TECHNOLOGICKÉ PROCESY PŘI VÝROBĚ POLOVODIČOVÝCH PRVKŮ I. APLIKACE LITOGRAFIE
Úvod Litografické technologie jsou požívány při výrobě integrovaných obvodů (IO). Výroba IO začíná definováním jeho funkce a vypracováním elektrického schématu. S pomocí počítače je navržena morfologie obvodu – ze známých tvarů integrovaných součástek a jejich propojů je navržena celá mechanická skladba IO. Z ní plynou potřebné tvary výrobních litografických desek, kterých bude potřeba celá sada (i několik desítek). Základem pro výrobu IO jsou křemíkové pláty – wafery (salámky), které se řežou z ingotů monokrystalu křemíku. Povrch waferu musí být precizně zarovnán, aby technologie výroby jednotlivých prvků IO nebyla narušena. Úlohou litografie je zajistit přesný rozměr a přesnou polohu jednotlivých funkčních oblastí polovodiče pomocí masky (skutečné nebo v paměti počítače) a přenosu jejího obrazu fotografickou cestou nejprve do fotorezistu a po vyvolání záznamu ve fotorezistu dále leptáním do dielektrické vrstvy. Tímto litografickým postupem vzniká na povrchu polovodičové desky soustava zamaskovaných a odkrytých plošek, na nichž se v dalším kroku provede určitá operace (leptání, oxidace, lokální dotace apod.). Litografie se opakuje při výrobě obvodu tolikrát, kolik masek je v sadě.
Příprava waferu Wafery se připravují z vyrobeného ingotu monokrystalu křemíku jeho příčným rozřezáním obvykle kotoučovou pilou s diamantovými zrny:
1 – monokrystal 2 – kotoučová pila
Obr.: Monokrystal křemíku
Obr.: Princip řezání monokrystalu
Nařezané desky mají tloušťku 0,5 až 1 mm. Strany poškozené řezáním se lapováním vyrovnají a pak se jedna z nich dále leští jemnými leštícími prášky a omývá vyčištěnou deionizovanou vodou a organickými rozpouštědly. Konečný povrch má vysoce zrcadlový lesk.
Výsledný zrcadlový povrch
Na této vysoce lesklé ploše jsou pomocí masek litografickým procesem následně vytvořeny topologie velkého množství integrovaných obvodů.
Masky Jsou to tenké kovové plochy, do kterých jsou vytvořeny drobné otvory. Přes tyto otvory jsou zářením vyznačena místa pro vytváření vrstev uvnitř či na povrchu waferu. Ostatní plochy překrývají místa, kde tyto procesy nemají probíhat.
Obrázek znázorňuje čtyři masky jednoduššího obvodu. Masky jsou znázorněny bíle ohraničenými plochami, plochami vyšrafovanými, čárkovanými a černými.
Velmi složitá jedna maska mikropočítače
Litografie Je to tisková technika – kamenotisk (řecky lithos-kámen, grafo-píši), označuje techniku přenosu obrazu, nakresleného na hladké tiskové desce, na papír. V mikroelektronice se slovem litografie rozumí vyznačení a zpřístupnění oblastí na ploše polovodičové desky, které mají být podrobeny technologickému procesu v daném kroku technologie, zatímco zbývající plochy mají být před účinky procesu uchráněny. Mikroelektronická litografie používá tři nástroje: fotorezist (rezist), masku a leptání.
Rezist Je to polymerová látka, z níž vytvoříme na podložce povlak. Po vyschnutí dobře přilne na podložku a vyznačuje se tím, že zabraňuje účinkům technologických procesů, tedy i leptání. Rozlišujeme dva druhy rezistu: pozitivní a negativní. Pozitivní rezist – snadno se dá odplavit v místech ozářených elektromagnetickými vlnami (světlo, rentgenové záření) nebo částicemi (elektrony, Ionty), po ozáření degraduje – rozpadá se, zatímco na neozářených místech rezist zůstane. Negativní rezist – je to opak - ozářením zpevní, neozářená místa se vyplaví.
Obr.: Princip funkce pozitivního a negativního rezistu
Tímto způsobem se pomocí vhodného záření vnese do rezistu obraz.
Negativní a pozitivní litografický proces:
Příklad vytvoření stejné topologické struktury negativním a pozitivním litografickým procesem při použití masky:
Oba uvedené postupy mají své výhody a nevýhody a jejich využití závisí na konkrétních potřebách technologie výroby příslušných elektronických součástek. Obecně lze říci, že pozitivní proces je díky lepším litografickým vlastnostem pozitivních rezistů výhodnější zejména z hlediska rozměrové přesnosti přenášených obrazců topologické struktury. Litografický proces • vytvoření povlaku z rezistu • přiložení masky s obrazci, které se mají překopírovat do vrstvy SiO2 • ozáření rezistu ultrafialovým zářením přes masku • odplavení degradovaného rezistu z nežádoucích míst • odleptání SiO2 z nechráněných míst (bez rezistu) – chemickými prostředky • na odleptaných místech se provedou technologické operace, které vedou k vytváření polovodivých či vodivých struktur (iontová implantace, difúze, napařování, epitaxe apod.) • před každou litografickou operací se provádí mezioperační kontrola • po provedené kontrole se provede překrytí vrstvou SiO2 a může následovat další cyklus s novou maskou
Po dokončení všech technologických kroků je plátek pokryt čipy integrovaných obvodů:
Ne všechny jsou však zdařilé. Vadné čipy se po testování označí a celý plátek se narýhuje v mezerách řádků a sloupců tak, aby se snadno rozlámal na jednotlivé čipy. Kvalitní čipy se zapouzdří.
Obr.: Narýhovaný wafer
Zdroje: Ižo a kol, Elektrotechnické materiály Szántó L., Integrované obvody Szendiuch a kol., Výroba součástek a konstrukčních prvků Wikipedia Archiv autora
Zpracoval ing. František Stoklasa
