3. Технологія виробництва інтегральних мікросхем.

Технологічні процеси виготовлення напівпровідникових ІМС поділяють на заготівельні, оброблювальні та складальні.

До заготівельних процесів належать вирощування монокристалів, виготовлення з них пластин (розрізування кристалів на пластини, шліфування, полірування, контроль якості, пакування пластин), виготовлення фотошаблонів (трафаретів), корпусів для мікросхем.

Для виробництва ІМС використовують монокристали кремнію у вигляді круглих пластин діаметром 100 – 120 мм і товщиною 0,2 – 0,4мм. Кремній має високу температуру плавлення (1415 ⁰С), стійкий до хімічних впливів, має високу механічну міцність, не піддається корозії, відносно легко очищується від домішок, має досконалу кристалічну гратку.

Оброблювальні процес пов’язані з формуванням ІМС у приповерхневому шарі монокристалевої напівпровідникової пластини.

Складальні процеси містять операції, повязані з монтуванням, вирізаних з пластин кристалів, на яких сформована ІМС, у корпусах, приварюванням виводів, перевіркою параметрів, герметизацією корпусів.

Для виробництва надвеликих ІМС необхідно виконати до 400 операцій. Час оброблювальних процесів, пов’язаних з формуванням ІМС на поверхні напівпровідникової пластини складає 3-4 тижні. Дефекти, які появились у процесі виконання окремих операцій, не можна виправити. Тому в процесі виготовленя напівпровідникових ІМС необхідно точно дотримуватись параметрів кожної технологічної операції.

1. Вирощування монокристалів кремнію

Для вирощування монокристалів кремнію використовують спосіб Чохральського (рис.2).

Кремній плавлять у тиглі 6, який встановлено у кварцеву трубку 1, яка знаходиться в індукторі 4. У розплав 5 вводять затравку 2 (монокристал кремнію певної кристалографічної орієнтації). Затравка обертається навколо осі і піднімається вверх. Внаслідок цих рухів виростає монокристал кремнію 3 довжиною 500 – 2000мм.

Очищення кремнію. Виплавлений з кварцевого піску кремній містить домішки, які негативно впливають на якість роботи мікросхеми. Кінцевим методом очищення кремнію є безтигельне зонне переплавлення, яке ще називають зонним очищенням.

Після багаторазових переходів стрижня кремнію через зону дії індуктора домішки збираються на кінцях стрижня, які після закінчення переплавлення відрізають, а із очищеного кремнію вирощують монокристали.

Отримані монокристали ріжуть на пластини, одну з поверхонь шліфують, полірують, висушують і відправляють для виготовлення ІМС.

Технологія виготовлення елементів напівпровідникової ІМС.

Виготовлення ІМС забезпечує спеціальна планарно-епітаксіальна технологія, яка складається з таких послідовних технологічних операцій: епітаксія, окислення поверхневого шару монокристалу, фотолітографії, дифузії, напилення тонких металевих плівок.

Епітаксія. Епітаксією називають нарощування кремнієм приповерхневого шару монокристалу кремнію для відновлення його кристалічної структури, яка порушилась в процесі шліфування і полірування. Епітаксію проводять в газовій атмосфері, в рідині та іншим способом. Найчастіше використовують пару сілану (SH). При температурі 950 – 1050 ⁰С сілан розпадається з утворенням кремнію і водню:

SiH₄ = Si +2H₂

Водень очищує поверхню пластин від домішок, а кремній осідає на неї та відтворює порушену кристалічну структуру.

Окислення поверхневого шару кремнію. Для проведення локальної дифузії у визначених місцях та ізоляції елементів ІМС епітаксійний шар кремнію окислюють. Під шаром окислу кремній стає чистішим та набуваєдосконалішої кристалічної структури, ніж мав до окислення.

Поверхню кремнієвих пластин найчастіше окисліють термічним способом, при якому нагріті кремнієві пластини витримують спочатку в атмосфері сухого кисню протягом 15 хв., потім у вологому 1 год. 45 хв. і знову в сухому кисні протягом 1 год.:

Si + O₂ = SiO₂

Si + 2H₂O = SiO₂ + 2H₂

З підвищенням тиску кисню до 20-50 МПа температура окислення знижується з 1000 ⁰С до 400-700 ⁰С. За цих мов швидкість росту шару діоксиду кремнію становить 1-2 мкм/год.

