4.2. Planární technologie výroby integrovaných obvodů
Zopakujme si nejprve poznatek, který jsme získali ve druhé kapitole: dotujeme-li polovodič jednoho typu vodivosti příměsemi opačného typu vodivosti, zvyšujeme pravděpodobnost vzájemné rekombinace nosičů náboje, což má za následek, že polovodič nejprve tzv. zkompenzujeme, to znamená, že bude mít (z hlediska vedení proudu) vlastnosti stejné jako vlastní polovodič a pokračujeme-li v dotaci dále, předopujeme polovodič na opačný typ vodivosti. Tato vlastnost se využívá v technologii výroby polovodičových prvků tím způsobem, že nejprve vytvoříme v polovodiči určitou oblast jednoho typu vodivosti a pak část této oblasti předopujeme na opačnou vodivost; vznikne PN přechod. Příměsi přidáváme v popisované technologii do polovodiče termickou difuzí. Při tomto technologickém kroku se polovodič ohřeje na vysokou teplotu, řádově 1000 °C a ponoří se do atmosféry plynu obsahujícího příměs. Ohřátí se děje ve vakuu, aby nedošlo k oxidaci povrchu a teprve po dosažení difusní teploty se přivádí plyn obsahující atomy příměsí, např. směs inertního argonu a atomů fosforu. Proces difuse probíhá po relativně dlouhou dobu (desítky minut), aby se čas difuse mohl rozumně měřit. Po celou dobu difuse musí být teplota udržována s přesností cca ±0.5°C; je to proto, že hloubka, do které příměsi nadifundují, je exponenciálně závislá na teplotě a při výrobě např. tranzistorů nám jde o to, aby šířka báze byla definována s přesností desetin mikronu.
Podívejme se nejprve na to, jakým způsobem získáváme výchozí materiál pro výrobu polovodičových součástek - čistý monokrystalický křemík. Nemusíme snad znovu zdůrazňovat, že veškeré naše teoretické úvahy ve druhé kapitole se týkaly krystalické formy polovodiče a že tedy dobrý polovodičový materiál musí být krystalický. Čistota materiálu je také jedním ze základních požadavků na materiál pro výrobu polovodičových součástek. Uvědomíme-li si, že intrinsický materiál, tj. materiál bez příměsí, obsahuje jeden pár elektron-díra na zhruba 109 atomů, pak nečistota, tj. koncentrace příměsí, řádu 10-9 zvýší koncentraci nosičů náboje dvakrát. Běžná čistota tzv. spektrálně čistých plynů, se měří v jednotkách ppm (particle per milion), tj. v jednotkách 10-6. Jediná jednotka ppm by tedy zvýšila koncentraci nosičů, a tedy i vodivost polovodičového materiálu, tisíckrát. Jinak řečeno, v polovodičovém průmyslu, dnes braném jako zcela běžnou součást našeho života, se jedná o čistoty zhruba tisíckrát lepší, než bylo běžné v dřívější praxi. Je zřejmé, že elektrická vodivost je velmi dobrým indikátorem čistoty, a že zájem o polovodičový materiál byl příčinou intenzívní snahy o vyřešení problému purifikace materiálu.
Jednou z nejdůležitějších metod purifikace polovodičového materiálu je tzv. zonální rafinace. Tato metoda byla vyvinuta Pfannem a je aplikována na čištění germania a křemíku. Princip zonální rafinace je založen na skutečnosti, že je-li tekutý a tuhý polovodičový materál, např. křemík v rovnováze, pak koncentrace nečistot v materiálu je podstatně větší v tekutině než v tuhé fázi. Vlastní metoda spočívá v lokálním ohřátí materiálu na potřebnou teplotu tavení (pod slovem ”lokální” si představme krátký lineární úsek např. válcového ingotu materiálu) a v posuvu této oblasti podél ingotu. Nečistoty zůstávají v ”tekuté”, tj. ohřáté oblasti a pohybem této oblasti podél ingotu je ”přesuneme” na konec ingotu, který může být odříznut a použit znova pro přípravu dalšího materiálu. Po zonální tavbě je materiál ingotu velmi čistý a je možné jej použít v dalším technologickém kroku, tj. výrobě vlatního monokrystalu.
obr. 4.1.
