Из чего делают кремниевые пластины

От песка до процессора

Сложно в это поверить, но современный процессор является самым сложным готовым продуктом на Земле – а ведь, казалось бы, чего сложного в этом куске железа?

Как и обещал – подробный рассказ о том, как делают процессоры… начиная с песка. Все, что вы хотели знать, но боялись спросить )

Я уже рассказывал о том, «Где производят процессоры» и о том, какие «Трудности производства» на этом пути стоят. Сегодня речь пойдет непосредственно про само производство – «от и до».

Производство процессоров

Когда фабрика для производства процессоров по новой технологии построена, у нее есть 4 года на то, чтобы окупить вложенные средства (более $5млрд) и принести прибыль. Из несложных секретных расчетов получается, что фабрика должна производить не менее 100 работающих пластин в час.

Вкратце процесс изготовления процессора выглядит так: из расплавленного кремния на специальном оборудовании выращивают монокристалл цилиндрической формы. Получившийся слиток охлаждают и режут на «блины», поверхность которых тщательно выравнивают и полируют до зеркального блеска. Затем в «чистых комнатах» полупроводниковых заводов на кремниевых пластинах методами фотолитографии и травления создаются интегральные схемы. После повторной очистки пластин, специалисты лаборатории под микроскопом производят выборочное тестирование процессоров – если все «ОК», то готовые пластины разрезают на отдельные процессоры, которые позже заключают в корпуса.

Уроки химии

Давайте рассмотрим весь процесс более подробно. Содержание кремния в земной коре составляет порядка 25-30% по массе, благодаря чему по распространённости этот элемент занимает второе место после кислорода. Песок, особенно кварцевый, имеет высокий процент содержания кремния в виде диоксида кремния (SiO₂) и в начале производственного процесса является базовым компонентом для создания полупроводников.

Первоначально берется SiO₂ в виде песка, который в дуговых печах (при температуре около 1800°C) восстанавливают коксом:

Получившийся в результате водород можно много где использовать, но самое главное то, что был получен «электронный» кремний, чистый-пречистый (99,9999999%). Чуть позже в расплав такого кремния опускается затравка («точка роста»), которая постепенно вытягивается из тигля. В результате образуется так называемая «буля» — монокристалл высотой со взрослого человека. Вес соответствующий — на производстве такая дуля весит порядка 100 кг.

Слиток шкурят «нулёвкой» 🙂 и режут алмазной пилой. На выходе – пластины (кодовое название «вафля») толщиной около 1 мм и диаметром 300 мм (

12 дюймов; именно такие используются для техпроцесса в 32нм с технологией HKMG, High-K/Metal Gate). Когда-то давно Intel использовала диски диаметром 50мм (2″), а в ближайшем будущем уже планируется переход на пластины с диаметром в 450мм – это оправдано как минимум с точки зрения снижения затрат на производство чипов. К слову об экономии — все эти кристаллы выращиваются вне Intel; для процессорного производства они закупаются в другом месте.

Каждую пластину полируют, делают идеально ровной, доводя ее поверхность до зеркального блеска.

Производство чипов состоит более чем из трёх сотен операций, в результате которых более 20 слоёв образуют сложную трёхмерную структуру – доступный на Хабре объем статьи не позволит рассказать вкратце даже о половине из этого списка 🙂 Поэтому совсем коротко и лишь о самых важных этапах.

Итак. В отшлифованные кремниевые пластины необходимо перенести структуру будущего процессора, то есть внедрить в определенные участки кремниевой пластины примеси, которые в итоге и образуют транзисторы. Как это сделать? Вообще, нанесение различных слоев на процессорную подложу это целая наука, ведь даже в теории такой процесс непрост (не говоря уже о практике, с учетом масштабов)… но ведь так приятно разобраться в сложном 😉 Ну или хотя бы попытаться разобраться.

Фотолитография

Нужная структура рисуется на фотошаблоне — как правило, это пластинка из оптического стекла, на которую фотографическим способом нанесены непрозрачные области. Каждый такой шаблон содержит один из слоев будущего процессора, поэтому он должен быть очень точным и практичным.

Иной раз осаждать те или иные материалы в нужных местах пластины просто невозможно, поэтому гораздо проще нанести материал сразу на всю поверхность, убрав лишнее из тех мест, где он не нужен — на изображении выше синим цветом показано нанесение фоторезиста.

Пластина облучается потоком ионов (положительно или отрицательно заряженных атомов), которые в заданных местах проникают под поверхность пластины и изменяют проводящие свойства кремния (зеленые участки — это внедренные чужеродные атомы).

