Zopakujme si nejprve poznatek, kterĂ˝ jsme zĂskali ve druhĂŠ kapitole: dotujeme-li polovodiÄ jednoho typu vodivosti pĹĂmÄsemi opaÄnĂŠho typu vodivosti, zvyĹĄujeme pravdÄpodobnost vzĂĄjemnĂŠ rekombinace nosiÄĹŻ nĂĄboje, coĹž mĂĄ za nĂĄsledek, Ĺže polovodiÄ nejprve tzv. zkompenzujeme, to znamenĂĄ, Ĺže bude mĂt (z hlediska vedenĂ proudu) vlastnosti stejnĂŠ jako vlastnĂ polovodiÄ a pokraÄujeme-li v dotaci dĂĄle, pĹedopujeme polovodiÄ na opaÄnĂ˝ typ vodivosti. Tato vlastnost se vyuĹžĂvĂĄ v technologii vĂ˝roby polovodiÄovĂ˝ch prvkĹŻ tĂm zpĹŻsobem, Ĺže nejprve vytvoĹĂme v polovodiÄi urÄitou oblast jednoho typu vodivosti a pak ÄĂĄst tĂŠto oblasti pĹedopujeme na opaÄnou vodivost; vznikne PN pĹechod. PĹĂmÄsi pĹidĂĄvĂĄme v popisovanĂŠ technologii do polovodiÄe termickou difuzĂ. PĹi tomto technologickĂŠm kroku se polovodiÄ ohĹeje na vysokou teplotu, ĹĂĄdovÄ 1000 °C a ponoĹĂ se do atmosfĂŠry plynu obsahujĂcĂho pĹĂmÄs. OhĹĂĄtĂ se dÄje ve vakuu, aby nedoĹĄlo k oxidaci povrchu a teprve po dosaĹženĂ difusnĂ teploty se pĹivĂĄdĂ plyn obsahujĂcĂ atomy pĹĂmÄsĂ, napĹ. smÄs inertnĂho argonu a atomĹŻ fosforu. Proces difuse probĂhĂĄ po relativnÄ dlouhou dobu (desĂtky minut), aby se Äas difuse mohl rozumnÄ mÄĹit. Po celou dobu difuse musĂ bĂ˝t teplota udrĹžovĂĄna s pĹesnostĂ cca Âą0.5°C; je to proto, Ĺže hloubka, do kterĂŠ pĹĂmÄsi nadifundujĂ, je exponenciĂĄlnÄ zĂĄvislĂĄ na teplotÄ a pĹi vĂ˝robÄ napĹ. tranzistorĹŻ nĂĄm jde o to, aby ĹĄĂĹka bĂĄze byla definovĂĄna s pĹesnostĂ desetin mikronu.
PodĂvejme se nejprve na to, jakĂ˝m zpĹŻsobem zĂskĂĄvĂĄme vĂ˝chozĂ materiĂĄl pro vĂ˝robu polovodiÄovĂ˝ch souÄĂĄstek - ÄistĂ˝ monokrystalickĂ˝ kĹemĂk. NemusĂme snad znovu zdĹŻrazĹovat, Ĺže veĹĄkerĂŠ naĹĄe teoretickĂŠ Ăşvahy ve druhĂŠ kapitole se tĂ˝kaly krystalickĂŠ formy polovodiÄe a Ĺže tedy dobrĂ˝ polovodiÄovĂ˝ materiĂĄl musĂ bĂ˝t krystalickĂ˝. Äistota materiĂĄlu je takĂŠ jednĂm ze zĂĄkladnĂch poĹžadavkĹŻ na materiĂĄl pro vĂ˝robu polovodiÄovĂ˝ch souÄĂĄstek. UvÄdomĂme-li si, Ĺže intrinsickĂ˝ materiĂĄl, tj. materiĂĄl bez pĹĂmÄsĂ, obsahuje jeden pĂĄr elektron-dĂra na zhruba 109 atomĹŻ, pak neÄistota, tj. koncentrace pĹĂmÄsĂ, ĹĂĄdu 10-9 zvýťà koncentraci nosiÄĹŻ nĂĄboje dvakrĂĄt. BÄĹžnĂĄ Äistota tzv. spektrĂĄlnÄ ÄistĂ˝ch plynĹŻ, se mÄĹĂ v jednotkĂĄch ppm (particle per milion), tj. v jednotkĂĄch 10-6. JedinĂĄ jednotka ppm by tedy zvýťila koncentraci nosiÄĹŻ, a tedy i vodivost polovodiÄovĂŠho materiĂĄlu, tisĂckrĂĄt. Jinak ĹeÄeno, v polovodiÄovĂŠm prĹŻmyslu, dnes branĂŠm jako zcela bÄĹžnou souÄĂĄst naĹĄeho Ĺživota, se jednĂĄ o Äistoty zhruba tisĂckrĂĄt lepĹĄĂ, neĹž bylo bÄĹžnĂŠ v dĹĂvÄjĹĄĂ praxi. Je zĹejmĂŠ, Ĺže elektrickĂĄ vodivost je velmi dobrĂ˝m indikĂĄtorem Äistoty, a Ĺže zĂĄjem o polovodiÄovĂ˝ materiĂĄl byl pĹĂÄinou intenzĂvnĂ snahy o vyĹeĹĄenĂ problĂŠmu purifikace materiĂĄlu.
Jednou z nejdĹŻleĹžitÄjĹĄĂch metod purifikace polovodiÄovĂŠho materiĂĄlu je tzv. zonĂĄlnĂ rafinace. Tato metoda byla vyvinuta Pfannem a je aplikovĂĄna na ÄiĹĄtÄnĂ germania a kĹemĂku. Princip zonĂĄlnĂ rafinace je zaloĹžen na skuteÄnosti, Ĺže je-li tekutĂ˝ a tuhĂ˝ polovodiÄovĂ˝ materĂĄl, napĹ. kĹemĂk v rovnovĂĄze, pak koncentrace neÄistot v materiĂĄlu je podstatnÄ vÄtĹĄĂ v tekutinÄ neĹž v tuhĂŠ fĂĄzi. VlastnĂ metoda spoÄĂvĂĄ v lokĂĄlnĂm ohĹĂĄtĂ materiĂĄlu na potĹebnou teplotu tavenĂ (pod slovem âlokĂĄlnĂâ si pĹedstavme krĂĄtkĂ˝ lineĂĄrnĂ Ăşsek napĹ. vĂĄlcovĂŠho ingotu materiĂĄlu) a v posuvu tĂŠto oblasti podĂŠl ingotu. NeÄistoty zĹŻstĂĄvajĂ v âtekutĂŠâ, tj. ohĹĂĄtĂŠ oblasti a pohybem tĂŠto oblasti podĂŠl ingotu je âpĹesunemeâ na konec ingotu, kterĂ˝ mĹŻĹže bĂ˝t odĹĂznut a pouĹžit znova pro pĹĂpravu dalĹĄĂho materiĂĄlu. Po zonĂĄlnĂ tavbÄ je materiĂĄl ingotu velmi ÄistĂ˝ a je moĹžnĂŠ jej pouĹžĂt v dalĹĄĂm technologickĂŠm kroku, tj. vĂ˝robÄ vlatnĂho monokrystalu.
