Thành phố dành cho điện tử

6

Triển khai một số biện pháp nhằm cải tiến công nghệ sản xuất. Trong giai đoạn 5 năm tới, mở rộng việc sử dụng công nghệ cơ bản tiến bộ lên gấp 1,5-2 lần…

Tổ chức sản xuất hàng loạt máy tính cá nhân. Đảm bảo tăng sản lượng thiết bị máy tính lên 2-2,3 lần. Các chủ đề cao sẽ định hướng quy mô sử dụng máy tính điện tử hiệu suất cao hiện đại của mọi tầng lớp.

Từ dự thảo Phương hướng phát triển kinh tế và xã hội chính của Liên Xô giai đoạn 1986-1990 và giai đoạn đến năm 2000

Thành phố dành cho thợ điện

Ứng viên khoa học kỹ thuật
D. G. KRUTOGIN

Các mạch bán dẫn xen kẽ đã trở thành khối xây dựng chính của thiết bị điện tử trạng thái rắn trong những năm gần đây. Tiếp theo, một người nghiệp dư vô tuyến có kinh nghiệm hiện thích sử dụng vi mạch làm sẵn thay vì lắp ráp bộ khuếch đại từ các bộ phận. Hơn nữa, đây là những gì các nhà thiết kế chuyên nghiệp làm. Trong một thiết bị vô tuyến gia đình, chẳng hạn như trong TV, số lượng vi mạch lên tới mười, trong một thiết bị đặc biệt - hàng trăm, hàng nghìn chiếc trên mỗi sản phẩm. Mạch khoảng nhiều phần tử được gọi là lớn - viết tắt là LSI. Việc sử dụng các sơ đồ như vậy hóa ra lại đặc biệt hiệu quả trong công nghệ máy tính.*)

Vi mạch được tạo ra như thế nào? Hãy cùng theo dõi các công đoạn chính trong quá trình sản xuất LSI, chúng ta hãy thử đánh giá cả những khó khăn và thành tựu trong công nghệ của họ.

BIS dưới kính hiển vi lấp đầy bản đồ bố cục rõ ràng của một thành phố lớn. Vậy hãy so sánh việc xây dựng một LSI với việc xây dựng một thành phố, một thành phố dành cho thợ điện.

• Từ biên tập viên. Một loạt bài viết với tiêu đề “Các phần tử bán dẫn của công nghệ máy tính”, được xuất bản trên «Kvant», bắt đầu từ số 9 năm 1985, được dành cho những vấn đề này.

8

300 micron. Phương pháp sản xuất tấm wafer không kinh tế lắm: một chiếc cưa kim cương có độ dày 300 micron, sau đó mài, chuyển hơn 60% thể tích của một thỏi silicon đơn tinh thể thành mùn cưa, thu được với chi phí đáng kể cho chúng ta hoặc chi phí năng lượng. Và độ dày của tấm hoàn thiện sẽ được sử dụng kém. Độ sâu hữu ích, tức là độ dày của các lớp mà các điểm chúng ta cần sẽ chảy vào, không vượt quá 1 micron. Nhưng thật không may, không thể làm cho các tấm mỏng hơn - chúng sẽ bị phá hủy trong quá trình xử lý.

Là công trường xây dựng VIS, bạn có thể sử dụng tấm điện môi - nhôm oxit (Al₂O₃), thường được gọi là salfur. Tấm salfir được đánh bóng cẩn thận như tấm đá lửa, sau đó phủ một lớp silicon đơn tinh thể có độ dày cần thiết lên nó. Salfir được chọn làm chất nền vì vị trí của các nguyên tử trên bề mặt tinh thể salfir khi xác định hướng của môi trường rất gần với cấu trúc của mạng tinh thể silicon. Hoàn cảnh này giúp có thể phát triển một lớp silicon tinh thể mỏng trên bề mặt của salfir – khu vực hoạt động của bóng bán dẫn trong tương lai. Sự kết hợp của các lớp “silicon trên salfir” - được ký hiệu là KNS - được sử dụng rộng rãi trong công nghệ sản xuất VIS. Nó có một ứng dụng quan trọng: salfir là chất điện môi tuyệt vời; nó cung cấp khả năng cách điện hoàn toàn cho từng phần tử mạch riêng lẻ. Từ quan điểm về cấu trúc liên kết của vi mạch, các phần tử này trong mạch silicon tương tự như các khối được đào xuống đất và trong cấu trúc SNS, chúng giống như những ngôi nhà (hình 1).

Trong khuôn khổ phân tích của chúng tôi, một VIS hiện đại tương đương với một thành phố có 100-150 nghìn ngôi nhà bán dẫn với hệ thống thông tin liên lạc phát triển (đường, điện, v.v.). Kích thước của thành phố này dao động từ 2x3 mm đến 6x8 mm. Và trên công trường như vậy, chúng tôi sẽ xây dựng tất cả các ngôi nhà cùng một lúc. Hơn nữa, trên một tấm wafer silicon, chúng tôi sẽ đồng thời xây dựng 100-150 thành phố VIS (tùy thuộc vào kích thước của tấm wafer và diện tích của chip). Công trường xây dựng “khổng lồ” có kích thước thật của chúng tôi trông giống như công trường trên hình 2.