Как изолировать области, не требующие последующей обработки? Перед литографией на поверхность кремниевой пластины (при высокой температуре в специальной камере) наносится защитная пленка диэлектрика – как я уже рассказывал, вместо традиционного диоксида кремния компания Intel стала использовать High-K-диэлектрик. Он толще диоксида кремния, но в то же время у него те же емкостные свойства. Более того, в связи с увеличением толщины уменьшен ток утечки через диэлектрик, а как следствие – стало возможным получать более энергоэффективные процессоры. В общем, тут гораздо сложнее обеспечить равномерность этой пленки по всей поверхности пластины — в связи с этим на производстве применяется высокоточный температурный контроль.

Так вот. В тех местах, которые будут обрабатываться примесями, защитная пленка не нужна – её аккуратно снимают при помощи травления (удаления областей слоя для формирования многослойной структуры с определенными свойствами). А как снять ее не везде, а только в нужных областях? Для этого поверх пленки необходимо нанести еще один слой фоторезиста – за счет центробежной силы вращающейся пластины, он наносится очень тонким слоем.

В фотографии свет проходил через негативную пленку, падал на поверхность фотобумаги и менял ее химические свойства. В фотолитографии принцип схожий: свет пропускается через фотошаблон на фоторезист, и в тех местах, где он прошел через маску, отдельные участки фоторезиста меняют свойства. Через маски пропускается световое излучение, которое фокусируется на подложке. Для точной фокусировки необходима специальная система линз или зеркал, способная не просто уменьшить, изображение, вырезанное на маске, до размеров чипа, но и точно спроецировать его на заготовке. Напечатанные пластины, как правило, в четыре раза меньше, чем сами маски.

Весь отработанный фоторезист (изменивший свою растворимость под действием облучения) удаляется специальным химическим раствором – вместе с ним растворяется и часть подложки под засвеченным фоторезистом. Часть подложки, которая была закрыта от света маской, не растворится. Она образует проводник или будущий активный элемент – результатом такого подхода становятся различные картины замыканий на каждом слое микропроцессора.

Собственно говоря, все предыдущие шаги были нужны для того, чтобы создать в необходимых местах полупроводниковые структуры путем внедрения донорной (n-типа) или акцепторной (p-типа) примеси. Допустим, нам нужно сделать в кремнии область концентрации носителей p-типа, то есть зону дырочной проводимости. Для этого пластину обрабатывают с помощью устройства, которое называется имплантер — ионы бора с огромной энергией выстреливаются из высоковольтного ускорителя и равномерно распределяются в незащищенных зонах, образованных при фотолитографии.

Там, где диэлектрик был убран, ионы проникают в слой незащищенного кремния – в противном случае они «застревают» в диэлектрике. После очередного процесса травления убираются остатки диэлектрика, а на пластине остаются зоны, в которых локально есть бор. Понятно, что у современных процессоров может быть несколько таких слоев — в таком случае на получившемся рисунке снова выращивается слой диэлектрика и далее все идет по протоптанной дорожке — еще один слой фоторезиста, процесс фотолитографии (уже по новой маске), травление, имплантация… ну вы поняли.

Характерный размер транзистора сейчас — 32 нм, а длина волны, которой обрабатывается кремний — это даже не обычный свет, а специальный ультрафиолетовый эксимерный лазер — 193 нм. Однако законы оптики не позволяют разрешить два объекта, находящиеся на расстоянии меньше, чем половина длины волны. Происходит это из-за дифракции света. Как быть? Применять различные ухищрения — например, кроме упомянутых эксимерных лазеров, светящих далеко в ультрафиолетовом спектре, в современной фотолитографии используется многослойная отражающая оптика с использованием специальных масок и специальный процесс иммерсионной (погружной) фотолитографии.

Логические элементы, которые образовались в процессе фотолитографии, должны быть соединены друг с другом. Для этого пластины помещают в раствор сульфата меди, в котором под действием электрического тока атомы металла «оседают» в оставшихся «проходах» — в результате этого гальванического процесса образуются проводящие области, создающие соединения между отдельными частями процессорной «логики». Излишки проводящего покрытия убираются полировкой.

Финишная прямая

Ура – самое сложное позади. Осталось хитрым способом соединить «остатки» транзисторов — принцип и последовательность всех этих соединений (шин) и называется процессорной архитектурой. Для каждого процессора эти соединения различны – хоть схемы и кажутся абсолютно плоскими, в некоторых случаях может использоваться до 30 уровней таких «проводов». Отдаленно (при очень большом увеличении) все это похоже на футуристическую дорожную развязку – и ведь кто-то же эти клубки проектирует!

