1. Подготовка подложек

На этом этапе выполняются операции для создания чистой и ровной поверхности подложки.

• Резка пластин:

  • Монокристаллический кремний изготавливается методом Чохральского (Czochralski, CZ) или зонной плавки (FZ). Пластины режут на заготовки.

• Шлифовка и полировка:

  • Для получения гладкой поверхности с минимальной шероховатостью.

• Очистка:

  • Удаление загрязнений методом RCA или с использованием ультразвуковой очистки.

2. Формирование тонких пленок

Для создания слоев материалов с различными свойствами.

• Термическое окисление:

  • Формирование SiO2SiO_2SiO2​ для изолирующих слоев.

• Осаждение тонких пленок:

  • Химическое осаждение из газовой фазы (CVD).

  • Физическое осаждение (магнетронное распыление, испарение).

  • Эпитаксиальное осаждение.

3. Литография

Процесс создания заданных узоров на поверхности подложки.

• Нанесение фоторезиста:

  • Пластина покрывается слоем светочувствительного материала.

• Экспонирование:

  • С помощью фотошаблона облучаются заданные участки ультрафиолетовым светом.

• Проявление:

  • Удаление облученных (или не облученных) областей фоторезиста.

4. Травление

Удаление материала с подложки или тонкой пленки по заданному узору.

• Мокрое травление:

  • Используются растворы кислот (например, HF, HCl) или щелочей (KOH).

• Сухое травление:

  • Реактивное ионное травление (RIE) для анизотропного удаления материала.

5. Легирование

Введение примесей в материал для изменения его электрических свойств.

• Диффузия:

  • Нагрев пластин в атмосфере примесных газов (например, фосфина PH3PH_3PH3​ или бора B2H6B_2H_6B2​H6​).

• Ионная имплантация:

  • Введение ионов примесей в подложку под воздействием ускоряющего электрического поля.

6. Формирование контактов

Создание металлических соединений для электрического подключения.

• Нанесение металлических слоев:

  • Осаждение алюминия, меди, золота или других проводников.

• Фотолитография и травление:

  • Формирование узоров для металлизации.

7. Пассивация

Создание защитных покрытий для предотвращения воздействия окружающей среды.

• Нанесение защитных слоев:

  • Оксиды (SiO2SiO_2SiO2​) или нитриды кремния (Si3N4Si_3N_4Si3​N4​).

8. Соединение и сборка

Заключительный этап создания готовых устройств.

• Бондинг:

  • Анодное или термокомпрессионное соединение.

• Монтаж кристаллов:

  • Установка микросхем на подложки с использованием проводящих клеев или пайки.

Пример последовательности операций

1. Подготовка кремниевой пластины.

2. Нанесение слоя оксида кремния (SiO2SiO_2SiO2​).

3. Литография для создания узора.

4. Травление оксида.

5. Легирование (ионная имплантация).

6. Формирование металлических контактов.

7. Пассивация и защитное покрытие.

8. Сборка и упаковка.

Эти базовые операции составляют основу современной планарной технологии, обеспечивая высокую точность и масштабируемость производственных процессов.

6. Базовые операции изопланарной технологии.ⁱ

Изопланарная технология (isoplanar technology) представляет собой один из методов производства интегральных схем, широко используемый в микроэлектронике. Она основывается на применении изолирующих слоев для разделения активных областей полупроводникового материала и предотвращения паразитных эффектов, таких как токи утечки. Рассмотрим основные операции изопланарной технологии:

1. Подготовка подложки

• Используется кремниевая подложка высокого качества.

• Проводится химическая очистка и полировка поверхности, чтобы устранить дефекты и загрязнения.

2. Формирование изолирующих слоев

• На подложке создается слой диоксида кремния (SiO₂) путем термического окисления.

• Этот слой обеспечивает изоляцию активных областей полупроводникового материала.

3. Фотолитография

• Наносится слой фоторезиста, который чувствителен к ультрафиолетовому излучению.

• Через фотошаблон экспонируется определенный рисунок, определяющий будущую структуру схемы.

• Фоторезист травится, оставляя защищенными нужные области.

4. Ионная имплантация или диффузия

• В открытые области вносятся легирующие примеси (например, бор или фосфор), чтобы изменить электропроводность материала.

• Легирование может быть выполнено методом ионной имплантации или высокотемпературной диффузии.

5. Травление

• Слои материала (например, SiO₂ или кремний) удаляются из определенных областей путем химического или сухого плазменного травления.

