Técnicas de fabricação de semicondutores

A fabricação apenas de semicondutores à base de silício é descrita nesta seção; a maioria dos semicondutores é de silício. O silício é particularmente adequado para circuitos integrados porque rapidamente forma um revestimento de óxido, útil na padronização de componentes integrados como transistores.

Silício

O silício é o segundo elemento mais comum na crosta terrestre na forma de dióxido de silício, SiO ₂ , também conhecida como areia de sílica. O silício é liberado do dióxido de silício por redução com carbono em um forno elétrico a arco

SiO ₂ + C =CO ₂ + Si

Esse silício de grau metalúrgico é adequado para uso em laminações de transformadores de aço silício, mas não quase puro o suficiente para aplicações de semicondutores. Conversão para o cloreto SiCl ₄ (ou SiHCl ₃ ) permite a purificação por destilação fracionada. A redução por zinco ou magnésio ultrapuro produz silício esponjoso, exigindo purificação adicional. Ou, a decomposição térmica em um aquecedor de barra de silício policristalino quente por hidrogênio produz silício ultra puro.

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

O silício policristalino é derretido em um cadinho de sílica fundida aquecido por um susceptor de grafite aquecido por indução. O aquecedor de grafite pode, alternativamente, ser acionado diretamente por uma baixa tensão em alta corrente. No processo Czochralski , o fundido de silício é solidificado em um bastão de silício monocristal do tamanho de um lápis com a orientação de rede cristalina desejada. (Figura abaixo) A haste é girada e puxada para cima a uma taxa que estimule o diâmetro a se expandir em vários centímetros. Uma vez que esse diâmetro é atingido, o boule é puxado automaticamente a uma taxa para manter um diâmetro constante a um comprimento de alguns pés. Dopantes podem ser adicionados ao fundido do cadinho para criar, por exemplo, um semicondutor do tipo P. O aparelho de cultivo está encerrado em uma atmosfera inerte.



Crescimento de silício monocristalino de Czochralski.

A bola acabada é esmerilhada em um diâmetro final preciso e as pontas são aparadas. O boule é cortado em wafers por uma serra de diamante de diâmetro interno. As bolachas são retificadas e polidas. As bolachas podem ter um epitaxial tipo N camada crescida sobre o wafer por deposição térmica para maior qualidade. Os wafers neste estágio de fabricação são entregues pelo fabricante do wafer de silício ao fabricante do semicondutor.



O boule de silício é um diamante serrado em bolachas.

Processamento de Semicondutores

O processamento de semicondutores envolve fotolitografia, um processo para fazer placas de impressão litográfica de metal por ataque ácido. A versão baseada na eletrônica é o processamento de placas de circuito impresso de cobre. Isso é revisto na Figura abaixo como uma introdução fácil à fotolitografia envolvida no processamento de semicondutores.



O processamento de placas de circuito impresso de cobre é semelhante às etapas fotolitográficas do processamento de semicondutores.

Começamos com uma folha de cobre laminada a uma placa de fibra de vidro epóxi na Figura acima (a). Também precisamos de arte positiva com linhas pretas correspondendo às linhas de fiação de cobre e almofadas que permanecerão na placa acabada. Arte positiva é necessária porque a resistência de ação positiva é usada. Porém, a resistência negativa está disponível para placas de circuito e processamento de semicondutor. Em (b), o fotoresiste de líquido positivo é aplicado à face de cobre da placa de circuito impresso (PCB). Deixa-se secar e pode ser assado no forno. A obra de arte pode ser uma reprodução positiva de filme plástico da obra de arte original dimensionada para o tamanho necessário. A arte é colocada em contato com a placa de circuito sob uma placa de vidro em (c). A placa é exposta à luz ultravioleta (d) para formar um latente imagem de fotorresiste suavizado. A arte é removida (e) e o material resistente amolecido é lavado por uma solução alcalina (f). A placa de circuito enxaguada e seca (cozida) tem uma imagem de resiste endurecido sobre as linhas de cobre e almofadas que permanecerão após o ataque químico. A placa é imersa no decapante (g) para remover o cobre não protegido por resist endurecido. A placa gravada é enxaguada e a resistência removida por um solvente.

A principal diferença na padronização dos semicondutores é que uma camada de dióxido de silício no topo do wafer toma o lugar do resist durante as etapas de processamento em alta temperatura. Porém, o resist é necessário em processamento úmido de baixa temperatura para padronizar o dióxido de silício.

