BIPOLÁRNÍ TECHNOLOGIE

Prezentace na téma: "BIPOLÁRNÍ TECHNOLOGIE"— Transkript prezentace:

1 BIPOLÁRNÍ TECHNOLOGIE
Princip a výroba bipolárních integrovaných obvodů verze 2.2 Cz

2 VPS Prezentace byla připravena pro potřeby firmy ON Semiconductor s cílem přiblížit princip výroby bipolárních integrovaných obvodů zejména těm, kteří se s touto problematikou dosud nesetkali. VPS s.r.o. děkuje firmám TESLA SEZAM, a.s., TEROSIL, a.s. a SCG Czech Design Center s.r.o. se sídlem v Rožnově pod Radhoštěm za laskavou pomoc při sestavení této prezentace a za umožnění natočení videoklipů ve výrobních prostorech. Ve snaze o neustálé zdokonalování našich produktů vám předem děkujeme za všechny připomínky, které nám pomůžou při přípravě dalších verzí. Piešťany, VPS s.r.o., P.O. Box B-11, Partizánska 31, Piešťany 1, Slovensko tel., fax.: ,

3 Ovládání prezentace  VIDEO 320 x 240  Ovládání pomocí myši Video
Kliknutí levého tlačítka myši, pokud kurzor myši není na některém ovládacím tlačítku anebo na videu, posune prezentaci o jeden krok vpřed. Pokud je na snímku video, je v modrém rámečku, jako vpravo dole na tomto snímku. Umístěním kurzoru myši na plochu videa se tvar kurzoru změní na . Stlačení levého tlačítka myši pak spustí video. Kliknutím levého tlačítka na běžící video se video zastaví.  Ovládání z klávesnice Stejnou funkci jako levé tlačítko myši má klávesa N (nezávisle na poloze kurzoru). Opačnou funkci, tedy návrat o jeden krok zpět, má klávesa P. Prezentace se ukončí klávesou Esc. VIDEO 320 x 240 Ovládací tlačítka na snímku Umístěním kurzoru myši na tlačítko se tvar kurzoru změní na . Stlačení levého tlačítka myši pak aktivuje jeho funkci .  přechod na snímek Obsah návrat na poslední zobrazený snímek Jestliže při čtení textu nepostřehnete animovaný děj, stiskněte klávesu P (Předcházející) a pak spusťte animaci klávesou N (Následující). přechod na snímek s příslušnými informacemi následující snímek konec prezentace

4 Obsah Kliknutím na tento rámeček přejdete na snímek s pokyny k ovládání prezentace Úvod Funkce stabilizátoru Kde se ještě používá? Co je uvnitř integrovaného obvodu? Polovodič Křemík - struktura Křemík - uvnitř monokrystalu Křemík - typ vodivosti Křemík - PN přechod - bipolární technologie Funkce diody Funkce tranzistoru (NPN) Křemíková deska Proč je „integrovaný “? Povrch čipu Je využita celá tloušťka čipu? Co se nachází pod povrchem? Řez strukturou Jak to vznikne? Utopená vrstva Kolektor Vstřícná izolace a báze Emitor Kontakty a metalizace Pasivace Konečná úprava desky Testování Pouzdření Termická oxidace Oxidační (difúzní) pec Oxidační pec - plynový systém Difúze Difúzní pec - plynový systém Fotolitografie a leptání Plazmatické leptání Iontová implantace Iontový implantátor Epitaxe Epitaxní reaktor Naprašování Kontaminace Úlomek křemíku Čisté prostory Polovodičová hygiena a manipulace s deskami Kontrola procesu Materiály v polovodičové technologii Reverzní osmóza Difúze - princip Měření průtoku plynů Anizotropní a izotropní leptání Názvy vrstev Některé fyzikální jednotky

5 Úvod TESLA SEZAM, a.s. Rožnov pod Radhoštěm, Česká republika, je významným evropským výrobcem polovodičových součástek. V čistých prostorech se tu vyrábí čipy integrovaných obvodů, například stabilizátory napětí, operační zesilovače a různé řídící obvody. Jedním z typických výrobků je stabilizátor napětí MC7812 v pouzdru TO220 na němž je prezentována bipolární technologie.

6 MC 7812 Funkce stabilizátoru NESTABILNÍ ! STABILNÍ !
Na grafu je znázorněn průběh nestabilního napájecího napětí - žárovka bliká. S takovým napájením by mnohá elektronická zařízení nemohla spolehlivě pracovat. Na obrázku vlevo dole je dobře známy variant stabilizovaného zdroje. Aby bylo napájení stabilní (aby žárovka neblikala), napájecí zdroj musí být vybaven stabilizátorem napětí, např. integrovaným obvodem MC7812 pro napětí 12V. NESTABILNÍ ! STABILNÍ ! MC 7812

7 Napájení stabilním napětím
Kde se ještě používá? Zde je základní deska počítače s mikroprocesorem. Mikroprocesor ale i jiné součástky potřebují ke své činnosti stabilní napájecí napětí. Všude tam, kde je zapotřebí stabilní napětí. Na obrázku je každému dobře známý osobní počítač. Uvnitř je několik karet s množstvím součástek. Stabilizátory se nacházejí nejen v centrálním napájecím zdroji, ale podle potřeby také na různých místech jednotlivých karet. Napájení stabilním napětím

8 Co je uvnitř integrovaného obvodu?
Když odstraníme černou hmotu z pouzdra, vidíme, že přívody směrují k malému kousku křemíku, ve kterém probíhá celá činnost stabilizátoru. Základním materiálem čipu je polovodič - křemík. Tento malý kousek nazýváme čip (z anglického slova chip - úlomek). Po zvětšení na něm vidíme jeho strukturu. 1,9 mm 1,4 mm

9 Polovodič Nevodivé materiály - izolační - například sklo, porcelán, guma, plastické hmoty, dřevo atd.. Jejich „nevodivost“ může být jen nepatrně ovlivněna. Vodivé materiály - vodiče - zejména kovy, ale také grafit a jiné. Jejich vodivost může být částečně ovlivněna hlavně teplotou. A konečně polovodiče, které mají vodivost někde mezi izolačními materiály a kovy a lze ji výrazně ovlivnit v širokém rozsahu. Známé polovodiče jsou germanium, křemík a galium arzenid. Nejvíce používaný je křemík. Z hlediska vodivosti elektrického proudu lze materiály rozdělit následovně: Vodivost polovodičů lze ovlivnit teplotou, elektrickým polem a zejména nepatrným množstvím příměsí jiných látek. Tyto příměsi se nazývají dopanty a jsou to chemické prvky bór, fosfor, arzén a antimon. Elektricky nevodivé materiály - izolační - sklo porcelán plasty . Elektricky vodivé materiály, zejména kovy - vodiče - stříbro měď zlato . hliník železo grafit Polovodiče Vlivem teploty, elektrického pole anebo příměsí jiných látek se mohou chovat jednou jako izolační materiály a podruhé jako vodiče. křemík germanium gáliumarzenid

