Микроэлектроника для «чайников»: Технологический процесс производства интегральных схем. Особенности материалов, оборудования, специфики современного техпроцесса
В студии Zelenograd.ru Сергей Ранчин – начальник кристального производства завода "Микрон".
 |
Мы поговорим сегодня о кристальном производстве – сердце микроэлектронного производства. Можно так сказать?
Да, потому что все полупроводниковое производство именно там, где рождаются сами чипы с интегральной схемой, начиная от исходной пластины и до пластины с кристаллами. Все дальнейшие манипуляции – это уже выход изготовленного кристалла до своей конечной цели.
А почему производство "кристальное"? Мы знаем, что такое кристаллы в природе, а что такое кристаллы в микроэлектронике?
Первое, научное объяснение – пластина монокристаллическая. Это часть большого кристалла, порезанная на части. Она имеет определенную кристаллическую структуру, и на этой монокристаллической пластине мы формируем интегральные схемы. И все манипуляции, соответственно, мы совершаем с кусочком кристалла. Ну, а традиционно американское название "чип" — оно ближе к слову "кристалл" — кристальное производство подразумевает под собой это. То есть, "чип" и "кристалл" это идентичные названия. Фактически, я начальник производства чипов. Если брать английскую аббревиатуру — director of chip production.
Естественно, ваше кристальное производство — часть большой технологической цепочки. Что поступает к вам "на вход"? C точки зрения материалов, каких-то технических заданий? Какие именно чипы делать? Что это такое?
Мы обеспечиваем один из самых важных процессов в формировании интегральной схемы, но далеко не единственный. Начало – это целая промышленность – производство исходных материалов. Если брать непосредственно историю Зеленограда, то раньше был завод "Элма", который занимался выращиванием исходного поликремния. А поликремний получается из обычного кварцевого песка, то есть практически мы работаем с исходным материалом, с песком. Из песка получается поликремний, из поликремния уже пластины, которые нарезаются и поступают к нам в производство.
То есть, к вам уже поступает нарезанная пластина?
Да, это исходная пластина, отполированная, с минимальным, считанным количеством дефектов (идеального, безусловно, ничего нет). Дальше все манипуляции с пластиной – это уже непосредственно мое производство.
Помимо пластин, есть некое дизайнерское решение: что это будет за чип, какие действия он будет выполнять?
Изначально в основе всего лежит технология. Это формирование в объеме активных и пассивных элементов, на основании которых, создавая электрические схемы с определенными параметрами, можно делать какие-то конечные устройства. В начале нашего процесса на соответствующей монокристаллической пластине по определенным правилам, так называемой "технологии", с использованием определенного оборудования и определенных операций, формируются активные и пассивные элементы, которые потом соединяются в электрическую схему.
По сути дела, ваша задача – сформировать электрическую схему на пластине?
Моя задача создавать условия и четко, жестко выдерживать параметры в процессе этого производства. Потому что формально, меняя только комплект шаблонов и рисунок, мне все равно, что выпускать: сложные изделия, карточку для метрополитена или сим-карту, карту памяти и т.д. Последовательность операций ровно такая же для всех, меняется только комплект шаблонов, рисунок.
Можно сказать, что это чертеж электрической схемы?
То есть, грубо говоря, если я открою сейчас какой-нибудь старый телевизор, то там будет большая плата с кучей элементов. Вы, фактически, делаете то же самое, только в маленьком кристалле? Я помню, к старым электронным устройствам прилагались огромные "простыни" со чертежами электрических схем. Такой чертеж поступает к вам "на вход", в некоем компьютеризированном виде?
Совершенно верно, процесс дизайна именно такой. Из пассивных элементов, или из блоков, мини-плат или уже готовых мини-устройств, триггеров, счетных устройств, процессоров компонуется электрическая схема, точно такая же, как на чертеже дизайна. После этого по определенным описанным правилам проектирования, я как изготовитель, гарантирую, что все запланированное на бумаге, я выведу в конечном продукте.