Когда обработка пластин завершена, пластины передаются из производства в монтажно-испытательный цех. Там кристаллы проходят первые испытания, и те, которые проходят тест (а это подавляющее большинство), вырезаются из подложки специальным устройством.

На следующем этапе процессор упаковывается в подложку (на рисунке – процессор Intel Core i5, состоящий из CPU и чипа HD-графики).

Привет, сокет!

Подложка, кристалл и теплораспределительная крышка соединяются вместе – именно этот продукт мы будем иметь ввиду, говоря слово «процессор». Зеленая подложка создает электрический и механический интерфейс (для электрического соединения кремниевой микросхемы с корпусом используется золото), благодаря которому станет возможным установка процессора в сокет материнской платы – по сути, это просто площадка, на которой разведены контакты от маленького чипа. Теплораспределительная крышка является термоинтерфейсом, охлаждающим процессор во время работы – именно к этой крышке будут примыкать система охлаждения, будь то радиатор кулера или здоровый водоблок.

Сокет (разъём центрального процессора) — гнездовой или щелевой разъём, предназначенный для установки центрального процессора. Использование разъёма вместо прямого распаивания процессора на материнской плате упрощает замену процессора для модернизации или ремонта компьютера. Разъём может быть предназначен для установки собственно процессора или CPU-карты (например, в Pegasos). Каждый разъём допускает установку только определённого типа процессора или CPU-карты.

На завершающем этапе производства готовые процессоры проходят финальные испытания на предмет соответствия основным характеристикам – если все в порядке, то процессоры сортируются в нужном порядке в специальные лотки – в таком виде процессоры уйдут производителям или поступят в OEM-продажу. Еще какая-то партия пойдет на продажу в виде BOX-версий – в красивой коробке вместе со стоковой системой охлаждения.

The end

Теперь представьте себе, что компания анонсирует, например, 20 новых процессоров. Все они различны между собой – количество ядер, объемы кэша, поддерживаемые технологии… В каждой модели процессора используется определенное количество транзисторов (исчисляемое миллионами и даже миллиардами), свой принцип соединения элементов… И все это надо спроектировать и создать/автоматизировать – шаблоны, линзы, литографии, сотни параметров для каждого процесса, тестирование… И все это должно работать круглосуточно, сразу на нескольких фабриках… В результате чего должны появляться устройства, не имеющие права на ошибку в работе… А стоимость этих технологических шедевров должна быть в рамках приличия… Почти уверен в том, что вы, как и я, тоже не можете представить себе всего объема проделываемой работы, о которой я и постарался сегодня рассказать.

Ну и еще кое-что более удивительное. Представьте, что вы без пяти минут великий ученый — аккуратно сняли теплораспределительную крышку процессора и в огромный микроскоп смогли увидеть структуру процессора – все эти соединения, транзисторы… даже что-то на бумажке зарисовали, чтобы не забыть. Как думаете, легко ли изучить принципы работы процессора, располагая только этими данными и данными о том, какие задачи с помощью этого процессора можно решать? Мне кажется, примерно такая картина сейчас видна ученым, которые пытаются на подобном уровне изучить работу человеческого мозга. Только если верить стэнфордским микробиологам, в одном человеческом мозге находится больше «транзисторов», чем во всей мировой IT-инфраструктуре. Интересно, правда?

BONUS

Хватило сил дочитать до этого абзаца? ) Поздравляю – приятно, что я постарался не зря. Тогда предлагаю откинуться на спинку кресла и посмотреть всё описанное выше, но в виде более наглядного видеоролика – без него статья была бы не полной.

Эту статью я писал сам, пытаясь вникнуть в тонкости процесса процессоростроения. Я к тому, что в статье могут быть какие-то неточности или ошибки — если найдете что-то, дайте знать. А вообще, чтобы окончательно закрепить весь прочитанный материал и наглядно понять то, что было недопонято в моей статье, пройдите по этой ссылке. Теперь точно всё.

Успехов!

1.2. Технология изготовления кремниевых пластин для бис и сис

Кремний, как основной материал полупроводниковых БИС и СИС. Технологический маршрут получения пластин. Методы ориентации монокристаллов. Методы резки слитков на пластины. Абразивные материалы для механической обработки. Технологические особенности изготовления пластин для СБИС. Автоматизация обработки пластин. Технохимические методы удаления материалов с поверхности пластин.

Основным полупроводниковым материалом для электронной промышленности является Si, встречающийся в природе в виде кремнозема или силикатов. ИМЭ на основе Si составляет 98% всех производимых в мире полупроводниковых приборов. Кремний по степени распространения в природе находится на втором месте, уступая только кислороду. Он составляет 25% по весу всей земной коры. Доминирующее использование Si в полупроводниковой электронике связано не только с его широким распространением в природе, но и его свойствами. Так ширина запрещенной зоны Si составляет 1,12 эВ, а для Ge 0,66 эВ, что сказывается на стабильности характеристик приборов (для Ge приборов выше токи утечки). Рабочий диапазон Si приборов доходит до 150 o С, а Ge — до 100 o С.