• Травление позволяет формировать углубления и каналы для будущих структур.

6. Отжиг

• После легирования проводится термическая обработка (отжиг) для восстановления кристаллической структуры кремния и активирования внесенных примесей.

7. Формирование межсоединений

• На поверхность наносится слой проводящего материала (например, алюминия или меди).

• Используя фотолитографию и травление, формируются проводящие дорожки.

8. Создание изолирующих слоев между уровнями

• Наносится второй слой SiO₂ для электрической изоляции между металлическими уровнями.

• Выполняются отверстия (виа) для соединения различных уровней.

9. Пассивация

• Наносится защитный слой (например, нитрид кремния), который защищает готовую структуру от механических повреждений, влаги и загрязнений.

10. Контроль качества и тестирование

• Проводится тестирование электрических характеристик созданных структур.

• Проверяется отсутствие дефектов, таких как разрывы дорожек или короткие замыкания.

Изопланарная технология отличается высокой степенью точности и изоляции, что делает её особенно подходящей для производства высокочастотных и сложных схем.

7. Технология «кремний на изоляторе».

Технология «кремний на изоляторе» (Silicon-on-Insulator, SOI)

Технология «кремний на изоляторе» (SOI) представляет собой современный метод создания полупроводниковых устройств, где используется многослойная структура: тонкий слой кремния размещается поверх изолирующего материала (обычно диоксида кремния) и подложки из кремния. Этот подход позволяет значительно улучшить характеристики устройств, таких как быстродействие, энергопотребление и устойчивость к внешним воздействиям.

Структура SOI

1. Подложка:

   • Обычно изготавливается из кремния, что обеспечивает механическую устойчивость всей структуры.

2. Изолирующий слой:

   • Обычно это слой диоксида кремния (SiO₂) или сапфира в случае технологий SOS (Silicon on Sapphire).

   • Этот слой изолирует активный слой кремния от подложки.

3. Активный слой кремния:

   • Тонкий слой высококачественного кремния, в котором формируются активные элементы схемы (транзисторы, диоды).

Преимущества технологии SOI

1. Снижение паразитных эффектов:

   • Отсутствие паразитных емкостей между транзисторами и подложкой.

   • Уменьшение токов утечки.

2. Увеличение быстродействия:

   • Снижение задержек за счет уменьшения паразитных емкостей.

   • Повышенная подвижность носителей заряда.

3. Низкое энергопотребление:

   • Требуется меньше энергии для переключения транзисторов.

   • Уменьшается тепловыделение.

4. Высокая радиационная устойчивость:

   • Применение в космической электронике и системах, работающих в условиях повышенной радиации.

5. Компактность и интеграция:

   • Возможность создавать более плотные интегральные схемы.

Методы получения структуры SOI

1. SIMOX (Separation by IMplantation of OXygen):

   • Ионная имплантация кислорода в кремниевую подложку с последующим отжигом.

   • Кислород формирует слой SiO₂ между подложкой и активным слоем кремния.

2. Smart Cut:

   • Нанесение тонкого слоя кремния на изолирующий слой с использованием процессов ионной имплантации и склеивания.

   • Обеспечивает высокую точность толщины активного слоя.

3. Технология BESOI (Bond and Etch-back SOI):

   • Склеивание двух кремниевых пластин, одна из которых покрыта слоем SiO₂.

   • Удаление части кремния с помощью травления или полировки.

4. SOS (Silicon on Sapphire):

   • Используется подложка из сапфира вместо кремния.

   • Часто применяется в высокочастотной электронике.

Применение технологии SOI

1. Микропроцессоры:

   • Используется для повышения скорости работы и снижения энергопотребления современных процессоров.

2. Память:

   • Создание энергоэффективных и компактных ячеек памяти.

3. Силовая электроника:

   • Разработка высоковольтных и высокотемпературных транзисторов.

4. Космическая техника:

   • Применение в условиях повышенной радиации.

5. Сотовая связь и RF-технологии:

   • Высокочастотные устройства для беспроводной связи.

Недостатки технологии SOI

1. Сложность производства:

   • Высокая стоимость оборудования и материалов.

2. Тепловыделение:

   • Изолирующий слой затрудняет отвод тепла, что может вызывать перегрев.

3. Технологические ограничения:

   • Сложности при создании мощных устройств из-за ограниченной теплопроводности.

Итог

Технология SOI активно применяется в производстве высокопроизводительных и энергоэффективных устройств. Несмотря на сложности производства, её преимущества делают её перспективной для использования в высокотехнологичных отраслях, таких как микроэлектроника, связь и космос.

