Procesrækkefølge ved fremstilling af integrerede kredse.

.

Tv. diagram for en CMOS-inverter bestående af en n-kanal- og en p-kanal-transistor. Inverteren er den fundamentale byggesten i digitale kredsløb, idet belastningskapaciteten af inverteren repræsenterer indgangskapaciteten af et efterfølgende kredsløb. Når indgangsspændingen på inverteren er lav, er n-kanal-transistoren afbrudt, mens p-kanal-transistoren er ledende; herved oplades belastningskapaciteten til høj udgangsspænding. Når indgangsspændingen derimod er høj, aflades belastningskapaciteten til lav udgangsspænding. Th. udgangsspænding som funktion af indgangsspænding for CMOS-inverter. Kurven viser inverterens overføringskarakteristik.

.

Fremstillingstrin for CMOS-inverter vist i tværsnit. 1 fremstilling af p-brønd; 2 dyrkning af oxidområder; 3 tilføjelse af gate-oxidlag, polysiliciumgate og pn-overgange; 4 deponering af isolerende glaslag, åbning til kontakter og deponering af metal.

.

Halvlederteknologi er teknik til fremstilling af halvledere og halvlederkomponenter. Inden for elektronikken anvendes halvlederkomponenter som dioder, transistorer og integrerede kredse i bl.a. computere, telekommunikationsudstyr og underholdningselektronik; inden for optoelektronikken (fotonikken) anvendes de til solceller, fotodioder og lysfølsomme elementer (CCDer) i fx videokameraer.

Den mest anvendte halvleder er silicium (Si), men halvlederforbindelser som galliumarsenid (GaAs) benyttes til transistorer og integrerede kredse i meget hurtige computere og parabolmodtagere til satellit-tv, og gallium-indium-arsenid-fosfid (GaInAsP) anvendes i halvlederlasere til fiberoptisk kommunikation.

Der er to afgørende milepæle i halvlederteknologiens udvikling: opfindelsen af transistoren i 1948 og af integrerede kredse i 1959. Begge disse opfindelser er gjort i USA. Siden er udviklingen gået stærkt med fabrikation af stadig mindre kredsløbselementer, forbedringer i procesudbytte og større halvlederskiver, som indeholder de integrerede kredse. Indtil 1996 blev antallet af transistorer, der kan indeholdes i en enkelt integreret kreds, fordoblet hver 18. måned og nærmede sig en milliard.

Halvledere er i ren tilstand og ved stuetemperatur dårlige elektriske ledere med en ledningsevne mellem en isolators og en god leders. Halvlederes specielle elektroniske egenskaber opnås ved at indføre udvalgte urenhedsatomer på nogle af halvlederatomernes pladser i krystalgitteret. Tilsættes fx urenhedsatomer med en ekstra valenselektron i forhold til halvlederens atomer, fås en n-type halvleder, i hvilken den elektriske strøm bæres af elektroner. Tilsættes derimod urenhedsatomer med én valenselektron færre end halvlederens atomer, fås en p-type halvleder, i hvilken strømmen bæres af huller, der skyldes en manglende elektron og kan opfattes som en positiv ladningsbærer. Kombinationer af n-type og p-type halvledere kan danne dioder og transistorer, som kan sammenbygges i integrerede kredse.

En række avancerede teknikker er udviklet til fremstilling af halvledere og integrerede kredse.

Fremstilling af enkrystaller

Store højkvalitets enkrystaller (bulkkrystaller) er udgangspunkt for de fleste øvrige fremstillingsprocesser inden for halvlederteknologien. De dyrkes sædvanligvis fra væskefasen med forskellige metoder, hvoraf den vigtigste er krystaltrækning, også kaldet Czokralski-metoden. I en smelte af halvledermaterialet roteres en kimkrystal, som har en lidt lavere temperatur end smelten. Efterhånden som sædkrystallen trækkes op af smelten, dyrkes nyt enkrystalmateriale på den. På denne måde kan der fx dyrkes stangformede enkrystaller af silicium med cirkulært tværsnit og diametre på 20-30 cm. Af sådanne enkrystaller saves tynde skiver (wafers) af nogle få mm tykkelse. Disse skiver danner grundlag for den videre fremstilling af komponenter og integrerede kredse.

Der er endvidere brug for meget tynde lag af enkrystal-halvledere. De fremstilles ved såkaldt epitaksialdyrkning oven på en skive bulkkrystal (substratet). Ved denne metode fortsætter krystalstrukturen ubrudt fra substratet over i det dyrkede tynde lag. Der er forskellige teknikker til denne proces, som kan ske enten i væskefase, gasfase, ved pådampning eller ved molekylbestråling (se epitaksi).

Integrerede kredse

Til at skabe de strukturer, som indgår i en integreret kreds, anvendes en kombination af fysiske og kemiske processer. De væsentlige er: påføring af tynde lag af forskellige materialer på substratet, urenhedsdotering, litografi og ætsning, ofte med adskillige gentagelser af processerne i forskellig orden. Nogle processer er uhyre følsomme over for fremmede partikler og uønskede urenheder. Derfor skal omgivelserne under fabrikationen være næsten sterile. Selve bygningskonstruktionen skal også være specielt udformet for at undgå mekaniske vibrationer fra omgivelserne.

