Productie Silicium, staaf van zuiver Silici-um kristal
RESULTAAT PRODUCTIE ZUIVER SILICIUM KRIS-TAL, de z.g. Ingot
Uit deze staaf worden nu minutieus de plak-ken (wafers) silicium gezaagd. Moderne fa-brieken zijn gestandaardiseerd op een diame-ter van 30 cm, zogenaamde 12 inch plakken.
NATUURKUNDE is overal
Zagen en een randje slijpen om de kristaloriënta-tie aan te geven
De wafers klaar voor productie
Om een fabriek te bouwen heb je zo’n 10 mil- jard dollar nodig. En een veelheid aan appara-tuur. Diffusie-ovens om boor, arseen en fosfor op kristalroosterplaatsen van het silicium te krijgen. De atomen diffunderen dan in het sili- ciumkristal en komen dan op voormalige kris-talroosterplaatsen te zitten, vandaar de naam
‘diffusie’ oven.
U weet nog uit de vorige DVH dat om p+ si-licium te krijgen, we een boor atoom op een
E r v a r i n g e n N AT U U R K U N D E I S O V E R A L
siliciumplek in het kristalrooster moeten een bepaalde plek te krijgen. Dan ioniseren we die atomen, versnellen ze in een lineaire versneller en schieten die atomen met enor-me kracht in het kristalrooster van het silici-um. Door dat bombardement verstoren we het kristalrooster, zodat we in een separate oven het kristalrooster moeten “healen”, ge-nezen. Dat doen we in een annealing oven.
met elkaar moeten worden verbonden doen we met speciale aluminium verbindings- en bedradingslagen, soms wel twaalf lagen op elkaar. Complexe software begeleidt de pro-ductie in de fabriek.
Veel van dit soort apparatuur wordt o.m. ge-leverd door de producent ASMI uit Bilthoven.
Philips en ASMI gingen de lithografische ken-nis en kunde van beide partijen samenvoe-gen in ASML, een bijna zieltogende activiteit op het moment van oprichting. Er ontstond een wereldleider op waferfab lithografie, het trotse ASML uit Veldhoven! Het bedrijf is meer waard op de beurs dan beide moederbedrij-ven bij elkaar.
Ik ga u later uitleggen wat voor machines ASML nu precies levert aan een waferfab.
Oneerbiedig gezegd levert ASML slechts de Neem een wafer en oxideer het opper-vlak. Er ontstaat een laagje glas op de wafer.
2. Spin een druppel fotogevoelig materiaal op de wafer. Op het glas komt een fijn, homogeen laagje lichtgevoelig materi-aal, de zogenaamde photoresist.
3. Houd een masker boven de plak en be-licht deze, zodat de fotogevoelige laag wordt belicht daar waar het masker het licht doorlaat.
4. Ontwikkel de fotogevoelige laag en was het onbelichte materiaal weg van de plak.
5. Plaats de wafer in een etsoven en ets het oxide (het glas) weg daar waar de wafer onbelicht was, dus daar waar er geen beschermende laag belicht fotogevoe-lige laag was.
6. Verwijder de rest van de fotogevoelige laag.
7. U heeft nu een plak silicium die bedekt is met glas waarin gaten zitten met in de gaten het pure silicium.
8. Voor een bipolaire transistor wordt nu de eerste diffusie gedaan, de z.g. “buried p”
laag door de wafer in een met boor gas gevulde hete oven te plaatsen. Het boor diffundeert in het silicium (p+) daar waar de plak geen glasbedekking heeft en nestelt zich op specifieke kristalrooster-plaatsen.
9. Deze laag vormt de bodem van het doosje waarin we een stukje specifieke elektronica (bijv. een npn transistor) wil-len plaatsen.
10. Dan verwijderen we het glas en laten een laag siliciumkristal aangroeien op de wafer, de z.g. epitaxielaag.
40
Dan gaat het opnieuw beginnen: oxideer de wafer (maak glas) breng een fotogevoelige laag aan (photoresist), belicht de plak via een masker, enz., enz. Bij ItoM kennen we proces- sen die 45 maskerstappen hebben en 12 be-dradingslagen; niet allemaal van aluminium, er is ook een koperen bedradingslaag. De fa-brieken zijn bijzonder schoon; een stofje slaat in als een bom en bij iedere maskerstap kan er stof op de wafer komen. De mensen die in een waferfab werken zijn ingepakt als astronauten en werken in een laminaire luchtstroom die stof in de vloer blaast. Een permanente wind waait hen om de oren. Erg prettig is dat werk dus niet.