Собственный Si имеет высокое удельное сопротивление

230000 Омсм, а Ge только 47 Омсм, что затрудняет изготовление на основе Ge приборов с высокими пробивными напряжениями. Кроме того стоимость кремния высокого уровня чистоты в 10 раз ниже стоимости Ge. Однако же основные достоинства Si по сравнению с Ge и GaAs связаны с его высокой технологичностью: на Si легко получать защитные окисные пленки (окислы Ge растворяются в воде, а на GaAs очень сложно вырастить окисные пленки, т.к. элементы Ge и As окисляются с различной скоростью); Si легко легировать и т.д.

Основной объем монокристаллического Si (80 — 90%), потребляемого электронной промышленностью, выращивается по методу Чохральского. Фактически весь Si, используемый для производства ИС, производится этим методом. Сырьем для получения монокристаллического Si является электронный Si, представляющий собой поликристаллический материал высокого уровня чистоты. Основные примеси в электронном Si это В, С₂и О₂. Концентрация легирующих элементов в чистом Si не должна превышать 10 -7 ат.%, а углерода — 210 -4 ат.%. Методом Чохральского получают монокристаллы диаметром до 250 мм и длиной до 3 м. Монокристаллы, полученные данным методом, содержат примеси и дефекты.

Кислород — случайная примесь в Si, образующаяся в результате растворения материала тигля (Si₃N₄, SiO₂и др.). Диапазон концентраций О₂в слитке 5 . 10 17 — 10 18 см -3 . Наличие О₂в слитке приводит к формированию доноров и образованию дефектов за счет собственной преципитации О₂. Наличие доноров изменяет удельное сопротивление кристаллов за счет легирования.

Донорные комплексы нестабильны при Т > 500 о С, поэтому для их растворения используется отжиг слитков при температурах 600 — 700 о С.

Преципитат представляет собой фазу SiO₂. С формированием преципитатов связано образование в слитке ряда дефектов, включая дефекты упаковки. Эти дефекты захватывают примеси быстро диффундирующих металлов, приводя к увеличению токов утечки р-n-переходов. Способность дефектов захватывать нежелательные примеси (эффект геттерирования) может быть использован для улучшения свойств подложек (электрофизических).

Углерод – другой вид случайной примеси. Он является в Si примесью замещения. Его концентрация 10 16 — 5 . 10 17 см -3 . При таких концентрациях он не выделяется в преципитаты, подобно О₂, и не становится электрически активным. Однако С оказывает влияние на преципитацию О₂и способствует дефектообразованию.

Конструктивным фундаментом любой ИС является подложка. В зависимости от конструктивно-технологического варианта ИС (п/п, ГИС) различают два вида подложек: активные (полупроводниковые: Si, Ge, GaAs, GaP) и пассивные (диэлектрические: стекло, ситалл). Полупроводниковые подложки называются пластинами.

Технологический процесс получения Si-пластин включает в себя ряд укрупненных процессов (операций):

1. Выращивание монокристалла.

2. Получение заданного диаметра монокристалла обдиркой.

3. Получение ориентированного базового среза.

4. Снятие механических напряжений травлением монокристалла.

5. Кристаллографическая резка кристалла на пластины.

6. Получение пластин заданной толщины односторонней или двусторонней шлифовкой, формирование плоскопараллельной поверхности и уменьшение дефектного слоя.

7. Получение округленных кромок пластин (фаска).

8. Удаление нарушений поверхности пластин травлением.

9. Создание геттеродефектов упаковки путем формирования нарушенного слоя с обратной стороны пластины.

10. Получение поверхности пластин 14 класса чистоты полировкой.

11. Очистка поверхности пластин от загрязнений «мокрыми» и «сухими» процессами.

12. Контроль геометрических, электрических, кристаллографических параметров и качества поверхности.

В интервале между основными операциями механической обработки осуществляется ряд операций контроля и оценки качества обработки. Готовая подложка должна удовлетворять целому ряду требований к геометрическим размерам, которые определяются условиями технологии производства полупроводниковых приборов.

