O caracteristică a circuitelor integrate semiconductoare este că toate elementele sunt fabricate simultan într-un singur ciclu tehnologic, ale cărui operații individuale (oxidare și gravare, difuzie, epitaxie) sunt efectuate în același mediu.

La crearea elementelor active și pasive ale CI moderne, se folosesc următoarele operații tehnologice de bază: oxidare, gravare, litografie, difuzie, dopaj ionic, epitaxie, pulverizare și depunere de film.

Oxidare. Placa de siliciu este încălzită la 800 - -1200 °C și expusă la oxigen sau la vapori de apă saturati. Într-un astfel de mediu oxidant, atomii de pe suprafața plăcii interacționează cu oxigenul și formează un strat dielectric subțire. În fazele inițiale ale producției IC, un strat de 1-3 µm grosime este folosit ca mască pentru a efectua difuzia selectivă în zonele plachetei care nu sunt acoperite de acest strat. Folosind acest strat, difuzia impurităților în semiconductorul situat sub strat este împiedicată, deoarece coeficientul de difuzie a impurităților din dioxidul de siliciu este mult mai mic decât în ​​semiconductor. Filmul dielectric este, de asemenea, folosit ca dielectric pentru poarta tranzistoarelor MOS. În ultima etapă a fabricării IC, un strat dielectric este utilizat pentru a pasiva cristalul: acest strat, care acoperă întreaga suprafață a cristalului, protejează IC-ul de expunerea la mediu inconjurator.

Mai modernă este oxidarea anodică a siliciului, care permite formarea unui film dielectric pe suprafața siliciului de aproape orice grosime prin selectarea modului de oxidare anodică. Spre deosebire de oxidarea termică, acesta este un proces la temperatură scăzută care elimină mai multe tratamente la temperatură ridicată asociate cu efectuarea oxidării termice la formarea măștilor.

Gravurare efectuat în acid fluorhidric, în care acest strat se dizolvă. În acele zone ale plăcii în care trebuie efectuată difuzia, ferestrele de dimensiunile necesare sunt gravate în strat folosind acid fluorhidric.

Fotolitografie.(Fig. 3.1) Ferestrele de pe suprafața plachetei utilizate pentru difuzie se aplică prin metoda fotolitografică. În același timp, deasupra stratului; Pe placă este aplicat un fotorezistor, care este o peliculă subțire de material organic fotosensibil. Apoi se aplică o fotomască sub forma unei măști de contact din sticlă, pe care există un model format din zone transparente și opace. Prin mască, fotorezistorul este expus la razele ultraviolete, drept urmare fotorezistorul nu apare atunci când se aplică revelatorul pe zonele iradiate. Astfel, pe suprafața plăcii rămâne un model cu o anumită configurație și dimensiuni corespunzătoare. La gravarea plăcii în acid fluorhidric pentru a îndepărta stratul, fotorezistorul nu se dizolvă, astfel încât ferestrele sunt deschise numai în zonele care nu sunt acoperite de fotorezistorul expus. Difuzia are loc prin aceste ferestre.

Orez. 3.1. Schema procesului de creare a unui CI folosind tehnologia planar-epitaxiale: a - structura epitaxiala dupa cresterea unui strat de oxid de siliciu; b – plăci cu un strat de fotorezist aplicat; c – diagrama operațiunii de combinare și expunere; d – placa după dezvoltarea fotorezistului; e – placa după gravarea unei găuri în oxid și îndepărtarea fotorezistului; e – placa dupa efectuarea procesului de difuzie si obtinerea de jonctiuni p–n; g – placă după gravarea unui orificiu în stratul de oxid de siliciu pentru aplicarea contactelor metalice; h – placă cu structuri formate de circuite integrate; 1 – farfurie; 2 – strat de siliciu epitaxial; 3 – strat de oxid de siliciu SiO 2; 4 – strat fotorezistent; 5 – fotomască; 6 – gaură în fotorezist; 7 - gaură în oxid de siliciu; 8 – marginea joncțiunii p – n; 9 – contact metalic.

Fotolitografia vă permite să creați modele cu dimensiuni ale elementelor de cel puțin 2 microni. Această dimensiune limitează densitatea elementelor de pe plăci.

Litografia cu fascicul de electroni are o rezoluție mai mare. Prin expunerea directă a unei plăci semiconductoare la un fascicul de electroni, este posibil să se creeze dungi de 20 de ori mai înguste decât în ​​cazul fotolitografiei, reducând astfel dimensiunile caracteristicilor la 0,1 microni.

Difuzia de impurități este utilizată pentru a dopa o plachetă pentru a forma straturi p și n care formează emițătorul, baza, colectorul tranzistorilor bipolari, drenajul, sursa, canalul tranzistorilor unipolari, straturile rezistive și joncțiunile p-n izolatoare. Pentru a difuza impuritățile, plăcile sunt încălzite la 800-1250 °C și un gaz care conține impuritățile este trecut pe suprafața acesteia. Impuritatea se difuzează adânc în placă prin ferestre. Adâncimea stratului de difuzie și rezistența acestuia sunt ajustate prin modificarea regimului de difuzie (temperatura și durata difuziei).

Dopajul ionic.În loc de difuzie, dopajul ionic este folosit pentru a implanta impurități într-un semiconductor. Pentru a face acest lucru, ionii de impurități sunt accelerați într-un accelerator la 80-300 keV, apoi sunt direcționați către substrat, protejând cu o mască acele zone care nu trebuie dopate. Introducerea impurităților într-o gamă largă de concentrații și posibilitatea unui control mai precis al dozărilor de impurități fac posibilă modificarea parametrilor elementelor în limitele cerute. Prin urmare, în loc de difuzie, dopajul ionic este din ce în ce mai utilizat, deși implementarea sa este asociată cu reechiparea producției de circuite integrate cu echipamente scumpe.

În producția de circuite integrate semiconductoare și multe dispozitive discrete, este necesar să se creeze pe un substrat straturi de semiconductor cu același nume, dopat uniform în grosime și, în unele cazuri, un semiconductor de alt tip, cu o bandă interzisă diferită. . În special, acest lucru este necesar pentru extindere funcţionalitate circuite, îmbunătățindu-și parametrii, de exemplu, formând zone de conductivitate ridicată ascunse sub astfel de straturi (straturi ascunse).

Termenul „epitaxie”, propus pentru prima dată de Royer, reflectă în prezent procesul de creștere orientată, în urma căruia noua fază rezultată continuă în mod natural rețeaua cristalină a fazei existente a substratului cu formarea unui anumit strat de tranziție care promovează fuziunea coerentă a două rețele de-a lungul planului substratului cu o densitate de împachetare atomică similară. După finalizarea formării stratului de tranziție, procesul epitaxial continuă cu formarea unui strat de grosimea necesară.

Stratul epitaxial(ES) este un strat monocristalin de nou
fază crescută ca urmare a epitaxiei la suprafață
substrat monocristalin într-un mod strict definit, care
are o legătură chimică cristalină puternică cu substratul și nu poate fi
separat de acesta fără a distruge stratul sau suprafața substratului. ES
continuă practic reţeaua cristalină a substratului şi
orientată într-o manieră strict definită în raport cu planul cristalografic care se extinde pe suprafața sa.

Principalul fenomen fizic care are loc în timpul procesului de epitaxie este cristalizarea substanței. Prin cristalizarea unei substanțe înțelegem apariția nucleelor ​​în fază solidă și creșterea acestora. În funcție de compozițiile din care se obține ES, se disting următoarele mecanisme de cristalizare:

Mecanismul vapor-cristal (P-C), când formarea fazei solide are loc din starea de vapori sau gazos a unei substanțe;

Mecanismul vapor - lichid - cristal (P - L - C), atunci când formarea unei faze solide dintr-o stare de vapori trece prin stadiul unei stări lichide. Un exemplu este cristalizarea Ge pe un substrat Si dacă acesta din urmă este încălzit la o temperatură care depășește punctul de topire al Ge;

Mecanismul solid-cristal (S-C), atunci când stratul epitaxial este crescut din electroliți sau topituri.

Sputtering și aplicarea filmului. Elementele circuitelor integrate semiconductoare sunt conectate între ele folosind un model conductiv obținut prin pulverizarea unei pelicule metalice. Pentru a face acest lucru, după gravarea ferestrelor de sub contacte folosind fotolitografie, o peliculă de aluminiu este depusă în vid pe întreaga suprafață a plăcii. Prin pulverizare, se formează și plăcuțe metalizate, la care cablurile de microcircuit și firele subțiri care conectează tranzistoarele cu cadru deschis din circuitele integrate hibride sunt sudate prin sudare prin termocompresie. Recent, în loc de jumperi de sârmă, s-au folosit terminale de fascicul, care sunt proeminențe alungite aurii. În timpul asamblarii unui circuit integrat hibrid, cablurile fasciculului sunt aliniate cu plăcuțe de pe substrat și lipite de ele, încălzite la o temperatură la care se formează o joncțiune eutectică. În cele din urmă, prin pulverizare și depunere de film, elementele pasive din circuitele integrate combinate și hibride sunt fabricate sub formă de pelicule groase și subțiri. Electronica integrată este astăzi una dintre ramurile cu cea mai rapidă dezvoltare a industriei moderne. Una dintre componentele acestei științe este microelectronica circuitelor. La fiecare nouă etapă de dezvoltare a tehnologiei de producție a circuitelor integrate (IC), sunt create metode fundamental noi de fabricare a structurilor IC, care reflectă cele mai recente realizări ale științei.

De ce este greu să-ți imaginezi existența fără? omul modern? Desigur, fără tehnologie modernă. Unele lucruri au devenit atât de parte din viața noastră încât au devenit atât de plictisitoare. Internet, televizor, cuptor cu microunde, frigidere, mașini de spălat– fără aceasta este greu să ne imaginăm lumea modernă și, bineînțeles, pe noi înșine în ea.

