Kretsarna blir bara mindre och billigare

av Lasse Marjanen Forum 1981-14, sida 26-27, 23.09.1981

Taggar: Teman: mikroelektronik

Kretsarna blir bara mindre och billigare

Mikroelektroniken har haft en revolutionerande inverka på dagens samhälle. I och med att komponenterna hel tiden blir billigare och de integrerade kretsarna allt mind re till formatet, kommer resultaten av denna teknologi at finna tillämpningar på allt fler områden. [CE me af cl

En mikroprocessor (RCA CDP 1805). Kretsens storlek är ca 25 mm? och rymmer ungefär 100 000 transistorer. Storleken på en transistor är ca 10 mikrometer, d v s ungefär en tiondedel av ett hårstrås tjocklek.

KISELSKIVA

De integrerade kretsarna tillverkas på kiselskivor och lösgöres från varandra i tillverkningsprocessens slutskede.

2 Mikroelektroniken, som bara för ett tjugotal år sedan var ett helt okänt begrepp, har snabbt utvecklats till att bli en naturlig del av vardagen. Allt oftare döljer sig i våra apparater hemma och i arbetet någon typ av maskinell intelligens.

Inte heller kontoren har lämnats utanför den här utvecklingen. Nästan varenda kontorsmaskin är elektronisk och kontorspersonalen har istället för papper och penna flera maskiner till förfogande; räknedosor, dataterminaler, ordbehandlingsmaskiner m m.

Denna tekniska utveckling kommer utan tvekan att fortsätta. I och med att kostnaderna i förhållande till maskinernas komplexitet hela tiden minskar kommer allt fler ”enkla” arbetsuppgifter att automatiseras. Speciellt som den mänskliga arbetskraften hela tiden blir dyrare.

Det här innebär framför allt att tröttande och monotont arbete försvinner och tas över av maskiner.

Miniatyrisering

Nyckelordet i denna revolutionerande utveckling heter miniatyrisering. Det syftar både på det tekniska utförandet och på produktionskostnaderna.

Se bara på utvecklingen under ett par årtionden, från radioröret via transistorn till integrerade kretsar. På en 5x 5 mm yta får nu tiotusentals transistorer plats, ja tom över 100000 aktiva kretselement i samma integrerade krets har tillverkats.

Integrerade kretsar tillverkas hundratals åt gången på kiselskivor vars diameter är 7—10 cm. Kretsarna skärs loss från varandra i slutet av tillverkningsprocessen. I samma tillverkningsfas kan upp till hundra likadana skivor tillverkas, varvid tusentals integrerade kretsar produceras samtidigt.

En skiva kostar några hundra mark att tillverka och kretsens komplexitet påverkar inte priset i nämnvärd grad. Det betyder att kostnaderna per funktion blir lägre ju fler funktioner man väljer att ge den integrerade kretsen.

Visserligen stiger planeringskostnaderna snabbt med komplexiteten, men å andra sidan är det fråga om engångskostnader vars inverkan på totalpriset minskar ju fler enheter som produceras.

Det faktum att priset på mikroelektro FORUM 14/81

SOURCE

HAMN nn

SA

DOPADE OMRÅDEN

KANAL

STYRE

MPG

IN 7 Am AID ogrn)

DRAIN

ALUMINUMLEDNING

KISELOXI ul ANKY KISELSUBSTRAT

En schematisk bild av MOS-transistorn (MOS = Metal Oxide Semiconductor).

niska komponenter sjunker kraftigt inom ett par år efter marknadsintroduktionen, beror i viss utsträckning på att planerings- och andra kostnader successivt betalar sig. Ett annat skäl är att man med tiden lär sig behärska produktionen av den aktuella kretsen bättre och därmed får mindre produktionsspill.

Stegvis tillverkning

En integrerad krets består av en mängd transistorer, motstånd och kondensatorer på en kiselbit som förenas med tunna — vanligen aluminium — ledare.

I figuren ovan visas uppbyggnaden av en MOS-transistor (MOS = Metal Oxide Semiconductor) med aluminiumstyre (gate). MOS-transistorn är den vanligast förekommande komponenten i komplicerade integrerade kretsar.

MOS-transistorn fungerar enligt följande: Styrets positiva spänning drar till sig elektroner som lägger sig i kanalen under styret, vilket härvid kan börja leda ström mellan emitter (source) och kollektor (drain). Om ingen spänning finns på styret är kanalen spärrad. Transistorn kan således användas som omkopplare. Om spänningen på styret får variera ändras även strömmen mellan emitter och kollektor i samma takt. Härvid fungerar transistorn som förstärkare.

