Yarıiletken Elektronik Entegre Nasıl Üretilir ?

Bu yazıda entegrelerin tarihçesi, entegre üretimi, üretim sırasında kullanılan malzemeler ve entegre üretim aşamalarından bahsedilecektir.

Entegre Nedir ?

Belli bir fonksiyonu gerçekleştirmek amacıyla çok sayıda direnç, diyot ve transistörlerin bir araya getirilerek oluşturulan devrelere entegre adı verilir.Entegre devre veya diğer bir deyimle “toplu devre“ çok sayıda elektronik devre elemanlarının mm2 ‘ lik boyuta sahip alt tabaka , veya yarı iletken yüzey üzerinde oluşturulması ile meydana gelir. Dolayısıyla entegre devrelerin temeli yarı iletken teknolojisidir. Yarı iletken maddeler, (germanyum, silisyum, selenyum vb.) elektriksel iletkenliği, iletkenler ile yalıtkanlar arasında olan kristal yapılı katı maddelerdir. Bu nitelikleri, entegre devrelerin yapımında kullanılmaları için elverişlidir. Günümüzde çipler çoğunlukla yarı iletken maddelerden imal edilmektedir.

Entegre Çeşitleri

  Entegre devreler, basit bir voltaj regülatöründen en gelişmiş mikroişlemcilere kadar çok değişik yapılarda karşımıza çıkarlar. Kullanım amacına göre entegreler ya analog yada dijital (sayısal) olarak imal edilirler. Entegreler;

 a) Yapılarında kullanılan eleman çeşidine göre entegreler;

 TTL (Transistor-Transistor Logic) Entegreler

CMOS (Complementary Metal-Oxide Silicon) Entegreler

b) Bünyesindeki transistör sayısına göre entegreler;

SSI (Small-Scale Integration): 12’den az transistör

Large Scale Integration (LSI): 100 ile 9.999  arası transistör (örneğin hafıza elemanları EPROM, ROM)

 ULSI (Ultra Large Scale Integration): 100.000- ve fazlası transistör içeren entegreler (örneğin gelişmiş entegreler)

şeklinde sınıflandırılabilirler.

Entegre Tarihçesi

1904 senesinde John Fleming’in diyot vakum tüpü bulmasıyla ilerleyen elektronik, 1906’da De Forest’in triyot vakum tüpü geliştirilmesiyle birden gelişmiş ve 40 sene tüp elektroniği hakim olmuştur. 1948’de yarı iletken diyot ve transistörlerin John Baroleen, Walter Brettain ve William Shockley tarafından bulunuşuyla vakum tüp, yerini yarı iletkenlere bırakmıştır. Yarı iletken diyot ve transistörler; küçük, hafif, çok az enerji ile çalışan, ısı istemeyen, verimli, uzun ömürlü olduklarından vakum tüp diyot ve triyotlara göre çok avantajlıydı. Fakat bu sefer elektronik cihazların karmaşıklaşması ile hacim problemi ortaya çıktı. Daha küçük elektronik cihazlar yapılarak belli bir sahaya yerleştirme mecburiyeti elektronik parçaların küçültülmesine yol açtı. Ancak bu çalışmalar yeterli olmadığından mikroelektronik konusu üzerine araştırmalar devam etti. Diyot transistör, baskı devreler ve nihayet entegre devrelere ulaşıldı. Entegre devre birçok transistör diyot, kondansatör, direnç elemanlarının tek bir silikon kristali üzerine yerleştirilmesiyle elde edilir.

Jack Kilby’ in tasarladığı ilk Integrated Circuit (IC )

      İlk entegre, elektrik mühendisi Jack Kilby tarafından 1959’da  ABD’de icat edildi. İlk entegre yazısı için tıklayınız.

1960 yıllarında katı hal fiziğinde sürdürülen bilimsel araştırmalar karmaşık elektronik devrelerin yani çok sayıda diyod , transistör , direnç , kapasite gibi devre elemanlarını içeren elektronik devrelerin bir yarı iletken yüzeyinde yapılabileceğini gösterdi.

 1960’ lı yıllarda Schottky diyotlarının bulunması entegre devrelere , diğer bir deyimle bilgisayarlara yeni bir boyut getirdi.

