Планарна технология

Планарната технология, позната и като полупроводникова технология е процесът на създаване на микроелектронни устройства. Той включва редица отделни стъпки, при които се формира и изработва електрическа схема в подложка (пластина) от полупроводников материал. Най-масово за целта се използват подложки от силиций, макар че при специални приложения се използват също галиев арсенид, германий и други материали. За създаването на работеща електрическа схема в подложката се създават структури с определен размер и разположение, но така, че всичко остава в една плоскост – оттам и названието планарна технология.

Изглед от чиста стая от изследователския център на НАСА.

Подложки

Една типична подложка (пластина) представлява тънък (0,75 mm) полиран диск от монокристален силиций, израснал изкуствено по специална технология – процес на Чохралски. Диаметърът на подложката може да достигне 300 mm (предвижда се между 2010 и 2015 той да се увеличи до 450 mm . Колкото по-голям е размерът на подложката и колкото е по-малък размерът на отделните елементи, толкова повече единични интегрални схеми или други електронни устройства се създават наведнъж и съответно единичната им цена намалява. Това е главният двигател на тенденцията за експоненциалното намаляване на размерите с времето (виж Закон на Мур.) Това обаче силно повишава изискванията към работните помещения – необходима е все по-висока степен на обезпрашеност и чистота – производството става в т.нар. чисти помещения.

Производствени стъпки

Има четири групи процеси:

• Front end processing, който представлява най-критичната стъпка – при него в подложката се изработват самите устройства: транзистори и резистори. Той може да включва подготовка на повърхността, оксидация, структуриране, легиране с примеси за получаване на определените електрически свойства, нанасяне или израстване на диелектричен слой при гейтовете и нанасяне или израстване на изолиращи слоеве между отделните устройства.
• Back end processing e стадият на свързване на отделните компоненти в желаните електрически вериги. При него се нанасят метални и диелектрични тънки слоеве, и се формират проводящите линии и контакти. Металите са алуминий и мед, а диелектриците – силициев диоксид или силикатно стъкло.
• Тестване – определя се дали изработените устройства функционират правилно. Съотношението на годни към негодни изделия определя т.нар. рандеман.
• Опаковане – подложката се разрязва на индивидуалните чипове и те се опаковат в керамични или пластмасови кожуси, към които се присъединяват крачета за свързване. Прави се и повторно тестване.

Основните процеси, които се прилагат в отделните стъпки на планарната технология, са:

Постепенна миниатюризация на елементите на интегралните схеми, сравнена с някои микроскопични биологични обекти и дължината на вълната на видимия спектър.

• Производство на подложки
• Измиване
• Фотолитография (или друг вид литография)
• Йонна имплантация
• Сухо ецване
• Мокро ецване
• Плазмено ецване
• Термични обработки, вкл. оксидация
• Химично отлагане на слоеве от парна фаза
• Физично отлагане на тънки слоеве
• Молекулярно-лъчева епитаксия
• Електролитно отлагане на слоеве
• Химико-механическо полиране
• Електрическо тестване
• Изтъняване на пластината отзад
• Рязане на чипове
• Опаковане и капсулиране на интегралните схеми
• Окончателно тестване на интегралните схеми

Ширина на линията

Ширина на линията в планарната технология

10 µm — 1971 3 µm — 1975 1.5 µm — 1982 1 µm — 1985 800 nm (0.8 µm) — 1989 600 nm (0.6 µm) — 1994 350 nm (0.35 µm) — 1995 250 nm (0.25 µm) — 1998 180 nm (0.18 µm) — 1999 130 nm (0.13 µm) — 2000 90 nm — 2002 65 nm — 2006 45 nm — 2008 32 nm — 2010 22 nm — 2012 14 nm — 2014 10 nm — прогноза 2016 7 nm — прогноза 2018

Като основна характеристика на технологичния процес често се указва минималната постижима ширина на линията в схемите, която като следствие определя размерите на транзисторите (и другите елементи) върху подложката. Този параметър обаче е тясно свързан с други параметри, ограничаващи миниатюризацията: чистотата на получавания силиций, характеристиките на устройствата за ецване и нанасяне на слоеве и преди всичко възможностите на литографския метод.

През 70-те години типичната ширина е била 2 – 8 микрона, през 80-те тя намалява до 0,5 – 2 микрона. При някои експериментални образци се достига до 0,18 микрона (180 nm).

През 90-те години поради развихрилата се „война на платформите“ експерименталните методи започват да се внедряват в производството и бързо да се усъвършенстват. В началото на 90-те микропроцесорите (например ранните Pentium и Pentium Pro) се изготвяли по технология 0,5 – 0,6 микрона. След това размерите слизат до нивото 0,25 – 0,35 микрона. Следващите процесори (Pentium 2, K6-2+, Athlon) се произвеждат вече по технология, позволяваща 180 nm.

Новите процесори (отначало това е Core 2 Duo) се произвеждат с новата ултравиолетова технология, позволяваща възпроизводимо производство на линии с ширина 65 nm. Съществуват и други интегрални схеми, които са достигнали и надминали тази степен на миниатюризация (в частност графичните процесори и флаш-паметите на Samsung – 40 nm).

По-нататъшното развитие на технологията в посока на намаление на ширината на линията среща все по-големи трудности. Въпреки тях обаче Intel и други водещи производители работят рутинно с процес 45 nm от 2008 г. Макар че през 2009 г. Интел планираше производството на 32 nm процесори , тяхното появяване на пазара се отложи за 2011 г.. Съответно и преминаването към 10 nm, първоначално планирано до 2015, вече се предвижда за 2016, а към 7 nm – за 2018 г.Intel планира 7-нм процесори през 2018 г. // Посетен на 1.12.2014..

История

Планарната технология е била разработена във фирмата Fairchild Semiconductor през 1958 г. от швейцареца Джийн Хърни (Jean Hoerni, на френски: Жан Хьорнѝ) с цел да бъде произведен транзистор с по-добри параметри. На основата на тази технология през следващата 1959 г. на Робърт Нойс (Robert Noyce) от същата фирма се отдава да произведе първата монолитна интегрална схема, заради което впоследствие е удостоен с много почести и медали.

Вижте също

• Микроелектроника
• Интегрална схема
• Закон на Мур
• Транзистор
• Подложка (електроника)
• Процес на Чохралски

Външни препратки

• Как пясъкът се превръща в процесор, статия в PCWorld, посетен на 31.08.2009 Архив на оригинала от 2009-08-21 в Wayback Machine.
• ((en)) How CPU is made // Посетен на 18 март 2014.
• Учебна чиста стая в катедра Физика на полупроводниците на Софийския университет

Тази страница частично или изцяло представлява превод на страницата „Semiconductor device fabrication“ и страницата „Интегральная схема“ в Уикипедия на английски и руски език. Оригиналните текстове, както и този превод, са защитени от Лиценза „Криейтив Комънс – Признание – Споделяне на споделеното“, а за творби създадени преди юни 2009 година – от Лиценза за свободна документация на ГНУ. Прегледайте историята на редакциите на оригиналните страници тук и тук, за да видите списъка на техните съавтори. ​ ВАЖНО: Този шаблон се отнася единствено до авторските права върху съдържанието на статията. Добавянето му не отменя изискването да се посочват конкретни източници на твърденията, които да бъдат благонадеждни.