Um wafer de silício dopado tipo N na Figura abaixo (a) é o material de partida na fabricação de junções semicondutoras. Uma camada de dióxido de silício (b) é cultivada sobre o wafer na presença de oxigênio ou vapor de água em alta temperatura (acima de 1000o C em um forno de difusão. Um pool de resist é aplicado ao centro do wafer resfriado, em seguida, girado em um mandril de vácuo para distribuir uniformemente a resistência. A resistência cozida em (c) tem uma máscara de cromo sobre vidro aplicada ao wafer em (d). Esta máscara contém um padrão de janelas que é exposto à luz ultravioleta (e).



Fabricação de uma junção de diodo de silício.

Depois que a máscara é removida na Figura acima (f), a máscara positiva pode ser desenvolvida (g) em uma solução alcalina, abrindo janelas na máscara ultravioleta. O objetivo da resistência é proteger o dióxido de silício do ataque ácido fluorídrico (h), deixando apenas as janelas abertas correspondentes às aberturas da máscara. A resistência restante (i) é removida do wafer antes de retornar ao forno de difusão. O wafer é exposto a um dopante tipo P gasoso em alta temperatura em um forno de difusão (j). O dopante só se difunde no silício através das aberturas da camada de dióxido de silício. Cada difusão P através de uma abertura produz uma junção PN. Se os diodos fossem o produto desejado, o wafer seria marcado com diamante e quebrado em chips de diodos individuais. No entanto, todo o wafer pode ser processado posteriormente em transistores de junção bipolar.

Para converter os diodos em transistores, é necessária uma pequena difusão do tipo N no meio da região P existente. Repetir as etapas anteriores com uma máscara com aberturas menores realiza isso. Embora não seja mostrado na Figura acima (j), uma camada de óxido foi provavelmente formada nessa etapa durante a P-difusão. A camada de óxido sobre a difusão P é mostrada na Figura abaixo (k). O fotoresiste positivo é aplicado e seco (l). A máscara emissora de cromo sobre vidro é aplicada (m) e exposta aos raios ultravioleta (n). A máscara é removida (o). A resistência amolecida por UV na abertura do emissor é removida com uma solução alcalina (p). O dióxido de silício exposto é removido com ácido fluorídrico (HF) em (q)



Fabricação de um transistor de junção bipolar, continuação da Fabricação de uma junção de diodo de silício.

Depois que o material resistente não exposto é removido do wafer (r), ele é colocado em um forno de difusão (Figura acima (s) para processamento de alta temperatura. Um dopante gasoso tipo N, tal como oxicloreto de fósforo (POCl) se difunde através do pequeno emissor janela no (s) óxido (s). Isso cria camadas NPN correspondentes ao emissor, base e coletor de um BJT. É importante que o emissor do tipo N não seja conduzido por todo o caminho através da base do tipo P, causando um curto no emissor e coletor. A região de base entre o emissor e o coletor também precisa ser fina para que o transistor tenha um β útil. Caso contrário, uma região de base espessa poderia formar um par de diodos em vez de um transistor. A metalização at (t) é mostrada fazendo contato com as regiões do transistor. Isso requer uma repetição das etapas anteriores (não mostradas aqui) com uma máscara para aberturas de contato através do óxido. Outra repetição com outra máscara define o padrão de metalização no topo do óxido e contatando as regiões do transistor através da abertura gs.

A metalização pode conectar vários transistores e outros componentes em um circuito integrado . Porém, apenas um transistor é mostrado. O wafer acabado é marcado com diamante e dividido em matrizes individuais para embalagem. Fio de alumínio de bitola fina liga os contatos metalizados na matriz a uma estrutura de chumbo , que traz os contatos do pacote final.

REVER:

• A maioria dos semicondutores é baseada em silício ultra puro porque ele forma um óxido de vidro sobre o wafer. Este óxido pode ser padronizado com fotolitografia, tornando possíveis circuitos integrados complexos.
• Os únicos cristais de silício em forma de salsicha são cultivados pelo processo Czochralski, são diamantes serrados em bolachas.
• A padronização de wafers de silício por fotolitografia é semelhante à padronização de placas de circuito impresso de cobre. O fotorresistente é aplicado ao wafer, que é exposto à luz ultravioleta por meio de uma máscara. A resistência é desenvolvida e a pastilha é gravada.
• A gravação com ácido fluorídrico abre janelas no dióxido de silício protetor no topo da bolacha.
• A exposição a dopantes gasosos em alta temperatura produz junções semicondutoras, conforme definido pelas aberturas na camada de dióxido de silício.
• A fotolitografia é repetida para mais difusões, contatos e metalização.
• A metalização pode interconectar vários componentes em um circuito integrado.

PLANILHAS RELACIONADAS:

• Layout da placa de circuito impresso e planilha de fabricação