Ce face ca aproape toată tehnologia actuală să fie cu adevărat utilă și necesară?

Ce invenție a oferit progresul cu cele mai mari oportunități?

Una dintre cele mai indispensabile descoperiri ale omului este tehnologia de fabricare a microcircuitelor.

Datorită ei, tehnologia modernă este atât de mică. Este compact și convenabil.

Știm cu toții că într-o casă pot încăpea un număr mare de lucruri constând din microcircuite. Multe dintre ele se potrivesc în buzunarul pantalonilor și sunt ușoare.

Calea spinoasă

Pentru a obține rezultate și a obține un microcircuit, oamenii de știință au lucrat ani lungi. Circuitele inițiale erau uriașe conform standardelor actuale, erau mai mari și mai grele decât un frigider, în ciuda faptului că un frigider modern nu este format în întregime din circuite complexe și complicate. Nimic de genul asta! Are unul mic, dar superioară ca utilitate celor vechi și voluminoase. Descoperirea a făcut o explozie, dând un impuls dezvoltării ulterioare a științei și tehnologiei, a fost făcută o descoperire. Au fost lansate echipamente pentru producerea de microcircuite.

Echipamente

Producția de microcircuite nu este o sarcină ușoară, dar din fericire oamenii au tehnologii care simplifică cât mai mult sarcina de producție. În ciuda complexității, un număr mare de cipuri sunt produse în fiecare zi în întreaga lume. Ele sunt în mod constant îmbunătățite, dobândind noi caracteristici și caracteristici sporite. Cum apar aceste sisteme mici, dar inteligente? Echipamentele pentru producția de microcircuite ajută la acest lucru, care, de fapt, este discutat mai jos.

La crearea microcircuitelor se folosesc sisteme de depunere electrochimică, camere de spălare, camere de oxidare de laborator, sisteme de electrodepunere de cupru, echipamente fotolitografice și alte echipamente tehnologice.

Echipamentele fotolitografice sunt cele mai scumpe și mai precise din inginerie mecanică. Este responsabil pentru crearea de imagini pe substratul de siliciu pentru a produce topologia de cip dorită. Un fotorezist este aplicat pe un strat subțire de material, care este ulterior iradiat de o fotomască și un sistem optic. Pe măsură ce echipamentul funcționează, dimensiunea elementelor de proiectare scade.

În sistemele de poziționare, rolul principal îl au un motor electric liniar și un interferometru laser, care au adesea părere. Dar, de exemplu, în tehnologia dezvoltată de laboratorul din Moscova „Amfora”, nu există o astfel de conexiune. Acest echipament casnic are o mișcare mai precisă și o repetare lină pe ambele părți, ceea ce elimină posibilitatea de reacție.

Filtrele speciale protejează masca de căldura emanată din regiunea ultravioletă profundă, transferând temperaturi de peste 1000 de grade pe tot parcursul luni lungi muncă.

Ionii cu energie scăzută sunt aplicați acoperirilor multistrat. Anterior, această lucrare era efectuată exclusiv prin pulverizare cu magnetron.

Tehnologia de fabricare a cipurilor

Întregul proces de creație începe cu selectarea cristalelor semiconductoare. Cel mai relevant este siliciul. O placă subțire de semiconductor este lustruită până când apare o imagine în oglindă în ea. În viitor, o etapă obligatorie de creare va fi fotolitografia folosind lumină ultravioletă atunci când se aplică un model. O mașină de producție de microcip ajută la acest lucru.

Ce este un microcircuit? Aceasta este o plăcintă multistrat făcută din napolitane subțiri de siliciu. Fiecare dintre ele are un design specific aplicat. Chiar acest desen este creat în etapa de fotolitografie. Plăcile sunt așezate cu grijă echipament special cu temperaturi de peste 700 de grade. După ardere se spală cu apă.

Procesul de creare a unei plăci multistrat durează până la două săptămâni. Fotolitografia se efectuează de mai multe ori până la obținerea rezultatului dorit.

Crearea de microcircuite în Rusia

Oamenii de știință autohtoni din această industrie au și propriile tehnologii pentru producerea de cipuri digitale. Fabricile de profil corespunzător funcționează în toată țara. La iesire specificații nu sunt cu mult inferioare concurenților din alte țări. Se acordă preferință microcircuitelor rusești din mai multe țări. Totul datorită prețului fix, care este mai mic decât cel al producătorilor occidentali.

Componente necesare pentru producerea de microcircuite de înaltă calitate

Microcipurile sunt create în încăperi dotate cu sisteme care controlează puritatea aerului. În întreaga etapă a creării, filtrele speciale colectează informații și procesează aerul, făcându-l astfel mai curat decât în ​​sălile de operație. Lucrătorii din producție poartă salopete speciale de protecție, care sunt adesea echipate cu un sistem intern de alimentare cu oxigen.

Fabricarea așchiilor este afaceri profitabile. Specialiști buni în acest domeniu sunt mereu în căutare. Aproape toate electronicele funcționează folosind microcircuite. Mașinile moderne sunt echipate cu ele. Nave spațiale nu ar putea funcționa fără prezența microcircuitelor în ele. Procesul de producție este îmbunătățit în mod regulat, calitatea se îmbunătățește, capacitățile se extind și durata de valabilitate crește. Microcircuitele vor fi relevante pentru multe decenii, sau chiar sute de ani. Sarcina lor principală este să aducă beneficii pe Pământ și nu numai.

18 ..

Tehnologia de fabricare a cipurilor semiconductoare

În funcție de tipul tehnologiei semiconductoare (localizare și litografie, depunere în vid și depunere galvanică, epitaxie, difuzie, dopaj și gravare), se obțin regiuni cu conductivități diferite, care sunt echivalente cu capacitatea, sau rezistențe active, sau diverse dispozitive semiconductoare. Prin modificarea concentrației de impurități, este posibilă obținerea unei structuri multistrat în cristal care reproduce un circuit electric dat.

În prezent, sunt utilizate metode de grup pentru fabricarea circuitelor integrate cu semiconductori, care fac posibilă producerea a câteva sute de semifabricate de microcircuite într-un singur ciclu tehnologic. Cea mai răspândită este metoda plană de grup, care constă în faptul că elementele microcircuitelor (condensatori, rezistențe, diode și tranzistori) sunt situate în același plan sau pe o parte a substratului.

Să luăm în considerare principalele procese tehnologice utilizate la fabricarea microcircuitelor semiconductoare (oxidare termică, litografie, epitaxie, difuzie și dopaj ionic).

Orez. 22. Transferarea imaginilor folosind fotoreziste negative (a) și pozitive (b):
1 - baza fotomască, 2 - zone opace ale modelului fotomască, 3 - strat fotorezist, 4 - substrat

Oxidarea termică nu este mult diferită de procesele tehnologice standard cunoscute în producție dispozitive semiconductoare. În tehnologia microcircuitelor semiconductoare de siliciu, straturile de oxid servesc la izolarea secțiunilor individuale ale cristalului semiconductor (elemente, microcircuite) în timpul proceselor tehnologice ulterioare.

Litografia este cea mai universală modalitate de a obține imagini ale elementelor de microcircuit pe un cristal semiconductor și este împărțită în trei tipuri: optică, cu raze X și electronică.

În producția de circuite integrate semiconductoare, cel mai versatil proces de fabricație este litografia optică sau fotolitografia. Esența procesului de fotolitografie se bazează pe utilizarea fenomenelor fotochimice care apar în acoperirile fotosensibile (fotorezistențe) atunci când sunt expuse printr-o mască. Pe fig. 22, a prezintă procesul negativului, iar în Fig. 22, b - transfer pozitiv de imagini folosind fotoreziste, iar în Fig. Figura 23 prezintă o diagramă a procesului de fotolitografie.

Întregul proces de fotolitografie folosind o mască fotorezistentă constă din trei etape principale: formarea stratului fotorezistent 1 pe suprafața substratului, măști de contact fotorezistent II și transferul imaginii de la fotomască la stratul fotorezistent III.

Fotolitografia poate fi efectuată folosind metode fără contact și de contact. Fotolitografia fără contact, în comparație cu fotolitografia de contact, oferă un grad mai mare de integrare și cerințe mai mari pentru echipamentul fotografic.

Procesul de obținere a unui model de microcircuit folosind metoda fotolitografică este însoțit de o serie de operații de control prevăzute de cardurile de control de proces corespunzătoare.

Litografia cu raze X permite o rezoluție mai mare (grad mai mare de integrare) deoarece lungimea de undă a razelor X este mai scurtă decât cea a luminii. Cu toate acestea, litografia cu raze X necesită echipamente tehnologice mai complexe.

Litografia electronică (expunerea fasciculului de electroni) se realizează în instalații speciale de vid și vă permite să obțineți un model de microcircuit de înaltă calitate. Acest tip de litografie este ușor de automatizat și are o serie de avantaje atunci când se produc circuite integrate mari cu un număr mare (mai mult de 105) de elemente.

În prezent, elementele semiconductoare și componentele de microcircuit sunt produse prin trei metode: epitaxie, difuzie termică și dopaj ionic.

Epitaxia este procesul de creștere a straturilor cu o structură cristalină ordonată prin implementarea acțiunii de orientare a cristalului substrat. Straturile orientate ale unei noi substanțe, continuând în mod regulat rețeaua cristalină a substratului, sunt numite straturi epitaxiale. Straturile epitaxiale de pe cristal sunt crescute în vid. Procesele de creștere epitaxială a straturilor semiconductoare sunt similare cu producția de pelicule subțiri. Epitaxia poate fi împărțită în următoarele etape: livrarea atomilor sau moleculelor substanței stratului la suprafața cristalului substrat și migrarea lor peste suprafață; începutul grupării particulelor de substanță în apropierea centrelor de cristalizare de suprafață și formarea nucleelor ​​stratificate; creșterea nucleelor ​​individuale până când se unesc și formează un strat continuu.