10 14Si 28,0885 Křemík Křemík - struktura a = 0,543 nm 2,33 g/cm3
Každý atom křemíku má čtyři sousedy se kterými tvoří vazbu. Nutno dodat, že vhodné vlastnosti pro polovodičové součástky má křemík pouze tehdy, když jsou atomy v celém objemu čipu uspořádány přísně podle této krystalové mřížky. Takovému uspořádání říkáme monokrystal. Na následujícím obrázku je znázorněn výhled fiktivního pozorovatele uvnitř monokrystalu křemíku. Když se posune kopie takovéto struktury o 1/4 tělesné úhlopříčky, původní i posunuté atomy tvoří diamantový typ struktury, což je také struktura křemíku. Základním materiálem na výrobu čipu stabilizátoru je křemík. Křemík je prvek ze čtvrté skupiny periodické soustavy prvků. Základem krystalografické struktury křemíku je plošně centrovaná kubická struktura - krychle s atomy ve vrcholech a ve středech stěn. a = 0,543 nm 28,0885 14Si 2,33 g/cm3 Křemík

11 Křemík - uvnitř monokrystalu

12 N P P+ , N+ 15P 5B 33As (4,5 . 1013 cm-3) (1018 až 1021 cm-3)
Křemík - typ vodivosti Pro dopování křemíku stačí nepatrné množství dopantu. Tak například jeden gram fosforu (na fotografii na misce váhy) stačí, aby se z 1000 tun křemíku (což je plný vlak) stal křemík s typem vodivosti N. Tak nepatrné množství se špatně vyjadřuje v gramech, proto se v polovodičové technologii jako jednotka koncentrace dopantu používá počet atomů dopantu v jednom krychlovém centimetru křemíku. Koncentrace 1 g fosforu na 1000 t křemíku je pak atomů fosforu v jednom krychlovém centimetru křemíku. V technologii se obvykle odlišuje málo dopovaný křemík - jednotky gramů až kilogramů dopantu na 1000 tun křemíku a silně dopovaný křemík - desítky až stovky kilogramů dopantu na 1000 tun křemíku. Takový silně dopovaný křemík se označuje jako křemík s vodivostí typu P+ anebo N+. Na obrázcích budeme znázorňovat křemík s vodivostí typu P modrými odstíny a křemík s vodivostí typu N červenými odstíny. Sytější barva pak bude znamenat vyšší koncentraci dopantu. Z fyzikálního hlediska, příměs bóru vyvolá v křemíku jiný mechanizmus přenosu elektrického proudu, jako příměs fosforu a arzénu. Křemík dopovaný bórem označujeme jako křemík s typem vodivosti P a křemík dopovaný fosforem, nebo arzénem jako křemík s typem vodivosti N. Příměsí některých prvků - dopantů - lze výrazně ovlivnit elektrickou vodivost křemíku. Používá se zejména bór, fosfor a arzén. 1 gram fosforu v 1000 tunách křemíku = atomů fosforu v krychlovém centimetru křemíku (4, cm-3) Typ vodivosti P (Pozitivní) Typ vodivosti N (Negativní) 30,97376 15P Fosfor 10,81 5B Bór Vysoká koncentrace dopantu desítky až stovky kg / 1000 tun (1018 až 1021 cm-3) P+ , N+ 74,9216 33As Arzén

13 Křemík - PN přechod - bipolární technologie
Nejznámější bipolární součástky jsou dioda se dvěmi vrstvami a bipolární tranzistor se třemi vrstvami polovodiče. Podle uspořádání vrstev polovodiče rozlišujeme tranzistory PNP a NPN. Rozhraní vrstev typu P a N má vyjímečné fyzikální vlastnosti a říkáme mu PN přechod. Součástky založené na PN přechodu jsou bipolární a technologie jejich výroby je bipolární technologie. P Tranzistor PNP PN přechod N P N P P Dioda Tranzistor NPN N N Anoda Katoda Emitor Kolektor Báze P N

14 Funkce diody - + IA = 2 A IA = 0 A Katoda Anoda P N
Dioda je jednoduchý PN přechod. Na obrázku je dioda zapojena do obvodu se žárovkou a akumulátorem. Když je vrstva P - anoda - připojena přes žárovku k zápornému pólu akumulátoru, diodou neprochází elektrický proud. Žárovka nesvítí. Teď je k zápornému pólu akumulátoru připojena katoda diody a anoda přes žárovku ke kladnému. Dioda vede elektrický proud, žárovka svítí. Dioda vede proud pouze v případe, že kladný pól zdroje je připojen k vrstvě typu P tedy k anodě. IA = 2 A IA = 0 A Katoda Anoda P N + - Klávesnice N Klávesnice P

15 Funkce tranzistoru (NPN)
Zatím do báze neteče žádný proud. Také v kolektorovém obvodu je proud nulový. Žárovka nesvítí. Když přirovnáme tranzistor k vodovodnímu kohoutku, pak tento stav představuje zavřený ventil. Na obrázku je tranzistor zapojen do obvodu s akumulátorem a žárovkou. Žárovka je připojena ke kolektoru - je v kolektorovém obvodu. V obvodu báze je zapojený odpor. Přesuňme objímku na odporu. Odpor se zmenší a bázový proud stoupne na 20 mA. Odezva v obvodu kolektoru způsobí že žárovka plně svítí. Podobně, jako když je ventil vodovodu otevřen. Tranzistorem tedy můžeme pomocí malých změn bázového proudu řídit velké změny kolektorového proudu. Diody a tranzistory mohou být různého provedení. Od velkých na řízení motorů lokomotiv až po ty, které najdeme na čipu stabilizátoru MC7812. Tranzistor v principu tvoří tři vrstvy polovodiče. Mezi dvěma vrstvami křemíku typu N je tenká vrstva (1-3 µm) typu P. V tomto případě se vrstvy typu N nazývají emitor a kolektor a vrstva typu P báze. Takto uspořádaný tranzistor je typu NPN. Teď do obvodu báze připojíme knoflíkový hodinkový článek. Do báze teče proud 10 mA. Fyzikální procesy ve vrstvách polovodiče způsobí že začne téct proud také v obvodu kolektoru, ale mnohem větší. V porovnání s vodovodem to znamená ze ventil je pootevřen. IK = 2 A IK = 1 A IK = 0 A R = 40 W R = 80 W Kolektor N Báze P Emitor IB = 10 mA IB = 20 mA IB = 0 mA + - Tloušťka báze cca 1-3 µm Klávesnice P N Klávesnice N Klávesnice P

16 P <100> <100> <111> Křemíková deska VIDEO 320 x 240
Pomocná faseta P <100> <100> Hlavní faseta Průměr: 100 mm, tloušťka: 525 µm <111> Desky se vyrábí řezáním z monokrystalického křemíkového válce, který se vyrábí ve speciálních zařízeních z roztaveného křemíku. Křemík taje při 1415°C a pro porovnání železo při 1535°C, hliník při 660 °C. Na videu jsou záběry z výroby křemíkových desek. Proto se vyrábí mnoho čipů najednou na jedné křemíkové desce a nakonec se deska rozřeže na jednotlivé čipy. Čip integrovaného obvodu je malý, má plochu jen několik čtverečních milimetrů. Vyrábět každý čip samostatně by bylo komplikované ne-li nemožné. Křemíková deska je kruhového tvaru. Používají se průměry 100, 125, 150 mm i více. Deska průměru 100 mm má tloušťku 525 µm. Již materiál desky bývá dopován a je tedy typu P anebo N. Z hlediska elektrických vlastností je důležitá orientace krystalografické struktury vzhledem k povrchu křemíkové desky. V praxi jsou významné orientace podle obrázků a označují se <111> a <100>. Typ vodivosti (P anebo N) a krystalografická orientace křemíkové jsou zakódovány ve vzájemné poloze hlavní a pomocné fasety. Funkční strana křemíkové desky je leštěná.