PĹedstavme si tedy, Ĺže mĂĄme vyrobit z purifikovanĂŠho kĹemĂku ve formÄ drobnĂ˝ch zrn monokrystalickĂ˝ materiĂĄl vhodnĂ˝ pro planĂĄrnĂ technologii. Metoda vĂ˝roby tohoto materiĂĄlu (ingotu) je znĂĄzornÄna na obrĂĄzku 4.1 a byla nazvĂĄna CzochralskĂŠho (Äti ÄochralskĂŠho) metodou. Je to metoda pomalĂŠho taĹženĂ monokrystalickĂŠho ingotu z taveniny vĂ˝chozĂho materiĂĄlu, tedy kĹemĂku. KĹemĂk je umĂstÄn v grafitovĂŠ vĂĄlcovĂŠ nĂĄdobce v nĂĄdobÄ z kĹemennĂŠho skla. KĹemennĂŠ sklo je voleno ze dvou dĹŻvodĹŻ; jednak vydrŞà velmi vysokou teplotu, jednak jsou v nÄm malĂŠ dielektrickĂŠ ztrĂĄty. VĂĄlcovĂĄ nĂĄdobka, ve kterĂŠ je kĹemĂk umĂstÄn, je ohĹĂvĂĄna na potĹebnou teplotu pomocĂ tzv. indukÄnĂho ohĹevu. K takovĂŠmu ohĹevu potĹebujeme vĂ˝konovĂ˝ vysokofrekvenÄnĂ generĂĄtor, s frekvencĂ typicky 500 kHz a vĂ˝konem nÄkolika kW. Energii z generĂĄtoru pak vedeme pĹes obvod pĹizpĹŻsobujĂcĂ impedanci generĂĄtoru impedanci zĂĄtÄĹže (vzpomeĹte si napĹĂklad z Ăşvodu; vĂ˝kon dodanĂ˝ ze zdroje do zĂĄtÄĹže je maximĂĄlnĂ, mĂĄ-li zĂĄtÄĹž odpor stejnĂ˝ jako je vnitĹnĂ odpor zdroje; tento zĂĄvÄr se dĂĄ zobecnit na obecnou impedanci tak, Ĺže vĂ˝kon do zĂĄtÄĹže je maximĂĄlnĂ, jsou-li reĂĄlnĂŠ sloĹžky vnitĹnĂ impedance zdroje a zĂĄtÄĹže stejnĂŠ a imaginĂĄrnĂ sloĹžky impedance zdroje a zĂĄtÄĹže majĂ opaÄnĂŠ znamĂŠnko) na primĂĄrnĂ vinutĂ vysokofrekvenÄnĂho transformĂĄtoru, kterĂŠ je navinuto zvnÄjĹĄku vĂĄlcovĂŠ kĹemennĂŠ nĂĄdoby. SekundĂĄr tohoto transformĂĄtoru tvoĹĂ grafitovĂĄ nĂĄdobka, ve kterĂŠ je kĹemĂk umĂstÄn. PĹi sprĂĄvnĂŠm pĹizpĹŻsobenĂ dostaneme tak znaÄnou ÄĂĄst vĂ˝konu generĂĄtoru do tohoto sekundĂĄrnĂho zĂĄvitu (dielektrickĂŠ ztrĂĄty v kĹemennĂŠm skle jsou malĂŠ, takĹže sklo se energiĂ z generĂĄtoru pĹĂmo neohĹĂvĂĄ; ohĹĂvĂĄ se vĹĄak radiacĂ od grafitovĂŠ nĂĄdobky) a to mĂĄ za nĂĄsledek, Ĺže nĂĄdobku ohĹejeme na teplotu potĹebnou k roztavenĂ kĹemĂku. Vzhledem k tomu, Ĺže proces probĂhĂĄ v inertnĂ atmosfĂŠĹe, kĹemĂk se neoxiduje a je moĹžnĂŠ s nĂm pracovat ve stavu taveniny. Shora do nĂĄdobky s kĹemĂkem zasahuje osa, na jejĂmĹž dolnĂm konci je umĂstÄn tzv. zĂĄrodeÄnĂ˝ krystal. Je to kus monokrystalickĂŠho materiĂĄlu vĂĄlcovĂŠho tvaru s takovĂ˝m prĹŻmÄrem, kterĂ˝ chceme vyrĂĄbÄt. Konec zĂĄrodeÄnĂŠho krystalu se nejprve ponoĹĂ do taveniny a pak se za pomalĂŠho otĂĄÄenĂ z taveniny vytahuje. VĂ˝sledkem tĂŠto Äinnosti je ingot kĹemĂku vĂĄlcovitĂŠho tvaru, ve kterĂŠm je relativnÄ mĂĄlo poruch krystalovĂŠ mĹĂĹže. VytahovĂĄnĂm ingotu z taveniny ubĂrĂĄme ovĹĄem materiĂĄl z grafitovĂŠ nĂĄdobky, proto jej musĂme pĹidĂĄvat; jeden z moĹžnĂ˝ch zpĹŻsobĹŻ je pĹidĂĄvĂĄnĂ materiĂĄlu do taveniny ve formÄ zrnĂÄek, pelet. PrĹŻmÄr monokrystalickĂŠho ingotu rostl v prĹŻbÄhu vĂ˝voje s tĂm, jak se zlepĹĄovalo âknow howâ tĂŠto metody; od cca jednoho centimetru v poÄĂĄtcĂch polovodiÄovĂŠ ĂŠry aĹž po dneĹĄnĂ ingoty s prĹŻmÄrem okolo 15-20 centimetrĹŻ. Je zĹejmĂŠ, Ĺže bÄhem vĂ˝roby tÄchto monokrystalickĂ˝ch ingotĹŻ je moĹžnĂŠ do taveniny pĹidĂĄvat definovanĂŠ mnoĹžstvà ŞådoucĂch pĹĂmÄsĂ, takĹže vytvoĹenĂ˝ monokrystalickĂ˝ materiĂĄl pak bude typu P nebo N.
