Smart Cut, czyli odsiecz telefonii komórkowej

Bez elektrycznego przewodnictwa krzemu, dzięki któremu na powierzchni plastrów krzemowych można tworzyć wymyślne układy elektroniczne, nie byłoby mikroelektroniki. Niemniej jest ono przyczyną wielu kłopotów w procesach projektowania obwodów scalonych, gdyż – mówiąc obrazowo – minerał ten przewodzi we wszystkich kierunkach, a nie tylko w tych, których wymaga technologia. Rezultatem tego jest występowanie niepożądanych prądów upływu, które płynąc w poprzek plastra, zmniejszają sprawność mikroukładów.

Bez elektrycznego przewodnictwa krzemu, dzięki któremu na powierzchni plastrów krzemowych można tworzyć wymyślne układy elektroniczne, nie byłoby mikroelektroniki. Niemniej jest ono przyczyną wielu kłopotów w procesach projektowania obwodów scalonych, gdyż – mówiąc obrazowo – minerał ten przewodzi we wszystkich kierunkach, a nie tylko w tych, których wymaga technologia. Rezultatem tego jest występowanie niepożądanych prądów upływu, które płynąc w poprzek plastra, zmniejszają sprawność mikroukładów.

Kiedy układ zasilania chipa czerpie energię z sieci lub innego równie masywnego źródła, owe upływy nie są zbyt kłopotliwe, ale dla takich urządzeń jak telefony komórkowe, gdzie lekkość i przenośność są cechami najbardziej pożądanymi, stanowią one już nie lada problem. Właśnie telefonia komórkowa jest więc klientem niewielkiego na razie, ale szybko rosnącego rynku układów scalonych o konstrukcji pozwalającej zminimalizować owe pasożytnicze prądy upływu.

Najlepsza z opracowanych metod wymaga utworzenia cienkiej warstwy szkła (SiO2) bezpośrednio pod warstwą krzemu, na której mają być wytrawiane różne elektroniczne układy. Taką strukturę nazwano SOI (Silicon-On-Insulator). Aby ją otrzymać, w przemyśle stosuje się dwie metody, obie jednak mają wiele słabych stron. Najnowsza, trzecia metoda, o której donosi wrześniowy numer „The Economist”, powstała w firmie Soitec we francuskim Grenoble.

Pierwsza z metod wykorzystuje implantację jonów tlenu (wstrzelenie rozpędzonych jonów tlenu w krzemowy plaster), które wnikają pod powierzchnię na głębokość kilku mikrometrów. Wprawdzie powierzchniowa warstwa plastra w wyniku tego procesu zostaje uszkadzana, ale późniejsze wygrzewanie w wysokiej temperaturze powoduje - po pierwsze - rekrystalizację warstwy powierzchniowej, po drugie zaś - utworzenie warstwy SiO2, w reakcji tlenu z krzemem. Dzięki temu warstewka krzemu ponad SiO2 ma poprawną strukturę krystaliczną i jest dobrze izolowana od podłoża. Metoda jest wprawdzie świetna, ale wymaga budowy specjalnych implantatorów oraz długotrwałej ekspozycji (naświetlania) krzemu wiązką jonów tlenu. Niewielka wydajność tej metody (15 tys. plastrów rocznie) nie czyni jej komercyjnie atrakcyjną.

Druga metoda polega na połączeniu dwóch utlenionych powierzchniowo plastrów krzemu w celu otrzymania warstwowej struktury Si–SiO2–Si. Jedna strona takiej „kanapki” zostaje wytrawiona do grubości kilku mikrometrów, druga zaś pozostaje nie naruszona i stanowi warstwę bazową. Metoda ta wprawdzie pozwala dokładnie kontrolować grubość warstw krzemu i tlenku, jednak proces trawienia jest czasochłonny, a do wytworzenia jednego plastra o strukturze SOI potrzeba aż dwóch plastrów krzemu.

W nowej, opracowanej właśnie metodzie Smart Cut, zamiast jonów tlenu implantuje się wodór, który - podobnie jak tlen - wnika pod powierzchnię na głębokość wielu mikrometrów. Podczas podgrzewania plastra nie wchodzi jednak w reakcję z krzemem, lecz zbiera się w maleńkie bąble gazowe w formie cienkich dysków. Pod wpływem panującego w nich ciśnienia potrafią się one powiększać i oderwać cienką, powierzchniową warstwę od dolnej części plastra, niszcząc ją. Jeśli jednak naświetlony jonami wodoru plaster połączyć z drugim, o wcześniej utlenionej powierzchni, wtedy owa odpadająca warstwa nie ulegnie zniszczeniu, lecz przyklei się do warstwy tlenku na powierzchni drugiego plastra. W tej metodzie nie ma strat – plaster, który stracił swoją warstwę powierzchniową, może być z powodzeniem wykorzystywany w dalszym procesie, stanowiąc bazę kolejnej struktury SOI. Niezbędna w tym procesie aparatura do wytwarzania i akceleracji jonów wodoru wykorzystywana jest od lat w przemyśle mikroelektronicznym. Smart Cut jest metodą szybszą i tańszą, niż metody stosowane dotychczas.

Wydaje się, że Soitec może być jedyną firmą zdolną do produkcji takiej liczby plastrów, jakiej oczekuje przemysł elektroniczny. Wartość rynku elektronicznego potrzebująca do produkcji plastry o strukturze SOI – obecnie szacowana na zaledwie 40 mln USD rocznie oczekiwaniami może wzrosnąć dziesięciokrotnie z końcem obecnej dekady.

The Economist, 13 września 1997r.


TOP 200