Procesele epitaxiale pot fi foarte diverse. În funcție de materialul utilizat (plachetă semiconductoare și elemente de aliere), folosind procesul de epitaxie, este posibil să se obțină joncțiuni electron-gaură omogene (puțin diferite) ca compoziție chimică, precum și structuri monostrat și multistrat de creștere a stratului de diferite tipuri de conductivitate. Această metodă poate produce combinații complexe: semiconductor - semiconductor; semiconductor -

Dielectric; semiconductor - metal.

În prezent, cea mai utilizată creștere epitaxială locală selectivă folosind măști de contact Si02 cu tehnologie epitaxială plană.

Pentru a obține parametrii specificați ai straturilor epitaxiale, se efectuează controlul și reglarea grosimii, rezistivității, distribuției concentrației de impurități pe grosimea stratului și densității defectelor. Acești parametri de strat determină tensiunile de defalcare și curenții inversi ai joncțiunilor p-c, rezistența de saturație a tranzistoarelor, rezistența internă și caracteristicile capacității-tensiune ale structurilor.

Difuzia termică este un fenomen de mișcare direcțională a particulelor unei substanțe în direcția scăderii concentrației lor, care este determinată de gradientul de concentrație.

Difuzia termică este utilizată pe scară largă pentru a introduce impurități de dopaj în plachetele semiconductoare sau în straturile epitaxiale crescute pe acestea pentru a obține elemente de microcircuit de tip opus de conductivitate față de materialul original, sau elemente cu rezistență electrică mai mică. În primul caz, de exemplu, se obțin emițători, în al doilea, colectori.

Difuzia, de regulă, se realizează în fiole speciale de cuarț la 1000-1350° C. Metoda de difuzie și difuzantul (impuritatea) sunt alese în funcție de proprietățile semiconductorului și de cerințele pentru parametrii structurilor de difuzie. Procesul de difuzie impune pretenții mari asupra echipamentelor și frecvenței dopanților și asigură producerea de straturi cu mare precizie în reproducerea parametrilor și grosimilor. Proprietățile straturilor de difuzie sunt controlate cu atenție, acordând atenție adâncimii tranziției p-gs, rezistenței la suprafață sau concentrației de impurități de suprafață, distribuției concentrației de impurități pe adâncimea stratului de difuzie și densității defectelor în difuzie. strat.

Defectele straturilor de difuzie (eroziune) sunt verificate folosind un microscop cu mărire mare (până la 200x) sau electroradiografie.

Dopajul ionic este, de asemenea, utilizat pe scară largă la fabricarea dispozitivelor semiconductoare cu planuri mari de joncțiune, celule solare etc.

Procesul de dopaj ionic este determinat de energia cinetică inițială a ionilor din semiconductor și se realizează în două etape. Mai întâi, ionii sunt introduși în placheta semiconductoare într-o instalație de vid cu o descărcare de arc și apoi recoapți la temperaturi ridicate, în urma cărora structura deteriorată a semiconductorului este restaurată și ionii de impurități ocupă nodurile rețelei cristaline. Metoda de producere a elementelor semiconductoare este cea mai promițătoare pentru fabricarea diferitelor structuri cu microunde.

Principal etapele tehnologice Producția de microcircuite semiconductoare este prezentată în Fig. 24. Cea mai comună metodă de obținere a elementelor într-un microcircuit (separarea secțiunilor unui microcircuit) este izolarea cu o peliculă de oxid obținută ca urmare a tratamentului termic al suprafeței cristalului (substrat).

Pentru a obține joncțiuni izolatoare p-hc pe substratul plachetei de siliciu 1, aceasta este tratată timp de câteva ore într-un mediu oxidant la 1000-1200° C. Sub influența agentului de oxidare, stratul de suprafață semiconductor epitaxial al siliciului 2 este oxidat. . Grosimea peliculei de oxid este de 3 - câteva zecimi de micron. Acest film împiedică atomii unei alte substanțe să pătrundă adânc în cristal. Dar dacă îndepărtați filmul de pe suprafața cristalului în anumite locuri, atunci folosind difuzia sau alte metode discutate mai sus, puteți introduce impurități în stratul epitaxial de siliciu, creând astfel zone de conductivitate diferită. După ce se formează un film de oxid pe substrat, pe substrat este aplicat un strat fotosensibil, fotorezist 4. Apoi, acest strat este utilizat pentru a obține un model de fotomască 5 în el în conformitate cu topologia microcircuitului.

Transferul unei imagini de la o fotomască pe suprafața oxidată a unei plachete de siliciu acoperită cu un strat de fotorezist se face cel mai adesea prin fotografie, iar expunerea prin lumină ultravioletă sau raze X. Apoi este dezvoltat substratul cu modelul expus. Acele zone care au fost iluminate se dizolvă în acid, expunând suprafața oxidului de siliciu 6. Aceleași zone care nu au fost expuse cristalizează și devin zone insolubile 7. Substratul rezultat cu un aranjament în relief de joncțiuni izolatoare aplicat pe acesta se spală și se usucă. După gravarea zonelor neprotejate de oxid de siliciu, stratul protector de fotorezist este îndepărtat chimic. Astfel, se obțin „ferestre” pe substrat. Această metodă de obținere a unui desen de circuit se numește pozitivă.

Orez. 24. Principalele etape tehnologice de obţinere a cipurilor semiconductoare

Prin zonele expuse 6 ale substratului se introduc prin difuzie impurități ale atomilor de bor sau fosfor, care creează o barieră izolatoare 8. Pe zonele rezultate ale substratului, izolate între ele, prin difuzie secundară, gravare, supra-creștere, sau alta. metoda, se obțin elemente de circuit activ și pasiv și pelicule conductoare 9.

Tehnologia de producere a circuitelor integrate semiconductoare constă din 15-20 și uneori mai multe operațiuni. După
Se obțin toate componentele circuitelor și filmul de oxid este gravat din locurile unde vor fi amplasate conductorii componente, circuitul semiconductor este acoperit prin pulverizare sau depunere galvanică cu o peliculă de aluminiu. Conexiunile în circuit sunt obținute folosind fotolitografie urmată de gravare.

Deoarece un număr mare de circuite integrate de același tip sunt fabricate pe un substrat într-un singur ciclu tehnologic, plachetele sunt tăiate în cristale individuale, fiecare dintre ele conținând un microcircuit finit. Cristalele sunt lipite de suportul carcasei și contacte electrice microcircuitele sunt conectate la terminale prin lipire, sudare și compresie termică folosind jumperi de sârmă. Microcircuitele finite, dacă este necesar, sunt sigilate folosind una dintre metodele descrise mai jos.

Industria produce o gamă largă de circuite integrate semiconductoare. De exemplu, cipurile de siliciu cu cuplaje diodă-tranzistor sunt proiectate să funcționeze în noduri logice computerizate și noduri de automatizare; Chipurile semiconductoare de germaniu cu conexiuni directe sunt elemente de comutare logice universale NOT-OR.

O dezvoltare ulterioară a tehnologiei de producție a circuitelor integrate a fost crearea de circuite cu integrare mare de microelemente.

Într-un circuit integrat combinat, elementele sunt realizate în volum și pe suprafața substratului semiconductor prin combinarea tehnologiei de fabricație a microcircuitelor semiconductoare și film. Toate elementele active (diode, tranzistoare etc.) sunt obținute într-un substrat de siliciu monocristal prin difuzie, gravare și alte metode, iar apoi elementele pasive (rezistoare, condensatoare) și conductorii purtători de curent sunt depuse pe acest substrat, acoperite cu un peliculă densă de oxid de siliciu. Tehnologia combinată este utilizată pentru fabricarea de micro-putere și circuite integrate de mare viteză.

Pentru a obține plăcuțe de contact și pini ai microcircuitului, pe substrat se depune un strat de aluminiu. Substratul cu circuitul este montat pe baza internă a carcasei, plăcuțele de contact de pe monocristal sunt conectate prin conductori la bornele carcasei microcircuitului.

Circuitele integrate combinate pot fi realizate structural sub forma unui monobloc de dimensiuni destul de mici. De exemplu, un amplificator de înaltă frecvență în două trepte, format din două tranzistoare și șase elemente pasive, este plasat pe un monocristal de siliciu care măsoară 2,54X1,27 mm.

Creșterea rapidă a integrării cipurilor semiconductoare în dezvoltarea dispozitivelor electronice electronice a condus la crearea de microcircuite de un grad ridicat de complexitate: LSI, VLSI și BGIS (microansambluri).

Un circuit integrat mare este un cip semiconductor complex cu un grad ridicat de integrare. În ultimii ani, au fost create LSI-uri semiconductoare care au
pe un cristal de siliciu care măsoară 1,45x1,6 mm până la 1000 sau mai multe elemente (tranzistoare, diode, rezistențe etc.) și care îndeplinește funcțiile a 300 sau mai multe circuite integrate individuale. A fost dezvoltat un microprocesor (microcalculator) cu un grad de integrare a peste 107 elemente pe un cip.

Folosind mai multe structuri LSI suspendate pe un substrat dielectric cu o parte film pasivă a microcircuitelor, este posibil să se obțină microansambluri (BGIS), care sunt ușor de proiectat și fabricat.

Integrarea sporită a microcircuitelor se realizează prin automatizare și introducerea modelării matematice în procesul tehnologic cu proiectarea topologiei mașinii și utilizarea de noi metode de formare a elementelor de microcircuite (dopaj ionic etc.).

Ciclul principal de proiectare LSI este format din două etape: arhitectural - proiectarea circuitelor și proiectarea - tehnologic.

Etapa de proiectare arhitecturală și de circuit include dezvoltarea arhitecturii și structurii microcircuitului, diagrame funcționale și de circuite, modelare matematică și alte lucrări.

Etapa de proiectare și tehnologică include dezvoltarea topologiei și proiectarea microcircuitului, tehnologia de fabricație a acestuia, precum și testarea acestora.