Takto pĹipravenĂ˝ materiĂĄl je ingot vĂĄlcovitĂŠho tvaru a je tedy nutnĂŠ z nÄj pĹipravit destiÄky tenkĂŠ cca 0,2 mm, kterĂŠ jsou potĹeba pro vlastnĂ vĂ˝robu polovodiÄovĂ˝ch prvkĹŻ. Ty se dostanou rozĹezĂĄnĂm vĂĄlcovĂŠho ingotu v rovinÄ kolmĂŠ na jeho osu pomocĂ tzv. diamantovĂŠ pily, coĹž je okruĹžnĂ pila s listem ve tvaru tenkĂŠ kruhovĂŠ ocelovĂŠ folie, na kterĂŠ je z obou stran pĹitmelen diamantovĂ˝ prĂĄĹĄek. Pak nĂĄsleduje leĹĄtÄnĂ povrchu tÄchto kĹemĂkovĂ˝ch kotouÄkĹŻ (zvanĂ˝ch salĂĄmky, neboĹĽ vypadajĂ jako na plĂĄtky nakrĂĄjenĂ˝ salĂĄm) na takovou rovinnost, aby pĹĂpadnĂŠ nerovnosti povrchu byly srovnatelnĂŠ s vlnovou dĂŠlkou viditelnĂŠho svÄtla. Tento proces je bÄĹžnĂ˝ z optickĂŠho prĹŻmyslu a tedy nevyĹžaduje podrobnÄjĹĄĂho popisu; leĹĄtĂ se mechanicky pomocĂ brusnĂ˝ch past s postupnÄ menĹĄĂmi a menĹĄĂmi zrny aĹž povrch kĹemĂkovĂŠ destiÄky pĹipomĂnĂĄ dobrĂŠ opticky pĹesnĂŠ zrcadlo.
PopiĹĄme si nynĂ podle [1] zĂĄkladnĂ, tzv. planĂĄrnÄ epitaxnĂ technologii vĂ˝roby polovodiÄovĂ˝ch souÄĂĄstek. Nebudeme se zabĂ˝vat technologiĂ vĂ˝roby diskretnĂch souÄĂĄstek, popĂĹĄeme jen vĂ˝robu integrovanĂ˝ch obvodĹŻ a nakonec si Ĺekneme, jak se liĹĄĂ technologie pro diskretnĂ souÄĂĄstky od popsanĂŠ. Sledujme pĹitom obrĂĄzek 4.2, na kterĂŠm je znĂĄzornÄn jednoduchĂ˝ elektronickĂ˝ obvod (invertor v DTL logice) obsahujĂcĂ odpor, dvÄ diody a jeden tranzistor jednak ve schematickĂŠm zobrazenĂ, jednak jako Ĺez destiÄkou polovodiÄe, na kterĂŠ je tento obvod vytvoĹen. PĹi pohledu shora by se jednotlivĂŠ vyznaÄenĂŠ oblasti jevily jako obdĂŠlnĂky se ĹĂĄdovÄ stejnĂ˝mi dĂŠlkami stran. Struktura takovĂŠho jednoduchĂŠho obvodu se tedy sklĂĄdĂĄ ze ÄtyĹ vrstev, zĂĄkladnĂ destiÄky, substrĂĄtu, typu P, tlustĂŠ typicky 0,15 mm. Na substrĂĄtu je vytvoĹena tzv. epitaxnĂ vrstva silnĂĄ cca 25 m m (obrĂĄzek nenĂ v mÄĹĂtku, abychom zvĂ˝raznili prĂĄvÄ tuto epitaxnĂ vrstvu), ve kterĂŠ jsou vytvoĹeny struktury representujĂcĂ potĹebnĂŠ prvky obvodu. Celek je pokryt izolaÄnĂ a ochrannou vrstvou SiO2(oxid kĹemiÄitĂ˝, kĹemen), ve kterĂŠ jsou vytvoĹeny âprĹŻzoryâ potĹebnĂŠ pro kontakty. PropojenĂ vĹĄech souÄĂĄstek obstarĂĄvĂĄ tzv. metalizace, tj. spoje, jednak vytvĂĄĹejĂcĂ kontakt na polovodiÄovĂŠ struktury, jednak propojujĂcĂ jednotlivĂŠ souÄĂĄstky; metalizace je vytvoĹena pomocĂ tenkĂŠ vrstvy hlinĂku. Celek, nazĂ˝vanĂ˝ Äip (z anglickĂŠho chip, kousek), pĹedstavuje relativnÄ odolnou souÄĂĄstku, kterĂĄ nepodlĂŠhĂĄ atmosfĂŠrickĂ˝m vlivĹŻm (oxidace, koroze apod.) a je tedy moĹžno tyto Äipy transportovat a nechĂĄvat zapouzdĹit napĹ. v tovĂĄrnÄ v jinĂŠ zemi (Ĺada integrovanĂ˝ch obvodĹŻ podle oznaÄenĂ˝ch vyrobenĂ˝ch napĹ. v jihovĂ˝chodnĂ Asii jsou dovezenĂŠ Äipy, v tÄchto zemĂch jen pouzdĹenĂŠ). VyrobenĂŠ Äipy je nutnĂŠ otestovat; to se dÄje automaticky ve strojĂch, kde se Äip pomocĂ jehlovĂ˝ch kontaktĹŻ pĹipojĂ do testovacĂho zaĹĂzenĂ, ozkouĹĄĂ se jeho funkce, a nevyhovuje-li, oznaÄĂ se automaticky kapkou barvy obsahujĂcĂ feromagnetickou suspenzi; pomocĂ magnetickĂŠho pole je pak moĹžnĂŠ tyto vadnĂŠ Äipy automaticky vytĹĂdit. DobrĂ˝ Äip je pak nutnĂŠ pĹitmelit na kovovou, sklenÄnou nebo keramickou podloĹžku, majĂcĂ jiĹž fyzickĂŠ vĂ˝vody (noĹžiÄky, co se dajĂ letovat) a vĂ˝vody obvodu na Äipu je nutnĂŠ propojit s vĂ˝vody na podloĹžce. To se dÄje obvykle pomocĂ zlatĂŠho drĂĄtku a pĹipevnÄnĂ drĂĄtku na Äip se provĂĄdĂ buÄ ultrazvukem nebo pomocĂ tzv. termokomprese, pĹi kterĂŠ se drĂĄtek ohĹĂĄtou safĂrovou jehlou pĹitlaÄĂ na ploĹĄku Äipu, kterĂĄ je k tomu ĂşÄelu na Äipu vytvoĹena; zvýťenou teplotou probÄhne difuse atomĹŻ zlata do hlinĂku a vytvoĹĂ se pevnĂ˝ spoj. I tato Äinnost se provĂĄdĂ automaticky v tzv. âĹĄicĂch strojĂchâ. Podle typu podloĹžky se buÄ dĂĄle opatĹĂ podloĹžka kovovĂ˝m krytem (keramickĂŠ, sklenÄnĂŠ podloĹžky), nebo se pouzdĹĂ do umÄlĂŠ hmoty (kovovĂŠ podloĹžky). VyrobenĂŠ obvody se opÄt automaticky testujĂ, pĹĂpadnÄ tĹĂdĂ podle dosaĹženĂ˝ch parametrĹŻ (napĹ. diody podle bezpeÄnĂŠho zĂĄvÄrnĂŠho napÄtĂ) a expedujĂ ke spotĹebiteli.