Představme si tedy, že máme vyrobit z purifikovaného křemíku ve formě drobných zrn monokrystalický materiál vhodný pro planární technologii. Metoda výroby tohoto materiálu (ingotu) je znázorněna na obrázku 4.1 a byla nazvána Czochralského (čti čochralského) metodou. Je to metoda pomalého tažení monokrystalického ingotu z taveniny výchozího materiálu, tedy křemíku. Křemík je umístěn v grafitové válcové nádobce v nádobě z křemenného skla. Křemenné sklo je voleno ze dvou důvodů; jednak vydrží velmi vysokou teplotu, jednak jsou v něm malé dielektrické ztráty. Válcová nádobka, ve které je křemík umístěn, je ohřívána na potřebnou teplotu pomocí tzv. indukčního ohřevu. K takovému ohřevu potřebujeme výkonový vysokofrekvenční generátor, s frekvencí typicky 500 kHz a výkonem několika kW. Energii z generátoru pak vedeme přes obvod přizpůsobující impedanci generátoru impedanci zátěže (vzpomeňte si například z úvodu; výkon dodaný ze zdroje do zátěže je maximální, má-li zátěž odpor stejný jako je vnitřní odpor zdroje; tento závěr se dá zobecnit na obecnou impedanci tak, že výkon do zátěže je maximální, jsou-li reálné složky vnitřní impedance zdroje a zátěže stejné a imaginární složky impedance zdroje a zátěže mají opačné znaménko) na primární vinutí vysokofrekvenčního transformátoru, které je navinuto zvnějšku válcové křemenné nádoby. Sekundár tohoto transformátoru tvoří grafitová nádobka, ve které je křemík umístěn. Při správném přizpůsobení dostaneme tak značnou část výkonu generátoru do tohoto sekundárního závitu (dielektrické ztráty v křemenném skle jsou malé, takže sklo se energií z generátoru přímo neohřívá; ohřívá se však radiací od grafitové nádobky) a to má za následek, že nádobku ohřejeme na teplotu potřebnou k roztavení křemíku. Vzhledem k tomu, že proces probíhá v inertní atmosféře, křemík se neoxiduje a je možné s ním pracovat ve stavu taveniny. Shora do nádobky s křemíkem zasahuje osa, na jejímž dolním konci je umístěn tzv. zárodečný krystal. Je to kus monokrystalického materiálu válcového tvaru s takovým průměrem, který chceme vyrábět. Konec zárodečného krystalu se nejprve ponoří do taveniny a pak se za pomalého otáčení z taveniny vytahuje. Výsledkem této činnosti je ingot křemíku válcovitého tvaru, ve kterém je relativně málo poruch krystalové mříže. Vytahováním ingotu z taveniny ubíráme ovšem materiál z grafitové nádobky, proto jej musíme přidávat; jeden z možných způsobů je přidávání materiálu do taveniny ve formě zrníček, pelet. Průměr monokrystalického ingotu rostl v průběhu vývoje s tím, jak se zlepšovalo ”know how” této metody; od cca jednoho centimetru v počátcích polovodičové éry až po dnešní ingoty s průměrem okolo 15-20 centimetrů. Je zřejmé, že během výroby těchto monokrystalických ingotů je možné do taveniny přidávat definované množství žádoucích příměsí, takže vytvořený monokrystalický materiál pak bude typu P nebo N.
Takto připravený materiál je ingot válcovitého tvaru a je tedy nutné z něj připravit destičky tenké cca 0,2 mm, které jsou potřeba pro vlastní výrobu polovodičových prvků. Ty se dostanou rozřezáním válcového ingotu v rovině kolmé na jeho osu pomocí tzv. diamantové pily, což je okružní pila s listem ve tvaru tenké kruhové ocelové folie, na které je z obou stran přitmelen diamantový prášek. Pak následuje leštění povrchu těchto křemíkových kotoučků (zvaných salámky, neboť vypadají jako na plátky nakrájený salám) na takovou rovinnost, aby případné nerovnosti povrchu byly srovnatelné s vlnovou délkou viditelného světla. Tento proces je běžný z optického průmyslu a tedy nevyžaduje podrobnějšího popisu; leští se mechanicky pomocí brusných past s postupně menšími a menšími zrny až povrch křemíkové destičky připomíná dobré opticky přesné zrcadlo.