17 Proč je „integrovaný “? Všechny součástky stabilizátoru jsou sdruženy - integrovány - na jednom čipu. Proto takto provedenému „zařízení“ říkáme INTEGROVANÝ OBVOD. Stabilizátor napětí je elektronický obvod, jehož schéma je v pozadí obrázku. Na čipu lze identifikovat jednotlivé přívody a také různé součástky - tranzistor, odpor, kondenzátor.

18 Q8 Povrch čipu Emitor Kolektor Kde je tato struktura? 80 µm N P 145 µm
Na mikrofotografii lze podle schématu identifikovat kolektor emitor a bázi. Tranzistor Q8 zabírá na čipu plochu 145 x 80 µm. Detaily struktury čipu nelze vidět volním okem. Musí se použít mikroskop se zvětšením alespoň 10-krát. Při pohledu na povrch čipu vidět jenom jakési spletité uličky. Celé tajemství funkce obvodu je skryto ve struktuře. Podle schématu by tam mělo být mnoho různých součástek, zejména tranzistorů. Vyberme tedy tranzistor Q8 a prozkoumejme jeho strukturu. Podle naší představy je tranzistor složen ze tří vrstev křemíku a těžko můžeme takovou strukturu na fotografii najít. Bude nutno prozkoumat prostor pod povrchem čipu. Kolektor Emitor Báze 80 µm Q8 Kolektor Báze Emitor N P Kde je tato struktura? 145 µm

19 Je využita celá tloušťka čipu?
vertikální : horizontální 1 : 1 Vrstva ve které jsou všechny prvky IO sahá pouze 20 µm pod povrch. Navíc mnohé detaily jsou v horních pěti mikrometrech. Pro tento nepoměr rozměrů v horizontálním (145 x 80 µm) a vertikálním směru (5 až 20 µm) se řezy strukturou zobrazují tak, že vertikální rozměry jsou proti horizontálním 5 krát zvětšeny. Tranzistor Q8 zabírá na čipu plochu 145 x 80 µm. Tloušťka vyrobeného čipu je 340 µm. (Připomeňme si, že tloušťka zpracovávané křemíkové desky je 525 µm. Ta se upravuje broušením na konci technologického procesu.) 20 µm 340 µm vertikální : horizontální 5 : 1 80 µm 145 µm

20 Co se nachází pod povrchem?
Tranzistor NPN je tvořen třemi vrstvami - kolektor typu N, báze typu P a emitor znova typu N. Zde je kolektor tvořen křemíkem vrstvy N ohraničený ze stran izolací a zespodu utopenou vrstvou. Utopená vrstva brání vzájemnému ovlivňování tranzistorů "prosakováním" elektrického proudu pod izolaci. Těsně pod povrchem je oblast typu P. Tvoří bázi tranzistoru. Poslední vrstva tranzistoru je emitor. Na tomto obrázku je struktura zobrazena ve stejném měřítku v horizontálním i vertikálním směru a znázorňuje skutečné proporce tranzistoru Q8. Aby mohl tranzistor spolupracovat s jinými součástkami na čipu, jsou na povrchu kovová propojení. Na rozhraní mezi křemíkem N a P je poměrně tlustá oblast typu N+ tvořící dno buňky. Protože je ve hloubce, jmenuje se utopená vrstva. Pro zlepšení vlastností kolektoru je povrch čipu propojen sloupcem typu N+ s utopenou vrstvou. Integrovaný obvod se skládá z mnoha součástek. Aby se tyto součástky neovlivňovaly nežádoucím způsobem, musí být na čipu vytvořeny vzájemně oddělené oblasti, jakési buňky. Podívejme se na buňku našeho tranzistoru Q8. Struktura tranzistoru se nachází ve vrstvě z křemíku typu N (červená vrstva) na podložce z křemíku typu P (modrá vrstva). V této vrstvě jsou stěny typu P+ rozdělující čip na „buňky“ pro jednotlivé součástky integrovaného obvodu. Tyto stěny se nazývají izolace. Abychom mohli strukturu lépe sledovat použijeme větší zvětšení a vrstvy křemíku zprůhledníme. Teď vidíme dovnitř buňky ve které je celá struktura tranzistoru. Vidíme, že izolace sahá až do křemíku typu P. Emitor N P Báze N Kolektor N Podložka typu P Vrstva typu N Kolektor Báze P Emitor

21 Řez strukturou Emitor Kolektor Pasivace Emitor Báze Polní oxid
Modré odstíny představují křemík s vodivostí typu P a červené odstíny křemík s vodivostí typu N. Ve skutečnosti lze řezy struktury provedené výbrusem podobně zviditelnit, i když ne tak barevně. Vpravo je mikrofotografie řezu struktury zviditelněného leptáním. Struktura tranzistoru, jak byla popsána, vzniká složitým způsobem, v desítkách technologických kroků. Následující animace představuje sled kroků při výrobě. Struktura na výbrusu vpravo je poněkud odlišná od obrázku vlevo na kterém je struktura tranzistoru Q8. Tranzistor Q8 je totiž poměrně malý a je těžké, ne-li nemožné výbrusem se do něj strefit. Výbrus pochází z největšího tranzistoru na čipu. Některé vrstvy jsme již pojmenovali. Zde jsou názvy dalších vrstev. Technologické postupy při výrobě neumožňují vyrobit hranaté tvary jako na obrázku vpravo. Také z funkčního hlediska nejsou hranaté tvary vhodné. Realističtější vzhled řezu je na obrázku vlevo. Ve skutečnosti křemík není průhledný a proto je možné zkoumat vertikální strukturu pouze v řezech. Připomeňme, že svislé měřítko zobrazení je pět krát větší proti vodorovnému. Epitaxní vrstva Izolace Utopená vrstva Substrát Pasivace Polní oxid Emitor Metalizace Báze Kolektor Propojení utopené vrstvy Kolektor Báze Emitor N P

22 Na následujících snímcích je technologický postup vysvětlen.
Jak to vznikne? Jak to tedy vzniklo? Zde za několik sekund. Ve skutečnosti trvá vyrobení struktury několik stovek hodin a skutečná struktura je ještě o něco složitější. Na následujících snímcích je technologický postup vysvětlen. Klávesnice P Klávesnice N

23 Utopená vrstva Základním materiálem je křemíková deska s vodivosti typu P a orientaci <100>. Zde bude vytvořena utopená vrstva, první část vstřícné izolace a epitaxní vrstva. Epitaxní vrstva První část vstřícné izolace Utopená vrstva Epitaxe Oxidace Názvy vrstev Fotolitografie a leptání Iontová implantace Difúze Epitaxe Sleptání oxidu Rozdifundování bóru Implantace bóru Fotolitografie a leptání vstřícné izolace Rozdifundování arzénu Implantace arzénu Fotolitografie a leptání utopené vrstvy Oxidace

24 Kolektor Zde bude vytvořeno propojení utopené vrstvy s povrchem čipu. To je zároveň místo pro připojení kolektoru. Toto propojení je potřebné pouze v některých tranzistorech na čipu. Propojení utopené vrstvy a připojení kolektoru Názvy vrstev Oxidace Fotolitografie a leptání Difúze Oxidace a rozdifundování fosforu Sleptání oxidu Difúze fosforu Fotolitografie a leptání kolektoru Oxidace

25 Vstřícná izolace a báze
Zde se vytvoří druhá část vstřícné izolace a oblast báze. Všimněte si, že druhá část vstřícné izolace jde vstříc první části. Proto vstřícná. Druhá část vstřícné izolace Báze Názvy vrstev Fotolitografie a leptání Difúze Iontová implantace Oxidace Oxidace Rozdifundování bóru Implantace bóru Fotolitografie a leptání báze Rozdifundování bóru Vakuová difúze bóru Fotolitografie a leptání vstřícné izolace