PopiĹĄme si nynĂ jednotlivĂŠ technologickĂŠ kroky vedoucĂ k vytvoĹenĂ struktury na Äipu. PrvnĂ krok, tj. vĂ˝robu kĹemĂkovĂŠ destiÄky, jsme si jiĹž popsali. JakĂ˝m zpĹŻsobem tedy mĹŻĹžeme na tĂŠto destiÄce vytvoĹit tzv. monolitickĂ˝ integrovanĂ˝ obvod? (Slovo âmonolitickĂ˝â je odvozeno od ĹeckĂ˝ch slov monos - jeden a lithos - kĂĄmen, monolitickĂ˝, vestavÄnĂ˝ do jednoho kamene , do jednoho krystalu.) DalĹĄĂm krokem je vytvoĹenĂ tzv. epitaxnĂ vrstvy. To je tenkĂĄ monokrystalickĂĄ vrstva kĹemĂku (v naĹĄem pĹĂpadÄ typu N), vytvoĹenĂĄ zahĹĂĄtĂm substrĂĄtu na teplotu cca 1200 °C a exponovĂĄnĂm destiÄky atmosfĂŠĹe obsahujĂcĂ atomy kĹemĂku a souÄasnÄ atomy pĹĂmÄsi typu N, napĹ. fosforu. VytvoĹenĂm epitaxnĂ vrstvy jsme vlastnÄ vytvoĹili prvnĂ PN pĹechod, kterĂ˝, jak uvidĂme dĂĄle, bude slouĹžit k izolaci jednotlivĂ˝ch souÄĂĄstek od sebe. NĂĄsleduje oxidace tĂŠto expitaxnĂ vrstvy ohĹĂĄtĂm destiÄky na cca 1000 °C a exponovĂĄnĂm do kyslĂkovĂŠ atmosfĂŠry; vytvoĹĂ se tenkĂĄ vrstva (asi 0,5 mm tlustĂĄ) oxidu kĹemiÄitĂŠho na povrchu epitaxnĂ vrstvy. DalĹĄĂm krokem je vytvoĹenĂ tzv. izolaÄnĂch pĹĂkopĹŻ. PĹi vĂ˝robÄ monolitickĂ˝ch integrovanĂ˝ch obvodĹŻ nemĹŻĹžeme obvykle totiĹž izolovat jednotlivĂŠ prvky obvodu vzduchovou mezerou, jak je to normĂĄlnĂ u obvodu sestavenĂŠho z diskrĂŠtnĂch souÄĂĄstek. Proto se jako izolace pouĹžĂvĂĄ oblastĂ (v naĹĄem pĹĂpadÄ typu P), kterĂŠ mezi jednotlivĂŠ souÄĂĄstky obvodu vloŞà dva obrĂĄcenÄ pĂłlovanĂŠ PN pĹechody v serii; jakoby dvÄ obrĂĄcenÄ pĂłlovanĂŠ diody v serii. Mezi souÄĂĄstkami, aĹĽ je na nich vzĂĄjemnÄ napÄtĂ jakĂŠkoli polarity, poteÄe jen zĂĄvÄrnĂ˝ proud tÄchto diod, kterĂ˝ mĹŻĹžeme pro vÄtĹĄinu pĹĂpadĹŻ zcela zanedbat. VytvoĹenĂm izolaÄnĂch pĹĂkopĹŻ vzniknou tedy ostrĹŻvky izolovanĂŠ od sebe a do nich pak mĹŻĹžeme vytvĂĄĹet jednotlivĂŠ polovodiÄovĂŠ struktury. Je tĹeba si uvÄdomit, Ĺže i kdyĹž stejnosmÄrnĂ˝ izolaÄnĂ odpor mezi ostrĹŻvky je velmi vysokĂ˝ (odpovĂdĂĄ odporu diody v zĂĄvÄrnĂŠm smÄru, tj. je v ĹĂĄdu 109 W; je nutno si tĂŠĹž uvÄdomit, Ĺže tento odpor je zĂĄvislĂ˝ na napÄtĂ a tedy Ĺže uvedenĂĄ vysokĂĄ hodnota izolaÄnĂho odporu platĂ jen pro do napÄtĂ, na kterĂĄ je Äip konstruovĂĄn), existuje nenulovĂĄ parazitnĂ kapacita mezi ostrĹŻvky danĂĄ v podstatÄ kapacitou PN pĹechodu v zĂĄvÄrnĂŠm smÄru (je to kapacita jednak ostrĹŻvkĹŻ vĹŻÄi sobÄ, jednak kapacita ostrĹŻvkĹŻ vĹŻÄi substrĂĄtu), kterĂĄ se mÄnĂ se zĂĄvÄrnĂ˝m napÄtĂm, viz oddĂl o kapacitnĂch diodĂĄch v kapitole 2. CelkovĂĄ kapacita ostrĹŻvkĹŻ vĹŻÄi sobÄ je ĹĂĄdu jednotek pikofaradĹŻ a je nutnĂŠ s nĂ pĹi nĂĄvrhu monolitickĂ˝ch integrovanĂ˝ch obvodĹŻ poÄĂtat. (NĂĄvrhy integrovanĂ˝ch obvodĹŻ se v souÄasnĂŠ dobÄ provĂĄdÄjĂ vĂ˝hradnÄ s pomocĂ poÄĂtaÄe a rozsĂĄhlĂ˝ch knihoven, kde jsou uloĹženy architektury jednotlivĂ˝ch struktur v rĹŻznĂ˝ch technologiĂch; souÄĂĄstĂ takovĂŠho programu je pak i simulaÄnĂ program, kterĂ˝ provedenĂ˝ nĂĄvrh âvyzkouĹĄĂâ z hlediska poĹžadovanĂ˝ch parametrĹŻ a upozornĂ na eventuĂĄlnĂ parazitnĂ efekty. Jeden z nejznĂĄmÄjĹĄĂch programĹŻ k tomuto ĂşÄelu vyrĂĄbĂ firma Silver Lisco.) IzolaÄnĂ pĹĂkopy se provĂĄdÄjĂ fotolitografickou technikou, kterĂĄ je stejnĂĄ i pro vytvĂĄĹenĂ polovodiÄovĂ˝ch struktur a bude o nĂ ĹeÄ nĂĹže.