То есть, вы эти правила проектирования передаете сначала дизайнерам, и они уже работают с этими правилами, зная что их задумки, возможно где-то безумные, все равно будут реализованы вашим производством.
На основании базовых элементов. Располагается все от простых элементов – к сложным. Простые элементы – это транзисторы, резисторы, конденсаторы – какие-то пассивные элементы, емкости тоже, в интегральном исполнении. Специальный отдел снимает с них так называемые "спайс-параметры", и дальше преобразует их в те самые правила, по которым собираются эти электрические схемы. Дизайнеры берут эти правила, и на основании них могут формировать так называемые "design kit": это уже блочные элементы, например – интерфейсную плату, память, какие-то генераторы, блоки взаимодействия, коммутации. Следующий этап – создать из этих блоков определенную схему.
Некую реально работающую схему…
Да. И действительно, зачастую люди далекие от микроэлектроники спрашивают: "Что такое микроэлектроника, "минимальный размер", ну, какая разница: 0.18 микрон – 90 нанометров? Что это такое?". Действительно, все видят платы, зелененькие-синенькие в сотовых телефонах или компьютерах — как правило, люди больше с ними общаются… Телевизоры редко кто разбирает, а телефон у многих падал и разбивался – проще объяснить. На этой плате много различных элементов. Чем выше уровень технологии – тем меньше размер, тем в меньшем размере все эти элементы можно реализовать. Чем "круче" технология – тем меньше размер, тем более миниатюрное устройство с большим функционалом на той же самой единице площади можно сделать. Таким образом определяется и эффективность – пластина одна, а можно сделать одного и того же устройства на этой пластине по разным технологиям разное количество.
То есть чип сам по себе будет дешевле?
Конечно. Дешевле и конечное устройство. Но можно и по-другому подойти – он будет стоить столько же, а работать будет в четыре раза быстрее.
Или меньше энергии потреблять…
Да. Или больше функционала нести в себе.
Насколько я понимаю, так же "на вход" поступают всевозможные химические реактивы.
Не только химические, зачастую и различные материалы – "мишени"…
Ну, всевозможные расходные материалы.
Да, причем требования к ним достаточно чистые, специальные, которые образуют целое производство. Почему говорят, что микроэлектроника – это такое направление, которое за собой тянет несколько других. Раньше это называлось "градообразующее", сейчас говорят "которое за собой тянет развитие в других областях".
Говорят, что одно рабочее место в микроэлектронике создает десять в других областях.
Примерно так, да. Потому что для обеспечения этого выпуска нужно притягивать и химическую промышленность и производство, естественно это производство зависит от уровня технологического оборудования, машиностроения.
Пластины перед тем как запустить в производство, насколько я понимаю, вы загружаете в эти специальные оранжевые SMIF-контейнеры и дальше они уже оттуда людьми не достаются?
Мы их не просто загружаем, мы их еще и однозначно идентифицируем специальной лазерной маркировкой. Например, в чем уникальность билетов – в том, что всегда можно проследить его историю, потому что на каждом этапе мы фактически подписываем каждый чип. Есть разные принципы построение "чистой комнаты". Наша "чистая комната" под проект 180-90 нанометров использует так называемую "SMIF-технологию". В основном, чтобы сэкономить на инфраструктуре, на обеспечении чистоты, потому что любая пылинка несет в себе поражающий фактор и, попадая на пластину, выводит из строя ваше функциональное устройство. И если оно у вас очень сложное, то цена вопроса намного больше. Если у устройства много чипов на пластине, то попадание одной пылинки на один из восьмидесяти тысяч кристаллов, наверное, не так страшно. А если их всего сто, то цена вопроса – один процент минимум.
В этом СМИФ-контейнере маленькая "особо чистая комната"?
