Los circuitos integrados han recorrido un largo camino en las últimas décadas, desde los primeros chips que se ejecutaron en un desolado laboratorio de TI en el verano de 1958 hasta el actual procesador Core i7 de Intel. A medida que los circuitos que componen la electrónica que usamos hoy en día se vuelven más y más complejos, necesitamos mejores procesos y técnicas para mejorar y producir obleas que sirvan para los propósitos que necesitamos. Una sala limpia con todo el equipo necesario para fabricar un chip CMOS puede costar más de 10 millones de dólares a un precio bajo. Debido a esto, a menudo se requieren laboratorios grandes y costosos para producir chips prácticos y emplear trabajadores altamente calificados para operar y reparar equipos en el laboratorio. La fabricación de circuitos integrados se convierte en un proceso con altas barreras de entrada. Estos factores contribuyen al mayor costo total de las obleas fabricadas.
Los circuitos integrados han recorrido un largo camino en las últimas décadas, desde los primeros chips que se ejecutaron en un desolado laboratorio de TI en el verano de 1958 hasta el actual procesador Core i7 de Intel. A medida que los circuitos que componen la electrónica que usamos hoy en día se vuelven más y más complejos, necesitamos mejores procesos y técnicas para mejorar y producir obleas que sirvan para los propósitos que necesitamos. Una sala limpia con todo el equipo necesario para fabricar un chip CMOS puede costar más de 10 millones de dólares a un precio bajo. Debido a esto, a menudo se requieren laboratorios grandes y costosos para producir chips prácticos y emplear trabajadores altamente calificados para operar y reparar equipos en el laboratorio. La fabricación de circuitos integrados se convierte en un proceso con altas barreras de entrada. Estos factores contribuyen al mayor costo total de las obleas fabricadas.
A pesar de estos costos, algunas universidades pueden pagar las salas limpias y el equipo necesario para el proceso CMOS, y pocas aún permiten el acceso a los laboratorios a los estudiantes universitarios. Tuve la suerte de tener la oportunidad de aprender sobre las salas limpias en mi curso. Los estudiantes inscritos en los cursos de fabricación de circuitos integrados impartidos por el Dr. Greg Snyder tendrán acceso a las instalaciones de nanofabricación de Notre Dame de $25 millones. La instalación proporciona equipos para casi todos los pasos del proceso necesarios para producir un chip de sonido que codifica la canción de la Batalla de Notre Dame en 9 bits. Ser capaz de hacer mi propio chip de sonido funcional me dio una idea de cómo funcionan las salas limpias de nivel universitario y pude conectar todo lo que aprendí como estudiante universitario.
Entrar a una sala limpia puede ser una experiencia desalentadora y puede amenazar el nivel de preparación requerido y separarse en áreas Clase 10000, 1000 y 100. Específicamente, estos niveles de limpieza son mucho mejores que los miles de millones de partículas en el mismo volumen disponibles externamente, lo que aumenta el rendimiento de los chips en obleas grandes que contienen muchas matrices de circuitos integrados. Dependiendo de la “suciedad” de la habitación en la que esté trabajando, es posible que necesite más protección. Después de ponerse el equipo de protección adecuado en el orden correcto, pasa a través de la esclusa de aire y termina en la sala limpia.
Nuestro proceso utilizó obleas de silicio de 100 mm, inicialmente de tipo p ligero. Dado que las obleas que recibimos tenían ligeras diferencias, primero verificamos las características de cada oblea. Esta era una pequeña parte del proceso que debía completarse antes de que pudiera comenzar el procesamiento, pero era una parte necesaria. La caja de obleas que nuestro grupo estaba procesando se muestra en la Figura 1 a continuación.
El siguiente paso es limpiar la oblea mediante un proceso llamado limpieza RCA. Esto se hace al comienzo del procesamiento y antes de que la oblea ingrese al tubo del horno de oxidación o recocido de metales. La limpieza de RCA requiere tres baños calientes que eliminen selectivamente los contaminantes de la superficie de la oblea, seguidos de un baño de ácido fluorhídrico tamponado. Los tres baños están diseñados para eliminar compuestos orgánicos, eliminar óxidos y eliminar la contaminación iónica. Entre cada baño, enjuague bien con agua desionizada para eliminar los productos químicos residuales antes de que el cartucho de obleas ingrese al siguiente baño. Las partículas en la oblea pueden alterar involuntariamente las propiedades eléctricas del dispositivo al destruir las funciones de imagen en la oblea o al introducir dopantes en lugares no deseados. Se requiere equipo de protección adicional para este paso. Las bañeras usan ácidos altamente concentrados a temperaturas superiores a los 70 grados centígrados, e incluso una cantidad de ácido fluorhídrico del tamaño de la palma de la mano puede ser letal cuando se expone a la piel humana.
Después de la limpieza de RCA, el primer paso es aplicar fotoprotector a la oblea. Photoresist es el término para una variedad de productos químicos, incluidos los compuestos orgánicos que cambian de espesor cuando se exponen a la luz de longitudes de onda específicas, de forma muy similar a los productos químicos fotográficos expuestos bajo la luz de una cámara. Estas químicas son importantes para el proceso de litografía que expone la oblea con patrones para definir las capas que finalmente se convertirán en los dispositivos de la oblea. Los fotoprotectores generalmente requieren un promotor de adhesión como HMDS. Este es un solvente que se expone al vacío a todas las obleas para mejorar la adhesión entre la resistencia y la superficie de la oblea de silicio. La fotoprotección giratoria requiere una receta que haga girar cada oblea a altas RPM para garantizar una distribución uniforme y libre de partículas en la oblea. La fabricación de circuitos integrados es una batalla constante con partículas, la más pequeña de las cuales puede destruir un dispositivo. En la Figura 2 se muestra una fotografía del girador fotorresistente NDNF. Las rayas rojas en el recipiente del rotor fotorresistente deben limpiarse con acetona, ya que la resistencia residual se desprende de la oblea.