IzolovanĂŠ ostrĹŻvky materiĂĄlu o vodivosti N tvoĹĂ v pĹĂpadÄ tranzistoru kolektor, pro diody a rezistor jen oblast, ve kterĂŠ budou pozdÄji vytvoĹeny. DalĹĄĂm technologickĂ˝m krokem je tedy vytvoĹenĂ oblastĂ vodivosti P v izolovanĂ˝ch ostrĹŻvcĂch vodivosti N. Tyto oblasti budou slouĹžit jako rezistor, anody diod (anody jsou v pĹĂpadÄ naĹĄeho schematu propojeny, takĹže staÄĂ vytvoĹit jen jednu oblast) a bĂĄze tranzistoru. FotolitografickĂ˝m procesem se opÄt vymezĂ oblasti, ve kterĂ˝ch se do materiĂĄlu o vodivosti N nadifunduje pĹĂmÄs typu P (tĹĂmocnĂĄ) s takovou koncentracĂ, aby polovodiÄ pĹeĹĄel kompenzovanĂ˝m stavem a âpĹedopoval seâ na vodivost P. Z hlediska rezistoru vidĂme, Ĺže ten je tvoĹen pĹĂmo jen oblastĂ o vodivosti P urÄitĂŠho prĹŻĹezu; prĂĄvÄ prĹŻĹezem oblasti je moĹžnĂŠ mÄnit velikost odporu budoucĂho rezistoru. Je zĹejmĂŠ, Ĺže difusi pĹĂmÄsĂ musĂme ĹĂdit tak, aby oblast typu P byla âmÄlÄĂâ neĹž pĹŻvodnĂ ostrĹŻvek o vodivosti N.
Po difuzi bĂĄze se povrch materiĂĄlu opÄt pokryje vrstviÄkou SiO2 a opÄt fotolitografickĂ˝m procesem se odkryjĂ âokĂŠnkaâ, skrze nÄĹž se nadifundujĂ katody diod, emitor tranzistoru a do kolektoru tranzistoru âkontaktovacĂâ oblasti. Zde je potĹeba objasnit, co to âkontaktovacĂ oblastiâ jsou. PĹiloĹžĂme-li kovovĂ˝ vodiÄ na polovodiÄ s úmyslem vytvoĹit kontakt, mĹŻĹže se nĂĄm stĂĄt, Ĺže to, co jsme povaĹžovali za kontakt bude vlastnÄ Schottkyho dioda (dioda s pĹechodem kov-polovodiÄ), tedy Ĺže voltampĂŠrovĂĄ charakteristika spojenĂ kov polovodiÄ bude vykazovat usmÄrĹujĂcĂ vlastnosti. To je ale pro kontakt neŞådoucĂ efekt a obchĂĄzĂ se tĂm, Ĺže pĹi kontaktovĂĄnĂ na polovodiÄ o vodivosti N vytvoĹĂme v tomto polovodiÄi oblast se zvýťenou dotacĂ pĹĂmÄsĂ typu N (oznaÄuje se N+; nezamÄĹujte, prosĂm, s iontem dusĂku). PĹi kontaktovĂĄnĂ na polovodiÄ typu P k usmÄrĹovacĂmu efektu nedochĂĄzĂ, neboĹĽ kontakt na polovodiÄ se dÄlĂĄ hlinĂkem, coĹž je vlastnÄ pĹĂmÄs typu P, takĹže oblast zvýťenĂŠ koncentrace pĹĂmÄsĂ pod kontaktem vznikne automaticky. EmitorovĂĄ oblast tranzistoru se obvykle dotuje hodnÄ a tak pĹi stejnĂŠm technologickĂŠm kroku mĹŻĹžeme do jiĹž vytvoĹenĂ˝ch kolektorovĂ˝ch oblastĂ typu N nadifundovat tuto oblast o zvýťenĂŠ koncentraci pĹĂmÄsĂ, abychom usmÄrĹovacĂmu efektu kontaktu pĹedeĹĄli.
