Técnicas de fabricación de semiconductores

En esta sección se describe la fabricación únicamente de semiconductores basados ​​en silicio; la mayoría de los semiconductores son de silicio. El silicio es particularmente adecuado para circuitos integrados porque forma fácilmente una capa de óxido, útil para modelar componentes integrados como transistores.

Silicio

El silicio es el segundo elemento más común en la corteza terrestre en forma de dióxido de silicio, SiO ₂ , también conocida como arena de sílice. El silicio se libera del dióxido de silicio por reducción con carbono en un horno de arco eléctrico

SiO ₂ + C =CO ₂ + Si

Este silicio de grado metalúrgico es adecuado para su uso en laminaciones de transformadores de acero al silicio, pero no es lo suficientemente puro para aplicaciones de semiconductores. Conversión al cloruro SiCl ₄ (o SiHCl ₃ ) permite la purificación por destilación fraccionada. La reducción mediante zinc o magnesio ultrapuros produce silicio esponjoso, que requiere una mayor purificación. O, la descomposición térmica en un calentador de varilla de silicio policristalino caliente por hidrógeno produce silicio ultra puro.

Si + 3HCl =SiHCl ₃ + H ₂ SiHCl ₃ + H ₂ =Si + 3HCl ₂

El silicio policristalino se funde en un crisol de sílice fundido calentado por un susceptor de grafito calentado por inducción. Alternativamente, el calentador de grafito puede ser impulsado directamente por un voltaje bajo a una corriente alta. En el proceso Czochralski , la masa fundida de silicio se solidifica sobre una varilla de silicio monocristalino del tamaño de un lápiz con la orientación de red cristalina deseada. (Imagen siguiente) La varilla se gira y se tira hacia arriba a una velocidad que fomenta que el diámetro se expanda a varias pulgadas. Una vez alcanzado este diámetro, la bola se tira automáticamente a una velocidad para mantener un diámetro constante a una longitud de unos pocos pies. Pueden añadirse dopantes a la masa fundida del crisol para crear, por ejemplo, un semiconductor de tipo P. El aparato de cultivo está encerrado en una atmósfera inerte.

Crecimiento de silicio monocristalino de Czochralski.

La bola terminada se muele a un diámetro final preciso y los extremos se recortan. La bola se corta en obleas con una sierra de diamante de diámetro interior. Las obleas se muelen completamente y se pulen. Las obleas podrían tener un tipo N epitaxial capa cultivada encima de la oblea por deposición térmica para una mayor calidad. Las obleas en esta etapa de fabricación son entregadas por el fabricante de obleas de silicio al fabricante de semiconductores.

La bola de silicona se corta con diamante en forma de obleas.

Procesamiento de semiconductores

El procesamiento de semiconductores implica fotolitografía, un proceso para fabricar planchas de impresión litográficas de metal mediante grabado ácido. La versión electrónica de esto es el procesamiento de placas de circuito impreso de cobre. Esto se revisa en la Figura siguiente como una introducción fácil a la fotolitografía involucrada en el procesamiento de semiconductores.

El procesamiento de placas de circuito impreso de cobre es similar a los pasos fotolitográficos del procesamiento de semiconductores.

Comenzamos con una lámina de cobre laminada a un tablero de fibra de vidrio epoxi en la Figura anterior (a). También necesitamos ilustraciones positivas con líneas negras correspondientes a las líneas de cableado de cobre y las almohadillas que deben permanecer en el tablero terminado. Se requiere arte positivo porque se usa una resistencia de acción positiva. Sin embargo, la resistencia negativa está disponible tanto para placas de circuitos como para procesamiento de semiconductores. En (b), el fotorresistente líquido positivo se aplica a la cara de cobre de la placa de circuito impreso (PCB). Se deja secar y se puede hornear en un horno. La obra de arte puede ser una reproducción positiva de película plástica de la obra de arte original escalada al tamaño requerido. La obra de arte se coloca en contacto con la placa de circuito debajo de una placa de vidrio en (c). El tablero se expone a la luz ultravioleta (d) para formar un latente imagen de fotorresistente suavizado. La obra de arte se quita (e) y la capa protectora suavizada se lava con una solución alcalina (f). La placa de circuito enjuagada y seca (horneada) tiene una imagen de resistencia endurecida sobre las líneas de cobre y las almohadillas que deben permanecer después del grabado. La placa se sumerge en el grabador (g) para eliminar el cobre que no está protegido por una capa protectora endurecida. El tablero grabado se enjuaga y la capa protectora se retira con un solvente.

La principal diferencia en el patrón de los semiconductores es que una capa de dióxido de silicio encima de la oblea ocupa el lugar de la capa protectora durante los pasos de procesamiento a alta temperatura. Sin embargo, la resistencia se requiere en el procesamiento húmedo a baja temperatura para modelar el dióxido de silicio.