obr. 4.2a
Popišme si nyní podle [1] základní, tzv. planárně epitaxní technologii výroby polovodičových součástek. Nebudeme se zabývat technologií výroby diskretních součástek, popíšeme jen výrobu integrovaných obvodů a nakonec si řekneme, jak se liší technologie pro diskretní součástky od popsané. Sledujme přitom obrázek 4.2, na kterém je znázorněn jednoduchý elektronický obvod (invertor v DTL logice) obsahující odpor, dvě diody a jeden tranzistor jednak ve schematickém zobrazení, jednak jako řez destičkou polovodiče, na které je tento obvod vytvořen. Při pohledu shora by se jednotlivé vyznačené oblasti jevily jako obdélníky se řádově stejnými délkami stran. Struktura takového jednoduchého obvodu se tedy skládá ze čtyř vrstev, základní destičky, substrátu, typu P, tlusté typicky 0,15 mm. Na substrátu je vytvořena tzv. epitaxní vrstva silná cca 25 μm (obrázek není v měřítku, abychom zvýraznili právě tuto epitaxní vrstvu), ve které jsou vytvořeny struktury representující potřebné prvky obvodu. Celek je pokryt izolační a ochrannou vrstvou SiO2 (oxid křemičitý, křemen), ve které jsou vytvořeny ”průzory” potřebné pro kontakty. Propojení všech součástek obstarává tzv. metalizace, tj. spoje, jednak vytvářející kontakt na polovodičové struktury, jednak propojující jednotlivé součástky; metalizace je vytvořena pomocí tenké vrstvy hliníku. Celek, nazývaný čip (z anglického chip, kousek), představuje relativně odolnou součástku, která nepodléhá atmosférickým vlivům (oxidace, koroze apod.) a je tedy možno tyto čipy transportovat a nechávat zapouzdřit např. v továrně v jiné zemi (řada integrovaných obvodů podle označených vyrobených např. v jihovýchodní Asii jsou dovezené čipy, v těchto zemích jen pouzdřené). Vyrobené čipy je nutné otestovat; to se děje automaticky ve strojích, kde se čip pomocí jehlových kontaktů připojí do testovacího zařízení, ozkouší se jeho funkce, a nevyhovuje-li, označí se automaticky kapkou barvy obsahující feromagnetickou suspenzi; pomocí magnetického pole je pak možné tyto vadné čipy automaticky vytřídit. Dobrý čip je pak nutné přitmelit na kovovou, skleněnou nebo keramickou podložku, mající již fyzické vývody (nožičky, co se dají letovat) a vývody obvodu na čipu je nutné propojit s vývody na podložce. To se děje obvykle pomocí zlatého drátku a připevnění drátku na čip se provádí buď ultrazvukem nebo pomocí tzv. termokomprese, při které se drátek ohřátou safírovou jehlou přitlačí na plošku čipu, která je k tomu účelu na čipu vytvořena; zvýšenou teplotou proběhne difuse atomů zlata do hliníku a vytvoří se pevný spoj. I tato činnost se provádí automaticky v tzv. ”šicích strojích”. Podle typu podložky se buď dále opatří podložka kovovým krytem (keramické, skleněné podložky), nebo se pouzdří do umělé hmoty (kovové podložky). Vyrobené obvody se opět automaticky testují, případně třídí podle dosažených parametrů (např. diody podle bezpečného závěrného napětí) a expedují ke spotřebiteli.