Circuitele integrate mari și ultra-mari la nivel modern reprezintă ultima etapă în dezvoltarea circuitelor integrate clasice, în care se pot distinge zone echivalente cu elemente pasive și active. Dezvoltarea în continuare a bazei elementare a electronicii este posibilă prin utilizarea diferitelor efecte și fenomene fizice în moleculele în stare solidă (electronica moleculară).

Un circuit integrat (IC) este un dispozitiv electronic care are un aranjament de mare densitate de elemente de circuit electric, în care toate sau o parte din elementele sunt formate și interconectate electric pe un singur cip semiconductor sau substrat dielectric.

Un IC este un corp multicomponent de compoziții de straturi pe suprafață sau în stratul aproape de suprafață al unui solid (semiconductor). Caracteristicile sale sunt determinate de proprietățile straturilor subțiri ale diferitelor materiale, care, la rândul lor, depind în mare măsură de condițiile formării lor, de succesiunea și tipul operațiilor tehnologice.

Problemele dezvoltării și producției de circuite integrate sunt luate în considerare într-o nouă ramură a științei și tehnologiei - microelectronica, care studiază tehnologic, fizic caracteristici de proiectare elemente electrice și radio cu dimensiuni de cel puțin 1 micron în cel puțin o coordonată.

Cea mai importantă problemă în crearea microcircuitelor este dezvoltarea elementelor și materialelor compatibile între ele, cu caracteristici stabile și reproductibile ale straturilor subțiri, precum și o succesiune de operații tehnologice pentru formarea unei structuri multistrat, în care operațiunile ulterioare nu afectează negativ. afectează caracteristicile straturilor formate anterior.

În funcție de metoda de creare a compozițiilor de film, microcircuitele sunt împărțite în două clase - circuite integrate hibride (HIC) și circuite integrate semiconductoare (IC).

Un circuit integrat hibrid este un dispozitiv electronic microminiatural, ale cărui elemente sunt conectate inseparabil structural, tehnologic și electric pe suprafața unui substrat dielectric (sticlă, ceramică). În tehnologia GIS, elementele pasive (rezistențe, conductori, plăci de contact, condensatoare, straturi dielectrice și izolatoare) sunt fabricate într-un singur ciclu tehnologic sub formă de pelicule metalice și dielectrice pe suprafața substratului. Pe suprafața substratului sunt montate componente active (diode, tranzistoare) și, dacă este necesar, și componente pasive discrete microminiaturale (condensatori, inductori etc.) pe suprafața substratului și conectate la alte elemente.

În funcție de procesul tehnologic de formare a elementelor pasive, circuite hibride

Ele sunt împărțite în film subțire și film gros.

Tehnologia Goncofilm - aplicare secvenţială la teren comun conductori de film subțire (mai puțin de 1-2 microni), contacte, rezistențe, izolatori prin întărirea microgeometriei elementelor și conexiunile acestora (model topologic) sau în procesul de depunere folosind șabloane (măști), precum și prin gravarea locală explicită a straturi continue de materiale.

Secvența operațiilor tehnologice în producția de GIS cu peliculă subțire în funcție de două opțiuni este prezentată în Fig. 19.1.

Tehnologia filmului gros- aplicarea secvenţială prin şabloane de plasă şi arderea în substraturi ceramice a pastelor în scopuri rezistive, conductive şi dielectrice.

Pastele conductoare și rezistive sunt un amestec de pulbere metalică fină, sticlă, care acționează ca un liant permanent, și lichide organice, care asigură vâscozitatea amestecului. Metalul asigură formarea de piste conductoare (argint, aur, platină, paladiu și aliajele acestora) sau rezistive (metale nobile și compozițiile lor cu oxizi).

Pastele pentru straturi izolante sunt un amestec de sticla si lichide organice.

Șablonurile cu plasă au o dimensiune foarte mică a celulei (aproximativ 50 de microni). În conformitate cu topologia necesară a circuitului, în unele zone ale șablonului, celulele sunt umplute cu emulsie, hârtie pigmentară sau fotorezist, care protejează substratul de pătrunderea pastei în aceste zone. Pasta se aplică cu ajutorul unei raclete mobile. În primul rând, se aplică o pastă conductivă pentru a crea pulberi de conectare, plăci de condensatoare și plăcuțe de contact. Pasta se usucă și apoi se coace la o temperatură de 750-950 °C. Apoi, printr-un alt șablon, se aplică pastă rezistivă, care este arsă la o temperatură mai scăzută.Pasta dielectrică este aplicată și arsă în mod similar pentru a forma un strat dielectric în condensatoare cu peliculă groasă și la intersecțiile conductoarelor.

După formarea topologiei, succesiunea altor operații tehnologice este similară cu procesele de fabricare a circuitelor cu peliculă subțire.

Circuitele integrate semiconductoare (în stare solidă) sunt produse prin modificarea locală deliberată a proprietăților materialului unui substrat semiconductor dopat cu o impuritate.

Prin adăugarea de impurități în locuri și cantități strict definite, este posibilă modificarea caracteristicilor conductoare ale materialului substratului de la semiconductori de siliciu și germaniu într-o gamă foarte largă - practic de la un conductor la un izolator. Această proprietate este utilizată pentru a obține atât elemente active, cât și pasive în cristale. Modificarea proprietăților are loc numai într-un strat mic al cristalului, egal cu câțiva micrometri și numit р-n- o tranziție în care două zone cu conductivitate diferită - gaură și electron - se îmbină. Să ne uităm la asta în detaliu.

Elementele chimice siliciu și germaniu au patru electroni în învelișul lor exterior de electroni, adică valența lor este de patru. Se știe că un atom are o stare mai stabilă atunci când există opt electroni în învelișul său exterior. La temperaturi scăzute în cristalele semiconductoare, toți electronii sunt legați de atomi (nu există electroni mobili), iar cristalul este un izolator.

Pe măsură ce temperatura unui semiconductor crește, electronii individuali se desprind de atomi, devin mobili și pot crea electricitateîntr-un cristal când i se aplică tensiune. Când un electron este îndepărtat dintr-un atom, se formează un spațiu liber (gaură) în învelișul atomului. Electronii liberi ai găurii se mișcă aleatoriu prin cristal.

Când un astfel de cristal este conectat la un circuit electric, se observă o mișcare ordonată a electronilor de la polul negativ la polul pozitiv. Când un electron liber întâlnește o gaură, se recombină și mișcarea lor se oprește. Această conducere se numește propria conductivitate semiconductor.

Dacă, de exemplu, o cantitate mică de aluminiu este introdusă într-un cristal de siliciu sau germaniu, atunci conductivitatea cristalului dopat cu acesta va fi în principal gaură. Un astfel de cristal se numește semiconductor de tip p.

Când introducem, de exemplu, arsenic în siliciu și germaniu, obținem un semiconductor cu conductivitate electronică, numit semiconductor. R-tip.

Într-un cristal semiconductor, două zone pot fi create simultan folosind dopajul local: p-tip și n-tip. Granița dintre ele se numește p-p- joncțiune care poate acționa ca o diodă.

Crearea unei varietăți de combinații р-n-tranzițiile se obțin prin elemente - diode, tranzistoare, rezistențe etc. Combinațiile de orice număr de elemente formează circuitul dorit, și întrucât toate sunt părțile constitutive un cristal de material semiconductor, apoi se obține o structură în stare solidă complet monolitică.

Tehnologia de bază pentru crearea circuitelor integrate semiconductoare este tehnologie epitaxial-planară, de-a lungul căreia suprafața unei plachete monocristaline semiconductoare este mai întâi oxidată. Apoi se efectuează gravarea locală a stratului de oxid și semiconductorul este dopat prin ferestrele deschise în el. Dopanții difuzează în substrat din faza gazoasă la temperatură ridicată. Oxidarea ulterioară închide din nou ferestrele. Prin repetarea operațiilor tehnologice de oxidare, gravare selectivă și difuzie a diverselor impurități, este posibilă implementarea diferitelor elemente de circuit: diode, tranzistoare, rezistențe și capacități. Cu toate acestea, elementele capacitive nu sunt practic utilizate în circuitele integrate din cauza suprafeței lor mari și a costului ridicat al operațiunilor tehnologice. Până la câteva mii de circuite integrate sunt formate simultan pe o placă de semiconductor monocristal cu un diametru de aproximativ 100 mm.

Operațiunile ulterioare ale procesului tehnologic sunt: ​​obținerea, prin depunere în vid sau fotolitografie, a conductoarelor metalice care conectează elementele circuitului și plăcuțele de contact, respingerea plachetelor în funcție de parametrii circuitelor integrate individuale, tăierea plachetei în circuite integrate individuale, instalarea CI în carcasă. , conectarea plăcuțelor de contact la cablurile corpului și etanșarea.

Alegerea tehnologiei de proiectare și fabricație pentru circuitele integrate este determinată de considerente tehnice și economice. Tehnologiile cu peliculă groasă și subțire se disting prin posibilități largi de implementare a circuitelor în ceea ce privește precizia elementului. În plus, ele se caracterizează printr-un cost relativ scăzut de pregătire a producției. Pe baza lor, este posibil să se producă o gamă largă de diagrame în serie mică (GIS special).

Utilizarea predominantă a tehnologiei cu peliculă subțire în producția de circuite de precizie se explică prin posibilitatea de a obține o rezoluție, precizie și stabilitate mai mari a elementelor circuitului.

Tehnologia filmului gros are un ciclu de pre-producție puțin mai scurt și este mai puțin complexă echipamente tehnologice. Este folosit pentru a obține circuite relativ simple în dispozitivele de control numeric controlul programului, COMPUTER, etc. Pentru a obține GIS, tehnologia cu peliculă groasă are în unele cazuri avantaje față de tehnologia cu peliculă subțire.