Окислені пластини кремнію відправляють на фотолітографію.

Фотолітографія. Фотолітографією називають сукупність фотохімічних процесів, які грунтуються на використанні плівок із полімерів (фоторезистів), які змінюють свої властивості під дією ультрафіолетового та рентгенівського проміння, а також потоку електронів.

Фотолітографію проводять з метою створення у світлочутливій плівці ”вікон” певних розмірів і форми, в яких після руйнування оксиду кремнію утворюють майбутні елементи мікросхем. Фотолітографія являється найважливішим процесом у технології виготовлення ІМС. Від неї залежать густина розміщення елементів мікросхем і техніко-економічні показники технології виробництва ІМС.

Існують позитивні і негативні фоторезисти. Позитивні фоторезисти стійкі до дії травників і розчинників, а під дією ультрафіолетового проміння руйнуються й легко змиваються із засвічених ділянок.

Негативні фоторезисти, навпаки, у звичайному стані легко розчиняються, а під дією випромінювання стають нерозчинними та стійкими до дії травників.

Фоторезисти наносять на поверхню оксидної плівки розпиленням, центрифугуванням, поливанням. Найчастіше застосовують спосіб нанесення фоторезиста центрифугуванням. Згідно з цим способом фоторезист ллють у центр кремнієвої пластини, яка обертається з великою швидкістю. Залежно від в’язкості фоторезиста та швидкості обертання кремнієвої пластини (8,3-133 с^-1) за 20-30 секунд формується шар фоторезиста товщиною 0,5-20 мкм.

Для випарювання розчинника композицію кремнієва пластинка-фоторезист висушують при температурі 80-100 ⁰С. Тривалість висушування залежить від типу печі й триває від 20 хв. до кількох секунд.

Лекція 12. Нанотехнології і матеріали.

1. Загальні поняття.

2. Фізична суть проблеми.

3. Властивості ізольованих наночастинок і нанокристалічних поршків.

Література 1

Термін “нано” походить від грецького слова “нанос” (карлик) і відповідає одній міліардній частці одиниці довжини (10^-9м). Науки про наноструктури і нанотехнології мають справу з об’єктами конденсованої речовини розміром від 1 до 100 нм.

Для того, щоб уявити собі місце наноматеріалів у навколишньому світі, доцільно порівняти Вселенну, Сонце і наночастинку. Розмір Вселенної оцінюється 10 – 20 міліардів _{світлових} років або 1 – 2 х 10 м, діаметр Сонця – 1,4х10 м. Порівняння показує, що наночастинка у стільки ж разів менше Сонця, у скільки разів Сонце менше Вселенної.

Нанотехнологія – це технологія, яка оперує величинами порядку розмірів атома (10 ), тобто технологія маніпуляції на атомному рівні. Тому перехід від “макротехнології” до “нанотехнології” – це уже якісний перехід від маніпуляції речовиною до маніпуляції окремими атомами. Нанотехнологія – це границя технологічних можливостей і вона уже досягнута в мікроелектроніці (літографії).

Термін “нанотехнологія” вперше був використаний професором Норіо Танігучі в його доповіді “Основні принципи нанотехнології” на міжнародній конференції в Токіо в 1974 році.

Спочатку слово “нанотехнологія” використовувалось у вузькому розумінні і означало комплекс процесів, які забезпечували високоточну обробку поверхні з використанням зверх точного травлення, нанесення плівок та використання високо енергетичних пучків. В даний час термін “нанотехнологія” використовується в широкому розумінні, охоплюючи технологічні процеси і системи машин і механізмів, здатні виконувати зверх точні операції в масштабі кількох нанометрів.

Коли мова йде про нанотехнології, мається на увазі три основні напрямки:

- виготовлення електронних схем з активними елементами, розміри яких зрівнянні з розмірами молекул і атомів;

- безпосередня маніпуляція атомами і молекулами і конструювання з них нових матеріалів, конструкцій, пристроїв;

- розробка і виготовлення наномашин, тобто механізмів і роботів розміром з молекулу.

Відміна властивостей частинок малих розмірів від властивостей масивного матеріалу відомо давно і використовується в різних областях техніки і технологіях. Прикладом може слугувати широке застосування аерозолів, красящі пігменти, отримання кольорового скла завдяки закрашуванню їх калоїдними частинками металу.