Entegre Üretimi

  Entegre üretiminde CMOS teknolojisi sık sık kullanılıyor. Transistör başına düşük maliyet ve fazla sayıda entegre üretimine olanak sağlayan bu teknolojinin yanı sıra BJT temelli teknolojiler de kullanılabiliyor. CMOS teknolojisinin yaygın olarak kullanılmasının nedeni, bu teknolojinin birim silisyum alanda en fazla transistör gerçeklenmesine olanaklı kılması, gerçeklenen devre açık durumda fakat işlem yapmazken neredeyse güç tüketmemesi gibi önemli özelliklerdir. Böylece elektronik endüstrisinin temel taleplerinden olan düşük maliyet ve düşük güç tüketimi sağlanmış olur.

Entegre Üretim Aşamaları

a) Thermal Oxidation – Termal Oksitleme

b) Photolithography – Fotolitografi

c) Etching – Aşındırma

d) Dopant Diffusion –İyon Katkılama

e) Metal Evaporation – Metal Buharlaşması

f) Test

Termal Oksitleme

    Silikon ,yer kabuğundaki ikinci (%25) en yaygın kimyasal elementtir. Kum özellikle de kuvars yüksek miktarda silikon (SiO2 , silisyum dioksit) içerdiği ve silikon‘ da yarıiletken üretiminde ana bileşen olduğu için çip üreticilerinin temel maddesidir.

Si + O2 → SiO2   ve

Si + 2H2O → SiO2 +H2

   Silikon , farklı aşamalardan geçerek arındırılır ve sonunda yarıiletken üretiminde kullanılacak kalite seviyesine ulaşır ki buna Elektronik Grad Silikon adı verilir. Elektronik Grad Silikon, milyarlarca silikon ve alyan atomu içerir. Resimde arındırılmış silikon eriyiğinden elde edilen külçeyi (mono kristal) görebilirsiniz.

   Bir Külçe 100-200 kilogram ağırlığında olup, %99.9999999 silikon saflığına sahiptir. Külçeler, Wafer olarak adlandırılan ayrı disklere kesilirler. Her bir Wafer’ın kalınlığı 1mm’dir. Waferlar, ayna parlaklığında, kusursuz bir yüzeye sahip olana kadar parlatılırlar.Wafer yazısı için tıklayınız.

Wafer

Epitaxy tabakasının büyütülmesi: Bu alttabaka olarak kullanılan yarıiletken üzerinde μm kalınlığında silisyum tabakası oluşturulur. Bu işlem alttabaka üzerindden belirli sıcaklıkta silisyum içeren bir gazın geçirilmesiyle yapılır. Oluşturulan tabakanın kalınlığı ve elektriksel iletkenliği yarı iletken üzerinden geçirilen gazın geçirilmesi süresi ve içerdiği safsızlık miktarıyla belirlenir ve bunların çok duyarlı bir fonksiyonudur. Bundan dolayı entegre devrelerin hazırlanmasında en kritik aşamalardan birini oluşturur.

Fotolitografi

Amaçlanan elektronik devre deseninin, yarı iletken yüzeyine aktarılması işleminde kullanılan bir tekniktir. Fotolitografi, ışıkla yazı ve şekil oluşturma olarak adlandırılabilir. Önceden hazırlanmış bir maske kullanılarak hedeflenen şekiller silikon levha (wafer) üzerine aktarılır. Bu aktarım sırasında fotoresist malzemenin ışık gören kısımları çözünürken ışık görmeyen kısımlarda herhangi bir değişiklik meydana gelmez.

Yüzey temizleme:  İlk adım olarak, wafer yüzeyi üzerindeki kimyasal maddnin yanı sıra organik, iyonik ve metal yabancı maddelerin izlerini silmek için temizlenir.

Fotorezist uygulama : Wafer üzerinden çip elde etme işlemi, yüksek hassasiyet seviyesiyle kontrol edilen yüzlerce adımı içermektedir. İşte bu sürecin en önemli aşamalarından biri de farklı materyaller içeren kalıpların birbiri ardına dizilmesidir. Entegre üretimindeki uzun ve karmaşık süreçte en önemli aşamalardan biri de fotorezist uygulamasıdır.

   Fotorezist uygulaması fotolitografi yöntemiyle hazırlanan ve elektronik devre elemanlarını içeren desen veya desenlerin önceden üzerine fotorezist kaplanmış yarı iletken veya alt tabaka üzerine aktarılmasında kullanılan bir tekniktir.

  Yüzeye ince bir tabaka silikon dioksit kaplanır. Sonra fotorezist wafer yüzeyine uygulanır. Fotorezist ‘ Spin Kaplama,’ wafer füzeyinde ince düzgün bir tabaka oluşturur. Pozitif ve negatif olmak üzere iki fotorezist uygulaması bulunur.

