda koncentriĝo elformas kiel n-tipa, ĝin ne plu eblas transformi al tipo p; samtempe, se la koncentriĝo estis malgranda, ĝi ankoraŭ per adiciado transformeblas, kiel ekzemple tio okazas en la elformado de bazo-emisia Gereno de transistoroj (vidu fig. 4).

Dum la produktado de transistoroj kaj inegritaj cirkvitoj oni devas tre precize ĝustigi e la kvanton de la adiciaĵoj. Tio per difuzo ne eblas. En tiuj kazoj oni uzas pli novan, pli precizan procezon baziĝantan sur atomfiziko, la tiel nomatan ionplantadon. Dum tiu procezo oni akcelas la ionojn de la adiciaĵatomoj per akcel-tensio de 20...300 keV, kaj oni alpuŝas ilin al la surfaco de la silicia kristal-segmento. La profundon de la enigo difinas la energio de ionoj. La nombron de a enkonstruiĝintaj ionoj oni povas precize mezuri, tiamaniere oni povas tre precize ĝustigi la konduktivon de la adiciita tereno.

En duonkondukto-tekniko tre ofte oni bezonas strukturon, kie super la forte adiciita no estas malpli forta, sed ilia konduktotipo estas la sama. Tiuj versioj ne realigeblas helpe de difuzo aŭ ionplantado.

Sed rememoru la silicio-produktadon! Tie el o (SiCl4) oni formis helpe de varmigita fadeno silicion. Oni simile al tio nun varmila silician segmenton al alta temperaturo, por ke la unukristalo restu daŭre en keskigita formo same unukristalo, kaj el SiClg rapide eliru solida silicio, daŭriganta la kreadon de la baza kristalo. La adiciado oka. samtempe, aldonante al gasforma silicio boron kaj fosforon. Helpe de tiu tiel nomata epitaksia tavol-kreskigo oni povas produkti 10...50 mikrometrojn larĝan tavolon. Finfine tio estas specifa kazo de tavol-kreskigo, kiam la lanĉ-kristalo estas ege granda kompare kun la kreskigita.

La terenoj kun diversa adiciado jam enhavas la elementojn de integritaj cirkvitoj - la transistorojn, diodojn kaj rezistilojn. Sed oni devas ilin ankoraŭ konekti, por ke ili kondutu kiel unueca cirkvito.

La kvarcovitro, kiun oni ĝis nun uzis por protekti la surfacon, estas bonega izolilo. Do se oni kovras la tutan surfacon de la kristal-segmento per kvarcovitro, tiam oni povas kovri ĝin per metal-tavolo, el kiu poste eblas formi ajnan skemon por kunligi la unuopajn terenojn. Sed la kvarcovitra tavolo kovras ankaŭ la kunligendajn terenojn! Se ni faras maskon, sur kiu malgranda truo - tiel nomata kontaktfenestro - estas super la unuopaj terenoj, tiam per tiu masko kaj per la jam priskribita fotolako oni erodas la kvarcovitro-tavolon, kaj oni povas krei kontakton al ajna tereno en la duonkondukta bloko. Post tio oni kovras ĝin per metalo.

Oni surportas la metatan tavolon sur la surfacon de la silicia segmento per vaporigo de metaloj, plej ofte per tiu de aluminio. En granda vakuo kun tipa premo de 10...1000 Pa la varmigita metal-aluminio vaporiĝas kaj kondensiĝas sur malvarmaj surfacoj, tiel ankaŭ sur la surfaco de la silicia segmento, kaj ĝi formas tie tavolon kun diversa larĝo, depende de la cirkonstancoj de la vaporigo. Tipe uzata aluminia tavol-larĝo estas 1...1,5 mikrometroj.

La survaporigita tavolo kunligas ĉiujn terenojn. La necesajn kunligojn oni elformas helpe de erodado.

Denove oni faras maskon, kaj helpe de fotolak-tekniko oni elformas kontakt-liniojn el la metal-tavolo. Ekzistas integritaj cirkvitoj, la tiel nomataj pordeg-retaj cirkvitoj, kiuj ĝis la elformiĝo de kontaktoj produktiĝas sammaniere, sed per ŝanĝo de la metaliza masko oni povas krei diversajn cirkvitojn. Ĉe la pordeg-retoj ene de unu integrita cirkvito oni instalas kelkcent pordeg-cirkvitojn. Per ilia konvena kunligo oni povas fari multajn diversajn cirkvitojn.