Монокристаллы выращенные методом Чохральского или зонной плавки, имеют стандартную ориентацию [111] и [100] с отклонением до 2′ и по спецзаказам — [110] и [011] . На монокристалле определяют плоскость базового и дополнительного срезов. Базовый и дополнительный срезы получают методом шлифовки монокристаллического слитка вдоль образующей. Самый большой базовый срез называют основным. Его обычно располагают определенным образом относительно некоторого кристаллографического направления. Основной базовый срез служит для :

1) ориентации пластины одинаковым образом в технологических установках с автоматизированным ориентированием;

2) ориентации ИС относительно кристаллографических направлений строго определенным образом.

Малые базовые срезы называются дополнительными и предназначены для распознавания ориентации и типа проводимости подложек.

Они обеспечивают быструю сортировку и идентификацию пластин при их случайном перемешивании.

При получении базовых срезов и при дальнейшей механической обработке слитка (резке и т.д.) учитывают его ориентацию.

Для большинства изделий микроэлектроники точность ориентации пластины относительно требуемого кристаллографического направления имеет определяющее значение для всех последующих технологических операций. Монокристаллы ряда полупроводников выращивают обычно по направлению [111]. Однако в процессе роста кристаллов возможны отклонения их ориентации от заданного направления так, что геометрическая ось цилиндрического слитка окажется отличающейся от кристаллографической оси [111]. Цель операции ориентации — нахождение несоответствия между геометрической осью слитка и заданным кристаллографическим направлением.

Существует два основных способа определения заданного кристаллографического направления:

1. Рентгенографический способ. Основан на том, что интенсивность рассеивания рентгеновских лучей зависит от плотности упаковки атомов в облучаемой плоскости. Для наиболее плотно упакованной плоскости [111] наблюдается и наибольшая интенсивность рассеивания. В тоже время для каждого вещества характеристическое рентгеновское излучение отражается от соответствующей кристаллографической плоскости под строго определенным углом (таблица 1.1).

Изготовление кремниевых пластин для интегральных схем

Как делают микропроцессоры. Польский химик, голландские монополисты и закон Мура

Современные микропроцессоры поражают своей сложностью. Наверное, это высочайшие технологические достижения человеческой цивилизации на сегодняшний день, наряду с программированием ДНК и автомобилями Tesla, которые после заказа через интернет сами приезжают к вашему дому.

Удивляясь красоте какой-нибудь микросхемы, невольно думаешь: как же это сделано? Давайте посмотрим на каждый шаг в производственном процессе.

Метод Чохральского

Жизнь микросхемы начинается с песка. Песок почти полностью состоит из кварца, а это основная форма диоксида кремния, SiO₂. Сам кремний — второй по распространённости элемент в земной коре.

Чтобы получить из кварца чистый кремний, песок смешают с коксом (каменный уголь) и раскаляют в доменной печи до 1800 °C. Так удаляется кислород. Метод называется карботермическое восстановление.

Доменная печь с кварцем и коксом

В результате получаются блоки кремния поликристаллической структуры, так называемый технический кремний.

Чистота полученного кремния достигает 99,9%, но его необходимо очистить, чтобы получить поликристаллический кремний. Тут применяют разные методы. Самые популярные — хлорирование, фторирование и вытравливание примесей на межкристаллитных границах. Техпроцессы очистки кремния постоянно совершенствуются.

Затем из поликристаллического кремния выращивают монокристаллический кремний — это кремний электронного качества с чистотой 99,9999% (1 атом примесей на миллион атомов кремния). Кристаллы выращивают методом Чохральского, то есть введением затравки в расплав, а затем вытягиванием кристалла вверх. Метод назван в честь польского химика Яна Чохральского.

Метод Чохральского, Иллюстрация: Д. Ильин

Поэтому монокристаллический кремний представляет собой красивые цилиндрические слитки — их ведь вытягивали из расплава под воздействием земной гравитации.

Монокристаллический кремний электронного качества, нижняя часть слитка

Из этих цилиндрических слитков нарезают кремниевые пластины диаметром 100, 150, 200 или 300 мм. Многие задаются вопросом, почему у пластин круглая форма, ведь это нерациональный расход материала при нарезке на прямоугольные микросхемы. Причина именно в том, что кристаллы выращивают методом Чохральского, вынимая вверх.

Чем больше диаметр кремниевой пластины — тем эффективнее расходуется материал. Пластины доставляют на полупроводниковую фабрику, где начинается самое интересное.

Заводы

В мире всего четыре компании, способные производить продвинутые микросхемы топового уровня: Samsung, GlobalFoundries, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) и Intel.

В других странах производство микроэлектроники отстаёт от лидеров на годы или десятилетия. Причина в том, что строительство современного завода — дорогостоящее мероприятие (около $10-12 млрд), а прогресс идёт так быстро, что этот завод устареет через несколько лет. Поэтому позволить себе такие инвестиции могут только компании с прибылью в десятки миллиардов долларов в год.

