Thread by @ernest_dorsz

JAK ZROBIC UKLAD SCALONY W 7 DNIEY - PORADNIK DLA OPORNYCH #1
Jako, ze obiecalem jakis czas temu, ze to zrobie, a szybkimi krokami zbliza sie polska premiera ksiazki Chip War C. Millera (Swietna robota @Ukladsil i @lukaszzulawnik ).
Zapraszam w zaczarowany swiat #mikroprzewodniki

@Ukladsil @lukaszzulawnik Przygotowalem (mam nadzieje) zrozumialy opis procesu powstawania ukladow scalonych, tak aby kazdy mogl docenic co ma w telefonie.
W celach edukacyjno-demonstracyjnych wezmiemy sie za prosta technologie planarna i opieszemy krok po kroku jak taki proces wyglada.

@Ukladsil @lukaszzulawnik Jak sama nazwa wskazuje technologia krzemowa opiera sie na krzemie. Krzem jest polprzewodnikiem. Co to znaczy? W ogole, tutaj drobne wtracenie.
Roznica miedzy przewodnikiem, a izolatorem elektrycznym jest ilosciowa. Wszystko przewodzi prad, wystarczy odpowiednio duze napiecie.

@Ukladsil @lukaszzulawnik To duze uproszczenie, ale nie bede tutaj Wam rysowal diagramow energetycznych ciala stalego. No i wlasnie polprzewodniki nie przewodza tak dobrze jak przewodniki, ani tak zle jak izolatory.
Co ciekawe, przewodnosc tych materialow mozna modyfikowac przez rozne tricki.

@Ukladsil @lukaszzulawnik Jednym z takich trickow jest domieszkowanie. Jezeli do naszego krzemu wprowadzimy sobie atomy innych pierwiastkow, jego przewodnosc ulegnie zmianie. Jak?
Na przyklad dodajac fosfor (grupa 5) zwieksza sie liczba wolnych elektronow. Wiecej wolnych elektronow - wieksza przewodnosc.

@Ukladsil @lukaszzulawnik Wtedy nazywamy nasza domieszke fosforu donorem, a tak zdomieszkowany krzem - plp typu n. Dodajac bor (akceptor), zwiekszy sie liczba dziur - czyli wolnych miejsc po elektronie (fizycy wybaczcie).
Teraz to nasze dziury przewodza prad. Wiecej dziur - wieksza przewodnosc - typ p.

No wiec, zaczynamy nasz proces od plytki krzemowej (ang. substrate), ktory stanowi podstawe dalszej obrobki. Zazwyczaj samo powstawanie wafla krzemowego (ang. wafer) nie zalicza sie do procesu wytwarzania scalakow.

Poniewaz, wykonuja je specjalne firmy, ktore sprzedaja wafle producentom ukladow scalonych, a oni juz w swoich fabrykach (ang. foundry) robia cala magie.
Zazwyczaj interesuje nas wlasnie ta cala magia. Takze moglibysmy darowac sobie opis wytwarzania wafli, ale jest ciekawy.

No i jest tu polski watek. Zacznijmy od krzemu. I to nie byle jakiego krzemu. Bo interesuje nas krzem tylko w jednej postaci - monokrystalicznej.
Czyli taki o regulanej sieci krystalicznej. Krzem wystepuje jeszcze w postaci polikrystalicznej, w ktorej widoczne sa kryst. ziarna

oraz amorficznej, czyli bardzo malutkie ziarenka. A nawet jezeli mamy krzem monokrystaliczny, to chcemy zeby byl on super czysty (z dokladnoscia do domieszki) oraz mial on jak najmniej DEFEKTOW.
Jak latwo sie domyslic, nie jest latwo cos takiego zrobic.

No coz, opracowanie tego procesu zawdzieczamy temu Panu z bardzo charakterystycznym owlosieniem twarzy. A jego imie to <drum roll> Jan Czochralski.
Dzieki niemu jestesmy w stanie uzyskac krzem monokrystaliczny o czystosci powyzej 119. Co oznacza 119?

Nie. Nie numer do strazakow w ChRL, czy Japonii tylko czystosc krzemu na poziomie 99.999999999%.
Ok, wiec jak wyglada taki proces? Nie wiem. Sam nigdy na wlasne oczy go nie widzialem, ale kiedys zamawialem takie podloza krzemowe z ITME do projektu, wiec chyba sie liczy.

Zaczynamy od dokladnego odmierzenia ilosci polikrystalicznego i krzemu. Ktore nastepnie ladujemy do specjalnego pieca. Piec podgrzewamy do 1420 stopni Celsjusza i czekamy az sie wszystko ladnie rozpusci.
Nastepnie kluczowy moment. Z gory opuszczamy tak zwane ziarno/matryce.

Po angielsku seed. Chwile je podgrzewamy, zeby usunac ewentualne nieczystosci na powierzchni i zmniejszyc szok temperaturowy, ktory spowodowalby powstanie calej masy defektow, gdybysmy od tak wrzucili sobie cos o temperaturze pokojowej do 1420 stopni Celsjusza.

Nastepnie zanurzamy nasz seed w plynnym krzemie.
Zapomnialem dodac, ale nasz seed jest wlasnie monokrysztalem krzemu. Nastepnie powoli obracajac nasza mieszanke w piecu i bardzo dokladnie kontrolujac jego temperature powoli wyciagamy ramie na ktorym zawieszony jest seed.

Plynny krzem zastygajac "kopiuje" strukture krystalograficzna naszej matrycy. Caly proces zajmuje okolo 3 dni. W wyniku otrzymujemy taki smiesznie wygladajacy cylinder (ang. ingot). Obecnie w przemysle uzywa sie wafli o srednicy 300 mm.

W pewnym momencie chcielismy przesiasc sie na 450 mm, ale z roznych wzgledow nie pyklo.
No dobra, mamy ingot. Co dalej? Nastepnie uzywajac diamentowej pily tniemy nasz walec na wafle o grubosci ~ 200 mikrometrow.

Nastepnie jest jeszcze proces zwany lapping. Tutaj scieramy powierzchnie wafla specjalna mieszanka (ang. slurry), w celu poprawienia wszystkich niedoskonalosci po cieciu.
Na koniec jeszcze ostatnia uwaga. Wspomnialem wczesniej o strukturze krystalograficznej krzemu.

W trakcie ciecia musimy oznaczyc jaka jest orientacja naszego podloza. I zazwyczaj robi sie to na 2 sposoby.
Albo przez tzw. flat (plaskie sciecie), albo notch (male naciecie). Dzieki temu wiemy jak orientowac nasza plytke w dalszym processingu. W pierwszym odcinku to tyle.

W nastepnym zajmiemy sie tym co najwazniejsze. Czyli higiena. Dlatego zostawiam Was z tym gifem myjacej sie szynszyli.