Да, она особо чистая. Есть так называемые "классы чистоты". Там создан класс чистоты фактически 0.00-сколько-то там единиц, естественно, в пересчете на кубический метр. Это допустимо – идеального ничего нет, к сожалению. Таким образом, мы, во-первых, экономим, во-вторых – это дополнительная защита от загрязнений, повышение процента выхода годных пластин.
Что происходит с пластиной, когда она уже загружена в SMIF-контейнер?
Много чего происходит. Все операции делаются последовательно, нельзя никакую операцию пропустить, иначе на выходе мы ничего годного не получим. Если брать по-крупному, таких операций около трехсот, а если детализировать каждую операцию, каждую манипуляцию с пластинами, это либо перемещение, либо нанесение какого-то одного из слоев, потому что есть композитные материалы, где несколько раз обрабатывается пластина, то таких операций свыше трех тысяч. Все они делаются последовательно, и если у вас есть какая-то накопленная ошибка, то она дальше действует как усилитель.
Три тысячи разных типов операций или три тысячи операций, которые делаются с пластиной?
Три тысячи операций, которые делают с этой пластиной, чтобы на выходе получить годное изделие – чип, готовый к корпусированию.
А сколько разных именно типов операций?
Они сгруппированы, на каждую операцию выписан отдельный рецепт на установку, который забит и отрабатывается уже не на рабочих пластинах, а зачастую на спутниках. Потому что цена отработки на рабочих пластинах, конечно, очень велика. Например, на 2999-й отрабатывать пластину, на которой сделал столько операций, наверное, бессмысленно. Смысл есть, но очень дорого. Поэтому все это отрабатывается на спутниках, на специальных пластинах. И у нас, более того, это подтверждается каждый раз, то есть мало того, что процесс один раз разработан, он еще должен воспроизводиться изо дня в день, из месяца в месяц, из года в год. Таким образом, мы подтверждаем качество всех этих процессов. Все процессы мы сгруппировали на восемь основных направлений. От восьми до одиннадцати, с разной степенью детализации: процессы фотолитографии, плазмо-химического травления, жидкостной химии и травления… ну, диффузии сейчас уже нет как таковой, но мы уже традиционно называем высокотемпературную обработку диффузией, и, соответственно, высокотемпературными отжигами. CVD – это английская аббревиатура – осаждение диэлектрических или металлических пленок из газовой фазы. PVD – это напыление на пластины металлов, различных проводящих металлических пленок. Далее, безусловно, метрология, потому что с определенной периодичностью на маршруте мы должны контролировать, подтвердить, что все предыдущие операции сделаны качественно. Должны подтвердить непосредственно качество каких-то критических процессов – это либо толщина диэлектрика, осажденного или окисленного, или померить размеры фотолитографии, совпадают они или нет. И два последних процесса – это ионная имплантация и химико-механическая полировка. Если брать по-крупному, то формально это все процессы, которые сейчас у нас есть. На 90 нанометров, которые будут у нас реализованы, будет еще медная металлизация, там будет дополнительное оборудование, это электро-химическое осаждение меди из жидких реагентов.
В чем заключается основной принцип, благодаря которому вы делаете трехмерную структуру на кремниевой пластине?
Принцип в том, что на пластину наносится рисунок, на фотолитографии, дальше с этим рисунком делаются различные манипуляции. Каждый слой несет в себе определенный функционал. Либо делается активная область, либо рисунок активных элементов, проводников, или — есть такое понятие – обкладки конденсаторов, затворы транзисторов, переходные или контактирующие окна между двумя слоями, соединяющие два слоя, например, разводки, или активной структуры. То есть элементы создаются и в объеме пластины и на ее поверхности. Примерно, вся структура составляет до шести микрон в глубину пластины и примерно столько же – шесть микрон и даже больше, в зависимости от функционала и сложности, на поверхности.
Я правильно понимаю, что фотолитография заключается в том, что вы какие-то участки закрываете, грубо говоря, а то, что осталось протравливаете?