Суспензії металевих наночастинок (залізо або його сплави) розміром від 30 нм до 1 -2 мкм використовуються як присадки до моторних масел для відновлення спрацьованих деталей автомобільних та інших двигунів безпосередньо в процесі роботи.

В авіації застосовують радіопоглинаючі керамічні матеріали, в матриці яких безладно розподілені тонкодисперсні металічні частинки.

Тонкі монокристали (вуси) мають надзвичайно високу міцність. Наприклад, вуси графіту мають міцність приблизно 24,5 ГПа або в 10 разів більше, чим міцність стального дроту.

Багатошарові нанопокриття дозволяють створювати різні прилади: рентгенівські зеркала (мікроскопи).

Різні методи нанотехнології отримали найбільший розвиток і застосування в електронній техніці. Уже в 90-і роки ХХ століття були отримані перші результати по переміщенню окремих атомів і зібрання з них перших конструкцій. В даний час контроль виробів і матеріалів на рівні атомів став звичайною справою в електроніці і комп’ютерній техніці.

Перший скачок у розвитку епектронної техніки був перехід від вакуумних електронних ламп до напівпровідникових транзисторів. Другий скачок відбувся при розробці інтегральних мікросхем (чіпів).

Дальше відбулось зменшення розмірів чіпів: якщо в 1959 році прості чіпи складались із десятка елементів, то в 1970 році мікросхеми (чіпи) включали 10 тисяч елементів.

Прогресс в електроніці супроводжувався швидким зменшенням вартості електронних пристроїв. Один транзистор в 1958 році коштував 10 доларів, а в 2000 році за цю ціну можна було купити мікросхему з десятками міліонів транзисторів.

В сучасних мікросхемах массового виробництва для включення (або виключення) транзистора необхідно біля 1000 електронів. В кінці першого десятиріччя ХХI віку завдяки мініатюризації кількість необхідних електронів зменшелась до 10 і уже ведуться роботи по створенню одно електронного транзистора.

В даний час основною галуззю промисловості, де нанотехнології уже знайшли широке застосування, являється електроніка. Так, виготовлення інтегральних мікросхем включає такі технології як літографія, іонна імплантація, дифузія і окислення, травлення, очистка, планіризація і вимірювання.

Уже сьогодні наноструктури і технології відіграють важливу роль у виробництві товарів в багатьох галузях індустрії. Сфера їх застосування величезна – це нові магнітні матеріали, захисні покриття, які наносяться на метали, пластмаси, скло, більш ефективні каталізатори, плівки в мікроелектроніці та багато інше. В найближчий час наноструктурні об’єкти будуть функціонувати в біологічних об’єктах, знайдуть застосування в медицині.

Історія економічного розвитку світової спільноти пов’язана з впровадженням у виробництво нововведень та інновацій. Впровадження нововведень та інновацій в технологію порушує екстенсивний розвиток економіки, швидко піднімаючи її на новий рівень.

Науково-технічний прогрес докорінно змінює технологію виробництва в усіх галузях економіки. Підтвердженням значимості інноваційного розвитку економіки в Україні є намагання політиків пов’язати її вирішення через національну ідею. В даний час в умовах радикальних змін у відносинах власності вирішення цієї проблеми в Україні стало проблематичним.

Привести світ до нової технологічної революції і цілком змінити економіку зможе нанотехнологія – технологія, що оперує величинами матерії порядку розміру атома (одної міліарної долі метра).

Останнім часом ринок товарів, виготовлених в розвинених країнах на основі нанотехнології розвивається дуже динамічно, адже рівень розвитку суспільства визначається ефективністю інноваційної діяльності, а не кількісними показниками виробництва сировини та морально застарілих товарів.

За даними міжнародних експертів кількість найменувань товарів, виготовлених по нанотехнології або із наноматеріалів становила за 2007 рік по категоріях: здоровя і фітнес (одяг, спорттовари, косметика, засоби гігієни, сонцезахисні фільтри для шкіри та ін.) – 356; електротовариі комп’ютери – 67; товари для дпобуту і садівництва – 46; їжа та напої – 66; автомобільні товари – 33; товари для дітей – 20.