26 Emitor Zde se vytvoří emitory tranzistorů. Tato operace se využije zároveň k posilnění kontaktu kolektoru. Mírná odlišnost skutečného řezu nahoře již byla vysvětlena na snímku - Řez strukturou. Difúze pro zlepšení kontaktu kolektoru Emitor Řez strukturou Fotolitografie a leptání Názvy vrstev Difúze Oxidace Difúze fosforu a oxidace Fotolitografie a leptání emitoru

27 Kontakty a metalizace Zde jsou vytvořeny kontakty jednotlivých prvků na čipu a jejich kovová propojení - metalizace. Jsou z hliníku s přísadou křemíku a mědi. Metalizace Názvy vrstev Fotolitografie a leptání Naprašování Fotolitografie a leptání metalizace Naprašování AlCuSi Fotolitografie a leptání kontaktů LPCVD oxid Fotolitografie a leptání kontaktů

28 Pasivace Zde se vytvoří poslední vrstva struktury, jejíž úkolem je chránit čip před vlivy okolí - pasivační vrstva. Vrstva je tvořena nitridem křemíku a vytváří se při teplotě 400°C. V této vrstvě se pak vytvoří otvory pro kontakty k přívodům pouzdra. Pasivační vrstva Fotolitografie a leptání Názvy vrstev Fotolitografie a leptání otvorů pro přívody Plazmatická depozice nitridu

29 Konečná úprava desky VIDEO 320 x 240 20 mm (struktura) 340 mm 525mm
Křemíková deska Čip 20 mm (struktura) 340 mm 525mm Tloušťka křemíkové desky je 525 mikrometrů. Je to potřebné z hlediska mechanické pevnosti při výrobě. Jednoduše proto aby se desky nezlomily. Pro hotový čip je tato tloušťka zbytečná a pro funkci hotového výrobku nevhodná. Během výroby vzniknou na zadní straně křemíkové desky různé nežádoucí vrstvy. Tyto vrstvy se odstraní odbroušením a zároveň se upraví tloušťka na 340 mikrometrů, což je vhodná tloušťka pro čip. Na videu je zaznamenán pracovní cyklus brusky.

30 Testování VIDEO 320 x 240 OK OK REJECT Testovací struktury
Po ukončení technologického procesu se měří elektrické parametry důležitých součástek integrovaného obvodu na testovacích strukturách, které jsou k tomuto účelu vyrobeny na každé křemíkové desce. Testovací struktury se měří pouze na nekolika vybraných deskách. Pokud elektrické parametry testovacích struktur splňují předepsané požadavky, testuje se funkčnost a elektrické parametry každého čipu. Testovací stroj - tester se připojí pomocí kovových hrotů ke každému čipu na křemíkové desce a změří jeho elektrické parametry. Vadný čip označí barevnou tečkou. Na přiloženém videoklipu jsou záběry z pracoviště testování. VIDEO 320 x 240 Testovací struktury REJECT OK OK

31 Pouzdření Na videoklipu jsou záběry z montáže a pouzdření integrovaných obvodů. Pak se měděná podložka s přívody a čipem zalisuje do pouzdřící hmoty tak, jak je znázorněno na obrázku. Ještě jednou se testuje a integrovaný obvod je hotov. Křemíková deska s vyrobenými čipy se rozřeže diamantovou pilou na jednotlivé čipy. Dobré čipy se připájejí anebo přilepí na měděnou podložku s přívody. Přívody se propojí s kontakty na čipu tenkým měděným drátem (0,15mm). VIDEO 320 x 240

32 1000°C SiO2 Si Termická oxidace Kyslík Voda 1000°C 1100°C
300 600 500 1000 Čas [min] Tloušťka [nm] Kyslík Voda 1000°C 1100°C Při vysokých teplotách tedy oxidace pokračuje. Se zvětšující se tloušťkou vrstvy oxidu se kyslík nebo vodní pára dostává k povrchu křemíku stále obtížněji a proces oxidace se zpomaluje. Nativní oxid ale brání přístupu dalších molekul kyslíku a oxidace při pokojové teplotě se zastaví. Při vyšší teplotě (800°C až 1200°C) jsou však molekuly kyslíku schopny projít přes už vzniknutou vrstvu oxidu až k povrchu křemíku (difúze). Pokud je povrch křemíkové desky úplně čistý, již při pokojové teplotě dochází k reakci atomů křemíku na povrchu desky s kyslíkem nebo vodní párou ze vzduchu. Naroste velice tenká vrstva oxidu (1 - 2 nm) - tzv. nativní (přirozený) oxid. Oxid křemíku je v polovodičové technologii důležitým materiálem. Nejenom že je to vynikající materiál (ve formě křemenného skla) na různé konstrukční části zařízení, ale má nezastupitelné místo i na čipu. Zdrojem materiálu oxidu je jednak křemík z desky a jednak kyslík z okolí. Během oxidace tedy křemíku ubývá. Vrstva oxidu je rozložená tak, že 44% tloušťky je pod původním povrchem křemíku a 56% nad ním. Na grafu vpravo je závislost tloušťky vrstvy od času oxidace. Všimněte si rozdíly při teplotách 1000°C a 1100°C a při oxidaci v suchém kyslíku a v kyslíku nasyceném vodní parou. Při oxidaci roste oxid v místě kde je odkrytý křemík rychle a ubírá svých 44% z křemíku. V místech kde již oxid existuje probíhá oxidace pomaleji a z křemíku ubývá méně. Výsledkem je profil nakreslený na dalším obrázku. Na obrázku vpravo dole je profil vytvořený fotolitografickým procesem. Jaký profil vznikne oxidací této struktury? Oxidaci urychluje také přítomnost dopantu (fosforu anebo bóru) v křemíku. Znázorněno na obrázku vpravo dole. Všimněte si jak vypadá profil, který vznikne po oxidaci. Rychlost oxidace závisí na teplotě a druhu oxidující látky. Čím vyšší je teplota, tím probíhá oxidace rychleji. Oxidace ve vodní páře probíhá 3-4x rychleji než v suchém kyslíku, protože vodík urychluje transport kyslíku k povrchu křemíku. Pro použití na čipu se připravuje ve formě tenké vrstvy přímo na povrchu desky termickou oxidací. Vrstva oxidu SiO2 vzniká při vysoké teplotě slučováním atomů O2 s křemíkem, nebo reakcí vodní páry H2O s křemíkem. 1000°C H O O O Si Původní povrch SiO2 O O O 44% 56% Si Si Oxidační pec Difúze - princip