DalĹĄĂm krokem pĹi vytvĂĄĹenĂ monolitickĂŠho integrovanĂŠho obvodu je tzv. aluminiovĂĄ metalizace. PĹi nĂ se zase obvyklĂ˝m postupem fotolitografie odkryjĂ âokĂŠnkaâ v mĂstech, kterĂĄ majĂ bĂ˝t propojena a pak se celĂ˝ povrch materiĂĄlu pokryje tenkou vrstvou hlinĂku. ObvyklĂ˝ technologickĂ˝ proces je tzv. napaĹovĂĄnĂ, kdy se ve vakuu tak vysokĂŠm, aby stĹednĂ volnĂĄ drĂĄha vypaĹenĂ˝ch atomĹŻ hlinĂku ve vakuovĂŠm systĂŠmu byla vÄtĹĄĂ neĹž jsou rozmÄry vakuovĂŠho systĂŠmu, v nĂĄdobce roztavĂ hlinĂk (pro ohĹev se vÄtĹĄinou uĹžĂvĂĄ pĹĂmĂ˝ prĹŻchod proudu nĂĄdobkou, kterĂĄ je z materiĂĄlu o vyĹĄĹĄĂm specifickĂŠm odporu, napĹ. z wolframu), ten se vypaĹuje a nad nĂĄdobkou jsou umĂstÄny substrĂĄty, kterĂŠ majĂ bĂ˝t pokoveny. (VzpomeĹte si, Ĺže âhrubĂ˝, odhadovĂ˝â vzorec pro vĂ˝poÄet stĹednĂ volnĂŠ drĂĄhy molekul vzduchu pĹi tlaku p udanĂŠm v Torrech je
l Âť 10-5/p;
abychom tedy dosĂĄhli dĂŠlky stĹednĂ volnĂŠ drĂĄhy 1 m, coĹž je ĹĂĄd velikosti vakuovĂ˝ch systĂŠmĹŻ pouĹžĂvanĂ˝ch k metalizaci integrovanĂ˝ch obvodĹŻ, potĹebujeme systĂŠm vyÄerpat na tlak 10-5 Torru, tedy na cca 10-3 Pa, jinĂ˝mi slovy na tlak zhruba 108krĂĄt niŞťĂ, neĹž je tlak atmosfĂŠrickĂ˝.) HlinĂk kondenzuje na jejich povrchu a vytvoĹĂ tak tenkou vodivou vrstvu, kterĂĄ je ovĹĄem po celĂŠm povrchu âsalĂĄmkuâ, nikoliv jen tam, kde potĹebujeme spoje. Abychom vytvoĹili potĹebnou strukturu spojĹŻ, musĂme opÄt opakovat postup fotolitografie, odleptĂĄnĂ pĹebyteÄnĂŠho hlinĂku, a vĂ˝sledkem pak je struktura jiĹž propojenĂĄ a navĂc opatĹenĂĄ kontaktovacĂmi hlinĂkovĂ˝mi ploĹĄkami, kam se pak napĹ. termokompresĂ budou pĹipojovat zlatĂŠ drĂĄtky propojujĂcĂ Äip s fyzickĂ˝mi drĂĄtÄnĂ˝mi vĂ˝vody pouzdra. Je vidÄt, Ĺže architektura integrovanĂŠho obvodu musĂ bĂ˝t volena tak, abychom co nejvĂce spojĹŻ mohli udÄlat v jednĂŠ rovinÄ, tj. pĹi jednĂŠ metalizaci. U naĹĄeho jednoduchĂŠho integrovanĂŠho obvodu to ovĹĄem nebyl problĂŠm, u komplikovanÄjĹĄĂch integrovanĂ˝ch obvodĹŻ se jednĂĄ o velmi komplikovanĂ˝ problĂŠm, ĹeĹĄitelnĂ˝ jen s pomocĂ poÄĂtaÄĹŻ. Proto se hovoĹĂ o generacĂch poÄĂtaÄĹŻ, neboĹĽ jen ty nejjednoduĹĄĹĄĂ architektury integrovanĂ˝ch obvodĹŻ mohly bĂ˝t v poÄĂĄtcĂch ĂŠry polovodiÄĹŻ kresleny ruÄnÄ a pak ofotografovĂĄny a zmenĹĄeny, aby mohly slouĹžit jako pĹedloha pro fotolitografickĂ˝ proces. TĂm byly vytvoĹeny prvnĂ integrovanĂŠ obvody a z nich pak prvnĂ poÄĂtaÄe, kterĂŠ pak jiĹž pomocĂ pĹesnĂ˝ch zapisovaÄĹŻ samy kreslily podstatnÄ sloĹžitÄjĹĄĂ architektury pro podstatnÄ sloĹžitÄjĹĄĂ integrovanĂŠ obvody 2. generace, atd. NynĂ se hovoĹĂ o poÄĂtaÄĂch ÄtvrtĂŠ nebo ÄtyĹapĹŻltĂŠ generace, poÄĂtaÄe ĹĄestĂŠ generace by jiĹž mÄly bĂ˝t vybaveny umÄlou inteligencĂ (do definice tohoto pojmu se zde nebudu pouĹĄtÄt, vnĂmejte jej zatĂm jen intuitivnÄ).
UvedenĂ˝ technologickĂ˝ proces se neprovĂĄdĂ jen na jedinĂŠm integrovanĂŠm obvodu. Na jednom âsalĂĄmkuâ je umĂstÄno buÄ nÄkolik tisĂc diskrĂŠtnĂch tranzistorĹŻ, nebo nÄkolik set integrovanĂ˝ch obvodĹŻ malĂŠ nebo stĹednĂ integrace, pĹĂpadnÄ nÄkolik desĂtek obvodĹŻ velkĂŠ integrace, nebo jeden nebo nÄkolik obvodĹŻ extrĂŠmnÄ vysokĂŠ hustoty integrace. V jednom technologickĂŠm kroku se pĹitom mĹŻĹže zpracovat 10 i vĂce âsalĂĄmkĹŻâ. Hustota integrace se rozliĹĄuje podle poÄtu ekvivalentĹŻ logickĂ˝ch hradel, kterĂŠ integrovanĂ˝ obvod obsahuje; nĂĄĹĄ obvod pĹedstavoval jedno velice primitivnĂ logickĂŠ hradlo, obvykle jedno hradlo obsahuje 4-6 tranzistorĹŻ. Zhruba do sto logickĂ˝ch hradel na Äipu hovoĹĂme o malĂŠ hustotÄ integrace (SSI small scale of integration), zhruba do tisĂce hradel na Äipu o stĹednĂ hustotÄ integrace (MSI medium scale of integration), zhruba do deseti tisĂc hradel na Äipu o vysokĂŠ hustotÄ integrace (LSI large scale of integration), zhruba do sto tisĂc hradel o velmi vysokĂŠ hustotÄ integrace (VLSI very large scale of integration), nad tento poÄet se hovoĹĂ o extrĂŠmnÄ vysokĂŠ hustotÄ integrace (ELSI, ULSI extremely, ultra large scale of integration). NÄkde na vrcholu tohoto ĹetÄzce je mikroprocesor Pentium obsahujĂcĂ ekvivalent asi tĹĂ milionĹŻ tranzistorĹŻ a v souÄasnĂŠ dobÄ jiĹž bÄĹžnÄ dosaĹžitelnĂŠ dynamickĂŠ pamÄti RAM o kapacitÄ 16MbitĹŻ, tj. 224 bitĹŻ; v tĂŠto pamÄti je kaĹždĂĄ pamÄĹĽovĂĄ bitovĂĄ buĹka tvoĹena jednĂm tranzistorem MOS, tento integrovanĂ˝ obvod tedy obsahuje vĂce neĹž 224 tranzistorĹŻ. PĹitom pamÄĹĽovĂŠ Äipy s kapacitou 64MbitĹŻ (226) jsou jiĹž v prodeji (bohuĹžel jeĹĄtÄ za vyĹĄĹĄĂ cenu, neĹž kterĂĄ by odpovĂdala nĂĄsobku kapacity) a ve vĂ˝voji jsou jiĹž pamÄĹĽovĂŠ Äipy s kapacitou 228 bitĹŻ, tedy 256MbitĹŻ. Zhruba desetiletĂĄ historie âpĂsĂÄekâ (rozumÄj poÄĂtaÄĹŻ kompatibilnĂch s IBM PC) tedy znamenala zvýťenĂ hustoty integrace o deset dvojkovĂ˝ch ĹĂĄdĹŻ, z pamÄtĂ o kapacitÄ 256kbitĹŻ na pamÄti s kapacitou 210 krĂĄt vÄtĹĄĂ.