Hieronder ziet u een doorsnede van de npn transistor op de plak silicium. Op de wafer wordt eerst een epitaxielaag gegroeid van siliciumkristal, dat met boor wordt gedoopt (p+). Halverwege de laag wordt een gebied met arsenicum gedoopt de “begraven n+” om de stroom van het basis/emittergebied beter naar de collector te geleiden.
Dan worden met verschillende maskerstap-pen de isolatie diffusie aangebracht (p+), het basisgebied (p+) en het emitter en collector- gebied (n+). U ziet dat de stroom van de emit-ter in de collector terecht komt omdat het stukje van de basis dun is.
Doorsnede van de bipolaire npn transistor.
En via dezelfde technieken maken we diodes,
weerstanden, spoelen, capaciteiten en ande-re elektronische componenten die nodig zijn om een elektronische schakeling te realiseren.
We maken diodes, capaciteiten, pnp en npn tran-sistoren, weerstanden en zelfs spoelen aan, (m.b.v.
de koperen bedradingslaag) en allerlei verbindin- gen tussen de verschillende componenten. Uitein-delijk is de wafer klaar en zitten er allemaal chips op de plak. Met speciale pinnen die we op de meet- punten op de chip zetten gaan we iedere chip indi-vidueel voormeten. Alle fout gemeten chips krijgen een inktdruppeltje.
De chips op de wafer worden voorgemeten
Hoewel dit al een oude foto is (men gebruikt geen inktdruppels meer, de computer onthoudt de goe-de en foute chips), zegt deze afbeelding genoeg over deze processtap.
De chips, of die, of kristal worden uit de wafer gezaagd (dicing)
E r v a r i n g e n N AT U U R K U N D E
Tussen de chips zit een scribe line, precies onder die lijn wordt de wafer door een di-amantzaag voor 85% doorgezaagd. Daarna wordt de onderkant van de wafer op een stuk plastic gelijmd en gaat de plak over een “deegrol” waardoor de chips van el-kaar worden gebroken. Het plastic wordt dan uitgetrokken en de individuele chips komen dan vrij te liggen, klaar voor verdere verwerking.
De chips worden op een zg “lead frame ge-soldeerd:
Tekening van een koperen lead frame met 16 pinnen.
Het leadframe, dat is de drager van de chip (die pad en de uiteindelijke pootjes die het contact maken met de buitenwereld). Op het middelste schoteltje (= die pad = 10) wordt de chip gesoldeerd. Daarna wordt er een gouddraadje getrokken van een aan- sluitpunt van de chip naar het desbetreffen-de pootje, het zogenaamde “wire bonden”.
De aansluitpunten van de chip worden met een gouddraadje verbonden met de pootjes van de
N i e u w s u i t S p a n j e
N AT U U R K U N D E
Daarna worden de chips, met hun lead frames, in een matrijs in een plastic jasje gegoten. Vervolgens worden de steunver- bindingen tussen de pootjes van het lead-frame weg gestanst en de pootjes gebo-gen; de chip is klaar voor het eindmeten.
Op de onderstaande foto ziet u een open-gemaakte chip; u ziet duidelijk het kristal en de draadjes naar de pootjes:
Er zijn duizenden manieren om chips met de buitenwereld te verbinden. Hieronder ziet u een stapeling van chips en de com-plexe connecties met de buitenwereld
De processor van uw mobiele telefoon Volgende bladzijde ziet u verschillen-de chips op een PCB, een “printed circuit board”, zoals ze bij u thuis in allerlei appli-caties voorkomen:
Een pcb met chips
In die zwarte stukjes plastic zit dan een chip.
Of een die, of een kristal* met een bepaalde functie.
*De Amerikanen zijn begonnen met de chip-industrie voor het project om mensen op de maan te brengen. De allereerste computers aan boord van de cabine voor de astronau-ten bevatte relais als schakelaars. Pas later kwam de computer met MOS schakelaars.
In de industrie zijn dus veel Amerikaanse
termen en Amerikaans jargon opgenomen.
Een geïntegreerde schakeling heet daarom een chip, een die of een kristal.
Tenslotte. Na de recente introductie in de waferfabs van de Extreme UV dispersie technologie machines van ASML (volgen-de DVH) zal (volgen-de komen(volgen-de stap zijn: Van 300 mm wafers naar 450 mm wafers. Een uiterst kostbare stap omdat alle machines in de fabrieken moeten worden aangepast.
Het is nog onduidelijk wanneer dat staat te gebeuren.
Over de fabrieken en ASML hebben we het de volgende DVH
Peter Langendam Van 300 mm (rechts) naar 450 mm. 2,5 x meer chips op een wafer