Chipy półprzewodnikowe składają się z wielu warstw w mikroskali, które są mniejsze niż paznokieć i cieńsze niż papier. Półprzewodnik jest ułożony wysoko i gęsto, tworząc złożone struktury podobne do wieżowców.

Aby wytworzyć takie struktury, należy wielokrotnie powtarzać następujące etapy: litografia – powlekanie wierzchu monokrystalicznej płytki krzemowej (surowiec do półprzewodników) cienką warstwą i modelowanie obwodów, trawienie – selektywne usuwanie zbędnych materiałów oraz następnie oczyszczenie powierzchni z zanieczyszczeń.

Po procesach trawienia i czyszczenia cienka warstwa oddziela, łączy i chroni obwody. Następnie przedstawimy proces osadzania służący do wytwarzania cienkich warstw oraz proces implantacji jonów w celu nadania półprzewodnikom właściwości elektrycznych.

Proces osadzania: nakładanie cienkich warstw na płytkę

Termin „cienka folia” odnosi się do folii o grubości 1 mikrona (μm) lub cieńszej, której grubości nie można uzyskać poprzez prostą obróbkę mechaniczną. Osadzanie to seria procesów obejmujących powlekanie płytki pożądanymi cienkimi warstwami na poziomie molekularnym lub atomowym. Ze względu na wyjątkowo cienką naturę folii, wymagane są precyzyjne techniki, aby równomiernie nałożyć folie na płytkę.

Osadzanie można ogólnie podzielić na dwa typy. Te dwa typy to fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD) i chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD).

Fizyczne osadzanie z fazy gazowej stosuje się głównie do osadzania folii metalowych bez udziału reakcji chemicznych. Z drugiej strony chemiczne osadzanie z fazy gazowej polega na przyłożeniu energii zewnętrznej do pary cząstek utworzonej w wyniku reakcji chemicznych gazu, a para jest natryskiwana na powierzchnię w celu osadzania. Technikę tę można zastosować do osadzania cienkich warstw na przewodnikach, izolatorach i półprzewodnikach.

Chemiczne osadzanie z fazy gazowej jest najpowszechniej stosowaną metodą osadzania w obecnych procesach półprzewodników. Można je dalej podzielić na termiczne CVD, plazmowe CVD i fotoindukowane CVD, w zależności od użytego zewnętrznego źródła energii. Wśród nich najpowszechniejszym zastosowaniem jest Plasma CVD, ponieważ umożliwia tworzenie folii w niskich temperaturach, kontrolowanie jednorodności grubości folii i obsługę dużych objętości.

Cienka warstwa utworzona w procesie osadzania składa się z dwóch warstw: warstwy metalicznej (przewodzącej) służącej do łączenia sygnałów elektrycznych pomiędzy obwodami oraz warstwy izolacyjnej służącej do izolacji elektrycznej pomiędzy wewnętrznymi warstwami wzajemnymi lub zapobiegającej przedostawaniu się zanieczyszczeń.

Implantacja jonowa: przekształcanie płytek w półprzewodniki.

Na tym etapie nadal potrzebny jest proces nadania półprzewodnikowi właściwości elektrycznych. Półprzewodniki mają zarówno właściwości przewodnika, jak i izolatora, a implantacja jonów to proces zasadniczo przekształcający płytki krzemowe w półprzewodniki. Czysty krzem jest izolatorem i nie przewodzi prądu elektrycznego, ale dodatek zanieczyszczeń nadaje mu przewodność, umożliwiając przenoszenie prądu elektrycznego.

Zanieczyszczenia te nazywane są jonami. Jony te są przekształcane w drobne cząstki gazopodobne, a następnie wszczepiane w przednią stronę płytki na żądaną głębokość. Stosowane zanieczyszczenia pochodzą z 15. grupy (P, fosfor; As, arsen) lub 13. grupy (B, bor) układu okresowego. Wszczepienie elementów z grupy 15 skutkuje powstaniem półprzewodnika typu n (typu elektronowego), natomiast wszczepienie elementów z grupy 13 skutkuje półprzewodnikiem typu p (typu dziurowego).

Proces osadzania jest kluczowy, ponieważ grubość i jednorodność osadzonych warstw decyduje o jakości półprzewodnika. Grubość przyszłych struktur obwodów półprzewodnikowych będzie miliony razy cieńsza niż ludzki włos. Aby obwody te miały właściwości elektryczne, wymagane są bardziej zaawansowane techniki osadzania w celu wytworzenia cieńszych i bardziej jednolitych cienkich warstw.

W kolejnym artykule poznamy interkonektory metalowe, których zadaniem jest połączenie elementów powstałych w procesach utleniania, fotolitografii, trawienia i osadzania oraz utworzenie obwodów.