PopiĹĄme si jeĹĄtÄ fotolitografickĂ˝ proces, kterĂ˝m selektivnÄ âodkrĂ˝vĂĄmeâ okĂŠnka na povrchu polovodiÄovĂŠho materiĂĄlu, abychom mohli provĂŠst difuzi pĹĂmÄsĂ a tak oblast v materiĂĄlu o danĂŠ vodivosti, nebo hlinĂkovou metalizaci. Proces, kterĂ˝ si popĂĹĄeme, je opÄt klasickĂ˝, nejÄastÄji pouĹžĂvanĂ˝ proces. PĹedstavme si, Ĺže mĂĄme dokonÄen jeden technologickĂ˝ krok, napĹ. epitaxnĂ rĹŻst, a Ĺže chceme vytvoĹit izolaÄnĂ pĹĂkopy. Jak jsme uvedli, po epitaxnĂm rĹŻstu vytvoĹĂme na povrchu epitaxnĂ vrstvy tenkou vrstviÄku SiO2, a mĂĄme nynĂ vytvoĹit âokĂŠnkaâ pro difuzi izolaÄnĂch pĹĂkopĹŻ. Nejprve pokryjeme oxidovou vrsviÄku tzv. fotorezistem, tj. lĂĄtkou podobnou fotografickĂŠ emulzi, ale odolnou proti letpacĂ chemikĂĄlii (viz dĂĄle). NanĂĄĹĄenĂ fotorezistu, jakoĹž i dalĹĄĂ technologickĂŠ operace je tĹeba provĂĄdÄt v prostĹedĂ, kterĂŠ obsahuje jen minimĂĄlnĂ mnoĹžstvĂ prachovĂ˝ch ÄĂĄstic v kubickĂŠm metru vzduchu. KaĹždĂĄ prachovĂĄ ÄĂĄstice, kterĂĄ ulpĂ na povrchu polovodiÄe, vytvoĹĂ pĹi nĂĄslednĂŠ expozici stĂn a tak znehodnotĂ strukturu jednoho integrovanĂŠho obvodu. Tyto prĂĄce se proto provĂĄdÄjĂ ve speciĂĄlnĂch digestoĹĂch, tzv. flow-boxech, kde se vzduch nikoliv odsĂĄvĂĄ, jako je tomu v obyÄejnĂŠ digestoĹi, ale naopak vyÄiĹĄtÄnĂ˝ vzduch proudĂ do digestoĹe a pracovnĂ ĹĄtÄrbinou pak z digestoĹe, flow-boxu, do laboratoĹe. ProudÄnĂ vzduchu omezuje difuzi prachovĂ˝ch zrnek zpÄt do flow-boxĹŻ a v tÄch je pak takovĂĄ Äistota vzduchu, kterou urÄuje jednotka ÄistĂcĂ vzduch do flow-boxĹŻ. PracovnĂci pohybujĂcĂ se v tÄchto laboratoĹĂch musejĂ zachovĂĄvat nejpĹĂsnÄjĹĄĂ pravidla vakuovĂŠ hygieny. KruhovĂĄ destiÄka kĹemĂku nesoucĂ budoucĂ integrovanĂŠ obvody, âsalĂĄmekâ, pokrytĂ˝ fotoresistem se pak exponuje pĹes masku, nÄco jako fotografickĂ˝ film pro ÄernobĂlĂŠ pĹedlohy (velmi vysokĂŠ gradace, ultratvrdĂ˝), kterĂĄ se musĂ na destiÄku orientovat s pĹesnostĂ mikronĹŻ pomocĂ znaÄek na destiÄce a na masce; jakĂ˝koliv posuv masky oproti znaÄkĂĄm vĂ˝robek opÄt znehodnotĂ, tentokrĂĄt vĹĄechny obvody na celĂŠ destiÄce. ExponovanĂ˝ fotoresist se vyvolĂĄvĂĄ ve vĂ˝vojce, kterĂĄ odplavĂ buÄ exponovanĂŠ ÄĂĄsti fotoresistu (tzv. pozitivnĂ fotoresist), nebo neexponovanĂŠ ÄĂĄsti fotoresistu (tzv. negativnĂ fotoresist); podle typu pouĹžĂvanĂŠho fotoresistu musĂ bĂ˝t ovĹĄem vyrobena maska. ĂÄelem je odkrĂ˝t ve fotoresistu okĂŠnka na oxidovou vrstvu, aby se v tÄchto mĂstech mohla oxidovĂĄ vrstva v leptacĂ lĂĄzni odleptat. Exponuje se buÄ ultrafialovĂ˝m svÄtlem, nebo mÄkkĂ˝m rentgenovĂ˝m zĂĄĹenĂm, v tom pĹĂpadÄ se pouĹžitĂŠ emulzi ĹĂkĂĄ rentgenovĂ˝ resist. ÄĂm je kratĹĄĂ vlnovĂĄ dĂŠlka zĂĄĹenĂ pouĹžitĂŠho pro expozici, tĂm jsou menĹĄĂ ohybovĂŠ jevy na hranĂĄch masky a tĂm s vÄtĹĄĂ pĹesnostĂ (a tĂm menĹĄĂ) mohou bĂ˝t vytvoĹenĂŠ struktury. LeptĂĄ se buÄ klasicky v leptacĂch lĂĄznĂch obsahujĂcĂch kyselinu fluorovodĂkovou (nedivte se, Ĺže to fotoresist vydrĹžĂ, jdÄte se podĂvat ke kolegyni chemikĂĄĹce, Ĺže mĂĄ kyselinu fluorovodĂkovou, kterĂĄ leptĂĄ sklo, v igelitovĂŠ lahvi), nebo tzv. suchou cestou v nĂzkoteplotnĂm, obvykle vysokofrekvenÄnÄ generovanĂŠm, plazmatu, kde se oxid kĹemiÄitĂ˝ odpraĹĄuje dopadem iontĹŻ tÄŞťĂch prvkĹŻ, obvykle takĂŠ plynĹŻ obsahujĂcĂch fluĂłr, SF6, CF4. I pĹi suchĂŠm leptĂĄnĂ pruĹžnĂ˝ rezist odolĂĄvĂĄ lĂŠpe dopadajĂcĂm ÄĂĄsticĂm, neĹž tvrdĂ˝ oxid kĹemiÄitĂ˝. Po urÄitĂŠ dobÄ leptĂĄnĂ proleptĂĄme tedy cca mikronovou vrstviÄku oxidu a mĹŻĹžeme zaÄĂt s difusĂ; pĹed tĂm ale jeĹĄtÄ musĂme ve speciĂĄlnĂ lĂĄznĂ rozpustit nevyvolanĂ˝ fotorezist. Tento fotolitografickĂ˝ postup musĂme provĂŠst tolikrĂĄt, kolik difuzĂ a metalizacĂ pĹĂsluĹĄnĂĄ technologie obsahuje.
ĹeknÄme si jeĹĄtÄ, jak vytvĂĄĹĂme integrovanĂŠ kondenzĂĄtory. VlastnÄ uĹž oba postupy znĂĄme; jeden princip jsme si popisovali pĹi objasĹovĂĄnĂ kapacitnĂ diody, druhĂ˝ pĹi probĂrĂĄnĂ MOS tranzistoru. IntegrovanĂŠ kondenzĂĄtory mohou tedy bĂ˝t dvojĂho druhu: jednak zĂĄvÄrnÄ pĂłlovanĂ˝ pĹechod PN, tedy vlastnÄ kapacitnĂ dioda, nebo jednu elektrodu kondenzĂĄtoru tvoĹĂ oblast polovodiÄe, napĹ. typu P, a druhou elektrodu hlinĂkovĂĄ metalizace; dielektrikum pak tvoĹĂ vrstviÄka oxidu kĹemiÄitĂŠho. KondenzĂĄtory jsou velmi nĂĄroÄnĂŠ na plochu Äipu a proto se vyuĹžĂvajĂ jen v nejnutnÄjĹĄĂch pĹĂpadech a v minimĂĄlnĂm poÄtu. NapĹĂklad u integrovanĂŠho operaÄnĂho zesilovaÄe 741 tvoĹĂ jedinĂ˝ kondenzĂĄtor pro frekvenÄnĂ kompenzaci cca 40% plochy Äipu; uĹživatel vĹĄak mĹŻĹže tento zesilovaÄ pouze pĹipojit k napĂĄjenĂ a pouĹžĂvat, a kromÄ dvou odporĹŻ nastavujĂcĂch zesĂlenĂ (ty obvykle nejsou souÄĂĄstĂ ntegrovanĂŠho obvodu, protoĹže zĂĄvisĂ na aplikaci; pro âbÄĹžnĂĄâ zesĂlenĂ, napĹĂklad 1 nebo 10 je vĹĄak integrovanĂ˝ obvod mĹŻĹže obsahovat) nemusĂ pĹipojovat ŞådnĂŠ vnÄjĹĄĂ souÄĂĄstky.
Po skonÄenĂ vĹĄech technologickĂ˝ch operacĂ, kterĂ˝mi se vytvoĹĂ struktury v polovodiÄi, musĂme kruhovou kĹemĂkovou destiÄku s vytvoĹenĂ˝mi integrovanĂ˝mi obvody rozĹezat na tolik kouskĹŻ, ÄipĹŻ, kolik integrovanĂ˝ch obvodĹŻ jsme na nÄm vytvoĹili. DÄlĂĄ se to podobnÄ, jako kdyĹž ĹeĹžeme tabuli skla; ÄĂĄry Ĺezu se narĂ˝hujĂ diamantovĂ˝m noĹžem a destiÄka se na potĹebnĂ˝ poÄet kouskĹŻ rozlĂĄme. DalĹĄĂ postupy testovĂĄnĂ a pouzdĹenĂ jsme si jiĹž popsali.
PĹi vĂ˝robÄ diskretnĂch tranzistorĹŻ mĹŻĹžeme vynechat technologickĂ˝ krok izolace jednotlivĂ˝ch struktur na Äipu, neboĹĽ na Äipu bude vĹždy jen jedna struktura (dioda nebo tranzistor, odpory umĂme dÄlat levnÄji a pĹesnÄji uhlĂkovou nebo kovovou tenkou vrstvou na keramickĂŠ tyÄince, takĹže ty se z polovodiÄĹŻ nedÄlajĂ; jedinou vĂ˝jimkou jsou termistory, tj. odpory se zĂĄpornĂ˝m teplotnĂm koeficientem odporu). Na obrĂĄzku 4.3, kterĂ˝ je opÄt podle literatury [1] je vidÄt rozdĂl mezi integrovanĂ˝m a diskretnĂm tranzistorem; diskretnĂ tranzistor mĹŻĹže mĂt kolektorovĂ˝ kontakt na druhĂŠ stranÄ Äipu, coĹž u integrovanĂŠho tranzistoru nenĂ moĹžnĂŠ. Proto diskretnĂ tranzistory (pokud jsou do kovovĂŠho pouzdra zapouzdĹeny) mĂvajĂ kolektor spojenĂ˝ s kovovĂ˝m pouzdrem.