Nur parto de la integritaj cirkvitoj, trovitaj sur unu segmento, estas bona. La proporcio de bonaj elementoj dependas de la malsimpleco de la cirkvito kaj memkompreneble unuavice de la produktad-nivelo. Nun en la produktado la proporcio de bonaj elementoj estas inter 20 kaj 80 procentoj. En eksperimenta stadio, dum evoluigo de novaj cirkvitoj, oni ĝojas eĉ se 5. . .10 procentoj de la elementoj estas bonaj. Estus malŝparo enujigi kaj testi ĉiujn elementojn, kaj poste forĵeti la malbonajn. Pro tio oni faras elirojn per provizoraj nadlo-kontaktoj por la cirkvitoj ankoraŭ en iliaj sursegmentaj formoj; tiel oni mezuras ilin kaj per inko signas la malbonajn.

Poste oni dispartigas la segmentojn al etaj platoj: ĉiu el ili enhavas unu cirkviton. La cirkvitojn signitajn per inko oni forĵetas (fig. 6).

La bonajn cirkvitojn oni muntas sur stativojn. Tiamaniere ili fariĝos pli grandaj, sed manipuleblaj. A1 stativo apartenas piedoj, tiuj metal-strioj, kies unu finaĵo estas kunligita kun la integrita cirkvito, kaj la alia luteblas per tradicia elektronika metodo.

La integritan cirkviton kun la metal-strio kunligas mallarĝa ora aŭ aluminia fadeno kun diametro 25 mikrometroj. La kunligon faras mikromanipulaj faden-kunligaj maŝinoj. La ora fadeno kunligiĝas ĉe temperaturo 400C, sub granda premo. La aluminian fadenon oni kunligas kun la cirkvito ĉe kutima ĉambro-temperaturo per ultrasono.

Oni devas protekti la duonkonduktan platon kaj la surmetitajn faden-kontaktojn kontraŭ mekanikaj difektoj, klimataj efikoj kaj malsekaĵo. Tiun protektan funkcion plenumas la ujo (fig. 7). En la ĉiutaga vivo ni vidas nur la ujon de la integrita cirkvito. Oni produktas ĝin diversmaniere, depende de la estontaj funkciad-cirkonstancoj de la mikroĉipo.

La plej simpla kaj plej malmultekosta estas la plasta ujo. Ĝi estas bone uzeblaj en la temperatur-intervalo de -25... +85·C, ĉe 50% humido kaj ĉe ne tro rapidaj temperatur-ŝanĝoj. Ceramikaj ujoj kostas multege pli, sed ili protektas pli bone.

La ekstera aspekto de la ujo estas diversa, sed ĝenerale oni uzas la tiel nomatan DIL-ujon, kun 6...48 piedoj. La distanco inter du piedoj estas 2,45 mm. Ekzemple, la ujo de la mondfama mikroprocezilo Z80 havas 40 piedojn; tiel ĝi estas 53 mm longa kaj 13 mm larĝa. Samtempe la dimensioj de la ena silicia plato estas nur 5x6 mm2. Videblas kiel pligrandigis ĝin la certigo de kontaktoj kun la ekstera mondo, la enmanigebligo! La tendenco de pli kaj pli altnivela kompleksigo ekzistas interalie pro tio, ke oni povu malplialtigi la nombron de ujoj.

Grandsignifa fakto estas, ke el silicio eblas produkti tre fidindajn ilojn. La komplekseco de la integritaj cirkvitoj kreskas ankaŭ pro tio, ĉar la alta fidindeco validas nur por la enujigita silicia plato kaj tute ne por la ujo mem. Sekve, la fidindeco de la ilo treege kreskas rezulte de malpliigo de la nombro de ujoj.

Kiril GEORGIEV

---

Fonto: Revuo Fokuso, n-ro 1987/1 p. 7.

STEB: http://www.eventoj.hu