Техника - молодёжи 1988-08, страница 5

ОТ ПЕСЧИНКИ ДО МИКРОСХЕМЫ

Совершим мысленное путешествие от карьера, где добывают кварцевый песок, до цеха микроэлектронного предприятия. Подробная технологическая схема включает до полутысячи операций. Мы же выделили лишь ключевые этапы.

После плааки в дуговой печи и других химических процессов кварцевый песок (двуокись кремния с некоторыми примесями) превращается в металлический кремний. На этом этапе проводится и его очистка. После восстановления кремний представляет собой множество сросшихся, хаотически ориентированных крошечных кристаллов. Но для производства микросхем годится лишь монокристалл, иными словами, слиток, атомы которого упакованы в идеальном порядке. Выращивают его различными способами. Чаще всего поликристаллический кремний расплавляют в тигле, куда затем опускают небольшой кристалл-за-травку. Она-то и задает нужный по-

РАСТИ, МОНОКРИСТАЛЛ

Качество полупроводников — это прежде всего количество и состав примесей. И хотя введение в решетку кристалла чужеродных атомов — непременное условие любой микроэлектронной технологии, это вовсе не значит, будто предварительная очистка полупроводников, что называется, дело десятое. Образно выражаясь, холст, на котором ионные пучки будут выписывать рисунок чипа, должен быть девственно белым, в нашем случае — чистым. Кремний в этом отношении особенно капризен. Для нормальной работы прибора в кристалле должно быть не больше одного случайного атома на миллиард. Вот почему первые транзисторы были не кремниевыми, а германиевыми — требования к его чистоте не так строги. Но когда количество примесей измеряется десятимиллионными долями процента, обнаружить их обычными методами почти невозможно. Единственный способ проверить чистоту кристалла — попробовать измерить его электрические характеристики.

Из очищенного кремния предстоит выплавить слиток, кристаллическая решетка которого была бы непрерывной и правильной. Существует множество способов получения таких гигантских монокристаллов. Один из самых пока распространенных — метод Чохраль-ского. В чем его суть? Восстановленный из песка кремний расплавляют в кварцевом тигле. Затем туда опускают небольшой кристалл-затравку. В процессе плавки у его нижней поверхности обра-

рядок расположения атомов. В ходе плавки затравку медленно вытягивают из тигля, так, чтобы на ее нижней поверхности успевал наращиваться монокристалл.

Готовый слиток режут, словно колбасу, на очень тонкие кружки — меньше миллиметра. Это делают специальными высокоскоростными алмазными дисками. Даже столь, казалось бы, простая операция имеет свои секреты, ведь кристаллы кремния и тверды, и хрупки. Однако после резки поверхность пластин далека от совершенства, не говоря уже о том, что она просто грязная. Незаметные на первый взгляд дефекты могут сыграть злую шутку при последующих химических процессах. Поэтому пластины шлифуют, а потом стравливают их верхний неровный (разумеется, в атомных масштабах) слой кислотой. Перед нанесением нужного рисунка на кремнии формируется защитное покрытие и наносится светочувствительный лак — фоторезист. Капля лака, упав в вакууме на пластину, растекается по ней тонким слоем. Сушка идет в специальной печи.

зуется мениск жидкого кремния. Когда затравку начинают медленно вытягивать из тигля, расплав в мениске остывает и твердеет, кристаллическая решетка растущего кристалла обретает нужную структуру, присоединяя к себе атомы кремния из расплава. Те, в свою очередь, служат образцом для следующих слоев. Так миллиметр за миллиметром растет монокристалл. Чтобы придать ему правильную и симметричную форму, расплав непрерывно перемешивают, вращая затравку или тигель. Перепад температур в разных точках мениска остается небольшим, и это препятствует неравномерному росту кристалла в боковых направлениях.

Идея Чохральского проста, трудна ее реализация. Плавясь при температуре свыше 1400°С, кремний растворяет или вступает в реакции практически с любыми материалами. Из чего же тогда делать сам тигель? Уж на что инертен кварц, представляющий собой, кстати, тоже окись кремния, но и он загрязняет кислородом тщательно очищенное сырье. Поэтому иногда тигель покрывают графитом, и хотя при этом в расплаве появляется карбид кремния, такая примесь не слишком вредна для будущих микросхем.

Есть и другой путь — вовсе отказаться от тигля. Кремниевый стержень ставится вертикально, нагревается и расплавляется на небольшом участке, выше и ниже которого материал остается твердым. Жидкая зона, удерживаемая силами поверхностного натяжения, медленно движется вдоль стержня. Если у одного из торцов поместить за-

Проектирование будущего чипа начинается задолго до подготовки пластин. Его принципиальную электрическую схему инженеры-электронщики разрабатывают для каждого конкретного случая отдельно — в зависимости от заданных функций. Один из ключевых этапов — выбор топологии, то есть взаимного расположения элементов на чипе и наиболее выгодного рисунка связей между ними. Поскольку количество элементов исчисляется миллионами, а связей гораздо больше, образуются многослойные конструкции, часто в десяток и более этажей. Без сверхмощных компьютеров «чиповую архитектуру» рассчитать невозможно.

Но вот топология определена. Готовят набор своеобразных негативов, с которых на кремний будет печататься рисунок каждого слоя. Этими негативами — их называют шаблонами или масками — служат тонкие стеклянные пластинки с металлическим (обычно золотым) покрытием. Сфокусированный пучок ускоренных частиц из электронной пушки рисует на нем тончайший узор, который с помощью литографии и

Так выращивается кристалл кремния — основа будущих микросхем.

травку, стержень превратится в монокристалл. Так называемая бестигельная зонная плавка позволяет избавиться даже от тех примесей, которые уже есть в кремнии: они не встраиваются в кристалл, а отступают перед фронтом кристаллизации вместе с жидкой фазой. Все примеси постепенно собираются по краям стержня, потом эти загрязненные участки обрезаются.

Методы выращивания монокристаллов совершенствуются. Цель, которую ставят ученые и технологи,— получить кремниевый стержень максимального диаметра и длины. Пока самые крупные монокристаллы имеют диаметр 15 см и длину до 3 м. Но это, разумеется, не предел, и в ближайшем будущем следует ждать новых рекордов.

3