DEL 2

Olika metoder för etsning


Etsningen börjar med att man tvättar bort all den lösliga resisten och etsar det kisel som nu tittar fram, med fluorvätesyra eller xenondifluoridånga. Efter etsningen kan man använda ett starkare lösningsmedel och tvätta bort kvarvarande resist. Vi har nu en kiselplatta med nanometerdjupa gropar i.

En plasmaets-maskin hos Electrumlab. Just på denna bild används indiumfosfidwafers istället för kisel, vilket ses på att wafrarna är delade i fyra delar eftersom substratmaterialet är så dyrt. Den blå ”hatten” sänks ned över wafern och man pumpar vakuum där inne och skapar sedan ett plasma genom att släppa in och jonisera någon reaktiv gas under lågt tryck, exempelvis gaser med föreningar av klor eller fluor, som ”äter av” atomer ur substratet, där detta inte täcks av resist. Om klorgas är reaktiv, dvs gärna går i förening med något, i rumstemperatur är den oändligt mycket mera aggressiv som plasma.

Så här ser det ut bakom den fina, vita väggen på en större, automatisk maskin. Detta är en torrets, alltså en plasmaetsare och mängden slangar mm är mest till för vakuumanläggningen. Maskinen används för Bosch-processen, som medger extrem djupets i kisel, för till exempel MEMS-detaljer (mikromekanik i kisel, accelerometrar, mikrospeglar för projektorer, sensorer etc). Med omväxlande etsning och passivering kan man skapa raka, lodräta schakt i kislet. Kisel och kiseldioxid etsas oftast med fluorhaltiga gaser, medan metaller etsas med klorföreningar.

En kemisk tvättbänk hos Electrumlab där man antingen tvättar bort föroreningar manuellt, både organiska och metalliska (A), lite som forna tiders fotolabb. Tvätten kan t.ex. göras med fluorvätesyra eller en blandning av väteperoxid och svavelsyra. Maskinen (B) är en sk rinsedryer, som sköljer bort all återstående kemi, först med högfiltrerat vatten, varefter kislet torkas med kvävgas. Hos Intel är givetvis detta arbete helautomatiserat, men principen är densamma.

Så här ser våtetsning (inte) ut i Intels automatiska fabrik. Maskinen bakom operatören är själva etsaren, men Intel vill inte visa några detaljer.

Jonimplantation och andra ytbeläggningar


Kisel är i sig själv inte särskilt ledande och i nästa steg ska man med hjälp av joninplantation skjuta in föroreningar i kislet som styr dess ledningsförmåga. Det är dags för ny fotoresist, exponering genom en ny mask och efterföljande tvättning. Wafern stoppas i en jonimplanter, där man skjuter in dopämnen (arsenik, fosfor, bor, hafnium etc) i form av en stråle av joner (elektriskt laddade atomer), som accelereras med ett elektriskt fält i vakuum och får slå in i kislet och dopa det. De dopade områdena har nu blivit ledande. Man dopar med ett antal olika störatomer i flera steg, antingen på tidigare orörda områden eller ovanpå tidigare dopade områden.

Efter implantation, eller när en yta ska oxideras, används en ugn.

Här står ett antal wafers i sina ”båtar” och är på väg in i en ugn hos Electrumlab. Ugnen är egentligen flera ”våningar” hög. Ugnsprocesser används till exempel för att skapa gate-oxider, ren värmebehandling eller beläggning av tjockare skikt av kiseldioxid. Beroende på vad man gör i ugnen för tillfället kan detta steg inträffa på många ställen i tillverkningsprocessen.

Gate-oxiden är den aktiva delen i en transistor och en gate kan vara några tiotals nanometer tjock. Tjockleken beror på vilket gate-material som används. Vanliga kiseldioxidgatar åstadkoms genom att man oxiderar ytan av kisel och processen är ganska enkel. Inne i ugnen är det 600-700 grader varmt (långt under smältpunkten på 1400 grader) och man blåser in väldigt mycket syre och då gör syret som det brukar, förenar sig med kislet. Hur långt ned i kislet man vill oxidera kan man kontrollera genom att hålla på att oxidera olika länge.