   Pozitif resist ve  UV: UV ışığa maruz kalan bölge çözünebilir hale gelir. Geliştirme  aşamasında UV ışığa maruz kalan bölge çözünür ve diğer bölge kalır.

   Negatif resist ve UV: UV ışığa maruz kalan alan çözünmez veya sertleşir. Geliştirme aşamasında UV ışığa maruz kalmayan alan çözünür. Sonuç olarak substrate üzerinde maske desenin negatif şekli kalır.Pozitif resist mikrosistem üretiminde daha çok kullanır.

   Maske hizlama ve pozlama: Hizalama tüm mikro sistemlerde üretim sürecinin en kritik adımlardan biridir. Dolayısıyla bu cihazların mikroskobik boyutu, bir mikrometreye ya da daha küçük bir hiza hatası tüm mikro cihaz tasarımını yok edebilir. O an ki işlenen katman, bir önceki katman ve bunu takip eden katmanlar doğru biçimde ve teknik şekilde hizalanmış olması önemlidir.    Pozlama hizalanmış maske üzerinden bir kaynaktan gelen UV ışığı geçirerek fotorezist tabakasının üzerine düşürmesidir. Işıklandırma süresi tamamen fotorezist kalınlığı ve ışık kaynağı ile alakalıdır. Sadece UV ışığın düştüğü maskeyle korunmayan alanlarda bir kimyasal reaksiyon başlar. Böylece son işlem basamağına hazır hale gelmiş olur.

Aşındırma

  Entegre devre oluşturulmasında silisyum dilimi üzerinde oksit tabakası büyütülür.Bu tabakadan pencere açılarak silisyum yüzeyine ulaşılır.Bu

işlem asit kullanılarak yapılır.Oksit tabakasının asitle yakılması veya aşındırılması anlamına gelir. Bazı durumlarda oksit yerine benzer işlem

 nitrür tabakası içinde yapılabilir. Ayrıca bu işlem silisyum diliminin yüzeyindeki pürüzlerin giderilmesi veya silisyum diliminin küçük  parçalara yani yongalara ayrılmasında da kullanılır.

İyon Katkılama

  Silisyum yüzeyindeki silisyum dioksit tabakasında oluşturulan pencerelerden yarı iletkenin katkılandırılmasını kapsar.Bu pencelerden yarı iletken veya yarı iletken dilim üzerindeki epitaxy katkılandırılır . İyon aşılama adı verilen bu aşamada, ışığa maruz kalan silikon levha alanları , iyonlara maruz bırakılır. İyonlar, silikon levhaya eklenerek, silikonun bu alanlardaki iletkenliği değiştirir.

Metal Buharlaşma

  Vakum veya asal gaz ortamında metalin  ısıtılarak buharlaştırılması ve yarıiletken yüzey üzerinde ince bir tabaka şeklinde  biriktirilmesidir.Bu işlem metalin bir flamanla ısıtılması , elektron demetiyle

 dövülmesi yöntemlerinden birisiyle yapılır.Entegre devre teknolojisinde iletim yollarının yapılmasında ve yarı iletken yüzeyinden metal kontak alınmasında  kullanılır.

Test Aşaması ve Paketleme

    Elektronik devreyi içeren kırmıklar entegre devre paketine yerleştirilmeden ve yerleştirildikten sonra devrelerin amaçlanan işlevleri yerine getirip getirmediği denetlenir. Sayısız ucu bulunan bir cihaz, çipin üzerine yerleşir  ve çipin yüzeyine mikroskobik düzeyde temas eder. Kullanış amaçlarına göre entegre devreler sıcaklık, mekanik titreşim , santifirüj, şok ,vs. gibi denetimlerden geçirilir.    Bir entegre devre paketi elektronik devreyi içeren kırmığın dış etkenlere karşı korumaya ve bu devreyi başka sistem veya devrelere bağlamaya yarar.Paketin çevre izalasyonu , ısı transferi , ayaklarının elektriksel direnci , yapıldığı malzeme ,radyosyonla sertleşmesi , paketin kütlesi ,şekli ve boyutları , paket başına düşen yararlı hacim , paketin devrelere kolayla bağlanması bu kısımda düşünülür.

Bu yazı hakkında ne düşünüyorsun ?
  • Müthiş 
  • Gereksiz 
  • Faydalı 
  • Normal 
The following two tabs change content below.