33 Oxidační (difúzní) pec
Křemíkové desky jsou při oxidaci nebo difúzi uloženy v zásobníku (lodička) z křemenného skla anebo karbidu křemíku. Několik lodiček je uloženo na rameni zasouvacího zařízení. V peci může být najednou až několik stovek křemíkových desek. Proces začíná zasunutím desek do pece. Zasouvá se malou rychlostí, aby se desky rychlým zahřáním nedeformovaly. Většinou se křemíkové desky zasouvají do difúzní trubice při nižší teplotě a pracovní teplota se nastaví až po zasunutí desek. Po skončení procesu jsou desky vytaženy z pece. U některých procesů je předtím snížená teplota. Zařízení na oxidační nebo difúzní procesy je oxidační (difúzní) pec. Proces probíhá v trubce z křemenného skla, nebo karbidu křemíku. Na zadní straně trubky je tenká trubice, kterou je pracovní trubka napojena na plynový systém. Plyny vystupující zepředu jsou odváděny do asanačního zařízení. Po stabilizaci teploty se začíná proces. Desky jsou zahřány na pracovní teplotu a plynový systém vytvoří uvnitř trubky vhodné prostředí. Teplota v peci (400 až 1200°C) je po nastavení regulována automaticky s přesností ±1°C. Termická oxidace a difúze vyžadují vysokou teplotu, proto je křemenná trubka umístěna v topném tělese. Aby bylo dosaženo dobré stability teploty po celé délce, je topné těleso rozděleno na tři zóny. Každá zóna má samostatné napájení a regulaci. Teplota je měřena termočlánky (tenké modré přívody). Vstup plynů Asanace odpadních plynů Asanace odpadních plynů Asanace plynů Oxidace Oxidační pec - plynový systém Difúze Difúzní pec - plynový systém

34 Oxidační pec - plynový systém
Oxidace Oxidační pec H2 O2 H2O N2 Měření průtoku plynů N2 O2 Spalovací komora Regulační ventily Průtokoměry Pracovní trubka z křemenného skla Úkolem plynového systému oxidační pece je vytvořit uvnitř křemenné trubky vhodné oxidační prostředí. Je to čistý kyslík, směs kyslíku s dusíkem, anebo kyslík nasycen vodní parou. Průtok plynů je měřen a řízen hmotovými regulátory průtoku. V nákresu jsou pro jednoduchost zobrazeny rotametry. Pro oxidaci ve vlhkém kyslíku je plynový systém vybaven spalovací komorou, ve které hoří na konci trysky vodík v kyslíku. Vodík hoří téměř neviditelným modrým plamenem. Spalováním vodíku vzniká vodní pára, která spolu se zbytkem kyslíku vstupuje do pracovní trubky. Pro oxidaci v kyslíku, nebo směsi kyslíku s dusíkem je plynový systém jednoduchý. Přes regulační ventily a průtokoměry proudí do pracovní trubky jenom čistý kyslík anebo směs kyslíku s dusíkem ve vhodném poměru. Regulační ventily Průtokoměry

35 Difúze Difúze je proces, při němž pronikají atomy dopantu pod povrch křemíkové desky v předem vybraných oblastech. Využívá se při tom fyzikálního jevu - difúze. Podívejme se, jak vypadá difúze fosforu (chemická značka P) do křemíkové desky typu vodivosti P (Positive). Mechanismem difúze se atomy fosforu v křemíku pohybují i když právě nedifundují z okolí. Jestliže budeme strukturu na obrázku vpravo udržovat při vysoké teplotě, budou se oblasti vytvořené difúzí (anebo iontovou implantací) prohlubovat a rozšiřovat. Tomuto procesu se říká "rozdifundování". Podobným způsobem se dělá difůze bóru. Difúzí vznikne struktura znázorněná na obrázku vpravo. V křemíku typu P (modrý) vzniknou ostrůvky typu N (červené) v místech které nebyly chráněny oxidem (zelený).Oxid na povrchu křemíkové desky musí být dostatečně tlustý (kolem 500 nm) aby přes něj atomy fosforu nepronikly. Teplotou při operaci, časem operace a chemickým složením prostředí lze nastavit hloubku nadifundované vrstvy a koncentraci dopantu při povrchu - povrchovou koncentraci. Koncentrace dopantu klesá směrem od povrchu. Průběh koncentrace - koncentrační profil - je další parametr operace. Na křemíkové desce je vytvořena vrstva oxidu s otvory v místech, kde mají být dopované oblasti. Takto připravená deska se vloží do prostředí, v němž jsou atomy fosforu (atomy fosforu mohou být i v sloučeninám, například oxid fosforečný P2O5) při vysoké teplotě kolem 1000°C. Mechanismem difúze pronikají atomy fosforu z okolí do oxidu na povrchu křemíkové desky a v místech, kde jsou v oxidu otvory i do křemíku. Takto vzniknou pod povrchem křemíku oblasti s příměsí atomů fosforu, tedy oblasti typu N. Difúzní pec Difúze - princip P Dopant Iontová implantace P P P 1000°C

36 Difúzní pec - plynový systém
V případe difúze z kapalného zdroje probublává přes kapalinu dusík a strhává sebou páry kapaliny do pracovní trubky. Na obrázku je to POCl3 (oxichlorid fosforečný) pro difúzi fosforu. Do pracovní trubky difúzní pece proudí také kyslík a při vysoké teplotě reaguje s POCl3 a vzniká oxid fosforečný. Další kyslík oxiduje povrch křemíkové desky. Tak vzniká na povrchu desky oxid křemičitý nasycen oxidem fosforečným. Až ten je nakonec zdrojem atomů fosforu pro difúzi do křemíku. Zdrojem fosforu může být také fosfin PH3. Chemické reakce uvnitř pracovní trubky jsou podobné jako s POCl3. Při difúzi z planárních zdrojů se dopant uvolňuje z planárních difúzních zdrojů - keramických destiček nasycených oxidem dopantu uložených mezi křemíkovými deskami. Plynový sytém dodává do pracovní trubky dusík, případně dusík s malým množstvím kyslíku. Při vakuové difúzi je zdrojem dopantu jemný prášek z rozemletých dopovaných křemíkových desek. Prášek na misce je zataven spolu s křemíkovými deskami do ampule z křemenného skla ve které je vakuum 10-3 Pa tj. tlak x nižší než atmosférický. Celá ampule se pak vloží do pracovní trubky difúzní pece. Na přiloženém videoklipu vidět zatavování ampule pro vakuovou difúzi. Úkolem plynového systému difúzní pece je vytvořit uvnitř křemenné trubky prostředí nasycené atomy dopantu anebo jeho sloučeniny. Průtok plynů je řízen regulačními ventily a měřen průtokoměry, anebo elektronickými regulačními průtokoměry. Difúzní pec Měření průtoku plynů Pracovní trubka z křemenného skla N2 O2 PH3 N2 O2 Křemíkové desky Vakuum Zátav Prášek z dopovaného křemíku N2 + páry POCl3 N2 O2 POCl3 Difúze z planárních difúzních zdrojů Vakuová difúze Křemíkové desky čelní stranou směrem k planárnímu zdroji Planární difúzní zdroj VIDEO 320 x 240 Regulační ventily Průtokoměry

37 Fotolitografie a leptání
VIDEO 320 x 240 Zdroj UV světla (výbojka) Fotolitografickámaska Projekční systém Vývojka Oplachovadlo Negativní fotorezist Oxid Ponořením desky do směsi kyseliny sírové a peroxidu vodíku se odstraní fotorezist. Na připojeném videu jsou zachyceny jednotlivé fáze fotolitografického procesu. Fotolitografie a leptání je ta část technologie, která umožňuje tvarování vrstev na povrchu křemíkové desky. Na obrázku vlevo je křemíková deska s vrstvou termického oxidu. Ponořením desky do leptadla (POL) dochází k vyleptání odkrytého oxidu v oknech fotorezistu až po povrch křemíku - mokré leptání. Exponovaný fotorezist je vůči leptadlu odolný. Na desku se nanese lak citlivý na světlo - fotorezist. Během nanášení fotorezistu se rýchlou rotací lakované desky dosáhne jeho rovnoměrné rozvrstvení po celé ploše. Projekčním systémem se na desku promítne obraz celé masky (je to vzor vytvářené struktury) - deska se ozáří ultrafialovým světlem, nebo-li naexponovuje. Osvětlené části fotorezistu polymerizují a stanou se nerozpustné ve vývojce. Vývojkou se z desky odstraní neosvětlený fotorezist a pak se deska opláchne - proces vyvolávání. Ve vrstvě laku se vytvoří detaily. Oxidace Anizotropní a izotropní leptání