Tehnologia IC cu semiconductor este utilizată pentru fabricarea produselor productie in masa- circuite digitale de calculatoare, microprocesoare, ceasuri electronice, mașini de calcul etc.

O serie de operațiuni tehnologice ale celor trei tipuri principale de tehnologie de fabricare a circuitelor integrate sunt similare ca natura lor fizică, în ciuda diferențelor dintre materialele și echipamentele utilizate.

Principalele procese tehnologice utilizate în fabricarea circuitelor integrate semiconductoare sunt oxidarea, fotolitografia, difuzia, epitaxia și dopajul ionic.

Oxidarea siliciului. Acest proces este important în tehnologia de fabricație a circuitelor integrate semiconductoare. Dioxidul de siliciu Si02 este un oxid sticlos având aceeași compoziție chimică ca și sticla de cuarț. Acești oxizi sunt buni izolatori pentru elementele de circuit individuale, servesc ca o mască care împiedică pătrunderea impurităților în timpul difuziei și sunt utilizați pentru a proteja suprafața și a crea elemente dielectrice active (de exemplu, în tranzistoarele MOS). Ele formează o acoperire uniformă și continuă pe suprafața de siliciu, care este ușor de gravat și îndepărtat din zonele locale. Reoxidarea oferă protecție P-N-tranziţia de la influenţele mediului. Coeficienții de dilatare termică ai siliciului și dioxidului de siliciu sunt apropiați. Dioxidul de siliciu are o aderență bună și se formează relativ ușor pe suprafața plachetei.

În funcție de metoda de producție, se disting oxizii termici și anodici.

Oxizii termici sunt produși prin reacții accelerate de căldură ale siliciului cu oxigenul și alte substanțe care conțin oxigen. Astfel de oxizi au o grosime de ~1 µm și au o densitate mare.

Metoda de oxidare termică are două variante:

1) oxidare la temperatură ridicată într-un flux de oxigen uscat și gaze umidificate;

2) oxidare în vapori de apă la presiune ridicata(până la 50 MPa), la temperaturi relativ scăzute (5OO...900°C).

Oxidare într-un curent de gaze umidificate efectuat conform Fig. 1.8. Vaferele de siliciu sunt plasate într-un tub de cuarț, unde temperatura este setată la 1100°C. Un capăt al conductei este conectat la un umidificator (apă deionizată), prin care trece gaz (argon, azot etc.). Când umidificatorul este oprit, oxigenul uscat curge direct în tubul de cuarț. Oxidarea se realizează în următoarea succesiune: expunere preliminară în oxigen uscat (~15 min); oxidare pe termen lung în oxigen umed (2 ore) și oxidare finală în oxigen uscat. Prima operație produce o peliculă durabilă de grosime mică. Tratamentul termic într-un mediu umed cu oxigen asigură o creștere rapidă a filmului (până la 1 micron), dar densitatea acestuia este insuficientă. Tratarea ulterioară cu oxigen uscat duce la compactarea filmului și la îmbunătățirea structurii sale.

Grosimea de oxid cel mai frecvent utilizată este zecimi de micrometru, iar limita superioară a grosimii este de 1 micron. Adăugarea de componente care conțin clor în mediul oxidat crește rata de oxidare și crește tensiunea de defalcare. Rolul principal al clorului este de a transforma atomii de impurități (potasiu, sodiu etc.) găsiți accidental în dioxidul de siliciu în cei inactivi electric.

Oxidarea siliciului în vapori de apă la presiune înaltă efectuate într-o cameră a cărei suprafață interioară este acoperită cu aur sau alt metal inert pentru a evita reacțiile nedorite. Placile de siliciu sunt plasate în cameră și o anumită cantitate de apă de înaltă puritate, care este încălzită la temperatura de oxidare (500...800°C). Grosimea filmului depinde de durata oxidării, presiunea și concentrația vaporilor de apă.

Calitatea filmului de oxid este afectată de curățenia volumului de lucru în care se desfășoară procesul. Pătrunderea chiar și a unei cantități nesemnificative de atomi de impurități poate schimba semnificativ proprietățile materialului piesei originale. Cele mai dăunătoare efecte sunt cauzate de impuritățile de cupru, al căror coeficient de difuzie în siliciu este foarte mare.

Mare importanță are curățarea pre-oxidativă a siliciului de contaminanți, ceea ce duce la discontinuități în pelicule. Avantajul oxidării la presiune înaltă este capacitatea de a reduce temperatura procesului fără a crește durata.

Oxidare anodica siliciul are două modificări: oxidarea într-un electrolit lichid și în plasmă gazoasă. Procesul de oxidare anodică face posibilă obținerea de filme de oxid la temperaturi mai scăzute, ceea ce limitează redistribuirea impurităților în regiunile de difuzie preformate.

Pentru a crea izolație interstrat, procesul de oxidare nu este utilizat, iar straturile dielectrice sunt obținute prin depunere.

Filmele de dioxid de siliciu ca straturi de protecție au următoarele dezavantaje: 1) porozitatea structurii, ceea ce duce la posibilitatea pătrunderii vaporilor de apă și a unor impurități la suprafața originală de siliciu; 2) capacitatea atomilor unui număr de elemente de a migra printr-o peliculă de dioxid de siliciu, ceea ce duce la instabilitatea caracteristicilor dispozitivelor semiconductoare.

Fotolitografie. Fotolitografia este procesul de formare a unei imagini fotorezistente a topologiei circuitului pe suprafața unui dioxid de substrat și apoi transferarea acesteia pe substrat. Structura sa coincide cu metodele utilizate în formarea conductorilor plăcilor de circuite imprimate. Acest proces are însă specificul său, datorită cerințelor de înaltă rezoluție și a cerințelor sporite pentru calitatea materialelor folosite și curățenia mediului.

Fotorezistele sunt pelicule subțiri de soluții organice, care trebuie să aibă proprietățile, după expunerea la lumină ultravioletă, de a polimeriza și de a deveni insolubile. Principalele cerințe pentru fotorezistele sunt rezoluția înaltă, fotosensibilitatea, rezistența la agenți de decapare și diverse soluții chimice și o bună aderență la suprafața produsului.

Rezoluția unui fotorezist se referă la numărul de linii care pot fi aplicate pe un milimetru al suprafeței plăcii, cu o distanță între ele egală cu lățimea lor. Rezoluția depinde de tipul de fotorezist și de grosimea stratului. Cu straturi subțiri este mai mare decât cu cele groase.

Pe baza metodei de formare a modelului, fotorezistele sunt împărțite în negative și pozitive (Fig. 1.9).

Zonele de fotorezist negativ situate sub zonele transparente ale măștii foto, sub influența luminii ultraviolete, capătă proprietatea de a nu se dizolva în timpul dezvoltării. Zonele de fotorezist situate sub zonele opace ale măștii foto pot fi îndepărtate cu ușurință atunci când sunt dezvoltate într-un solvent. În acest fel este creat; relief, care este o imagine a elementelor ușoare ale unei fotomască (Fig. 1.9, a).

Fotorezistele negative sunt fabricate din alcool polivinilic. Sunt utilizate pe scară largă datorită absenței componentelor toxice, rezoluției acceptabile (până la 50 de linii/mm), ușurinței de dezvoltare și costului redus. Dezavantajul este imposibilitatea depozitării semifabricatelor cu un strat aplicat mai mult de 3...5 ore, deoarece acesta din urmă este bronzat chiar și pe întuneric. În plus, odată cu scăderea umidității și a temperaturii ambientale, rezistența mecanică a stratului fotosensibil și aderența acestuia la suprafață scade.

Fotorezistul pozitiv, atunci când este expus la iradiere, își schimbă proprietățile în așa fel încât atunci când este procesat în dezvoltatori, zonele sale iradiate se dizolvă, iar zonele neiradiate (situate sub zonele opace ale măștii foto) rămân pe suprafața plăcii (Fig. 1.9, b).

Pentru fotorezistele pozitive, se folosesc materiale pe bază de compuși diazo, care constau dintr-o bază polimerică fotosensibilă (rășină novolac), un solvent și alte componente. În ceea ce privește aderența și rezoluția, acestea sunt superioare fotorezistenților negativi, dar sunt mai scumpe și conțin solvenți toxici. Rezoluția fotorezistenților pozitivi este de până la 350 de linii/mm. Avantajul fotorezistului pozitiv este absența bronzării în timpul depozitării pieselor de prelucrat cu un strat fotosensibil aplicat.

În procesul tehnologic de producere a circuitului integrat, se folosesc fotoreziste lichide și uscate.

Fotorezistele lichide sunt aplicate prin imersare (imersie), turnare cu centrifugare, rulare cu o rolă cu nervuri și alte metode.

Fotorezistele uscate, care au devenit mai răspândite datorită fabricabilității lor mai mari și ușurinței în utilizare, sunt o structură subțire din trei straturi: o peliculă transparentă optic (de obicei polietilen tereftalat), un polimer fotosensibil și o peliculă Mylar protectoare. Se aplică la temperaturi ridicate cu îndepărtarea preliminară a stratului protector și lipirea fotorezistului. După ce imaginea este expusă, filmul optic este îndepărtat și imaginea apare în apă. În acest caz, zonele neexpuse ale imaginii sunt eliminate.

Fotorezistele pozitive oferă o rezoluție înaltă a designului circuitului. Cu toate acestea, avantajele lor nu exclud posibilitatea de a utiliza fotorezistențe negative, care au o rezistență mai mare la acizi și o dezvoltare ușoară.

Principalele etape ale procesului de fotolitografie la implementarea tipăririi prin contact sunt prezentate în Fig. 1.10.

Pregătirea suprafeței substratului (Fig. 1.10a) afectează semnificativ aderența fotorezistului. Acesta din urmă trebuie aplicat imediat după oxidarea plăcii fără tratamente suplimentare de suprafață. Dacă substraturile sunt depozitate mai mult de o oră, atunci tratamentul termic se efectuează în oxigen uscat sau azot la t = 1000°C timp de câteva minute. Elimină hidrofilitatea suprafeței substratului.