Кто получает такую прибыль? Тот, кто продаёт товаров на сотни миллиардов долларов. Это мировой лидер в производстве смартфонов и оперативной памяти Samsung, а также мировой лидер в производстве десктопных и серверных процессоров Intel. Ещё две компании GlobalFoundries и TSMC работают по контрактам в секторе B2B.

Столь высокая стоимость современного завода микроэлектроники объясняется высокой стоимостью оборудования, которая обусловлена чрезвычайной сложностью процесса.

Бор и фосфор

В кристалле кремния у каждого атома по 4 электрона — и каждая из четырёх сторон образует связь с соседним атомом в квадратной кристаллической решётке. Свободных электронов нет. Значит, кристалл не проводит электрический ток при комнатной температуре.

Чтобы запустить свободные электроны, нужно заменить некоторые атомы кремния на атомы других элементов с 3 или 5 электронами на внешней орбите. Для этого идеально подходят соседние с кремнием элементы по таблице Менделеева — бор (3 электрона) и фосфор (5). Их подмешивают к кремнию, и эти атомы встают в его кристаллическую решётку. Но в ней только четыре связи. Соответственно, или одной связи не хватает, или освобождается свободный электрон. Заряд такого атома + или −. Так бор и фосфор в решётке кремния создают два слоя полупроводников с зарядами противоположного знака. «Дырочный» слой p- (positive) с бором и недостающим электроном — сток. А «электронный» слой n- (negative) с фосфором и лишними электронами — исток. Они покрыты изолятором из оксида кремния.

Конструкция полевого транзистора MOSFET с управляющим p-n-переходом

Транзистор — минимальный элемент и основной компонент интегральной схемы. В зависимости от напряжения в затворе из поликристаллического кремния ток или потечёт с истока, или нет. Это соответствует логическому 0 и 1.

Вот как выглядит p-n-переход в транзисторе на атомарном уровне при изменении напряжения в затворе:

Из таких транзисторов состоят все логические элементы, а из них инженеры составляют конструкцию микропроцессора.

Микроархитектура

Современные микросхемы состоят из миллиардов транзисторов, соединённых в сложные конструкции: ячейки памяти, микроконтроллеры, криптографические модули и так далее. Все они располагаются на микросхеме в соответствии с планом инженера-микросхемотехника.

AMD Athlon XP 3000+ из каталога siliconpr0n

Инженеры используют специальное ПО для проектирования микросхем. Таких программ огромное множество, в том числе и бесплатных, среди них нет единого стандарта.

В этом ПО выполняется симуляция электрических и физических свойств микросхемы и отдельных цепей, а также тестируется их функциональность.

Проектированием занимаются целые отделы из сотен инженеров, ведь на современных микросхемах огромное количество элементов. У процессоров производства TSMC (AMD) по 7-нм техпроцессу 113,9 млн транзисторов на мм². Intel поставила амбициозную цель достичь плотности 100 млн транзисторов на мм² уже на техпроцессе 10 нм, почти как 7 нм у TSMC. Цель оказалась слишком амбициозной — с этим и связана позорная задержка с внедрением 10 нм.

Все слои микросхемы объединяются в итоговый проект — blueprint, который по электронной почте отправляют на завод в Китае или Тайване.

Фотодело

Из полученных файлов на заводе делают фотомаски — шаблоны для печати микросхем. Они похожи на плёночные негативы, из которых на фотоувеличителе печатаются фотографии. Но если в фотографии эта техника осталась в прошлом, то в производстве микроэлектроники она сохранилась до сих пор.

Фотомаска

Вот как выглядит современный «фотоувеличитель», а именно, степпер компании ASML для фотолитографии в глубоком ультрафиолете (EUV).

Иллюстрация: ASML

Машина весом 180 тонн размером с автобус продаётся по цене около $170 млн. Это самое сложное и дорогое оборудование на современном заводе микроэлектроники. Компоненты для такого степпера производят около 5000 поставщиков со всего мира: линзы Carl Zeiss (Германия), роботизированные манипуляторы VDL (Нидерланды), лазеры Cymer (США, куплена ASML в 2013 году).

Фиолетовым цветом показан маршрут световых импульсов от источника к прибору подсветки, затем к фотомаске с топологией кристалла — и через проекционную оптику на кремниевую пластину.

Пластины из монокристаллического кремния, полученного на первом этапе нашего процесса, помещаются в этот степпер, и здесь засвечиваются через фотомаску, распечатанную из файлов с проектного бюро. Это завершение всего технологического цикла.