Fremstilling af tynde lag

Halvlederteknologi (Integrerede kredse – Fremstilling af tynde lag), på substratet kan foregå på flere måder: ved termisk oxidation af halvledermaterialet, fx af Si til at skabe en silicafilm (SiO2), ved kemisk pådampning (CVD — Chemical Vapor Deposition) til at pålægge en film af Si, SiO2 eller siliciumnitrid (Si3N4) samt ved vakuumpådampning eller sputtering til at producere metalfilm. CVD er en gasfaseproces, hvori en film deponeres ved at kombinere de indgående gasser i et reaktionskammer ved høj temperatur. Pådampning og sputtering foregår i et vakuumkammer; ved pådampning sker metaltransporten ved hjælp af opvarmning og ved sputtering ved hjælp af bombarderende ioner fra en ionkilde.

Dotering

Dotering af ønskede urenheder for at fremstille enten n- eller p-type halvlederområder foretages enten ved termisk diffusion i en højtemperaturovn, ved ionimplantation eller i forbindelse med den epitaksiale dyrkningsproces. For at konstruere komplekse integrerede kredse må n- og p-doterede områder placeres i naboområder nær halvlederens overflade.

I termisk diffusion udsættes de områder af halvlederens overflade, som skal doteres, for en koncentration af det doterende materiale ved høj temperatur. Bor og fosfor er hyppigt anvendte doteringsmaterialer, som kan introduceres ved 800-1200 °C. Doteringsmaterialerne trænger ind i halvlederen ved diffusion drevet af koncentrationsgradienten. Områder, som ikke skal doteres, er under processen dækket af en uigennemtrængelig film (diffusionsmaske).

Når der til mindre komponenter kræves skarpere profiler mellem doteringsområderne, større præcision i doteringskoncentrationen eller færre højtemperaturbehandlinger, anvendes ionimplantation. Ioner af doteringsmaterialet accelereres til energier på 10-500 keV og rettes mod den afmaskede halvlederoverflade. Indtrængningsdybden afhænger af ionenergien, idet ionerne nedbremses successivt ved stød mod halvlederens atomer og sluttelig finder en plads i gitteret. Undervejs er der ved stødene skabt uorden i gitteret, men disse skader kan udbedres ved termisk udglødning ved ca. 800 °C.

Litografi

Litografi bruges til at definere de små geometrier, som kræves i integrerede kredse. Halvlederoverfladen dækkes først med en tynd film af fotofølsomt materiale (fotoresist). Litografien kan udføres enten optisk, med røntgenstråler eller med elektronstråler. Ved optisk litografi dannes mønsteret for den integrerede kreds først på en glasplade (maske) og overføres derefter til fotoresisten ved forskellige optiske teknikker. Ved røntgenstråler anvendes en speciel maske. Elektronstråler kan kontrolleres så nøjagtigt, at mønstertegningen kan foregå uden maske direkte på en elektronfølsom resist.

Den mest avancerede optiske litografi kan definere geometrier med en præcision på ca. 0,5 μm. Elektronstråle- og røntgenstrålelitografi har en væsentlig bedre opløsning og udnyttes fx til integrerede kredse til meget høje frekvenser (over ca. 10 GHz).

Ætsning

Ætsning er næste proces efter litografien. Ved ætsningen overføres resistmønsteret til den underliggende halvlederoverflade. Der er også her flere mulige teknikker: våd kemisk ætsning, tør plasmaætsning og reaktiv ionætsning. Den våde kemiske ætsning udnytter en kemisk reaktion mellem ætsen og halvlederen, men uden at maskematerialet ætses bort. Våd kemisk ætsning er begrænset i præcision, idet der kun kan ætses mønstre ned til 3-4 μm. Også forholdet mellem mønstrenes højde og bredde er opadtil begrænset.

De to andre teknikker giver bedre præcision. Ved plasmaætsning dannes et plasma over den afmaskede overflade. Det skabes fx ved en elektrisk udladning i gasser ved et tryk på 10-3 atm. Plasmaets ioner og frie radikaler, alle med høj kinetisk energi, rettes mod halvlederens blotlagte områder, hvor de slår atomer løs fra overfladen. Ved reaktiv ionætsning øges effektiviteten ved, at plasmaet tilsættes gasser, som reagerer kemisk med halvlederen (sædvanligvis halogener som fluor, klor eller brom).

Fremstillingen af en integreret kreds kræver gennemløb af processerne flere gange; fx kræver fremstilling af en silicium CMOS-kreds med metalgate syv gennemløb af litografiprocessen. Gennemløbstiden for en komplet CMOS-proces kan være fra to til seks uger afhængigt af processens kompleksitet.

Halvlederteknologiens samfundsmæssige betydning

Halvlederteknologien har udviklet sig til en moderne industrigren med stor økonomisk betydning og med mange højt specialiserede arbejdspladser først og fremmest i USA, men også i Japan og i flere andre asiatiske lande som Taiwan, Korea og Malaysia. I Europa har halvlederindustrien udviklet sig noget langsommere, om end der også her er foretaget meget store investeringer.

En række danske virksomheder arbejder inden for halvlederteknologi, bl.a. Topsil Semiconductor Materials, som producerer Si-enkrystaller til producenter af integrerede kredse over hele verden, og Danfysik, som er blandt de førende leverandører af ionkilder til ionimplantation. Mikroelektronik Centret ved Danmarks Tekniske Universitet blev etableret i begyndelsen af 1990'erne for at styrke samarbejdet mellem dansk erhvervsliv og forskning inden for halvlederteknologi. Centret råder over mange af de avancerede faciliteter, som denne teknik kræver.

Læs mere i Den Store Danske

Kommentarer

Kommentarer til artiklen bliver synlige for alle. Undlad at skrive følsomme oplysninger, for eksempel sundhedsoplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer, når de kan.

Du skal være logget ind for at kommentere.

eller registrer dig