En annan typisk värmebehandling är att få implanterade joner att lägga sig snyggt i kristallmönstret, sk ”aktivering”. När man skjuter ned joner (metallkärnor) i kislet med jonimplantering hamnar jonerna lite varstans i kristallen och gör ingen nytta, men efter en stunds värmning letar de sig fram till sina korrekta platser i atommönstret och kan börja göra sin ”störande” verkan.

High-K


Moores lag är viktig, men allra mest viktig är den för halvledartillverkarna, som måste fortsätta krympa kretsarna hela tiden. Ett problem är läckströmmarna i de allt tunnare gatematerialen, som förhindrar ännu kortare switchtider. Längre switchtider innebär högre energiförbrukning som i sin tur ger en varmare krets, som i sin tur begränsar klockfrekvensen. Ju fler gånger man vill switcha per sekund, desto varmare blir transistorn. Allt detta måste vändas. Ett bra försök var att minska drivspänningen (spänning x ström = effekt). Från början kördes alla logikkretsar på 5 volt, men det blev för varmt. Då gick man ned till 3,3 volt och därefter till 1,5, 1,3 och 1,1 volt. Men det räcker tyvärr inte.

Därför är kiseldioxid lite ute som gate-material. I dag är det High-K-material som gäller. High-K är helt enkelt ett material med hög dielektricitetskonstant. På så sätt kan man göra gaten mycket tunnare och gatelängden kan minskas, eftersom e-fältet som stänger kanalen mellan source och drain blir högre. Den längd som elektronerna ska passera i kanalen under gaten kan minskas betydligt och förloppet av-på kan därmed snabbas upp. Kiseldioxid har ersatts med till exempel hafniumoxid. Det rör sig om bara några få atomlager, som enligt Intel deponeras lager för lager i en apparat som kallas ALD, Atomic Layer Deposition.

Vi måste gå in lite på strukturen hos en enskild transistor. Alltihop byggs på opåverkat kisel (substratet) och den switchande delen av transistorn är kanalen, som genom ett elektriskt fält som ligger mellan gate-elektroden i polykristallint kisel och substratet, kan öppna eller stänga kanalen. Det är viktigt att det bara blir ett elektriskt fält och att det inte börjar läcka elektroner från gate-elektroden och över till source eller drain. Därför har man det ytterst tunna, isolerande dielektriska skiktet emellan.

Så här ser det ut i verkligheten i elektronmikroskop. ”Topparna” du ser i bilden, som bildar fina mönster, är kiselatomer. Underst ser du det regelbundna mönstret av kiselatomer i substratet och överst ser du det polykristallina kislet i gaten, som har lite andra vinklar i sin kristallstruktur. Emellan dem ligger dielektrikumet, sisådär 6 atomlager, som mest er ut som en 10 nanometer tjock gröt av atomer.

Andra metoder att lägga på störatomer eller helt nya lager av material på kiselytan som kan behandlas vidare, är olika former av epitaxi.

En epitaxi-reaktor hos Electrumlab. I denna ugn kan man till exempel lägga på kontrollerade lager av indiumgalliumarsenidfosfid (InGaAsP) på indiumfosfid (InP) för att göra optoelektroniska komponenter (sådana som alstrar eller detekterar ljus, t.ex. lasrar). I en annan liknande utrustning kan man också odla indiumfosfid på kisel för att integrera halvledarlasrar ovanpå elektroniska kretsar. Man leder in en blandning av olika gaser, nämligen arsin eller fosfin (AsH3, eller PH3, föreningar av arsenik respektive fosfor och vätgas) och trimetyler av olika metaller, sk metallorganiska föreningar (trimetylindium, trimetylgallium, trimetylaluminium etc), vilka reagerar med wafern i en bärargas av väte vid cirka 600 graders temperatur. Metallerna eller halvmetallerna avsätts då på ytan av substratet (epi betyder ”ovanpå” och taxis ”på ett ordnat sätt” på grekiska). Genom att ändra gasens sammansättning kan man ändra ytans elektriska och optiska egenskaper. Skikttjocklekar så små som enskilda atomlager kan deponeras på detta sätt. Se vidare min artikel om yt-lasrar, som tagits fram vid Electrumlab.