Да, там разные есть элементы, но принцип примерно такой. Почему это называется фотолитография: на пластину наносится фоточувствительная пленка, специальный фоторезист, нужна определенная равномерность ее нанесения, с ней необходимо провести определенные модификации, дальше шаблоном формируется рисунок. Позитив-негатив – все точно так же, как в обычной фотографии. И в зависимости от того, какой тип фотолитографии, шаблона и фоторезиста, формируется либо негативный рисунок, либо позитивный. После этого все отправляется в проявитель – все как в фотографии – засвеченные или, наоборот, защищенные места, растворяются в этом проявителе. Таким образом, формируется фоторезист. Он обладает интересными свойстами: он достаточно устойчив к плазме, и несет в себе вязки для проникновения, например, ионной имплантации атомов, которые там полегируются. А после этого идет модификация, как я сказал, либо это травление по этой маске, то есть все слои, которые внизу, плазмой будут потравлены либо до определенного слоя, либо на определенную глубину. Соответственно, так же с фоторезистивной маской, пластины могут пойти в ионную имплантацию. Ионная имплантация – это когда считанное количество атомов определенного вещества разгоняется (чистого — у нас там сепаратор стоит) до определенной энергии и проникает в поверхность на определенную глубину, из-за того, что она обладает энергией, набирает скорость. Она упирается, бьется в пластину и проникает на определенную глубину. Таким образом, достаточно точно можно регулировать количество атомов, примесей и глубину их проникновения.
То есть вы меняете химические свойства вещества в строго определенном месте?
Не химические свойства, а свойства непосредственно самого атома.
Да, само вещество меняется.
Да, само вещество из газовой фазы разгоняется. Если старую физику вспомнить, сейчас уже, наверное, не так это актуально, а когда мы учились, старые телевизоры, электронно-лучевая трубка, поток электронов: две пластины, приложением различного напряжения можно разогнать их до разной скорости, соответственно, если приложить пластины по пучку, то разная масса отклонится на разный уровень. Таким образом, можно очистить весь пучок от других примесей и выделить, посчитать примерное количество.
Полетит только то, что нужно.
Полетит только то, что нужно и туда, куда нужно. А "туда, куда нужно" обеспечивается вот этой маской. В маске они застревают, не проникают в глубину фоторезистивной пластины, а в открытые участки пластины они проникают и формируют активную область.
А вот этот фотошаблон, который используется в фотолитографии, он что из себя представляет чисто физически?
Физически это очень сложное устройство. По проекту 90 нанометров, это — произведение искусства. Иногда один шаблон – это стекло размером примерно 157 на 157 миллиметров, толщиной порядка 6 микрон. На нем нанесен этот рисунок. Напыляются различные металлы, такими же методами фотолитографии, лазерами, различными способами формируется этот рисунок. Это стекло, через которое идет поляризованный свет. Но так как там уже есть различные оптические эффекты, эффекты близости двух элементов и так далее, то выглядит это немного не так, как рисунок. Это можно сравнить с искусством Дали, где из мелких фрагментов формируется общая картина. Дали использовал именно оптические эффекты, в том числе близости, для того, чтобы формировать такие сложные элементы. Сейчас это действительно произведение искусства, которое стоит приличных денег, порядка 15000 евро стоит один шаблон.
Из себя он представляет обычную стеклянную пластину, но она еще закрывается пеликлами, чтобы пыль не попала, или если и попала, то не так была критична. Фактически это стекло…Стеклышко с рисунком, но произвести его очень сложно.
Стеклышко непростое. Вы уже упомянули существующие на "Микроне" 180 нанометров, 90 нанометров, а также существующие на других производствах 65, 45 и т.д. Я знаю, есть технология 22 нанометра. Вы сказали, что разница в том размере элементов, которые можно создать на пластине. А где предел, где все это остановится? Я имею в виду традиционную кремниевую технологию.