Fotorezistul se aplică prin centrifugare (Fig. 1.10.6). Grosimea optimă a stratului de fotorezist este în intervalul 0,3... 0,8 microni. La o grosime a stratului mai mică de 0,2 microni, probabilitatea de perforare crește brusc, iar la grosimi mai mari de 1 micron, rezoluția procesului scade, ceea ce face imposibilă obținerea de elemente cu dimensiuni mici.

La aplicarea fotorezistului, este necesar să se asigure uniformitatea stratului (absența porilor, particule străine etc.) și grosimea uniformă a acestuia. Uniformitatea stratului depinde de puritatea fotorezistului original, de puritatea mediului, de moduri și de metoda de uscare. Uniformitatea grosimii stratului depinde de vâscozitatea fotorezistului și de modurile de aplicare ale acestuia. Neuniformitatea stratului în grosime determină o deteriorare în contrast din cauza aderenței incomplete a fotomăștii la fotostratul în timpul expunerii.

Îndepărtarea solventului din stratul de fotorezist pentru a forma o peliculă puternică și uniformă se efectuează prin uscare la t = 18... 20 ° C timp de 15... 30 de minute, iar apoi la t = 90 ... 100 ° C pentru 30 minute.

Transferul unei imagini de la o fotomască pe o placă acoperită cu un strat de fotorezist se realizează prin expunere (Fig. 1.10, c). Dacă procesul de fotolitografie se repetă, atunci este necesar să combinați modelul obținut anterior cu modelul de pe fotomască. Precizia de aliniere este de 0,25... 0,5 microni. Lămpile Xeon și mercur-cuarț sunt folosite ca sursă de lumină.

Calitatea transferului este afectată semnificativ de fenomenele de difracție care apar atunci când există goluri între șablon și placă. Golurile apar din cauza lipsei de planeitate a substratului, ajungând la 20 de microni. Calitatea transferului de imagine de la fotomască la stratul de fotorezist poate fi evaluată numai după dezvoltare.

Dezvoltarea unei imagini latente (Fig. 1.10d) într-un fotorezistent negativ constă în îndepărtarea zonelor care se aflau sub zonele întunecate ale măștii foto. În cazul fotorezistului pozitiv, zonele iradiate sunt îndepărtate. Fotorezistele negative sunt dezvoltate în solvenți organici (tricloretilenă etc.), iar cele pozitive în soluții alcaline. Pentru a imbunatati proprietatile protectoare, stratul rezultat este uscat la t=100...120°C, iar apoi bronzat la t=200...250°C timp de 30...40 minute.

Modelul de circuit necesar este obținut prin gravarea zonelor substratului neprotejate de fotorezist într-un amestec de acid azotic și fluorhidric (Fig. 1.10e).

Gravarea trebuie să asigure gravarea completă a filmelor de oxid. În acest caz, există cazuri când este necesară gravarea simultană a filmelor de oxid de diferite grosimi. Precizia operațiunilor de gravare depinde de precizia fabricării negativului și de calitatea fotorezistului. În cazul unei aderențe slabe a stratului la suprafața piesei de prelucrat, acidul fluorhidric poate pătrunde sub stratul întărit și poate grava zonele filmului de oxid protejate de acesta. Stratul de fotorezist rămas pe suprafață este îndepărtat într-un solvent, care este utilizat ca lichide organice și acid sulfuric. După umflare, filmul fotorezistent este îndepărtat cu un tampon.

Fotolitografia este unul dintre principalele procese tehnologice în producția de cipuri semiconductoare. Utilizarea sa pe scară largă se explică prin reproductibilitatea și rezoluția ridicată, ceea ce face posibilă obținerea de modele de dimensiuni mici, versatilitatea și flexibilitatea metodei și productivitatea ridicată. Dezavantajul fotolitografiei de contact este uzura rapidă a fotomăștii și apariția defectelor pe suprafețele de contact. La contact, fotomasca presează orice particule (de exemplu, particule de praf) în stratul de fotorezist, ceea ce duce la defecte în stratul protector al fotorezist.

O bucată de praf pe suprafața fotorezistului poate împiedica întărirea acestuia și poate duce la formarea unei găuri („punctură”) în oxid. Un fir de praf sau niște puncte întunecate pe partea transparentă a măștii foto pot da același efect. O gaură în partea întunecată a măștii foto poate duce la îndepărtarea incompletă a filmului de oxid. Dimensiunile particulelor de praf sunt proporționale cu dimensiunile zonelor elementelor de contact. Prezența lor duce la microcircuite defecte.

Probabilitatea ca defectele să apară din cauza particulelor de praf insolubile și a altor contaminanți punctiali care cad pe suprafața de siliciu este proporțională cu suprafața plachetei. Prezența unor astfel de defecte limitează aria maximă a microcircuitelor.

Fotolitografia fără contact (proiectare) elimină contactul dintre fotomască și stratul de fotorezist, ceea ce evită o serie de dezavantaje inerente fotolitografiei de contact.

Metoda de imprimare prin proiecție presupune proiectarea unei imagini dintr-o mască foto pe o placă acoperită cu un strat de fotorezist, plasată la o distanță considerabilă unul de celălalt. Dimensiunile desenului de pe fotomască pot fi realizate la scară mărită. Cu această metodă, cerințele pentru planeitatea substraturilor și uniformitatea grosimii stratului de fotorezist sunt crescute. Lentilei sunt impuse cerințe mari, care trebuie să ofere rezoluția necesară pe întregul câmp de lucru al substratului. În prezent, cea mai bună rezoluție (0,4 µm) poate fi obținută pe o suprafață de 2x2 mm. Dificultățile de a crea lentile care oferă rezoluție mare pe o suprafață mare împiedică adoptarea pe scară largă a metodei fotolitografiei de proiecție.

Fotolitografia Microgap combină avantajele metodelor de fotolitografie prin contact și proiecție. Prin această metodă se stabilește un spațiu de 10... 20 microni între placă și fotomască. Un astfel de decalaj este suficient de mare pentru a minimiza fenomenul de difracție și, în același timp, suficient de mic pentru a neglija distorsiunile neliniare din decalaj în timpul transmisiei imaginii. Echipamentele industriale pentru expunerea la micro-gap sunt mult mai complexe decât echipamentele pentru expunerea de contact.

Difuzie. Este procesul de transfer al impurităților dopante din zone cu concentrație mai mare în zone cu concentrație mai mică. Dacă există un gradient în concentrația de atomi ai oricărui element dintr-un solid, atunci se creează o mișcare de difuzie direcționată, care tinde să egaleze concentrația acestor atomi pe întregul volum. Procesele de egalizare a concentrației au loc la temperaturi suficient de ridicate, când viteza de mișcare a particulelor crește brusc. Ele sunt caracterizate de coeficientul de difuzie D, care este determinat de masa unei substanțe care pătrunde printr-o unitate de suprafață pe unitatea de timp cu un gradient de concentrație egal cu unitatea.

Coeficientul de difuzie pentru un anumit material și impuritate de difuzare, la o primă aproximare, depinde doar de temperatură (dependență exponențială).

Coeficientul de difuzie al elementelor din grupa III (B, A1, Ip) în siliciu este cu 1... 1,5 ordine de mărime mai mare decât cel al elementelor din grupa V (As; P; Sb). De exemplu, coeficientul de difuzie al borului în siliciu la t==1473 K este de 10,5 cm 2 /s, al arsenului - 0,3 cm 2 /s.

Procesul de difuzie are loc în două etape. În prima etapă, se creează un strat saturat cu o impuritate pe cristalul dintr-o sursă infinită (fază gazoasă). Această etapă se numește conducerea impurităților. Se efectuează în prezența oxigenului, care favorizează formarea unui strat de sticlă borosilicată (pentru impuritatea B 2 0 3) sau sticlă de silicat de fosfor (pentru impuritatea P 2 O 5) la suprafață. Parametrii procesului de antrenare sunt concentrația de difuzant și oxigen în gazul purtător, viteza amestecului de gaze și timpul procesului. În a doua etapă, impuritatea suferă o redistribuire. Această etapă se numește distilare a impurităților. Se realizează la t = 800...1000°C în absenţa unei surse externe de impurităţi. Atmosfera de lucru este un amestec de gaz inert și oxigen. Accelerarea impurității în adâncimea plachetei este însoțită de creșterea unei pelicule protectoare de oxid de siliciu.

Difuzia se realizează în intervalul de temperatură 1100... 1300°C și luând în considerare procesul de antrenare într-un proces în două etape -1000... 1300°C. Sub 1000 °C, coeficienții de difuzie sunt foarte mici, iar adâncimea de difuzie este nesemnificativă. Peste 1300°C, deteriorarea suprafeței plăcilor are loc sub influența temperaturii ridicate.

Compușii solizi, lichizi și gazoși sunt utilizați ca surse de impurități. Cele mai frecvent utilizate sunt borul și fosforul sub formă de compuși chimici B 2 0 5, P 2 O 5 etc.

Difuzia într-un flux de gaz purtător dintr-o sursă solidă se realizează în instalații cu două zone (Fig. 1.11). Sursa de impurități este plasată într-o zonă de temperatură scăzută, iar plachetele de siliciu sunt plasate într-o zonă de temperatură ridicată (1100... 1200°C). Conducta este purjată cu un amestec de gaz inert și oxigen și, după ce temperatura a fost stabilită, plăcile se pun în zonă de muncă. Moleculele de impurități care se evaporă sunt transferate de gazul purtător către plăci și ajung la suprafețele acestora printr-un strat de sticlă lichidă. Sticla lichidă protejează suprafețele plăcilor de evaporare și de pătrunderea particulelor străine. Dezavantajele procesului de difuzie a sursei solide sunt complexitatea instalației și dificultatea controlului presiunii vaporilor.