38 Plazmatické leptání 100 Pa Jednodeskový systém
Plazmatické leptání nitridu využívá vysoké reaktivity atomů fluoru které vznikají při rozpadu molekul freonu CF4 při velmi vysoké teplotě anebo v elektrickém výboji - takovému stavu plynu se říká plazma. V leptacích zařízeních se získává plazma vysokofrekvenčním elektrickým výbojem v plynu při tlaku kolem 100 Pa (atmosférický tlak je přibližně Pa). Zařízení se skládá z vakuové komory z křemenného skla, vývěvy a zdroje napětí vysoké frekvence. Správný tlak a složení plynu v komoře zajišťuje blok regulace plynů. Po zasunutí lodičky s křemíkovými deskami a vyčerpání komory následuje několik přípravných fází jako ohřev a dočištění povrchu desek. Vlastní leptání nitridu probíhá ve freonové plazmě (CF4) s přísadou kyslíku. Během procesu se mění složení plynu v komoře co lze pozorovat jako změnu barvy výboje od oranžové přes modrou až po ostře kovově modrou. Popsaný "várkový" systém zpracovával několik křemíkových desek najednou. Na leptání v plasmě se používají i zařízení v jednodeskovém uspořádání (načrtnuto na obrázku). Výhoda jednodeskových systémů je dosažení větší přesnosti leptání. V stejných zařízeních se odstraňuje fotorezist. V tomto případě je proces jednodušší, používá se jen kyslíková plazma. Plazmatické leptání se používá při leptání nitridových vrstev a na odstránění fotorezistu po fotolitografickém zpracování metalizace. Plazmatické leptání lze upravit tak, že je blízké anizotropnímu leptání, proto se používa k přesnému tvarování vrstev. Rozvod pracovních plynů N2 O2 CF4 Měření průtoku plynů Jednodeskový systém Anizotropní a izotropní leptání 100 Pa Pracovní komora Asanace odpadních plynů Víko Lodička s deskami Vysokofrekvenční generátor Rotační vývěva

39 Iontová implantace Iontová implantace je proces, při němž jsou "nastříleny" atomy dopantu pod povrch křemíkové desky. Podívejme se, jak vypadá implantace fosforu do křemíkové desky typu P. Žíháním naimplantované desky při vysoké teplotě se atomy fosforu aktivují - začnou se podílet na elektrické vodivosti. Samozřejmě vodivost závisí také na množství fosforu. Množství fosforu (dopantu) je další důležitý parametr implantace nazývá se dávka. Tam, kde je vrstva oxidu dostatečně tlustá, uvíznou ionty fosforu v ní a nedostanou se do křemíku. Během žíhání dochází také k difúzi atomů fosforu, co vede k rozšíření naimplantovaných oblastí. Výsledek je znázorněn na řezu strukturou na obrázku vpravo dole. Bylo-li naimplantováno dostatečné množství atomů fosforu, v křemíku typu P (modrý) vzniknou ostrůvky typu N (červené) v místech které nebyly chráněny oxidem (zelený). Ionty fosforu urychlené elektrickým polem a nasměrované k povrchu desky proniknou do jisté hloubky pod povrch křemíku (šedý) v místech, kde není na povrchu vrstva oxidu (zelená). Od rychlosti (energie) iontů závisí hloubka do jaké proniknou a je to důležitý parametr implantace. Rychlost iontů je řádově stovky km/s. Iontový implantátor Dopant Difúze P P P P P P P P P 1000°C P P P P P P P P

40 Křemík dopován fosforem má typ vodivosti N
Iontový implantátor VIDEO 320 x 240 Iontový implantátor je zařízení na iontovou implantaci. Na popis principu implantátoru je použitý proces implantace fosforu do křemíkové desky. Ionty vystupující ze štěrbiny jsou urychleny průchodem přes prstencové elektrody urychlovače. Mezi krajními elektrodami je napětí 50 až 200 tisíc voltů. Takto vytvořený proud nebo paprsek iontů dopadá na povrch křemíkové desky. Ionty s kladným elektrickým nábojem vystupují ze štěrbiny zdroje a vstupují do magnetického pole separátoru iontů. Magnetickým polem je dráha iontů zakřivená tak, že lehčí ionty jsou vychýleny více a těžší méně. Aby byla rovnoměrně pokrytá celá křemíková deska, paprsek iontů je pomocí vychylovacího systému rozmítán po celém jejím povrchu. Na připojeném videu je řada iontových implantátorů. Je vidět nakládání křemíkových desek do zásobníku, část vakuového systému a měřící systém. Vlivem proudu elektronů ze žhavého vlákna ve zdroji iontů se molekuly chloridu fosforitého rozpadnou na atomy nebo shluky atomů s elektrickým nábojem - ionty. Napřiklad při napětí 100 kilovoltů je rychlost iontů fosforu kolem 500 km/s. Nastavením magnetického pole je dosaženo, že právě žádané ionty fosforu jsou nasměrovány do štěrbiny separátoru. Proces probíhá ve vysokém vakuu. Do zdroje iontů se přivádí páry chloridu fosforitého - PCl3, což je sloučenina fosforu s chlorem. Urychlovač Vakuum Těžší ionty Cl P Lehčí ionty kilovoltů Vychylovací systém P + - Magnet Cl P P P P P Štěrbina P - + 40 kilovoltů Cl PCl3 P Cl Cl P Křemíková deska Cl P Molekula chloridu fosforitého Zdroj iontů Cl P Kladné ionty fosforu a chloru PCl3 Fosfor (P) Křemík dopován fosforem má typ vodivosti N Iontová implantace

41 Epitaxe VIDEO 320 x 240 H Cl Cl Si H P H Si
Epitaxe je narůstání vrstvy křemíku na povrchu křemíkové desky. Vrstva má stejné krystalografické vlastnosti jako podložka ale může mít jinou koncentraci dopantu anebo jiný dopant. Pokud jsou přítomny molekuly fosfinu PH3, vznikající atomy fosforu dopují rostoucí epitaxní vrstvu. Podobně mohou být použity pro dopování i sloučeniny bóru. Výsledkem procesu je epitaxní vrstva tlustá několik mikrometrů až desítky mikrometrů. Na přiloženém videu jsou záběry z nakládání desek na susceptor a jejich vykládání. Je vidět také řídící panel epitaxního reaktoru. Proces probíhá při vysoké teplotě °C. Kolem rozžhavených desek proudí vodík. Když se přidá chlorovodík HCl začne reagovat s křemíkem a odleptává povrch desky. To je důležité aby se odstranily všechny nečistoty anebo povrchové poruchy struktury křemíku. Po oleptání povrchu se přivádí páry chloridu křemičitého SiCl4. Ten při vysoké teplotě reaguje s přítomným vodíkem. Výsledkem reakcí jsou volné atomy křemíku které se usazují na povrchu křemíkové desky sledujíc její krystalovou strukturu. H Cl Cl Si H P H Si Epitaxní reaktor Krystalografická struktura Dopant