Una oblea de silicio dopada tipo N en la Figura siguiente (a) es el material de partida en la fabricación de uniones semiconductoras. Se hace crecer una capa de dióxido de silicio (b) encima de la oblea en presencia de oxígeno o vapor de agua a alta temperatura (más de 1000o C en un horno de difusión. Se aplica un grupo de resist en el centro de la oblea enfriada, luego se hace girar en un mandril de vacío para distribuir uniformemente la capa protectora. La capa protectora horneada (c) tiene una máscara de cromo sobre vidrio aplicada a la oblea en (d). Esta máscara contiene un patrón de ventanas que está expuesto a la luz ultravioleta (e).

Fabricación de una unión de diodos de silicio.

Después de que se quita la máscara en la Figura anterior (f), la capa protectora positiva se puede desarrollar (g) en una solución alcalina, abriendo ventanas en la capa protectora ablandada por UV. El propósito de la capa protectora es proteger el dióxido de silicio del grabado con ácido fluorhídrico (h), dejando solo las ventanas abiertas correspondientes a las aberturas de la máscara. La resistencia restante (i) se quita de la oblea antes de regresar al horno de difusión. La oblea se expone a un dopante gaseoso de tipo P a alta temperatura en un horno de difusión (j). El dopante solo se difunde en el silicio a través de las aberturas de la capa de dióxido de silicio. Cada P-difusión a través de una abertura produce una unión PN. Si los diodos fueran el producto deseado, la oblea se trazaría con diamantes y se dividiría en chips de diodos individuales. Sin embargo, toda la oblea puede procesarse más en transistores de unión bipolar.

Para convertir los diodos en transistores, se requiere una pequeña difusión de tipo N en el medio de la región P existente. Repitiendo los pasos anteriores con una máscara que tiene aberturas más pequeñas logra esto. Aunque no se muestra en la Figura anterior (j), probablemente se formó una capa de óxido en ese paso durante la P-difusión. La capa de óxido sobre la difusión P se muestra en la Figura siguiente (k). Se aplica fotorresistente positivo y se seca (l). Se aplica la máscara emisora ​​de cromo sobre vidrio (m) y se expone a los rayos UV (n). Se quita la mascarilla (o). La capa protectora ablandada con UV en la abertura del emisor se elimina con una solución alcalina (p). El dióxido de silicio expuesto se elimina con ácido fluorhídrico (HF) en (q)

Fabricación de un transistor de unión bipolar, continuación de Fabricación de una unión de diodo de silicio.

Después de que la capa protectora no expuesta se quita de la oblea (r), se coloca en un horno de difusión (Imagen anterior (s) para el procesamiento a alta temperatura. Un dopante gaseoso de tipo N, como el oxicloruro de fósforo (POCl) se difunde a través del emisor pequeño ventana en el (los) óxido (s). Esto crea capas NPN correspondientes al emisor, la base y el colector de un BJT. Es importante que el emisor de tipo N no atraviese completamente la base de tipo P, provocando un cortocircuito en el emisor y colector. La región de la base entre el emisor y el colector también debe ser delgada para que el transistor tenga un β útil. De lo contrario, una región de base gruesa podría formar un par de diodos en lugar de un transistor. En (t) se muestra la metalización haciendo contacto con las regiones del transistor. Esto requiere una repetición de los pasos anteriores (no se muestran aquí) con una máscara para las aberturas de contacto a través del óxido. Otra repetición con otra máscara define el patrón de metalización sobre el óxido y el contacto con las regiones del transistor a través de la abertura. gs.

La metalización podría conectar numerosos transistores y otros componentes en un circuito integrado . Sin embargo, solo se muestra un transistor. La oblea terminada se marca con diamante y se rompe en troqueles individuales para su empaque. El alambre de aluminio de calibre fino une los contactos metalizados del troquel a un marco de plomo , que saca los contactos del paquete final.

REVISAR:

• La mayoría de los semiconductores se basan en silicio ultra puro porque forma un óxido de vidrio sobre la oblea. Este óxido se puede modelar con fotolitografía, lo que hace posible circuitos integrados complejos.
• Los monocristales de silicio en forma de salchicha se cultivan mediante el proceso Czochralski. Estos son cortados con diamante en forma de obleas.
• El modelado de obleas de silicio mediante fotolitografía es similar al modelado de placas de circuito impreso de cobre. Se aplica fotorresistencia a la oblea, que se expone a la luz ultravioleta a través de una máscara. Se desarrolla la resistencia, luego se graba la oblea.
• El grabado con ácido fluorhídrico abre ventanas en el dióxido de silicio protector encima de la oblea.
• La exposición a dopantes gaseosos a alta temperatura produce uniones semiconductoras definidas por las aberturas en la capa de dióxido de silicio.
• La fotolitografía se repite para obtener más difusiones, contactos y metalización.
• La metalización puede interconectar múltiples componentes en un circuito integrado.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de diseño y fabricación de placas de circuito impreso