Techniques de fabrication de semi-conducteurs

La fabrication de semi-conducteurs uniquement à base de silicium est décrite dans cette section; la plupart des semi-conducteurs sont en silicium. Le silicium est particulièrement adapté aux circuits intégrés car il forme facilement un revêtement d'oxyde, utile pour modeler les composants intégrés comme les transistors.

Silicium

Le silicium est le deuxième élément le plus répandu dans la croûte terrestre sous la forme de dioxyde de silicium, SiO₂ , autrement connu sous le nom de sable de silice. Le silicium est libéré du dioxyde de silicium par réduction avec du carbone dans un four à arc électrique

SiO₂ + C =CO₂ + Si

Un tel silicium de qualité métallurgique convient à une utilisation dans des tôles de transformateur en acier au silicium, mais pas assez pur pour les applications de semi-conducteurs. Conversion au chlorure SiCl₄ (ou SiHCl₃ ) permet une purification par distillation fractionnée. La réduction par du zinc ou du magnésium ultrapur donne du silicium spongieux, nécessitant une purification supplémentaire. Ou, la décomposition thermique sur un réchauffeur de tige de silicium polycristallin chaud par l'hydrogène donne du silicium ultra pur.

Si + 3HCl =SiHCl₃ + H₂ SiHCl₃ + H₂ =Si + 3HCl₂

Le silicium polycristallin est fondu dans un creuset en silice fondue chauffé par un suscepteur en graphite chauffé par induction. L'élément chauffant en graphite peut en variante être directement alimenté par une basse tension à un courant élevé. Dans le processus Czochralski , la masse fondue de silicium est solidifiée sur une tige de silicium monocristallin de la taille d'un crayon de l'orientation de réseau cristallin souhaitée. (Figure ci-dessous) La tige est tournée et tirée vers le haut à une vitesse pour encourager le diamètre à s'étendre à plusieurs pouces. Une fois ce diamètre atteint, la boule est automatiquement tiré à un taux pour maintenir un diamètre constant à une longueur de quelques pieds. Des dopants peuvent être ajoutés à la masse fondue du creuset pour créer, par exemple, un semi-conducteur de type P. L'appareil de culture est enfermé dans une atmosphère inerte.

Croissance de silicium monocristallin Czochralski.

La boule finie est meulée à un diamètre final précis, et les extrémités sont taillées. La boule est découpée en tranches par une scie diamantée de diamètre intérieur. Les plaquettes sont rectifiées à plat et polies. Les plaquettes pourraient avoir une épitaxiale de type N couche développée au sommet de la plaquette par dépôt thermique pour une qualité supérieure. Les plaquettes à ce stade de la fabrication sont livrées par le fabricant de plaquettes de silicium au fabricant de semi-conducteurs.

La boule de silicium est sciée au diamant en plaquettes.

Traitement des semi-conducteurs

Le traitement des semi-conducteurs implique la photolithographie, un procédé de fabrication de plaques d'impression lithographiques métalliques par gravure à l'acide. La version électronique de ceci est le traitement des cartes de circuits imprimés en cuivre. Ceci est examiné dans la figure ci-dessous comme une introduction facile à la photolithographie impliquée dans le traitement des semi-conducteurs.

Le traitement des cartes de circuits imprimés en cuivre est similaire aux étapes photolithographiques du traitement des semi-conducteurs.

Nous commençons avec une feuille de cuivre laminée sur un panneau de fibre de verre époxy dans la figure ci-dessus (a). Nous avons également besoin d'illustrations positives avec des lignes noires correspondant aux lignes de câblage en cuivre et aux plots qui doivent rester sur la carte finie. Une illustration positive est requise car une résistance à action positive est utilisée. Cependant, une résistance négative est disponible pour les cartes de circuits imprimés et le traitement des semi-conducteurs. En (b), la résine photosensible positive liquide est appliquée sur la face en cuivre de la carte de circuit imprimé (PCB). Il est autorisé à sécher et peut être cuit dans un four. L'œuvre d'art peut être une reproduction positive sur film plastique de l'œuvre d'art originale mise à l'échelle à la taille requise. L'œuvre d'art est placée au contact du circuit imprimé sous une plaque de verre en (c). Le panneau est exposé à la lumière ultraviolette (d) pour former une latente image de résine photosensible adoucie. L'œuvre d'art est retirée (e) et la réserve ramollie lavée par une solution alcaline (f). La carte de circuit imprimé rincée et séchée (cuite) a une image de réserve durcie au-dessus des lignes de cuivre et des pastilles qui doivent rester après la gravure. Le panneau est immergé dans l'agent de gravure (g) pour éliminer le cuivre non protégé par une résine durcie. La planche gravée est rincée et la réserve enlevée par un solvant.

La principale différence dans la configuration des semi-conducteurs est qu'une couche de dioxyde de silicium au-dessus de la plaquette prend la place de la réserve pendant les étapes de traitement à haute température. Cependant, la réserve est nécessaire dans le traitement humide à basse température pour modeler le dioxyde de silicium.