Popišme si nyní jednotlivé technologické kroky vedoucí k vytvoření struktury na čipu. První krok, tj. výrobu křemíkové destičky, jsme si již popsali. Jakým způsobem tedy můžeme na této destičce vytvořit tzv. monolitický integrovaný obvod? (Slovo ”monolitický” je odvozeno od řeckých slov monos - jeden a lithos - kámen, monolitický, vestavěný do jednoho kamene , do jednoho krystalu.) Dalším krokem je vytvoření tzv. epitaxní vrstvy. To je tenká monokrystalická vrstva křemíku (v našem případě typu N), vytvořená zahřátím substrátu na teplotu cca 1200 °C a exponováním destičky atmosféře obsahující atomy křemíku a současně atomy příměsi typu N, např. fosforu. Vytvořením epitaxní vrstvy jsme vlastně vytvořili první PN přechod, který, jak uvidíme dále, bude sloužit k izolaci jednotlivých součástek od sebe. Následuje oxidace této expitaxní vrstvy ohřátím destičky na cca 1000 °C a exponováním do kyslíkové atmosféry; vytvoří se tenká vrstva (asi 0,5 μm tlustá) oxidu křemičitého na povrchu epitaxní vrstvy. Dalším krokem je vytvoření tzv. izolačních příkopů. Při výrobě monolitických integrovaných obvodů nemůžeme obvykle totiž izolovat jednotlivé prvky obvodu vzduchovou mezerou, jak je to normální u obvodu sestaveného z diskrétních součástek. Proto se jako izolace používá oblastí (v našem případě typu P), které mezi jednotlivé součástky obvodu vloží dva obráceně pólované PN přechody v serii; jakoby dvě obráceně pólované diody v serii. Mezi součástkami, ať je na nich vzájemně napětí jakékoli polarity, poteče jen závěrný proud těchto diod, který můžeme pro většinu případů zcela zanedbat. Vytvořením izolačních příkopů vzniknou tedy ostrůvky izolované od sebe a do nich pak můžeme vytvářet jednotlivé polovodičové struktury. Je třeba si uvědomit, že i když stejnosměrný izolační odpor mezi ostrůvky je velmi vysoký (odpovídá odporu diody v závěrném směru, tj. je v řádu 109Ω je nutno si též uvědomit, že tento odpor je závislý na napětí a tedy že uvedená vysoká hodnota izolačního odporu platí jen pro do napětí, na která je čip konstruován), existuje nenulová parazitní kapacita mezi ostrůvky daná v podstatě kapacitou PN přechodu v závěrném směru (je to kapacita jednak ostrůvků vůči sobě, jednak kapacita ostrůvků vůči substrátu), která se mění se závěrným napětím, viz oddíl o kapacitních diodách v kapitole 2. Celková kapacita ostrůvků vůči sobě je řádu jednotek pikofaradů a je nutné s ní při návrhu monolitických integrovaných obvodů počítat. (Návrhy integrovaných obvodů se v současné době provádějí výhradně s pomocí počítače a rozsáhlých knihoven, kde jsou uloženy architektury jednotlivých struktur v různých technologiích; součástí takového programu je pak i simulační program, který provedený návrh ”vyzkouší” z hlediska požadovaných parametrů a upozorní na eventuální parazitní efekty. Jeden z nejznámějších programů k tomuto účelu vyrábí firma Silver Lisco.) Izolační příkopy se provádějí fotolitografickou technikou, která je stejná i pro vytváření polovodičových struktur a bude o ní řeč níže.
obr 4.2b
Izolované ostrůvky materiálu o vodivosti N tvoří v případě tranzistoru kolektor, pro diody a rezistor jen oblast, ve které budou později vytvořeny. Dalším technologickým krokem je tedy vytvoření oblastí vodivosti P v izolovaných ostrůvcích vodivosti N. Tyto oblasti budou sloužit jako rezistor, anody diod (anody jsou v případě našeho schematu propojeny, takže stačí vytvořit jen jednu oblast) a báze tranzistoru. Fotolitografickým procesem se opět vymezí oblasti, ve kterých se do materiálu o vodivosti N nadifunduje příměs typu P (třímocná) s takovou koncentrací, aby polovodič přešel kompenzovaným stavem a ”předopoval se” na vodivost P. Z hlediska rezistoru vidíme, že ten je tvořen přímo jen oblastí o vodivosti P určitého průřezu; právě průřezem oblasti je možné měnit velikost odporu budoucího rezistoru. Je zřejmé, že difusi příměsí musíme řídit tak, aby oblast typu P byla ”mělčí” než původní ostrůvek o vodivosti N.