Аналіз динаміки застосування товарів нанотехнології вказує на значне збільшення товарів таких широковживаних категорій як здоровя і фітнес (у 1,9 раза, їжа та напої (у 2,5 раза), товари для дітей – у 5,7 раза. За даними експертів, уже в 2010 році 50 % медикаментів будуть вироблятись за допомогою нанотехнологій. Зачного удару нанотехнології завдадуть індустрії мийних засобів. Поява нових, стійких до забруднень та ушкоджень, матеріалів, зменшить потребу в них.

Слід відмітити, що деякі наноматеріали використовуються в хімічній технології, а вироби з наноматеріалів уже давно і ввійшли у наш побут. Наприклад, товари мікроелектроніки, виготовлення цифрових відео дисків (DVD), наносрібло використовується для знищення мікро-організмів в продуктах харчування, пральних машинах, взуттєвих устілках, а діоксид титану використовується у косметичних засобах.

Нині на частку США припадає близько третини всіх світових інвестицій у нанотехнології. За прогнозами Національної Ініціативи в галузі нано-технології США (National Nanotechnology Initiative), розвиток нанотехнології через 10 років дозволить створити нову галузь економіки з товарообсягом у 15 млрд. доларів і біля 2 млн. робочих місць.

На цей час можливо окреслити такі перспективи розвитку ринку товарів на основі наноматеріалів і нанотехнологій:

Медицина. За прогнозами журналу «Skienntific Amerikan» вже в

найближчому майбутньому з’являться медичні пристрої, розміром з почтову марку. Їх досить буде накласти на рану і цей пристрій самостійно проведе аналіз крові, визначить, які медикаменти необхідно використовувати і введе їх у кров. В даний час вже є дослідні зразки наноконтейнерів для точної адресної доставки ліків до уражених органів і нановипромінювачів для знищення злоякісних пухлин.

Сільське господарство. Нанотехнології здатні зробити революцію в

сільському господарстві. Молекулярні нанороботи здатні виробляти їжу, заміняючи сільськогосподарські рослини і тварин.

Енергетика. Завдяки нанотехнології вченим вдалось підвищити в

сонячних батареях коефіцієнт корисної дії при поглинанні сонячної енергії.

А відома американська компанія «Headnatens» розробила методику обробки вугілля за допомогою нанотехнології таким чином, щоб створити з нього екологічно чисте рідке пальне.

Екологія. Нанотехнології здатні також стабілізувати і покращити екологічну обстановку на планеті Земля. Нові види промисловості не вироблятимуть відходів, що отруюють планету, а нанороботи зможуть знищувати наслідки старих забруднень. Крім того, нанотехнології нині уже використовуються для фільтрації води та інших рідин в нашому побуті.

Нанотехнологія нині безперечно являється найпередовішим і багатообіцяючим напрямком розвитку науки і техніки. Можливості її вражають. З іншої сторони перспективи нанотехнології вселяють страх.

За прогнозом американського вченого Е.Дрікслера у майбутньому з’являться нанороботи завбільшки з бактерію, здатні самостійно продукувати нові й нові організми, використовуючи доступну біомасу як сировину. Внаслідок нанохаусу планету вкриє однорідний шар липкої речовини.

Інша проблема може виникнути в результаті того, що використання нанороботів призведе до завершення еволюційного етапу розвитку людини.

У той час як уряди передових країн і промисловість вкладають мільярди у те, щоб швидко наживати капітал на торговельному потенціалі нанотехнології, в Україні поки що ці проблеми видаються дорогими і малоцікавими.

Фізична суть проблеми.

В останні десятиріччя минулого століття інтерес до методів одержання зверх дрібнодисперсних матеріалів суттєво виріс у зв’язку з тим, що виявилось наступне: зменшення розмірів структурних елементів (зерен, кристалів, частинок) нижче деякої порогової величини може приводити до суттєвої зміни властивостей матеріалів. Такі зміни відбуваються, коли середній розмір зерен менше 100 нм. Значить властивість матеріалів залежить не тільки від хімічного складу і атомно-кристалічної структури, але і дисперсності.

Полікристалічні матеріали із середнім розміром від 300 до 400 нм називають субмікрокристалічними, а із середнім розміром менше 100 нм – нанокристалічними.

Методи дослідження розміру малих частинок:

- електронна мікроскопія,

- рентгенодивракційний метод,

- газова фільтрація,

- газова адсорбція,

- суперпаромагнетизм,

- сідіментація,

- фотонна кореляційна спектроскопія та ін.