8. Уровни вакуума. Способы получения вакуума.

Уровни вакуума

Вакуум — это состояние среды, где давление газа ниже атмосферного. Уровни вакуума классифицируются в зависимости от остаточного давления, измеряемого в торрах (Торр), паскалях (Па) или других единицах давления.

Классификация уровней вакуума:

1. Низкий вакуум (грубый вакуум):

   • Диапазон давления: 10310^3 – 11 Торр (10510^5 – 10210^2 Па).

   • Характеристики:

     • Достигается простыми насосами.

     • Используется в упаковке, холодильных установках, вакуумной формовке.

   • Пример: вакуум в пылесосах.

2. Средний вакуум:

   • Диапазон давления: 11 – 10−310^{-3} Торр (10210^2 – 10−110^{-1} Па).

   • Характеристики:

     • Требует более сложных насосов.

     • Используется в металлургии, при пайке и сварке.

   • Пример: вакуум в лампах накаливания.

3. Высокий вакуум:

   • Диапазон давления: 10−310^{-3} – 10−710^{-7} Торр (10−110^{-1} – 10−510^{-5} Па).

   • Характеристики:

     • Потребность в сложных насосах и чистых условиях.

     • Используется в микроэлектронике, вакуумных печах.

   • Пример: вакуум в электронных микроскопах.

4. Ультравысокий вакуум:

   • Диапазон давления: 10−710^{-7} – 10−1210^{-12} Торр (10−510^{-5} – 10−1010^{-10} Па).

   • Характеристики:

     • Требует сложных методов откачки и специальных материалов для предотвращения дегазации.

     • Применяется в ускорителях частиц, физике плазмы.

   • Пример: вакуум в установках для исследования поверхности материалов.

5. Экстремально высокий вакуум:

   • Диапазон давления: <10−12< 10^{-12} Торр (<10−10< 10^{-10} Па).

   • Характеристики:

     • Требует самых современных технологий.

     • Используется для научных экспериментов, например, в исследованиях гравитации.

Способы получения вакуума

Для достижения различных уровней вакуума применяются разнообразные методы и насосы.

Механические методы

1. Вихревые и ротационные насосы:

   • Используются для получения низкого вакуума.

   • Принцип работы: перекачивание газа через механические элементы.

   • Пример: пластинчато-роторные насосы.

2. Форвакуумные насосы:

   • Используются для достижения среднего вакуума.

   • Часто применяются в комбинации с другими насосами.

   • Пример: мембранные или поршневые насосы.

Физико-химические методы

1. Диффузионные насосы:

   • Применяются для получения высокого вакуума.

   • Принцип работы: использование потока горячего пара масла для захвата молекул газа.

   • Требуют системы охлаждения.

2. Турбомолекулярные насосы:

   • Используются для достижения высокого и ультравысокого вакуума.

   • Принцип работы: ротор с высокой скоростью сталкивается с молекулами газа, перемещая их к выходу.

3. Криогенные насосы:

   • Применяются для ультравысокого вакуума.

   • Принцип работы: замораживание молекул газа на холодных поверхностях.

4. Ионные насосы:

   • Достигают ультравысокого вакуума.

   • Принцип работы: использование электрического поля для захвата и ионизации молекул газа.

5. Сорбционные насосы:

   • Используются для откачки газа через адсорбцию на поверхности специальных материалов (например, углеродных адсорбентов).

Комбинированные системы

Для достижения высокого и ультравысокого вакуума часто используют комбинацию насосов, например:

• Форвакуумный насос + диффузионный насос.

• Турбомолекулярный насос + криогенный насос.

Факторы, влияющие на создание вакуума

1. Герметичность системы:

   • Утечки ухудшают качество вакуума.

2. Дегазация:

   • Выделение молекул газа из материалов внутри вакуумной камеры.

3. Скорость откачки:

   • Зависит от характеристик используемых насосов.

Применение вакуума

• Микроэлектроника и нанотехнологии.

• Сварка, пайка, и металлургические процессы.

• Исследования космоса и физики.

• Производство вакуумной упаковки.

9. Приборы для измерения уровня вакуума.

Приборы для измерения уровня вакуума

Измерение уровня вакуума — это процесс определения давления газа или пара в вакуумной системе. Для этого используются вакуумметры, которые подбираются в зависимости от диапазона давлений и точности измерений.

Классификация вакуумметров по принципу действия