Kiselkarbidreaktor. Kiselkarbid (SiC) är den nya högtemperaturhalvledaren som ska frälsa högeffektindustrin (motorstyrningar, krafthalvledare), med transistorer som i princip kan glöda och ändå fungera. Även detta är en epitaxi-reaktor, men kiselkarbid kräver betydligt högre temperatur, över 1500 grader, för att reaktionen mellan gaserna silan och propan ska ge ett perfekt kristallint skikt. Den glödande reaktorkammaren syns genom de två fönstren på ugnens sida.

Uppställning! Inspektion!


Under hela processen sker inspektioner med jämna mellanrum.

Ett inspektionsmikroskop (defektmikroskop). Kislet måste hela tiden inspekteras så man kan se att allt står rätt till och inga felaktigheter har införts. Ett dammkorn på kislet är en katastrof. Man väljer att kunna avbryta det dyrbara arbetet i tid, hellre än att gå vidare och föra med sig felet längre.

Hos Intel ser defektmikroskopen ut så här när de används.

Eller så här.

Defektmikroskop kan bli ganska omfattande, som detta Nikon Optistation, som själv kan plocka wafers ut en kassett och lägga tillbaks dem igen efter inspektion.

Wafern hålls fram för operatören i olika vinklar, för att defekter ska bli mera uppenbara.

Wafern roteras också för att operatören ska kunna se den från olika håll.

Ledningsmönstret läggs ut


Nu ska de enskilda transistorerna förbindas. Man börjar med att lägga på ytterligare isolerande material (lila) ovanpå transistorn, men gör hål i det man vill ha anslutningar till den underliggande transistorn. Sen går det ungefär till som du fick lära dig i skolan om elektroplätering. Wafern stoppas i en kopparsulfatlösning och ansluts till minuspolen, medan den kopparelektrod som stoppas ned i lösningen ansluts till pluspolen. Därefter börjar kopparatomer vandra från kopparelektroden och belägga wafern helt och hållet med ett kopparskikt.

Det enda man vill ha kvar är anslutningarna ner genom anslutningshålen, så det mesta av kopparn poleras bort igen. Genom att lägga på ny fotoresist och exponera och tvätta kan man få nya vallgravar att fylla med koppar. Överskjutande koppar poleras bort och man gör nya vallgravar att fylla en våning högre upp. Till sist får man skölja bort all resterande fotoresist. Väldigt avancerade processorer kan ha upp till 20 ledningslager uppe i luften. Kiselytan kan se slät ut, men den består i själva verket av ett omfattande nät av ledningar.

Intels process med galvanisering är en våtprocess, men det går att göra i vakuum också. Och så finns det svenska Replisaurus metod, ett avknoppningsföretag hos Electrum, som stämplar på metallen med ledningsmönster i ett processteg (ingen särskild mönstring eller polering behövs): www.replisaurus.com.

En person håller i en insats till en elektronstråleförångare med en wafer monterad mitt på. I förångaren deponeras antingen metaller för att skapa ett ledarmönster på kiselytan, eller kiseldioxid för att skapa isolatorer. Varefter man spinner på fotoresist, exponerar och etsar bort den metall man inte vill ha, och har då fått sitt ledarmönster.

Efter att man lagt på flera lager metall på ytan och tagit bort de bitar man inte vill ha, kvarstår ett ledarmönster, som i modern kretsteknik kan vara flera våningar. I denna falskfärgade elektronmikroskopbild är kopparledningarna brunaktiga, medan gatarna de ansluter till är ljust blåaktiga. Alltihopa står på substratets mörkblå yta.

Samma princip här, fast bilden kommer från IBM.

Copper only! Koppar används numera företrädesvis som ledarmaterial på kiselkretsar. Koppar har tyvärr den egenskapen att det förorenar allting i processen, maskiner såväl som mikroskop och verktyg. Utrustning som används i kopparprocessen får bara användas för denna och inget annat, för då kommer kopparn att smitta av sig.

Sida 3 / 4

Innehållsförteckning