Po difuzi báze se povrch materiálu opět pokryje vrstvičkou SiO2 a opět fotolitografickým procesem se odkryjí ”okénka”, skrze něž se nadifundují katody diod, emitor tranzistoru a do kolektoru tranzistoru ”kontaktovací” oblasti. Zde je potřeba objasnit, co to ”kontaktovací oblasti” jsou. Přiložíme-li kovový vodič na polovodič s úmyslem vytvořit kontakt, může se nám stát, že to, co jsme považovali za kontakt bude vlastně Schottkyho dioda (dioda s přechodem kov-polovodič), tedy že voltampérová charakteristika spojení kov polovodič bude vykazovat usměrňující vlastnosti. To je ale pro kontakt nežádoucí efekt a obchází se tím, že při kontaktování na polovodič o vodivosti N vytvoříme v tomto polovodiči oblast se zvýšenou dotací příměsí typu N (označuje se N+; nezaměňujte, prosím, s iontem dusíku). Při kontaktování na polovodič typu P k usměrňovacímu efektu nedochází, neboť kontakt na polovodič se dělá hliníkem, což je vlastně příměs typu P, takže oblast zvýšené koncentrace příměsí pod kontaktem vznikne automaticky. Emitorová oblast tranzistoru se obvykle dotuje hodně a tak při stejném technologickém kroku můžeme do již vytvořených kolektorových oblastí typu N nadifundovat tuto oblast o zvýšené koncentraci příměsí, abychom usměrňovacímu efektu kontaktu předešli.
Dalším krokem při vytváření monolitického integrovaného obvodu je tzv. aluminiová metalizace. Při ní se zase obvyklým postupem fotolitografie odkryjí ”okénka” v místech, která mají být propojena a pak se celý povrch materiálu pokryje tenkou vrstvou hliníku. Obvyklý technologický proces je tzv. napařování, kdy se ve vakuu tak vysokém, aby střední volná dráha vypařených atomů hliníku ve vakuovém systému byla větší než jsou rozměry vakuového systému, v nádobce roztaví hliník (pro ohřev se většinou užívá přímý průchod proudu nádobkou, která je z materiálu o vyšším specifickém odporu, např. z wolframu), ten se vypařuje a nad nádobkou jsou umístěny substráty, které mají být pokoveny. (Vzpomeňte si, že ”hrubý, odhadový” vzorec pro výpočet střední volné dráhy molekul vzduchu při tlaku p udaném v Torrech je
λ >> 10-5/p;
abychom tedy dosáhli délky střední volné dráhy 1 m, což je řád velikosti vakuových systémů používaných k metalizaci integrovaných obvodů, potřebujeme systém vyčerpat na tlak 10-5 Torru, tedy na cca 10-3 Pa, jinými slovy na tlak zhruba 108-krát nižší, než je tlak atmosférický.) Hliník kondenzuje na jejich povrchu a vytvoří tak tenkou vodivou vrstvu, která je ovšem po celém povrchu ”salámku”, nikoliv jen tam, kde potřebujeme spoje. Abychom vytvořili potřebnou strukturu spojů, musíme opět opakovat postup fotolitografie, odleptání přebytečného hliníku, a výsledkem pak je struktura již propojená a navíc opatřená kontaktovacími hliníkovými ploškami, kam se pak např. termokompresí budou připojovat zlaté drátky propojující čip s fyzickými drátěnými vývody pouzdra. Je vidět, že architektura integrovaného obvodu musí být volena tak, abychom co nejvíce spojů mohli udělat v jedné rovině, tj. při jedné metalizaci. U našeho jednoduchého integrovaného obvodu to ovšem nebyl problém, u komplikovanějších integrovaných obvodů se jedná o velmi komplikovaný problém, řešitelný jen s pomocí počítačů. Proto se hovoří o generacích počítačů, neboť jen ty nejjednodušší architektury integrovaných obvodů mohly být v počátcích éry polovodičů kresleny ručně a pak ofotografovány a zmenšeny, aby mohly sloužit jako předloha pro fotolitografický proces. Tím byly vytvořeny první integrované obvody a z nich pak první počítače, které pak již pomocí přesných zapisovačů samy kreslily podstatně složitější architektury pro podstatně složitější integrované obvody 2. generace, atd. Nyní se hovoří o počítačích čtvrté nebo čtyřapůlté generace, počítače šesté generace by již měly být vybaveny umělou inteligencí (do definice tohoto pojmu se zde nebudu pouštět, vnímejte jej zatím jen intuitivně).
