Nästan alla integrerade kretsar härstammar från australiska stränder där sanden är särskilt lämplig som råvara. Sand är till största delen kisel, samma material som halvledarkretsarna består av till över 99 procent.


När halvledartekniken föddes för 50 år sen var det inte alls självklart att man skulle bygga i kisel. Den första transistorn var ett laboratoriebygge i germanium. Walter Brattain fick nobelpriset för att han fick den att fungera.

Idag är halvledartillverkning inte längre vetenskap, utan "bara" invecklad och dyr produktionsteknik. Siemens och Motorolas nya fabrik i amerikanska staden Richmond, exempelvis, har utrustning för 10 miljarder kronor. Varje krets och tillverkare har sin egen kombination av processer, men en sak har de gemensamt: det är på Australiens stränder som tillverkningen börjar.



Från sand till kiselskivor


Första steget är att göra släta kiselskivor. Först smälter man sanden vid 1600 grader. Smältan renas till rent kisel som sen får kristallisera till behändiga former, till exempel stavar. Men i det här skedet består varje kiselstycke av flera kristaller, och om man skär en snittyta så ser den fläckig ut.

De skivor som kretsarna görs på måste däremot komma från ett kiselstycke som i sig självt bara är en enda stor kristall. Därför smälts de polykristallina kiselstavarna, och en perfekt liten kiselkristall doppas sen precis i den nya kiselsmältans yta. Det smälta kislet lägger sig i atomlager på atomlager på den växande kiselkristallen, samtidigt som den dras uppåt under en mycket långsam rotation.

Resultatet blir en stav av monokristallint kisel. Tillverkarna försöker att få stavarna så tjocka som möjligt, och nu är de uppe i diametrar på 20 cm.

Staven sågas med diamantsåg till skivor med någon millimeters storlek. De är grunden som kretsarna sen byggs på. Från varje skiva sågar man också bort ett litet segment för att skivan alltid ska vridas rätt.

Det är viktigt åt vilket håll kristallgittret ligger i förhållande till skivans yta. En orientering används till bipolära kretsar, en annan till MOS-kretsar. Vilken typ av krets det blir bestäms av åt vilket håll man vänder kiselkristallen som doppas i smältan.

Den tunna kiselskivan är helt slät och spegelblank. Trots det duger den bara som bas för de kretsar som ska läggas på ytan. Med en kemisk metod, epitaxialprocessen, läggs därför ett tunt golv av ännu renare kisel på ytan.



Litografi och etsning


Efter epitaxin täcks skivan med en ytterst tunn hinna av kiseldioxid. Oxiden ska dels skydda ytan, dels användas som isolator i kretsarna. Oxidskiktet bildas genom att man värmer skivorna i en ugn vid upp till 1300 grader, i en atmosfär av syre eller vattenånga.

Nu är det dags att börja bygga kretsarna på skivan. De byggs upp i ett komplicerat mönster. Konstruktörerna har fått ta hänsyn till möjliga ledarbredder, hur yttre förbindningar ska anslutas, effektutveckling, kylning, strökapacitanser och en mängd andra frågor som är mer kritiska i integrerade än i diskreta kretsar. Mönstret läggs på kiselytan med mycket avancerade metoder. Det här är ofta den svåraste och dyraste processen i tillverkningen.

Metoden är oftast fotografisk och kallas för fotolitografi. Processen överför konstruktionen till den fysiska verkligheten. Skivan förbereds genom att den täcks med en film som är känslig för UV-ljus. Filmen, 2-200 mikrometer tjock, läggs på samtidigt som skivan får rotera snabbt - oftast med 3 000 varv/min.

Mönstret överförs först till en mask, som är gjord av en metallfilm. Sen överförs det till kiselskivan genom att masken belyses med UV-ljus, som sen träffar fotoresisten på skivan.

Den fotoresist som inte längre behövs etsas bort i ett syrabad, eller - om det handlar om fina mönster - med joniserad gas, så kallat plasma.



Dopning och påläggning


Komponenterna i kretsen byggs sen upp genom att kristallgittren vid skivans yta "dopas" med atomer som antingen kan ta upp eller lämna ifrån sig en elektron. De vanligaste dopningsämnena är arsenik, bor och fosfor.

En vanlig metod att dopa kislet är diffusion, som utförs i en diffusionsugn. Dopningsämnet förgasas och får tränga in, diffundera, i kislet. En annan metod är jonimplantering, som innebär att en accelerator skjuter in joner av dopningsämnet i kiselskivan. Efter dopningen hettas skivan upp så att jonerna tränger in djupare i kislet.

Båda diffusionsmetoderna ger stora termiska påfrestningar på kiselgittret. För att få ett stabilt gitter måste det få "sätta sig", det vill säga justera sig till ett stabilt tillstånd. Därför härdar man skivorna genom att återigen hetta upp dem.

Det behövs också andra material än halvledare i kretsarna, nämligen ledare och isolatorer. De läggs på i tunna skikt i omgångar, ovanpå halvledarlagret som ligger i botten. Det processteget kallas för påläggning.

Varje steg i tillverkningen följs av kontroller och besiktningar. Resitivitet och andra elektriska parametrar mäts med prober, det vill säga mätstift som sätts mot olika punkter på kretsarna.



Sluttest, bondning och kapsling


När själva kretsarna är klara kontrolleras de noga, bland annat med prober mot de punkter som ska förses med förbindningstrådar. Skivan skärs till små brickor med en integrerad krets på varje. Varje bricka limmas på en ram, och mellan ramen och kontaktpunkterna på kretsen dras extremt tunna guldtrådar i en process som kallas för trådbondning. Trådbondningen innebär att en liten förtjockning i guldtrådens ände hettas upp och pressas fast i anslutningspunkten. Sen fästs trådens andra ände i ramen, som är betydligt robustare än själva kiselbrickan. Från fästpunkten i ramen går det sen betydligt mer robusta förbindningar utåt.

Det sista steget är kapslingen. Ett antal brickor med ramar kapslas samtidigt genom att kapslarnas över- och underhalvor pressas ihop med varandra med brickorna mittemellan. Kapslarna klipps därefter loss från varandra.

Per Stymne

Frilansjournalist



Dyr utrustning ger mindre kretsar


Kan linjerna i en krets bli hur små som helst? Kanske inte, men genom olika tekniker i produktionen kan man krympa dimensionerna en hel del.

Exempelvis finns det flera varianter av fotolitografi. Det som skiljer är framför allt hur masken hanteras. Vanligaste metoden idag är Direct Wafer Stepping. Där passerar ljuset först masken och sen ett linssystem, som i en omvänd diaprojektor, innan det träffar kiselytan. Då går det att lägga mycket fina mönster på kislet.

Ljuset spelar också roll. Istället för UV-ljus kan man använda röntgenstrålar, som har kortare vågor. En annan metod, elektronstrålelitografi, utnyttjar en elektronstråle för att rita mönstret utan mask. Det går då att rita extremt fina mönster, men metoden är dyr.

Även resistmaterialet i litografin spelar stor roll. Vid etsningen kan man antingen ta bort det exponerade eller oexponerade området. I första fallet används vad som kallas positiv resist och i det andra negativ. Med positiv resist kan man komma ned till linjebredder av 0,15 mikrometer, 10 gånger mindre än med negativ.

PS