Я думаю, что никто не сможет сказать, где все это остановится. Давно уже, 25 лет назад, велись споры о том, какая будет фотолитография, рентгеновская или лазером будем рисовать, а не на шаблонах… Все определяется, в-основном, доступностью материалов и экономикой. Кварцевый песок – наиболее доступный на нашей матушке-земле материал. Я думаю, его возможности далеко не исчерпаны. Сейчас уже 22 нанометра заявляют, Intel первый – 32 нанометра запускает, дальше идут разработки уже 18 и т.д. Я думаю, здесь скорее будет вопрос о технологиях и оборудовании, которое будет использовано для этого, а не с точки зрения каких-то новых материалов. Ближайшие 10-15 лет кремний будет и дальше хорошо существовать.
То есть, технологических ограничений нет, я правильно понимаю?
Изобретут, наверное, какой-нибудь трехмерный транзистор, который уже будут в глубине выращивать.
Кстати, о трехмерных выращиваемых транзисторах. Я видел такие станки – фактически трехмерные принтеры, которые печатают по трехмерной модели некие произвольные формы. Из пластиков каких-то это делают… А в микроэлектронике можно так делать?
Это перспективная технология или наоборот, она не подходит?
3D-принтеры в основном используются для того, чтобы ощутить, посмотреть на то, что изобрели, не просчитались ли, сопоставить две детали, как они друг к другу подходят и т.д. А здесь, возможно, так как мы уже сейчас работаем с атомарными слоями, 21 ангстрем – это уже слой из считанного количества атомов – дальше уже больше проблем будет как это оценить, посмотреть, померить, попробовать, а не с тем, как это изготовить.
Вопрос метрологии, наверное?
Да. Вот почему сейчас еще на диаметр пластин 450 мм еще никто не перешел – хотя, в-общем, логично – чем больше диаметр, тем выше эффективность. Очень дорого. И приостановилась микроэлектроника где-то на десять лет, сейчас уже пошли первые приборы, которые позволяют вот такие здоровые "блины" контролировать. И производители говорят, что да – следующий уровень уже не за горами. А что будет дальше – возможно какие-то материалы, какие-то различные объемные вещи, объемный транзистор, может быть, даже будет какая-то новая элементная база. Если сейчас мы пользуемся транзисторами "КМОП" технологии и биполярными, старыми, то я не исключаю, что будет какой-нибудь квантовый…
Что-нибудь придумают.
Какой-нибудь новый активный элемент, который будет делать несколько состояний. Если сейчас они позволяют состояния "включен-выключен", то, может быть, это будут какие-то многомерные.
Возвращаясь непосредственно к производству, от "входа" до "выхода" в среднем, сколько времени проходит?
В среднем мы ориентируемся — поставили себе такую задачку — выйти на среднее время в два месяца.
Два месяца одна пластина крутится там, внутри "чистой комнаты"?
Так долго?
Я бы сказал по-другому: "Так быстро?"
То есть, если я сейчас приду к вам со своим заказом и скажу: "Мне завтра нужен чип", то вы скажете: "Извини, нет – два месяца".
Со своим дизайном, да, безусловно. Никто в мире таких сроков вам не даст. Даже, если вы придете со своим комплектом шаблонов. Скажем так, это среднее время, не средняя температура по больнице, но среднее время, потому что есть супер-быстрые партии, так называемые "горячие" партии, есть обычное производство, а есть "как получится". Некоторые могут и месяцами изготавливаться, если это что-то очень сложное, где нужно каждый процесс контролировать и т.д. Есть у нас такие научные разработки.
Когда мы общались до эфира, я сравнивал ваше производство со сборкой автомобиля, но сейчас я вижу, что его, наверное, можно сравнить со строительством какого-то большого, сложного здания, где нужно ждать пока бетон застынет и т.д. Просто по технологии быстро не сделаешь.