Difuzia într-un flux de gaz purtător dintr-o sursă lichidă se realizează într-o instalație mai simplă cu o singură zonă, unde este posibil să se obțină o gamă mai largă de valori ale concentrației de suprafață. Dezavantajul acestui proces este toxicitatea ridicată a concentrațiilor.

Difuzie într-un volum închis. O astfel de difuzie asigură o bună reproductibilitate a parametrilor straturilor de difuzie. În acest caz, placheta de siliciu și sursa de impurități sunt plasate într-o fiolă de cuarț, care este pompată la o presiune de 10 -3 Pa sau umplută cu un gaz inert. Fiola este apoi sigilată și introdusă într-un cuptor de încălzire. Moleculele de vapori impuri sunt adsorbite de suprafețele plachetei semiconductoare și difuzează adânc în ea. Această metodă este utilizată pentru difuzarea borului, antimoniului, arsenului și fosforului. Aceste impurități sunt foarte toxice, iar difuzia în fiolă elimină posibilitatea otrăvirii.

Avantajul metodei este posibilitatea de a folosi un cuptor pentru difuzarea mai multor impurități fără contaminare reciprocă; dezavantajul este productivitatea scăzută și necesitatea de a conduce cu atenție procesul de încărcare, deoarece orice substanță care intră în fiolă difuzează împreună cu principalul impuritate.

Cu toate metodele de difuzie, este necesar să se asigure o distribuție uniformă a temperaturii de-a lungul axei zonei fierbinți. Dacă toleranța pentru adâncimea stratului de difuzie este de 100%, atunci este suficient să se mențină temperatura cu o precizie de ±5°C. Cu o toleranță de 20%, temperatura trebuie menținută cu o precizie de ±0,5°C.

Adâncimea de difuzie variază de la câțiva micrometri (pentru elemente de circuit) la 10 ... 100 microni pentru izolarea acestora. O adâncime mare de difuzie necesită un timp considerabil (până la 60 de ore).

Impuritățile care se difuzează în siliciu printr-o gaură din oxid se extind lateral cu aproape aceeași cantitate ca și în adâncime.

Cele mai frecvente defecte în difuzie sunt abaterile în adâncimea stratului de difuzie. Motivele pentru astfel de abateri sunt praful și alte particule situate pe suprafața plachetei, precum și reziduurile de fotorezist. Defectele de suprafață și perturbările din rețeaua cristalină contribuie la o penetrare mai profundă a difuzantului în material. Pentru a reduce numărul de astfel de defecte, este necesar să se mențină foarte atent curățenia mediului, materialelor și echipamentelor în timpul operațiunilor pregătitoare și în timpul procesului de difuzie.

Chitanță P-N-tranzitiile prin metode de difuzie permit controlul in limite precise a profunzimii si localizarii tranzitiei, concentratia de impuritati etc. Dezavantajul procesului de difuzie il reprezinta imposibilitatea obtinerii unor tranzitii clare intre zone cu diferite tipuri de conductivitate.

Epitaxie. Acesta este procesul de creștere a straturilor cu o structură cristalină ordonată prin implementarea acțiunii de orientare a substratului. Există două tipuri de epitaxie utilizate în producția de circuite integrate: homoepitaxie și heteroepitaxie.

Homoepitaxia (autoepitaxia) este un proces de creștere orientată a unei substanțe cristaline care nu diferă ca compoziție chimică de substanța substrat. Heteroepitaxia este un proces de creștere orientată a unei substanțe care diferă ca compoziție chimică de materialul substratului.

În timpul procesului de creștere a unui film epitaxial, în acesta pot fi introduse impurități dopante, creând filme semiconductoare cu distribuția dorită a concentrației și un anumit tip de conductivitate. Datorită acestui fapt, este posibil să se obțină limite clare între zonele cu tipuri diferite conductivitate.

Cea mai utilizată metodă în prezent este așa-numita metodă cu clorură de producere a straturilor epitaxiale de siliciu, bazată pe reducerea tetraclorurii de siliciu. Procesul se desfășoară într-un reactor, care este un tub de cuarț plasat în inductorul unui generator RF. Reactoarele pot fi de tip orizontal sau vertical.

Într-un reactor orizontal (Fig. 1.12), plachetele de siliciu sunt plasate pe suporturi de grafit. Încălzirea este realizată de un generator de înaltă frecvență. Înainte de începerea procesului, sistemul este umplut cu azot sau heliu pentru a elimina aerul și purjat cu hidrogen pur, care la o temperatură de 1200°C reacționează cu resturile de pelicule de oxid de pe suprafața substraturilor și le îndepărtează aproape complet. Camera este apoi umplută

amestec NS1Și H 2 pentru gravarea unui strat de câțiva micrometri grosime dintr-o plachetă de siliciu. Folosind o operație de gravare cu gaz, stratul deteriorat și reziduurile sunt îndepărtate Si0 2. Filmele epitaxiale se obtin fara defecte structurale. După curățare, sistemul este purjat cu hidrogen timp de câteva minute, apoi alimentat SiCl4 si dopant. Ca urmare a reacţiei

5iС1 4(gaz) + 2H 2(gaz) ↔ Si(SOLID) ↓ + 4NS1(GAZ)

Tetraclorura de siliciu se descompune și siliciul este depus pe substratul de siliciu, care preia structura stratului de dedesubt. După finalizarea procesului, substratul este răcit cu un curent de hidrogen pur.

Raporturile specifice de hidrogen, clorură de siliciu și impurități sunt obținute prin ajustarea vitezei de alimentare și a temperaturii. Debitul obișnuit al gazului purtător (hidrogen) este de 10 l/min și raportul dintre cantitate H 2Și SiCl4 este 1000: 1. Un difuzant gazos este introdus în acest amestec într-o cantitate de aproximativ 300 de părți la 1.000.000 de părți din amestecul de gaze.

Fosfina este folosită ca impuritate donor (RN 3), și pentru a obține un strat P-tip - diboran (B 2 H 6).

Viteza de creștere a filmului epitaxial depinde de debitul SiCl4Și H2, temperatura substratului, cantitatea de impuritate introdusă etc. Aceste variabile, care pot fi controlate destul de precis, determină durata procesului.

Cea mai mică grosime a peliculei epitaxiale este determinată de prezența centrelor de cristalizare. Limita superioară a grosimii filmului fără defecte este de 250 µm. Cel mai adesea, grosimea filmului epitaxial este de la 1 la 25 de microni.

Calitatea stratului epitaxial este mult influențată de curățenia suprafeței substratului și de gazele utilizate. Ca substrat se folosesc plachete de siliciu cu grosimea de 150...200 microni, lipsite de defecte structurale. Conținutul admis de impurități în gaze este egal cu câteva părți de impuritate per milion de părți de gaz.

Controlul plachetelor semiconductoare se efectuează după finisarea lustruire, epitaxie, oxidare și difuzie. Se bazează pe observarea vizuală și analiza imaginii plăcii formată pe ecran de un fascicul homocentric de lumină vizibilă reflectată de suprafața plăcii.

Zonele plăcii cu o structură deteriorată introduc perturbări în fasciculul de lumină, din cauza cărora defectele plăcii sunt vizibile pe ecran ca modificări ale intensității luminii în imaginea plăcii, permițând evaluarea calității acesteia.

Pulverizarea peliculelor subțiri. Principalele metode de producere a filmelor subțiri sunt pulverizarea termică (evaporarea) în vid și pulverizarea ionică.

Pulverizare termică în vid. Această depunere se bazează pe proprietatea atomilor (moleculelor) de metale și a altor materiale, atunci când se evaporă în condiții de vid înalt, de a se deplasa rectiliniu (ca razele) și de a fi depuși pe o suprafață plasată în calea mișcării lor.

Instalația de depunere în vid (Fig. 1.13) constă dintr-o placă plană 6, pe care este instalat un capac de sticlă sau metal 9. În acest din urmă caz, este echipat cu un vizor. Placa are două borne izolate etanșe la vid 4 pentru alimentarea evaporatorului 3. Un substrat este plasat la o oarecare distanță de evaporator 10, pe care se aplică o peliculă subțire. Substratul este încălzit și până când se ajunge la modul specificat, acesta este închis cu un amortizor 1.

În conformitate cu procesele fizice care au loc în timpul evaporării în vid, se pot distinge următoarele etape de formare a peliculei: 1) transferul materialului pulverizat în stare de vapori; 2) transfer de vapori de la sursa de evaporare la substrat; 3) condensarea vaporilor pe substrat și formarea peliculei.

Transferarea materialului pulverizat într-o stare de vapori. În zona de formare a vaporilor, are loc evaporarea materialului, care este încălzit până când presiunea vaporilor săi depășește presiunea gazelor reziduale. În acest caz, moleculele încălzite, care au energie cinetică mare, înving forțele de atracție moleculară și se desprind de suprafața topiturii. Datorită transferului de căldură foarte redus în condiții de vid înalt, supraîncălzirea substraturilor nu are loc.

Pentru unele materiale, temperatura de evaporare condiționată este mai mică decât punctul de topire. De exemplu, cromul are un punct de topire de 1800°C și se evaporă când este încălzit în vid la o temperatură de 1205°C. Se numește trecerea unei substanțe de la starea solidă la starea de vapori fără a trece printr-o stare lichidă sublimare.

Transferul vaporilor de la sursa de evaporare pe substrat. Regiunea de transfer de vapori este de 10...20 cm.Pentru ca traiectoriile moleculelor substanței evaporate să fie rectilinie, drumul liber al moleculelor de gaz rezidual trebuie să fie de 5...10 ori mai mare decât dimensiunile liniare ale regiunea de transfer de vapori.

Calea liberă l- distanța parcursă de o moleculă de vapori a unei substanțe fără a se ciocni cu moleculele de gaze reziduale. În vid înalt, când l ³ d(d- distanța de la sursa de evaporare la substrat), moleculele substanței evaporate zboară o distanță practic fără ciocniri. Acest flux de substanță evaporată se numește molecular iar pentru a-l crea este nevoie de un vid de ordinul 10-5... 10-6 Pa.