Después de que la fotoprotección se centrifuga y se cuece en la oblea, debe exponerse al patrón diseñado para esa capa del dispositivo. Muchos dispositivos requieren 6 o 7 capas o más, por lo que el proceso debe repetirse cada vez y se debe diseñar una nueva máscara. NDNF tiene la suerte de tener un paso a paso disponible comercialmente que puede exponer automáticamente las obleas a medida que se cargan manualmente. En algunos casos, puede ser necesario ajustar manualmente la alineación para garantizar que la oblea esté alineada con la máscara (con una tolerancia de unas pocas micras). Por esta razón, la primera litografía se diseñó para grabar solo marcas de alineación en cada troquel.
Después de que el paso a paso expone la oblea, la fotoprotección permanece solo en ciertas áreas de la oblea y el patrón se graba en el sustrato donde la luz incide en la oblea. Esto es para que el patrón se pueda grabar en el sustrato para transferir permanentemente cualquier patrón en la fotoprotección, construyendo el patrón que eventualmente formará el dispositivo. El grabado es un término general para los procesos que pueden utilizar ácidos como HF, grabado con iones reactivos (RIE) u otros métodos para eliminar selectivamente porciones de un sustrato. En nuestro laboratorio, usamos principalmente RIE en dispositivos de bloqueo de carga Plasmatherm. La figura 3 muestra el RIE y su bloqueo de carga.
El proceso RIE utiliza varios gases tóxicos como el hexafluoruro de azufre en un recipiente presurizado para eliminar selectivamente áreas de la oblea. Se mantiene una máscara fotorresistente para garantizar que solo se graben realmente las áreas deseadas. Sin embargo, debido a la alta selectividad del gas, el proceso debe diseñarse cuidadosamente para que pueda funcionar durante el tiempo que sea necesario. Esto es especialmente cierto en los primeros procesos en los que el silicio y la fotoprotección son los únicos materiales en la cámara. Estos procesos tardan entre 1 y 10 minutos, según lo que se esté grabando y la profundidad de grabado requerida. El plasma se genera a partir de una fuente dentro de la máquina y se puede observar desde los terminales de la cámara durante el funcionamiento. Un ejemplo fotográfico de este plasma se muestra en la Figura 4.
Después de realizar el proceso, se retiró la oblea y el patrón ahora está grabado permanentemente. Estas obleas generalmente se envían a otra instalación en California para la implantación de dopantes, pero pueden pasar muchas cosas más adelante. Los dopantes introducen huecos o electrones en lugares específicos para dar las propiedades eléctricas requeridas para el funcionamiento del dispositivo. La implantación de iones introduce más dopantes en áreas muy finas, actuando como una ametralladora en la superficie. Dado que NDNF no cuenta con equipos para este proceso, subcontratamos el trabajo a otras empresas. Durante estos pasos, la fotoprotección se deja en la oblea como una máscara para evitar que los dopantes dispersos perturben la conductividad eléctrica de otros dispositivos. En algunos casos, puede ser necesaria otra litografía antes de completar el implante. En tales casos, un dispositivo plasmatherm llamado PVA puede eliminar todos los compuestos fotorresistentes orgánicos sin afectar el sustrato grabado.
En última instancia, el dopante debe activarse en un horno de oxidación. Los hornos de oxidación son dispositivos grandes que varían de 400 C a 1200 C según el proceso y se utilizan para implantar dopantes, activar implantes, hacer crecer capas de dióxido de silicio y recocer metales en obleas antes del envasado. En nuestro horno de oxidación, el tubo del horno era el entorno más limpio del laboratorio, por lo que se tuvo que realizar una limpieza de RCA antes de ingresar a la oblea. Estas oxidaciones típicamente tomaban entre 2 y 7 horas en total. Sin embargo, la activación del implante fue probablemente el paso más crítico en nuestro proceso, definiendo las propiedades eléctricas.
Finalmente, después de una docena de litografías y muchos otros pasos, nos quedó un chip de sonido que codificaba la canción Notre Dame Fight. Cada dado también contenía varios otros dispositivos. Contactos óhmicos, osciladores en anillo, inversores. Cada dispositivo se probó utilizando un sistema de sonda de cuatro puntos antes de continuar con el corte y envasado de obleas. La figura 5 a continuación muestra una toma de una de nuestras obleas ampliada 10x.
Los laboratorios de fabricación universitarios son muy diferentes en diseño y objetivos de los laboratorios comerciales, pero aun así me siento muy afortunado de haber tenido la oportunidad de trabajar en un laboratorio universitario. Como estudiante de ingeniería eléctrica con un enfoque en semiconductores y nanotecnología, clases como la fabricación de circuitos integrados conectan mis especializaciones de una manera que otras clases no lo hacen. Ver un inversor o un chip de sonido en acción al final del día es una sensación de éxtasis que resume horas de oscuro aprendizaje y cuidadoso procesamiento. Espero que mi experiencia en las instalaciones de nanofabricación de Notre Dame lo ayude en su educación en ingeniería.