В принципе да. Минимальное время, если убрать перемещения пластин, выстроить все это на огромный конвейер, где на входе чистые пластины, а на выходе продукт. Человека мы не используем, все настроено идеально и т.д. Просто физический цикл, хотя перемещения все равно какие-то будут, короткие, без участия людей… Это где-то от 8 до 11 дней.
Все равно долго.
Если подключать человеческий фактор, минимальное достижимое время – не у нас, правда, у нашего партнера – 18 дней. Мы можем за месяц. То, что ранее я сказал за два месяца, мы можем отдельной партией сделать за месяц. Но это будет к партии приставлен человек, который все это отслеживает и сам перемещает.
Персональный менеджер.
Да, безусловно. Потому что фактически три тысячи операций, семьдесят единиц оборудования, можно посчитать, сколько каждое оборудование делает. Простая математика может подсчитать количество перемещений…
Да, просуммировать и получить те самые два месяца. Тем более, если все это так долго, то возрастает цена ошибки. Мы уже об этом немного поговорили о том, как происходит тестирование. Получилась у нас в итоге пластина, она годная, все лампочки "зеленые", дальше как-то проверяется, что на самом деле все хорошо?
Безусловно. Есть два вида тестирования. Третий – испытание на надежность, подтверждение качества, об этом я сейчас не буду говорить. А про первые: в определенных местах на каждой пластине, для максимального охвата, например, пять точек или двенадцать или сорок восемь, существуют специальные тестовые элементы. Они представляют из себя набор простейших транзисторов, тех самых, которые мы даем дизайнерам, для изначальной разработки и говорим: "Ребята, если по этим параметрам вы используете эти элементы с такими-то параметрами, то у вас на выходе будет годное изделие". Мы эти параметры закладываем в тестовую ячейку, сравниваем с тем, что должно получиться, плюс-минус, естественно, определенные отклонения. И по критериям годности, а это, как правило, из пяти точек допускается только одно некритичное отклонение. То есть это будет одна область, с которой возможно что-то не так. Снижение процента выхода годных. Вот по такому критерию мы говорим, что да – пластина годная.
То есть, вы не тестируете все чипы? Вы тестируете, фактически, где-то рядом, тестовые элементы на незадействованных участках?
Да, и после этого можем сказать, что пластина прошла весь технологический цикл и на ней элементарные элементы годные. Потому что есть еще ошибки дизайна…
За которые вы не отвечаете, да?
Так как у нас производство все в целом, то ошибка дизайна это в том числе и наш просчет.
Кристальное производство не отвечает, я имею в виду.
Формально да. Вот мы сделали, мы гарантируем, что – элементарные элементы находятся в определенных параметрах и, косвенно, мы говорим о том, что все что сделано на этих элементарных элементах, если вы просчитали правильно схему, должно быть рабочим.
Но в итоге, если вы признали годной пластину, то на ней все чипы годные или нет?
Нет, нет, потому что здесь мы не учитываем поражающий фактор вот этих дефектов.
Та самая пылинка, которая куда-то может упасть?
Да, возможно она не попала на тестовый элемент, потому что тестовый элемент это по отношению ко всему элементу процент или доля процента. После этого пластина не уходит с "Микрона". Дальше, на каждой интегральной схеме есть контактные площадки, к которым присоединяются проводки, по которым подаются управляющие сигналы и питание, и, в зависимости от входного воздействия, должен получиться определенный выходной сигнал. После этого мы передаем пластину в наш тестирующий цех, он называется у нас "отдел разработки и измерений". Там на зондовых установках к каждому контактируемому чипу "иголочками" (потому что там есть площадки 60 на 60 микрон, стандартные – 80 на 80), "приконтачивается" специальное контактирующее устройство, подаются входные импульсы, питание, меряются определенные параметры, которые говорят о том, что эта микросхема годная. Если она не годная, то на старом производстве некоторые потребители просят "закапать" его. Иногда берешь изготовленную пластину, а она в мелких черных точечках. Это значит, что микросхема забракована. Делается это потому, что когда дальше это все разрезается, компьютер – у него "глаз" – распознает точку и не берет ее, а берет только годные кристаллы. Есть другой вариант, где мы померяли и сразу в компьютере пометили координаты этого места или номер этого дефектного чипа. Дальше автомат, без распознавания, по определенной программе разбирает эти чипы. Годные он либо укладывает в кейс, либо ставит в изделие, в корпус или на билет.