42 Epitaxní reaktor Při technologickém postupu je pracovní komora s deskami proplachována dusíkem a pak vodíkem. V prostředí vodíku je susceptor s deskami ohřátý indukčním ohřevem na teplotu kolem 1200°C. Při vysoké teplotě proběhne proces jak je popsán na snímku Epitaxe. Potom je susceptor s deskami ochlazen a po proplachu dusíkem vytažen z pracovní komory. Epitaxní reaktor je zařízení na růst epitaxní vrstvy. Křemíkové desky jsou uloženy na grafitovém bloku - susceptoru. Susceptor s deskami je v pracovní komoře z křemenného skla. Kolem komory je cívka indukčního ohřevu. Epitaxe Měření průtoku plynů N2 H2 HCl SiCl4 PH3 B2H6 Asanace plynů

43 Naprašování Rychlé atomy argonu bombardující terč se získají elektrickým výbojem v argonu při nízkém tlaku (0,1 až 1 Pa) mezi terčem a pomocnou elektrodou. Terč je připojen k zápornému pólu zdroje vysokého napětí a pomocná elektroda -anoda - ke kladnému. Atomy argonu jsou výbojem ionizovány a elektrickým polem urychleny a nasměrovány na terč. Proti terči je umístěn držák s křemíkovými deskami. Rozprášený hliník z terče se usazuje na deskách (i na jiných částech zařízení) a vytváří naprášenou vrstvu hliníku. Magnetické pole magnetu umístěného za terčem zvyšuje účinnost procesu naprašování a chrání křemíkové desky před vlivem elektrického výboje mezi terčem a anodou. Následující animace znázorňuje princip naprašování. Atom argonu (Ar) naráží velkou rychlostí (desítky km/s) na povrch hliníkové desky a rozpráší několik atomů hliníku. Pokud je hliníková deska - terč (target) - silně bombardována atomy argonu, rozprášený hliník se usazuje na předmětech v okolí. Naprašovat lze i jiné materiály jako hliník. Složení naprášené vrstvy je stejné jako složení terče. V polovodičovém průmyslu se často naprašují vrstvy hliníku, stříbra, zlata, titanu, niklu anebo slitin hliníku s mědí a křemíkem (AlCuSi). VIDEO 320 x 240 Argon Vývěva Al Zdroj vysokého napětí 1000 V Al Ar Křemíkové desky Hliníková deska - terč Magnet Anoda

44 NEŽÁDOUCÍ !!! 79Au 29Cu 11Na Kontaminace VIDEO 320 x 240 196,9665
Zdrojem kontaminace jsou prachové částice ve vzduchu, úlomky různých materiálů, znečištěné chemikálie a také člověk - pot , vlasy, částečky kůže anebo mejkapu. Na následujícím obrázku je fotografie úlomku křemíku pořízená pomocí elektronového rastrovacího mikroskopu. Dopanty bór, fosfor anebo arzén se přidávají do křemíku úmyslně. Jiné prvky jako zlato, měď anebo sodík mohou ovlivnit vlastnosti křemíku nepříznivě a to i v nepatrných množstvích. Znečištění křemíku nežádoucími prvky říkáme kontaminace. Kontaminace křemíku vzniká difúzí nežádoucích příměsí ze znečištěného povrchu anebo okolí. Nejmenší rozměry struktury na čipu jsou 5 mikrometrů. Průměr lidského vlasu je kolem 50 mikrometrů. Jak vidět na mikrofotografii, zachycený vlas na povrchu čipu (vzhledem k poměru rozměrů) ho může úplně znehodnotit. Na videu jsou pelová zrnka slunečnice zachycené na povrchu křemíkové desky. Nebezpečí kontaminace spočívá nejen v tom, že se většinou nedá rychle odhalit a projeví se zpravidla až při testování, případně jako nespolehlivý výrobek u zákazníka. 196,9665 79Au Zlato 63,546 29Cu Měď NEŽÁDOUCÍ !!! 22,98977 11Na Sodík Testování

45 Úlomek křemíku

46 na krychlovou stopu (cca 30 l)
Čisté prostory Lidé pracující v čistých prostorech potřebují dostatek kyslíku. Netěsnosti ve stěnách a technologické odsávání způsobují, že se část upraveného vzduchu ztratí. Filtrovaný vzduch v čistém prostoru má podle stupně filtrace 10 až prachových částic v krychlové stopě a regulovanou teplotu a vlhkost. Proto se pro polovodičovou výrobu staví speciální čisté prostory. Jsou to v podstatě místnosti se zdvojenou děrovanou podlahou a zdvojeným stropem vybaveným filtry. Nepatrné množství příměsí dokáže značně ovlivnit vlastnosti křemíku. Rozměry detailů na čipu jsou srovnatelné s velikostí prachových částic. V běžném prostředí je asi prachových částic v krychlové stopě vzduchu (30 l). V takovém prostředí se by byla výroba polovodičových součástek problematická. Ventilátorem se vzduch vhání nad filtry, prochází přes ně do prostoru a přes děrovanou podlahu je odsáván. Po úpravě teploty a vlhkosti se znovu vhání nad filtry. Dostatek kyslíku a náhrada ztráty vzduchu odsáváním a netěsnostmi jsou zabezpečeny nasáváním a úpravou čerstvého vzduchu z okolí (cca 20%). prachových částic na krychlovou stopu (cca 30 l) Nasávání čerstvého vzduchu Výfuk odsávání Úprava teploty a vlhkosti STROPNÍ FILTRY 1 000 Přetlak Pa Rychlost proudění 0,5 m/s Netěsnost Děrovaná podlaha

47 Polovodičová hygiena a manipulace s deskami
Desky se zpracovávají hromadně, ve várkách. Při operacích při nízké teplotě jsou po pětadvaceti v kazetách z teflonu anebo polypropylenu. Při vysokoteplotních operacích jsou uchyceny v různých přípravcích z grafitu, křemenného skla anebo karbidu křemíku. Před každou vysokoteplotní operací se musí desky důkladně očistit. To se provádí v zařízení podobnému pračce. Jen místo prášku na praní jsou použity kyselina sírová, chlorovodíková, peroxid vodíku a hydroxid amonný. Desky se pak důkladně opláchnou deionizovanou vodou a osuší odstředěním. Na přiloženém videu je postup manipulace od vyjmutí z čistícího zařízení až po uložení na zasouvač oxidační pece. Křemíkové desky se v žádném případě nesmí chytat rukama. Na manipulaci se používá speciální vakuová pinzeta. Pomocí ní se deska přisaje, podobně, jako vysavač přisaje papír. Přednost při manipulaci se však dává automatům. Lidé pracují v čistých prostorech ve speciálním oděvu z materiálu, který neuvolňuje prachové částice. Součásti oděvu je kapuce, rouška a návleky. Na rukou jsou rukavice. Vzduchotechnické zřízení společně s filtrací vzduchu sice vytvoří v čistých prostorech vhodné prostředí pro polovodičovou technologii, ale bez dalších opatření by nebylo možné čistotu prostředí udržet. Polovodičová hygiena, to jsou pravidla pro chování lidí v čistých prostorech a pro manipulaci s křemíkovými deskami a s jinými čistými materiály. Křemíkové desky jsou křehký materiál. Z toho vyplývá způsob manipulace s nimi. VIDEO 320 x 240

48 Kontrola procesu VIDEO 320 x 240
Na videoklipu je postup od měření tloušťky oxidu až po záznam do regulačního diagramu. Na jedné křemíkové desce jsou stovky až tisíce čipů a zpracovávají se tisíce desek za den. Proto se výsledky procesů zpracovávají statisticky a procesy jsou řízeny statistickými metodami - pomocí regulačních diagramů - za pomoci výpočetní techniky. Technologický postup se skládá z desítek operací. Dosažení předepsaných parametrů na jedné operaci je předpokladem pro zahájení další operace. Proto každá operace končí kontrolou anebo měřením. Nejjednodušší a zároveň nejčastější kontrolou je kontrola prachových částic na křemíkové desce před a po operaci. Operátor v proudu intenzivního světla kontroluje povrch desky. I nepatrné prachové částice způsobují viditelný rozptyl světla. Tuto kontrolu často vidět na přiložených videoklipech.