Tillverkningen av transistorn kan schematiskt uppdelas i fyra steg 1. Dopning av vissa områden på kiselskivan (kollektorn och emittern).

2. Tillverkning av ett kiseldioxidkretsmönster.

3. Tillverkning av aluminiumledare.

4. Delning av kiselskivan och inkapsling av kretsarna.

Dopning kan ske med diffusions- eller jonimplantationsmetoden. Diffusion sker vid hög temperatur, ca 1000 C”, i en kvartsugn. Då kiselskivan i den här höga temperaturen utsätts för en hög koncentration av dopatomer, diffunderar dessa in i kislet. Vid jonimplantation

FORUM 14/8 används magnetiska och elektriska fält för att accelerera dopningsjonerna mot kiselytan.

Områden som skall dopas lokaliseras genom att man först belägger kiselskivan med ett oxidlager som därefter etsas på önskade områden. Dopningsatomerna tränger in i kislet på de områden som inte skyddas av oxidlagret. Detta oxidlager framställs i ca 1 000 C” syreatmosfär.

Aluminiumledarna kan tillverkas genom att tex förånga i vakuum en ca 1 mikrometer (= en tusendedels millimeter) tjock aluminiumfilm på kiselskivan och sedan etsa fram det önskade kretsmönstret.

Fotolltografin avgörande faktor

Kretsmönstren av aluminium samt oxid och andra i processen förekommande tunna filmer tillverkas alla med fotolitografiska metoder. En fotoresist, dvs en ljuskänslig organisk polymervätska, breds ut på kiselskivan. Fotoresisten är antingen positiv eller negativ. Vid belysning med UV-ljus på positivresist bryts bindningarna i polymermolekylerna, varvid resistens löslighet i en lämplig framkallningsvätska ökar.

Efter exponering med UV-ljus och framkallning har man alltså fått hål i den positiva fotoresisten på de exponerade områdena. Det motsatta gäller för negativ fotoresist.

Det önskade mönstret får man genom att exponera fotoresisten på kiselskivan genom en mask. Efter framkallningen av resisten har kretsmönstret flyttats från masken till resisten. Härefter kan den tunna filmen på kiselskivan etsas genom öppningarna i resisten, varvid kretsmönstret överförs till filmen.

Masker framställs antingen på så sätt att man ritar kretsmönstret förstorat och sedan fotografiskt förminskar det, eller så att man direkt överför mönstret med en elektronstråle.

De minsta dimensionerna i mönstret är av storleksordningen tre mikrometer 1) TILLVERKNING AV TUNNFILM

TUNNFILM KISEL —— 233 2) UTBREDNING AV FÖTORESIS 3) EXPONERING GENOM MASKE 4) FRAMKALLNING AV FOTORESIS 5) ETSNING AV TUNNFIL 6) AVLÄGSNING AV FÖTORESIBT

De olika faserna i fotolitografiprocessen för framställning av kretsmönster på tunna filmer för integrerade kretsar.

industriell produktion. I laboratorieförhållanden tillverkas kretsar med minimidimensioner under en mikrometer.

Efter tillverkningsprocessen och en inledande testprocedur skärs de enskilda kretsarna — chipsen — ur kiselskivan med en diamantskärare. Det följande steget i processen är inkapslingen av den integrerade kretsen. Den fästs vid kapselns botten, kopplas till kapselns anslutningsstift med aluminium, elter guldtrådar, varefter kapseln antingen ingjuts i plast eller tillsluts hermetiskt genom lödning eller svetsning.

Inkapslingen är den mest kostnadskrävande delen i tillverkningsprocessen, eftersom varje krets måste kapslas individuellt. Dit hör då också den manuella inmonteringen av omkring 15—50 anslutningstrådar. Av kostnadsskäl är inkapslingen vanligen förlagd till länder med låga lönekostnader. Den nuvarande tendensen går mot en automatisering av också detta prduktionssteg.

Intresset ökar i Finland

Här har tillverknigen av integrerade kretsar skildrats bara i huvuddrag. Detaljerna i varje enskilt skede är dock mycket komplicerade och kräver dyr utrustning samt specialutrymmen.

I Finland finns tillsvidare ingen industriell verksamhet på området. Nyligen har emellertid ett par företag inlett verksamhet med sikte på att tillverka mikrokretsar. Statens tekniska forskningscentrai har forskat på området sedan 1974. Intresset för denna verksamhet ökar dock kraftigt i vårt land, vilket medför ökade krav på forskningsoch utbildningsverksamheten.

Lasse Marjanen 27