Có lẽ người đọc đặt câu hỏi: tại sao không chế tạo một vi mạch trên một con chip có kích thước chẳng hạn như 15x15 mm - điều này cũng không nhiều đối với một tấm có đường kính 150 mm và công suất của VIC sẽ tăng lên gấp nhiều lần. Hóa ra là trên một tinh thể có kích thước tăng lên gần như chắc chắn sẽ có một khiếm khuyết trong mạng nguyên tử có thể vô hiệu hóa hoàn toàn VIS. Trên diện tích bề mặt 1-2 cm², ngay cả tấm tốt nhất hiện nay cũng sẽ có ít nhất một khuyết điểm. Vì thế nó xuất hiện trước ý chí “malm”.

Hình 2. Đây là hình dáng của một “công trường” có kích thước thật, trên đó có tới một trăm “thành phố” VIS đang được xây dựng đồng thời. Và để xem được sơ đồ của một “quý” cụ thể, cần phải phóng to nó lên hàng trăm lần.

9

Hãy bắt đầu xây dựng với… cửa sổ

Vì vậy, chúng tôi bắt đầu xây dựng. Những ngôi nhà ở thành phố của chúng tôi không hề nhỏ. Nhìn vào hình 3,a: ba “tầng” trong khu vực làm việc của bóng bán dẫn, hai tầng dây kim loại và một số tầng cách điện trung gian; nên cửa hàng gia đình phải có ít nhất 5-7 tầng.

Tổng số thao tác được thực hiện trong quá trình xây dựng mạch tích hợp lên tới hàng trăm, nhưng một số thao tác được lặp lại nhiều lần. Chúng ta sẽ xem xét những điểm quan trọng nhất trong quy trình sản xuất VIS.

Các vùng làm việc của bóng bán dẫn - bộ thu, đế, bộ phát - được hình thành bằng cách pha tạp silicon với các tạp chất thích hợp của các nguyên tố thuộc nhóm III và V của hệ thống tuần hoàn. Các nguyên tử ngoài hành tinh có thể được đưa vào cơ thể sáng tạo bằng hiện tượng khuếch tán. Nếu một tấm silicon được nung nóng trong hơi của hợp chất dễ bay hơi của nguyên tố hợp kim - ví dụ, trong hơi của BH₃ hoặc AsH₃ - thì một số nguyên tử trong hoặc As sẽ thâm nhập vào silicon.

(Quá trình này được gọi là doping khuếch tán.) Để không được sử dụng ở mọi nơi mà chỉ ở những nơi được cung cấp bởi cấu trúc liên kết VIS, cần phải phủ lên bề mặt của tấm một tấm màn mà nguyên tử không thể xuyên qua. Phải để “Windows” trên màn hình: thông qua chúng “vật liệu xây dựng” sẽ chảy sang tầng tiếp theo - các nguyên tử của ứng dụng (người cho và người nhận) sẽ được thâm nhập vào silicon, tạo thành vùng làm việc của bóng bán dẫn (xem hình 3, b-2).

Màn chắn silicon như vậy hóa ra lại là oxit SiO₂ của chính nó. Một lớp oxit khá “dày” dễ dàng hình thành trên bề mặt silicon ở nhiệt độ khoảng 1000°C; việc sử dụng các nguyên tử là không thể xuyên thủng được; ổn định ở nhiệt độ khuếch tán; bám chặt vào silicon. Trồng SiO₂ trong axit (khắc) cho phép bạn tạo các cửa sổ trong đó để khuếch tán tiếp theo. (Các nhà công nghệ không phải lúc nào cũng cảm thấy như vậy. Ví dụ, một vật liệu bán dẫn tuyệt vời—GaAs—không hình thành lớp năng lượng như vậy trong quá trình oxy hóa và việc che chắn nó trở thành một vấn đề riêng biệt.)

“Cắt qua cửa sổ” có dễ không?

Trước khi khắc các cửa sổ trong SiO₂, cần bảo vệ phần còn lại của màng oxit khỏi bị hòa tan (ở giai đoạn này, bản thân lớp được bảo vệ cần được bảo vệ). Đây là nơi bao gồm quy trình quan trọng nhất trong công nghệ kính hiển vi: quang khắc. Mục đích của nó là “mở” lớp SiO₂ được cấp nguồn theo sơ đồ cấu trúc liên kết VIS.

Quang khắc là một tập hợp các hoạt động liên quan đến việc sử dụng các hợp chất nhạy sáng tương tự như các hợp chất được áp dụng cho phim ảnh hoặc giấy ảnh. Những tác phẩm này được gọi là chất quang dẫn. Động từ “chống lại” trong tiếng Anh có nghĩa là “chống lại”. Chất quang dẫn tiếp xúc dễ dàng hòa tan trong dung dịch ăn mòn; chất quang dẫn không phơi sáng “chống lại” sự ăn mòn. (Bạn cũng có thể chọn bố cục, ngược lại, trở nên ổn định sau khi phơi sáng.)

Trong một máy ly tâm đặc biệt, chất cản chất lỏng được rửa sạch thành một lớp mỏng trên bề mặt tấm wafer silicon bị oxy hóa và sấy khô.