49 Materiály v polovodičové technologii
Je jasné, že polovodičová technologie vyžaduje extrémně čisté prostředí a materiály. V technologickém procesu je jedním z nejvíce používaných materiálů voda. Vysoce čistá voda se připravuje reverzní osmózou a dočišťuje na iontoměničích. Říká se jí deionizovaná voda anebo DI voda. Čistota vody musí být na úrovni čistoty křemíku, tedy jedná se o jednotky až desítky gramů nečistot v tisíci tunách vody (tj. jeden milión litrů). Podobnou čistotu musí mít i jiné chemikálie jako jsou kyseliny, rozpouštědla a fotorezist. Kontaminace Fotolitografie Reverzní osmóza

50 Reverzní osmóza Položme na hladinu v pravé části píst a závaží jehož hmotnost překoná osmotický tlak. Voda začne proudit zprava doleva a co je důležité, modrá skalice zůstává v pravé části. Je to reverzní (obrácena) osmóza. Reverzní osmóza je často používaná metoda na čištění vody. Voda se pod vysokým tlakem protlačuje přes polopropustnou membránu, přičemž většina rozpuštěných látek zůstane před membránou. Takto připravená voda se dále dočišťuje pomocí iontoměničů. Hladina v pravé části akvária stoupá pokud převýšený vodní sloupec nevyvolá takový tlak, že se proces zastaví. Tlak, při kterém přestane voda proudit do pravé části, se nazývá osmotický tlak a proces osmóza. Tento proces je v přírodě velice rozšířen. Je to jeden z hlavních mechanizmů látkové výměny v tkáních. Uplatňuje se fyzikální zákon, že koncentrace roztoků se snaží vyrovnat. Roztok modré skalice má vyšší koncentraci. Velké molekuly modré skalice se nemohou dostat přes membránu. Voda, jejíž molekuly membránou projdou, proudí z levé části do pravé. Roztok modré skalice se zřeďuje - koncentrace klesá. Akvárium naplněné čistou vodou rozdělme polopropustnou membránou na dvě části. Polopropustná membrána je membrána, která propouští jen malé molekuly vody, ale větší molekuly jiných látek nepropouští. Je to například celofán. Do pravé části akvária nasypeme lžičku modré skalice (síran měďnatý CuSO4). Voda se zbarví na modro a vznikne zajímavý jev - voda v pravé části začne stoupat a v levé klesat. H2O CuSO4

51 Difúze - princip Rychlost difúze je silně závislá od teploty. Zejména v tuhých látkách je při pokojové teplotě téměř nepozorovatelná. Při teplotě kolem tisíce stupňů již postupuje i v tuhých látkách poměrně rychle. Difúze při vysokých teplotách se používá v polovodičové technologii jako metoda lokálního dotování. Zbarvení vody způsobují molekuly modré skalice, které se pohybují ze zdroje do míst kde nejsou. Tento jev se nazývá difúze. Difúze je v přírodě jeden z nejčastějších procesů. Někdy postupuje rychle, například ve vzduchu při šíření vůní, jindy velice pomalu. V geologických procesech při vzniku hornin i milióny let. Naplňme akvárium čistou vodou. Pak na dno vložme kousek modré skalice (CuSO4). Po několika minutách anebo desítkách minut zpozorujeme, že se voda kolem modré skalice zbarvuje a to bez jakéhokoli míchání. Za jeden den bude zbarvena voda ve spodní části akvária. Proces bude pokračovat dál, ale bude se zpomalovat. H2O CuSO4 Zdroj

52 Měření průtoku plynů Rotametr Hmotový průtokoměr
Rotametr je skleněná trubice mírně kuželovitého tvaru (rozšiřuje se směrem nahoru). Trubice je opatřena stupnicí. Uvnitř je tělísko - plovák. Plovák má tvar jako na obrázku, anebo to může být kulička. Plovák je ze skla anebo kovový. Tlak vznikající pod plovákem při průtoku plynu jej zvedne do určité výšky. Výšku plováku lze odečíst na stupnici. Různou polohu plováku při různých průtocích zajišťuje právě kuželovitý tvar trubice. Bez průtoku plynu se teplo z vyhřívací spirály šíří rovnoměrně na obě strany trubičky. Teplota obou čidel je stejná . Jakmile začne proudit plyn zleva, levé čidlo je ochlazováno více než pravé. Rozdíl teplot je větší při vyšším průtoku plynu. Elektronická řídící jednotka vypočte z naměřeného rozdílu teplot průtok plynu. Hmotový průtokoměr je obvykle spojen s elektromagnetickým regulačním ventilem a tvoří pak kompaktní celek k měření a regulaci průtoku. Jiné zařízení na měření průtoku je hmotový průtokoměr. Srdcem zařízení je tenkostěnná trubička v jejíž středu je navinutá vyhřívací spirála. Na okrajích trubičky jsou navinuta odporová čidla měřící teplotu. Nejrozšířenější zařízení na měření průtoku jsou mechanický průtokoměr - rotametr a elektronický - hmotový průtokoměr. Rotametr 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Hmotový průtokoměr Bez průtoku jsou teploty čidel stejné Vyhřívací spirála Průtok plynu způsobí větší ochlazení levého čidla

53 Anizotropní a izotropní leptání
Pokud leptadlo působí jen ve směru kolmém k povrchu desky, vyleptané otvory ve vrstvě oxidu přesně odpovídají otvorům ve fotorezistu. Tento „jednosměrný“ způsob leptání je anizotropní leptání. Pokud leptadlo leptá všemi směry stejně, vyleptané otvory již nesledují přesně otvory ve fotorezistu, ale dochází k leptání do stran - podleptání. Takové „všesměrové“ leptání je izotropní leptání. Ve skutečnosti všechna leptadla leptají smíšeným způsobem. Jestli je leptání blíže k izotropnímu anebo anizotropnímu závisí od složení leptadla a podmínek při leptání. Anizotropní leptání Izotropní leptání Fotorezist Oxid Křemíková deska

54 Názvy vrstev Pasivace Polní oxid Metalizace Emitor Báze Kolektor
Epitaxní vrstva Izolace Utopená vrstva Substrát Pasivace Polní oxid Emitor Metalizace Báze Kolektor Propojení utopené vrstvy a připojení kolektoru

55 Některé fyzikální jednotky
Mikrometr [µm] - délková jednotka. Jeden mikrometr je tisícina milimetru Nanometr [nm] - délková jednotka. Jeden nanometr je tisícina mikrometru anebo miliontina milimetru. Ampér [A] - jednotka elektrického proudu. Miliampér [mA] - jednotka elektrického proudu. Jeden miliampér je tisícina ampéru. Ohm [W ] - jednotka elektrického odporu Volt [A] - jednotka elektrického napětí. Kilovolt [kV] - jednotka elektrického napětí. Jeden kilovolt je tisíc voltů. Pascal [Pa] - jednotka tlaku. Atmosférický tlak má hodnotu přibližně Pa. Kubická stopa [cft] - jednotka objemu. Jedena kubická stopa je 28,32 litrů.