Uvedený technologický proces se neprovádí jen na jediném integrovaném obvodu. Na jednom ”salámku” je umístěno buď několik tisíc diskrétních tranzistorů, nebo několik set integrovaných obvodů malé nebo střední integrace, případně několik desítek obvodů velké integrace, nebo jeden nebo několik obvodů extrémně vysoké hustoty integrace. V jednom technologickém kroku se přitom může zpracovat 10 i více ”salámků”. Hustota integrace se rozlišuje podle počtu ekvivalentů logických hradel, které integrovaný obvod obsahuje; náš obvod představoval jedno velice primitivní logické hradlo, obvykle jedno hradlo obsahuje 4-6 tranzistorů. Zhruba do sto logických hradel na čipu hovoříme o malé hustotě integrace (SSI small scale of integration), zhruba do tisíce hradel na čipu o střední hustotě integrace (MSI medium scale of integration), zhruba do deseti tisíc hradel na čipu o vysoké hustotě integrace (LSI large scale of integration), zhruba do sto tisíc hradel o velmi vysoké hustotě integrace (VLSI very large scale of integration), nad tento počet se hovoří o extrémně vysoké hustotě integrace (ELSI, ULSI extremely, ultra large scale of integration). Někde na vrcholu tohoto řetězce je mikroprocesor Pentium obsahující ekvivalent asi tří milionů tranzistorů a v současné době již běžně dosažitelné dynamické paměti RAM o kapacitě 16Mbitů, tj. 224 bitů; v této paměti je každá paměťová bitová buňka tvořena jedním tranzistorem MOS, tento integrovaný obvod tedy obsahuje více než 224 tranzistorů. Přitom paměťové čipy s kapacitou 64Mbitů (226) jsou již v prodeji (bohužel ještě za vyšší cenu, než která by odpovídala násobku kapacity) a ve vývoji jsou již paměťové čipy s kapacitou 228 bitů, tedy 256Mbitů. Zhruba desetiletá historie ”písíček” (rozuměj počítačů kompatibilních s IBM PC) tedy znamenala zvýšení hustoty integrace o deset dvojkových řádů, z pamětí o kapacitě 256kbitů na paměti s kapacitou 210-krát větší.
Popišme si ještě fotolitografický proces, kterým selektivně ”odkrýváme” okénka na povrchu polovodičového materiálu, abychom mohli provést difuzi příměsí a tak oblast v materiálu o dané vodivosti, nebo hliníkovou metalizaci. Proces, který si popíšeme, je opět klasický, nejčastěji používaný proces. Představme si, že máme dokončen jeden technologický krok, např. epitaxní růst, a že chceme vytvořit izolační příkopy. Jak jsme uvedli, po epitaxním růstu vytvoříme na povrchu epitaxní vrstvy tenkou vrstvičku SiO2, a máme nyní vytvořit ”okénka” pro difuzi izolačních příkopů. Nejprve pokryjeme oxidovou vrsvičku tzv. fotorezistem, tj. látkou podobnou fotografické emulzi, ale odolnou proti letpací chemikálii (viz dále). Nanášení fotorezistu, jakož i další technologické operace je třeba provádět v prostředí, které obsahuje jen minimální množství prachových částic v kubickém metru vzduchu. Každá prachová částice, která ulpí na povrchu polovodiče, vytvoří při následné expozici stín a tak znehodnotí strukturu jednoho integrovaného obvodu. Tyto práce se proto provádějí ve speciálních digestořích, tzv. flow-boxech, kde se vzduch nikoliv odsává, jako je tomu v obyčejné digestoři, ale naopak vyčištěný vzduch proudí do digestoře a pracovní štěrbinou pak z digestoře, flow-boxu, do laboratoře. Proudění vzduchu omezuje difuzi prachových zrnek zpět do flow-boxů a v těch je pak taková čistota vzduchu, kterou určuje jednotka čistící vzduch do flow-boxů. Pracovníci pohybující se v těchto laboratořích musejí zachovávat nejpřísnější pravidla vakuové hygieny. Kruhová destička křemíku nesoucí budoucí integrované obvody, ”salámek”, pokrytý fotoresistem se pak exponuje přes masku, něco jako fotografický film pro černobílé předlohy (velmi vysoké gradace, ultratvrdý), která se musí na destičku orientovat s přesností mikronů pomocí značek na destičce a na masce; jakýkoliv posuv masky oproti