Une plaquette de silicium dopé de type N sur la figure ci-dessous (a) est le matériau de départ dans la fabrication de jonctions semi-conductrices. Une couche de dioxyde de silicium (b) est cultivée au sommet de la plaquette en présence d'oxygène ou de vapeur d'eau à haute température (plus de 1000o C dans un four à diffusion. Une piscine de réserve est appliquée au centre de la plaquette refroidie, puis filée dans un mandrin à vide pour répartir uniformément la résine. La résine cuite (c) a un masque de chrome sur verre appliqué sur la plaquette en (d). Ce masque contient un motif de fenêtres qui est exposé à la lumière ultraviolette (e).

Fabrication d'une jonction diode silicium.

Une fois le masque retiré sur la figure ci-dessus (f), la réserve positive peut être développée (g) dans une solution alcaline, ouvrant des fenêtres dans la réserve adoucie aux UV. Le but de la réserve est de protéger le dioxyde de silicium de la gravure à l'acide fluorhydrique (h), en ne laissant ouvertes que les fenêtres correspondant aux ouvertures du masque. La réserve restante (i) est extraite de la plaquette avant de retourner au four de diffusion. La plaquette est exposée à un dopant gazeux de type P à haute température dans un four à diffusion (j). Le dopant ne diffuse dans le silicium que par les ouvertures de la couche de dioxyde de silicium. Chaque diffusion P à travers une ouverture produit une jonction PN. Si les diodes étaient le produit souhaité, la plaquette serait gravée au diamant et divisée en puces de diode individuelles. Cependant, la tranche entière peut être transformée en transistors à jonction bipolaire.

Pour convertir les diodes en transistors, une petite diffusion de type N au milieu de la région P existante est nécessaire. La répétition des étapes précédentes avec un masque ayant des ouvertures plus petites accomplit cela. Bien que cela ne soit pas représenté sur la figure ci-dessus (j), une couche d'oxyde s'est probablement formée au cours de cette étape au cours de la diffusion P. La couche d'oxyde sur la diffusion P est représentée sur la figure ci-dessous (k). Une résine photosensible positive est appliquée et séchée (l). Le masque émetteur de chrome sur verre est appliqué (m) et exposé aux UV (n). Le masque est retiré (o). La réserve adoucie aux UV dans l'ouverture de l'émetteur est éliminée avec une solution alcaline (p). Le dioxyde de silicium exposé est décapé avec de l'acide fluorhydrique (HF) en (q)

Fabrication d'un transistor à jonction bipolaire, continuation de Fabrication d'une jonction diode silicium.

Une fois la réserve non exposée retirée de la plaquette (r), elle est placée dans un four à diffusion (figure ci-dessus (s) pour un traitement à haute température. Un dopant gazeux de type N, tel l'oxychlorure de phosphore (POCl) diffuse à travers le petit émetteur fenêtre dans l'oxyde (s). Cela crée des couches NPN correspondant à l'émetteur, la base et le collecteur d'un BJT. Il est important que l'émetteur de type N ne soit pas entraîné tout au long de la base de type P, court-circuitant l'émetteur et collecteur. La région de base entre l'émetteur et le collecteur doit également être mince pour que le transistor ait un utile. Sinon, une région de base épaisse pourrait former une paire de diodes plutôt qu'un transistor. À (t) la métallisation est montrée faisant contact avec les régions du transistor. Cela nécessite une répétition des étapes précédentes (non illustrées ici) avec un masque pour les ouvertures de contact à travers l'oxyde. Une autre répétition avec un autre masque définit le motif de métallisation au-dessus de l'oxyde et en contactant les régions du transistor à travers l'openin gs.

La métallisation pourrait connecter de nombreux transistors et autres composants dans un circuit intégré . Cependant, un seul transistor est affiché. La plaquette finie est gravée au diamant et divisée en matrices individuelles pour l'emballage. Un fil d'aluminium de calibre fin relie les contacts métallisés de la matrice à un cadre de connexion , ce qui fait sortir les contacts du package final.

AVIS :

• La plupart des semi-conducteurs sont à base de silicium ultra pur car il forme un oxyde de verre au-dessus de la plaquette. Cet oxyde peut être modelé par photolithographie, ce qui rend possible des circuits intégrés complexes.
• Des monocristaux de silicium en forme de saucisse sont cultivés par le procédé Czochralski. Ce sont des tranches de diamant sciées en plaquettes.
• La structuration des plaquettes de silicium par photolithographie est similaire à la structuration des circuits imprimés en cuivre. Une résine photosensible est appliquée sur la plaquette, qui est exposée à la lumière UV à travers un masque. La résine est développée, puis la plaquette est gravée.
• La gravure à l'acide fluorhydrique ouvre des fenêtres dans le dioxyde de silicium protecteur au sommet de la plaquette.
• L'exposition à des dopants gazeux à haute température produit des jonctions semi-conductrices telles que définies par les ouvertures dans la couche de dioxyde de silicium.
• La photolithographie est répétée pour plus de diffusions, de contacts et de métallisation.
• La métallisation peut interconnecter plusieurs composants dans un circuit intégré.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Feuille de travail de mise en page et de fabrication de circuits imprimés