Вы уже упомянули то, что присутствие людей, перемещение контейнеров, например, отнимает достаточно много времени – больше половины. Почему нельзя убрать людей?
В целом, убрать людей можно. На больших фабриках с большим объемом продаж все перемещение пластин осуществляется, в основном роботами, специальной транспортной системой. К SMIF-контейнеру приделан небольшой пейджер или мобильный телефон, который сам связывается с оборудованием, когда он пришел, смотрит маршрут и так далее. Это очень большие затраты на автоматизацию и не все фирмы этим пользуются.
У нас пока люди дешевле?
Не то, что дешевле… Дело в том, что если бы производили, к примеру, полмиллиона пластин в год, тогда это имело бы смысл. А мы производим от полутора до трех тысяч пластин… Чтобы было понятно, вся эта система автоматизации стоит десятки миллионов долларов, это сравнимо с вложениями в основное оборудование. Это вопрос не технический, а больше экономический.
Скажите, а что это за люди, которые занимаются, скажем так, не очень интеллектуальной работой — берут контейнер из одного места и несут в другое; или это все-таки специалисты высокого класса?
Это делают операторы и это не такая уж монотонная работа, не просто с одного места на другое перенести. Нужно еще выбрать рецепт, что тоже большая ответственность, потому что люди несут в себе ошибку. Человек в конце смены, к примеру, устал…
Человек хуже пылинки – пылинка один чип испортит, а человек сразу весь контейнер.
Совершенно верно, да, именно поэтому здесь ситуация делится на элементарные операции, но они могут быть достаточно сложны, в том плане, что человек обслуживает не одну установку, а десять. Естественно, он должен подходить со знанием дела. К тому же ему делегировано принятие определенных решений, если мы говорим про простых операторов, не про инженеров. После того, как сделал процесс, он сравнил результат с тем, который должен быть и может принять определенное решение – отправлять партию дальше или оставить ее.
Тем не менее, он работает по определенному алгоритму, да?
Абсолютно. Причем, чем жестче алгоритм и чем более четко человек следует правилам, этому алгоритму, тем процент пригодных лучше. Недаром все большие системы, "Тойота" и так далее, все это создано в Японии. Ими придуманы "Just in time", "kanban" и так далее, 5S, все эти системы. Интересный пример – ни в Африке, ни в Южной Америке, включая Латинскую, полупроводникового производства, как правило, нет. А в Азии – в Сингапуре, Малайзии и т.д. – они есть. Там люди немного к разным вещам предрасположены. Микроэлектроника это вещь больше такого плана – четкого следования определенным алгоритмам. А вот разработка этих алгоритмов, последовательностей этих операций – это очень интересная работа, и там как раз необходимы инженеры.
А зарплата на кристальном производстве высокие?
Зависит опять же от отдачи. Цифры варьируются в районе тысячи долларов. Есть и плюс, есть и минус, естественно. Есть и существенный плюс, но существенного минуса нет.
У вас есть некие ресурсы, есть скорость и, соответственно, объем производства, есть качество. Что здесь можно улучшить? Вот, на примере вашего производства.
Улучшаться должно все в комплексе, другого пути нет. Если улучшаешь что-то одно…
Так бывает?
Задача улучшить весь этот треугольник – быстро-качественно-дешево. Или дорого, наоборот, можно разные поставить вершины. Можно, например, просто сделать фабрику по перемалыванию пластин. Делать все очень быстро, но на выходе не иметь ничего…
Я говорю о реальности, реально ли сейчас что-то улучшать?