Condensul vaporilor pe substrat și formarea peliculei. Condensarea vaporilor depinde de temperatura substratului și densitatea fluxului atomic. Atomii substanței evaporate sunt adsorbiți pe substrat după migrarea haotică de-a lungul suprafeței sale.

În proprietățile mecanice și fizice, peliculele subțiri diferă semnificativ de materialul în vrac. De exemplu, rezistența specifică a unor filme este de aproximativ 200 de ori mai mare decât rezistența probelor în vrac bine recoapte și de câteva ori mai mare decât rezistența materialelor supuse prelucrării la rece. Acest lucru se explică prin structura fin-cristalină și plasticitatea scăzută. Temperatura de evaporare a metalelor variază de la câteva sute de grade (de exemplu, 430 o C pentru cesiu) la câteva mii (de exemplu, 3500 o C pentru wolfram). În acest sens, în evaporarea în vid sunt utilizate evaporatoare de diferite modele. Pe baza metodei de încălzire a substanței, evaporatoarele sunt împărțite în rezistive, electronice și de inducție.

În evaporatoarele rezistive, energia termică se obține prin eliberarea de căldură atunci când curentul trece printr-un încălzitor sau direct prin materialul care se evaporă. Evaporatoarele cele mai utilizate sunt încălzite indirect. În acest caz, sunt prevăzute încălzitoare speciale, cu ajutorul cărora substanța evaporată este încălzită la temperatura necesară. Materialul evaporatorului este de obicei wolfram, tantal, molibden etc.

Alegerea materialului de încălzire este determinată de următoarele cerințe: materialul evaporat în stare topit trebuie să ude bine încălzitorul, formând un contact termic bun și nu trebuie să intre într-o reacție chimică cu materialul de încălzire. În principal sunt utilizate încălzitoare din wolfram, molibden și tantal.

Evaporatoarele rezistive nu asigură compoziția filmului necesară la evaporarea aliajelor. Datorită diferențelor de presiune a vaporilor diferitelor componente, compoziția filmului diferă semnificativ de materialul de pornire. De exemplu, un aliaj de nicrom pulverizat (80% Ni și 20% Cr) formează o peliculă pe substrat cu o compoziție de 60% Ni și 40% Cr. Pentru a obține filme cu compoziția necesară din aliaje multicomponente (de exemplu, MLT etc.), se utilizează metoda de microdozare sau evaporare explozivă. Cu această metodă, o microdoză de pulbere de aliaj evaporată cu dimensiuni ale particulelor de 100... 200 microni este furnizată unui evaporator cu bandă, încălzit la o temperatură cu 200...300°C mai mare decât temperatura de evaporare a celei mai refractare componente. Microdoza se evaporă aproape instantaneu.

În evaporatoarele electronice, energia cinetică a electronilor este convertită în energie termală. Materialul evaporat este utilizat sub forma unui fir solid, al cărui capăt liber este expus unui fascicul de electroni. Datorită duratei scurte de încălzire (10 -8 ... 10 -9 s), diverse componente ale compusului complex se evaporă și se depun pe substrat aproape simultan. Încălzirea cu fascicul de electroni face posibilă evaporarea metalelor refractare și a aliajelor acestora.

Pentru a crește stabilitatea parametrilor, sunt supuse filmelor subțiri de metal tratament termic prin încălzire la t=300...400° C. În acest caz, cristalele devin mai mari, legătura dintre ele este întărită, pelicula devine mai densă și mai compactă, iar rezistivitatea electrică scade.

Depunerea în vid este utilizată pe scară largă pentru a produce filme rezistive, conductori din cupru, aluminiu și alte aliaje, acoperiri dielectrice din oxid de siliciu etc. Principalele avantaje ale procesului sunt puritate înaltă filmul rezultat, ușurința de control al grosimii sale în timpul procesului de depunere, ușurința de implementare. Cele mai semnificative dezavantaje ale procesului sunt modificări ale procentului de componente în timpul evaporării substanțelor cu compoziție complexă; uniformitate scăzută a grosimii filmului atunci când este depusă pe o suprafață mare din surse punctuale; dificultate în evaporarea materialelor refractare; inerție mare a procesului la utilizarea evaporatoarelor rezistive; puterea de aderență relativ scăzută a filmului la substrat.

Pulverizare de ioni. Se bazează pe fenomenul de distrugere a materialelor solide atunci când suprafața acestora este bombardată cu molecule ionizate ale unui gaz rarefiat. Procesul nu este asociat cu temperaturi ridicate și face posibilă obținerea de pelicule de metale și aliaje refractare. Se disting următoarele tipuri de pulverizare ionică: catod, ion-plasmă și magnetron.

Pulverizarea catodică (sistemul „diodă”) (Fig. 1.14) se efectuează într-o cameră cu vid în care se află doi electrozi plan-paraleli. Un electrod (catod) este realizat din material pulverizat și este o țintă pentru bombardament. Celălalt electrod (anod) servește ca substrat pe care se depune filmul. Se creează o presiune scăzută în camera de vid (10 -3... 10 -4 Pa), după care se umple cu un gaz inert (de obicei argon) la o presiune de 1 ... 10 Pa. Când se aplică o tensiune înaltă (1...3 kV), între electrozi se produce o descărcare independentă de gaz incandescent, excitat de emisia de electroni. Catodul este sursa de electroni necesară pentru a menține descărcarea strălucitoare. Electronii se deplasează spre anod și când se ciocnesc cu moleculele de gaz neutre, scot noi electroni, ceea ce duce la o creștere bruscă a fluxului de electroni. În acest caz, molecula de gaz inert se transformă din neutru într-un ion pozitiv, care are o masă mai mare în comparație cu electronul. Așa are loc ionizarea unui gaz, care cu un număr mai mare sau egal de electroni și ioni se numește plasmă. Electronii se deplasează la anod și sunt neutralizați. Ionii pozitivi se deplasează la cealaltă limită a plasmei și sunt accelerați în spațiul catodic întunecat, dobândind energii mari pentru a pulveriza ținta (catod). Atomii de înaltă energie ai materialului țintă sunt depuși pe suprafața substratului, care este situat destul de aproape de catod. De obicei, această distanță este de una și jumătate până la două lungimi din spațiul catodului întunecat.

Pulverizarea reactivă catodă se realizează într-un amestec de gaze inerte și active. Vă permite să obțineți filme de diferite compoziții. O descărcare într-un amestec de gaze „argon – oxigen” este folosită pentru a produce oxizi. Pulverizarea reactivă a tantalului în argon cu adăugarea de oxigen, azot și carbon face posibilă obținerea unui număr de compuși cu proprietăți foarte diferite.

Pulverizarea cu plasmă ionică (sistem cu trei electrozi) se realizează la presiuni mai mici (Fig. 1.15).

O presiune de 10 - 3 Pa este creată în cameră și catodul este încălzit. Apoi se umple cu gaz inert la o presiune de 10-1 Pa. Crearea plasmei cu descărcare în gaz este asigurată de o descărcare de arc care se produce între anod și catod la o tensiune de 150... 250 V. Sursa de electroni este catodul termic. Materialul pulverizat (ținta) este introdus în descărcarea de gaz ca un electrod independent care nu este asociat cu menținerea descărcării. Electronii simulați de catodul termoionic sunt accelerați spre anod și ionizează moleculele de gaz rezidual pe parcurs. Densitatea plasmei rezultate este cu mai mult de un ordin de mărime mai mare decât densitatea plasmei cu descărcare luminoasă. Catodul țintă și substratul sunt plasate la granițele opuse ale spațiului de plasmă activ. Pulverizarea începe din momentul în care țintei i se aplică un potențial de 200...1000 V, negativ față de anod.Acest potențial respinge electronii și atrage ionii din spațiul plasmei. Ionii bombardează ținta în același mod ca în versiunea considerată „diodă”. Atomii pulverizați, deplasându-se predominant în direcția perpendiculară pe suprafață, se depun pe substrat. Pulverizarea la presiuni joase face posibilă obținerea unei aderențe ridicate a filmului la substrat datorită energiei mai mari a particulelor pulverizate. Deoarece la această presiune calea liberă a moleculelor este de câțiva centimetri, atomii pulverizați pe drumul lor de la țintă la substrat aproape că nu se ciocnesc cu molecule și ionii de gaz inert și impurități de gaz, ceea ce reduce semnificativ gradul de contaminare a filmului. cu incluziuni de gaze străine. Posibilitatea reducerii distanței dintre țintă și substraturi se datorează faptului că într-un sistem de pulverizare cu triodă formarea de electroni și ioni are loc independent de țintă.

Dezavantajele sistemului triodă sunt durata scurtă de viață a catodului de sârmă și ratele diferite de pulverizare în zonele individuale ale țintei plate.

Pulverizarea ionică de înaltă frecvență este utilizată pentru pulverizarea dielectricilor și a materialelor semiconductoare. În procesul de pulverizare convențională a materialelor conductoare care lovește o țintă catodică, un ion al unui gaz neutru de lucru primește un electron de la țintă și este descărcat, transformându-se pentru un timp într-o moleculă neutră. Dacă materialul țintă pulverizat este dielectric, atunci nu va exista nicio neutralizare a ionilor pe țintă și este rapid acoperit cu un strat de sarcini pozitive care împiedică pulverizarea în continuare a țintei.

Influența unei sarcini pozitive poate fi eliminată prin aplicarea unei tensiuni alternative electrodului metalic pe care este fixat dielectricul pulverizat. În perioada în care tensiunea pe țintă este negativă, pulverizează, însoțită de acumularea unei sarcini pozitive. Când polaritatea este inversată, sarcina pozitivă este compensată de electroni extrași din plasmă. Materialele dielectrice pot fi pulverizate la aproape orice frecvență.