Засветка кремниевой пластины

Засветка пластины лазером EUV — тоже весьма нетривиальный процесс. Вот описание и видео из журнала IEEE Spectrum: «Внутри самой современной EUV-машины каждую секунду 50 тыс. капель расплавленного олова падают через камеру в её основании. Пара высокоэнергетических лазеров на углекислом газе ударяет по каждой капле, создавая плазму, которая, в свою очередь, испускает свет нужной длины волны. Первый импульс преобразует каплю олова в туманную форму блина, так что второй импульс, который является более мощным и следует за ним всего через 3 микросекунды, взрывает олово в плазму, которая светится на длине волны 13,5 нанометров. Затем свет собирается, фокусируется и отражается от узорчатой маски, чтобы проецировать узор на кремниевую пластину». Для 7-нм процессоров используется литография в экстремальном ультрафиолете с длиной волны 13,5 нм.

Настоящая фантастика. Неудивительно, что степпер для EUV по самому современному техпроцессу в мире умеет делать только одна голландская компания ASML, которая сейчас является фактически монополистом в этой нише.

Засветка пластины — не единственный шаг на производстве. Перед степпером пластины нагревают до 1000 °С и окисляют поверхность, чтобы сформировать непроводящий слой из диоксида кремния SiO₂. Потом на этом слое диэлектрика равномерно распределяют фоточувствительный материал — фоторезист. И только потом помещают в степпер.

Засветка фоторезиста на кремниевой пластине в степпере

На засвеченных участках пластины обнажается слой SiO₂, всё остальное защищено фоторезистом. Теперь наступает этап плазменного вытравливания (plasma etching), где с засвеченных участков снимается слой SiO₂, создавая углубления. Вытравленные участки снова окисляют. Поверх SiO₂ наносят электропроводящий слой поликристаллического кремния. Потом снова покрывают фоторезистом — и цикл повторяется несколько раз, создавая новые углубления уже во втором слое, затем в третьем, потом пластина покрывается слоем металла — и цикл повторяется. В итоге формируются те самые структуры полевых транзисторов с p-n переходом. Цикл повторяется многократно, пока не будет создана полная структура интегральной микросхемы со всеми необходимыми элементами.

Несколько циклов нанесения разных материалов (фоторезист, поликристаллический кремний, диоксид кремния, металл), засветки и плазменного вытравливания создают многослойную структуру транзистора

В зависимости от техпроцесса, размер минимальных элементов в этих структурах может быть 14 нм, 10 нм, 7 нм, 5 нм или меньше, но это весьма условная разница, которая не совсем отражает реальность. Например, на фотографиях под микроскопом ниже можно сравнить размер транзисторов в кэше L2 процессоров Intel (техпроцесс 14 нм+++) и TSMC (7 нм). У первого ширина затвора 24 нм, у второго 22 нм, высота одинаковая.

Сравнение транзисторов в кэше L2 процессоров Intel (14 нм+++) и TSMC (7 нм), сканирующий электронный микроскоп. Источник

По размеру они практически не отличаются, хотя TSMC плотнее размещает эти транзисторы на микросхеме.

В зависимости от размера, на одной пластине помещается от нескольких десятков до нескольких тысяч микросхем.

Микросхемы на кремниевой пластине

Пластины с готовым продуктом проверяют, а затем осуществляется сборка — упаковка чипов в корпуса, подключение контактов. Сборка полностью автоматизирована.

Сборка микросхем

Потом чипы снова тестируют — и если всё удачно, то отправляют клиенту. Через несколько месяцев процессор уже вовсю работает в сервере или на домашнем компьютере, или в телефоне счастливого покупателя.

Мур не сдаётся. Intel тоже

Утратившая технологическое лидерство компания Intel в реальности не испытывает недостатка в денежных средствах. На самом деле совсем наоборот, компания сейчас показывает рекордные прибыли. И она намерена серьёзно инвестировать в научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы.

Благодаря партнёрству с ASML и EUV-литографии Intel планирует вернуться к прежним темпам выпуска новых поколений CPU раз в 2 года, начав с 7-нм техпроцесса в конце 2021 года и дойдя до 1,4-нм технологии в 2029 году.

Слайд из презентации Intel, показанный в выступлении представителя ASML в декабре 2019 года, источник

Если планы реализуются, то Intel сохранит действие закона Мура и догонит AMD/TSMC. В 90-е годы тоже были моменты, когда AMD выпускала более производительные процессоры. После тупика с Pentium 4 ответом стало новое ядро Core — и лидерство Intel на протяжении десятилетий. Впрочем, это было довольно скучное время. Для рынка гораздо полезнее, когда происходит жёсткая «заруба» между конкурентами, как сейчас, в 2021 году.