značkám výrobek opět znehodnotí, tentokrát všechny obvody na celé destičce. Exponovaný fotoresist se vyvolává ve vývojce, která odplaví buď exponované části fotoresistu (tzv. pozitivní fotoresist), nebo neexponované části fotoresistu (tzv. negativní fotoresist); podle typu používaného fotoresistu musí být ovšem vyrobena maska. Účelem je odkrýt ve fotoresistu okénka na oxidovou vrstvu, aby se v těchto místech mohla oxidová vrstva v leptací lázni odleptat. Exponuje se buď ultrafialovým světlem, nebo měkkým rentgenovým zářením, v tom případě se použité emulzi říká rentgenový resist. Čím je kratší vlnová délka záření použitého pro expozici, tím jsou menší ohybové jevy na hranách masky a tím s větší přesností (a tím menší) mohou být vytvořené struktury. Leptá se buď klasicky v leptacích lázních obsahujících kyselinu fluorovodíkovou (nedivte se, že to fotoresist vydrží, jděte se podívat ke kolegyni chemikářce, že má kyselinu fluorovodíkovou, která leptá sklo, v igelitové lahvi), nebo tzv. suchou cestou v nízkoteplotním, obvykle vysokofrekvenčně generovaném, plazmatu, kde se oxid křemičitý odprašuje dopadem iontů těžších prvků, obvykle také plynů obsahujících fluór, SF6, CF4. I při suchém leptání pružný rezist odolává lépe dopadajícím částicím, než tvrdý oxid křemičitý. Po určité době leptání proleptáme tedy cca mikronovou vrstvičku oxidu a můžeme začít s difusí; před tím ale ještě musíme ve speciální lázní rozpustit nevyvolaný fotorezist. Tento fotolitografický postup musíme provést tolikrát, kolik difuzí a metalizací příslušná technologie obsahuje.
Řekněme si ještě, jak vytváříme integrované kondenzátory. Vlastně už oba postupy známe; jeden princip jsme si popisovali při objasňování kapacitní diody, druhý při probírání MOS tranzistoru. Integrované kondenzátory mohou tedy být dvojího druhu: jednak závěrně pólovaný přechod PN, tedy vlastně kapacitní dioda, nebo jednu elektrodu kondenzátoru tvoří oblast polovodiče, např. typu P, a druhou elektrodu hliníková metalizace; dielektrikum pak tvoří vrstvička oxidu křemičitého. Kondenzátory jsou velmi náročné na plochu čipu a proto se využívají jen v nejnutnějších případech a v minimálním počtu. Například u integrovaného operačního zesilovače 741 tvoří jediný kondenzátor pro frekvenční kompenzaci cca 40% plochy čipu; uživatel však může tento zesilovač pouze připojit k napájení a používat, a kromě dvou odporů nastavujících zesílení (ty obvykle nejsou součástí ntegrovaného obvodu, protože závisí na aplikaci; pro ”běžná” zesílení, například 1 nebo 10 je však integrovaný obvod může obsahovat) nemusí připojovat žádné vnější součástky.
Po skončení všech technologických operací, kterými se vytvoří struktury v polovodiči, musíme kruhovou křemíkovou destičku s vytvořenými integrovanými obvody rozřezat na tolik kousků, čipů, kolik integrovaných obvodů jsme na něm vytvořili. Dělá se to podobně, jako když řežeme tabuli skla; čáry řezu se narýhují diamantovým nožem a destička se na potřebný počet kousků rozláme. Další postupy testování a pouzdření jsme si již popsali.
Při výrobě diskretních tranzistorů můžeme vynechat technologický krok izolace jednotlivých struktur na čipu, neboť na čipu bude vždy jen jedna struktura (dioda nebo tranzistor, odpory umíme dělat levněji a přesněji uhlíkovou nebo kovovou tenkou vrstvou na keramické tyčince, takže ty se z polovodičů nedělají; jedinou výjimkou jsou termistory, tj. odpory se záporným teplotním koeficientem odporu). Na obrázku 4.3, který je opět podle literatury [1] je vidět rozdíl mezi integrovaným a diskretním tranzistorem; diskretní tranzistor může mít kolektorový kontakt na druhé straně čipu, což u integrovaného tranzistoru není možné. Proto diskretní tranzistory (pokud jsou do kovového pouzdra zapouzdřeny) mívají kolektor spojený s kovovým pouzdrem.
obr. 4.3a 4.3b
