Mikroelektronika

A tranzisztor kifejlesztése (1948) után az áramkörök miniatürizálása jelentősen felgyorsult. A jobb térkihasználás érdekében több alkatrészt közös kivezetésekkel és burkolattal ellátva, mikromodulként kezdtek el gyártani. A mikromodulok megjelenésével kialakult az elektronika új területe, a mikroelektronika. A mikroelektronika területén azonban a legjelentősebb fejlődés az integrált áramkörök elterjedésével következett be.
Az integrált áramkör egy alaplemezen egyidejűleg, azonos technológiai lépésekkel létrehozott alkatrészekből álló egységes áramkör.
Az integrált áramkör jellemzői:

• Roncsolás nélkül nem bontható alkotóelemeire.
• Nem javítható.
• Nem változtathatók meg az alkatrészeinek az értékei.
• Nagy megbízhatóságú.
• Széles körben felhasználható.
• Kis helyigényű.
• A gyártási költsége kedvező.

Az integrált áramkörök csoportosítása

Az integrált áramkörök csoportosítása gyártástechnológiájuk szerint:

• Monolitikus áramkörök
• Hibrid áramkörök

A monolitikus integrált áramkör

A monolitikus integrált áramkörben az áramkör valamennyi aktív és passzív elemét (tranzisztorok és diódák, illetve ellenállások és kis értékű kondenzátorok), valamint a hozzájuk tartozó összekötéseket egyetlen félvezető-egykristály lemezkén vagy „chip”-en (morzsán) alakítják ki. Ezt a kialakítást szokás félvezető alapú integrált áramkörnek is nevezni. A félvezető alapanyag a legtöbb esetben szilícium. Az áramkörök elemeit több egymás után következő és egymáshoz kapcsolódó gyártási fázisban adalékanyagok különböző mértékű bevitelével, illetve zárórétegek kialakításával hozzák létre.

A hibrid integrált áramkör

A hibrid integrált áramkörökben szigetelő alapanyagon állítják elő a vezetőpályákat és az ellenállásokat. Ezt a kialakítást szokás szigetelő alapú integrált áramkörnek is nevezni. A szigetelő lapra készítik el a passzív és az aktív elemeket. Az aktív elemek lehetnek monolitikus integrált áramkörök is.

Az integrált áramkörök csoportosítása

Csoportosíthatjuk az integrált áramköröket a chipfelületen kialakított funkciók sűrűsége, ill. az integrált áramkör mérete szerint is.

A monolitikus digitális integrált áramkörök gyártástechnológiája

A félvezető alapú integrált áramkörökben valamennyi aktív és passzív elemet egy félvezető (leggyakrabban szilícium) egykristályban vagy kristályon képeznek ki.

Chipek kialakítása

Az integrált áramkörök gyártástechnológiájának első lépése a nagy tisztaságú szilícium-egykristály rúd növesztése. Ezután ebből vékony tárcsákat szeletelnek, a kristályrács meghatározott irányában. Az integrált áramkör méreteire jellemző, hogy egy szeleten egymás mellett több tucatot lehet előállítani. Azt hogy a gyártás során milyen előállítási technológiát alkalmaznak, a következő feltételek határozzák meg:

• műszaki követelmények,
• az integrált áramköri elemek szigetelési módja,
• az áramkörök tranzisztorainak típusa.

Az ellenőrzés után a darabolás művelete következik. A szeletek chipekre darabolását a törési vonal mentén egy gyémántcsúccsal való karcolás segíti elő. A feldarabolás utáni műveletek:

• Minden egyes chipet egy-egy megfelelő alapra helyeznek.
• A kivezetéseket bekötik.
• Az integrált áramkört tokozással légmentesen lezárják.
• A kész integrált áramkört részletes vizsgálatnak vetik alá.

Az integrált áramkör kialakításának lépései

A gyártási folyamatból azt vizsgáljuk meg, hogyan alakítják ki az integrált áramkört a szilícium chip-en!
A bipoláris és MOS integrált áramköröket nagy pontosságú planár technológiával állítják elő.

Planár technológia

A planár technológia legfontosabb lépései:

• A szilícium szelet felületén szilícium-dioxid (
  
  ) réteg kialakítása.
• A szilícium szelet felületén létrehozott oxidrétegből fotolitográfiai és maratási eljárással oxidmaszk kialakítása.
• Az adalékanyag (P vagy N típusú szennyező) bejuttatása az oxidmaszk nyílásán keresztül a kristályba.

Az oxidmaszk előállítása fotolitográfiai eljárással

Fotólitográfiai eljárás

Az ábra segítségével kövessük végig, hogyan lehet egy N típusú kristályban oxidmaszkon keresztül P típusú szennyező-réteget létrehozni!

• A szilícium szelet felületének egyenletes vastagságú oxidálását különleges kályhában, vízgőzzel telített oxigénárammal végzik.
• A fotolitográfiai eljárás első lépéseként az oxidréteg felületét vékony fényérzékeny lakkréteggel (fotoreziszt) vonják be. A fotolakk egyenletes vastagságát a szelet nagy sebességű centrifugálásával érik el.
• A lakk felületére nagy pontosságú, állítható befogószerkezettel helyezik rá a maszk fotonegatívját, amelyen keresztül UV fénnyel megvilágítják a fotolakkréteget.
• A megvilágított helyeken a lakkréteg polimerizálódik, így előhíváskor ez a lakkréteg nem oldódik, csak a megvilágítatlan helyeken. A fedetlen helyeken az oxidréteget egy olyan savkeverékkel távolítják el, amely sem a polimerizált lakkréteget, sem a tiszta szilíciumot nem támadja meg.
• Ezután eltávolítják a polimerizált lakkréteget is.
• Végül a maszkon keresztül a szeletbe juttatják a megfelelő (itt P típusú) adalékanyagot.

Az adalékanyagok bejuttatása különféle módszerekkel történhet, például:

• Diffúzióval.
• Ionimplantációs technikával.
• Epitaxiális rétegnövesztéssel.