На правах рекламы

Наша компания предлагает в аренду серверы с процессорами от Intel и AMD. В последнем случае — это эпичные серверы! VDS с AMD EPYC, частота ядра CPU до 3.4 GHz. Создайте собственный тарифный план в пару кликов, максимальная конфигурация — 128 ядер CPU, 512 ГБ RAM, 4000 ГБ NVMe.

Как производят кремниевые пластины

Из-за химических и физических свойств кремния, он определяется как нелитейный материал. Выращивать кремниевые кристаллы для солнечных батарей можно только в инертных газах или вакууме, так как этот материал очень легко вступает в реакции со многими другими веществами, если находится в расплавленном состоянии. Когда кремний кристаллизируется, то очень существенно увеличивается его объем, так что для того, чтобы свободные участки не затвердели до кристаллизации, необходимо использовать специальные технологии, которые способны предотвратить подобную опасность.

Метод Чохральского и метод бестигельной зонной плавки применяют в большинстве случаев для выращивания кристаллов.

В последнем десятилетии прошлого века благодаря методу Чохральского было создано более 80% кремниевых монокристаллов. Полученный материал применялся как в силовой электронике, так и в солнечной энергетике. Этот способ получения монокристаллов основывается на том, что переход атомов из жидкой либо газообразной фазы в твердую происходит в зоне фазового раздела. В методе Чохральского поликристаллический кремний, который появляется в первой ступени, используют для получения из кварцевого тигля кремниевые монокристаллы. Это происходит благодаря расплавлению поликристаллического кремния в тиглях, когда его погружают в высококачественный затравочный монокристалл. Во время нарастания кремния, поднимается шток с затравкой и начинает вращаться относительно вертикальной оси, а тигель движется в противоположную сторону, эти движения улучшают качество перемешивания компонентов в расплаве и уменьшают естественную неоднородность температур.

Если рассматривать мультикристаллы кремния, то отдельный кристалл нужно сделать однородным, после чего провести охлаждение. Если убрать зоны, где механические напряжения и дефекты встречаются слишком часто, можно получить монокристалл. Убираются неприятные зоны расплавлением некоторой части затравки. После всех этих манипуляций, монокристалл с небольшой скоростью вытягивают из расплава, после чего монокристаллы режутся на тонкие пластины, не толще 220 мкм каждая.

В наши дни наука далеко шагнула вперед, и техническое оснащение для метода Чохральского сильно улучшилось, в новых системах используют продвинутые устройства для перемещения штоков, установлены вакуумный аппарат нового поколения, блоки очищения и подачи инертного газа, автоматическая система управления и приспособление для охлаждения воды.

К сожалению, у этого метода помимо бесспорных преимуществ, есть еще и недостатки, главный из которых – загрязнения расплава различными видами примесей, включая кислород, которые находятся в кварцевом тигле. Чтобы таких проблем не возникало, изобретен метод бестигельной зонной плавки. В этом случае, контейнер не используется, а область расплава расположена в самом стержне.

В бестигельная зонная плавка подразумевает плавление конечной части основного стержня, сделанного из кремния. При этом затравку подают снизу, а область расплава находится внутри вертикального стержня. Масса расплава увеличивает давление, которое присутствует в зоне расплава. Расплав будет удерживаться благодаря поверхностному натяжению, при этом может быть обеспечена зона расплава с высотой до 150 мм. В начале роста кристалла, в расплав помещают затравку, которая с небольшой скоростью движется вниз на пару с кристаллом, который в процессе растет. При этом основной стержень движется вместе с ними. Для перемешивания, используется принцип как и в первом рассмотренном методе – вращение затравки и стержня в разных направлениях, при этом движение проходит вокруг оси. Для промышленной сферы более актуален нагрев с кольцевым индуктором, окружает стержень из кремния и дает электрический ток высокой частоты.

Оба описанных метода использую по сей день для создания кристаллов, несмотря на то, что в присутствии тигля ухудшается уровень чистоты. Чаще всего, бестигельная зонная плавка используется в качестве помощи при создании поликремния. Этот метод хорош в установках, где проходит водородное восстановление трихлорсилана.

Чтобы получить кристаллы быстрее, увеличивают скорость кристаллизации, это возможно с использованием метода Чохральского и комбинированного магнитного поля. Также в этом случае структура полученного кристалла будет гораздо лучше.

Чтобы избавить полученные кристаллы монокристаллического и поликристаллического кремния от большинства примесей, от них отрезают края, в которых обычно концентрируется мусор. После этого уже почти готовые кристаллы формуют, придавая им нужные очертания, шлифуют, улучшая поверхность, и разрезают на слои.