В реальности, безусловно. Не мы, во-первых, всю эту цепочку разрабатывали. Мы покупали технологию на ST Microelectronics. Естественно, первое — это внедрение и адаптация этой технологии для наших российских условий. Потому что за пятнадцать лет — большое отставание возникло. Я даже не знаю с чем сравнить, но уже люди немного отвыкли в этом работать, тяжело было найти персонал. Не включая тот, который вернулся из-за рубежа, плюс те, кто работает на "Микроне". Но подходы уже поменялись: совершенно новые системы качества, подход к анализу ошибки, анализу и принятию решения и т.д. Безусловно, существуют методики и определенные процедуры, по которым все это делается, даже любое улучшение должно по ним проходить. У нас есть цикл PDSA: планируй, делай, контролируй, анализируй и т.д. с обратной связью. Он всегда есть, его никто не отменял. И идет это все так, как я сказал. Если мы хотим улучшить какой-то процесс или убрать какое-то количество операций, сократить что-то, модернизировать, то первое: это либо мозговым штурмом, либо как-то еще подготавливается это решение, обсуждается, и, если решение принимается, то делается на какой-то маленькой части, либо на части маршрута. Так называемые short loop-ы. На коротком участке мы моделируем то, что может произойти и какой эффект это принесет с точки зрения экономии материала, времени и т.д. Если это дало нужный эффект, то мы можем запустить какую-то пилотную серию – взять часть рабочих пластин. Не все 25, не полностью весь SMIF, а какие-то определенные пластины. Если это дало эффект, то дальше мы запускаем так называемый "прототип". Еще одна особенность микроэлектроники, если прототип проходит испытания, то мы обязательно должны "валидировать" это все у потребителя. Например, те же самые билеты или электронный паспорт. Я еще не упоминал один момент – подтверждение надежности изделий. Билет или электронный паспорт, например, должны храниться десять лет. Испытывать десять лет и ждать пока она валидируется нет возможности.
Как на компакт-дисках пишут "пожизненная гарантия" или "вечная гарантия", а проверить нельзя.
Да, примерно так. Поэтому существуют определенные методики. Например, нагреть ее, создав, таким образом, какие-то жесткие условия, которые могут с ней произойти в течение этих десяти лет и посмотреть, как изменились параметры, насколько они деградировали. Можно ли после этой деградации опять ею пользоваться, несет ли она в себе ту же информацию, которая и была зашита. У нас есть такое оборудование и методики.
Вы их сами уже на месте разрабатываете, что-то улучшаете?
Часть мы получили из ST, а часть мы уже сами сделали.
Самое главное, что резервы есть для улучшения и вы этим занимаетесь.
Безусловно, всегда есть, даже на том же самом ST. Зависит еще от того, что все хотят сделать гигантский шаг, но чтобы он не явился результатом пинка. Поэтому нужно идти большими шагами и сразу все сокращать, но тогда можно перейти в фабрику по перемалыванию пластин.
Можно идти по другому пути. Например, ST вышел на определенный уровень – два месяца. Или, если определить количество фотолитографий, то нормальный уровень это одна фотолитография – микроцикл, последовательность — в день. Если у нас, к примеру, два дня, а мы будем решать: "Ребята, наша цель 1.2 дня". То люди, которые достигли уже уровня 1, они говорят: "Так, в этот год наша цель – 0.995". И такими путями они идут, потому что чем меньше этот шажок, до определенной границы, тем больше возможны глобальные инвестиции. То, что я говорил – перемещения роботами и т.д. Дальше уже оценивается стоимость, разумность этого шага, к чему это приведет.
Такая творческая, интересная работа. Есть и операторская работа, есть работа и творческая, интересная.
Абсолютно. На Западе, и, в принципе, у нас тоже, этой работой занимаются, люди постоянно создают "кружки качества". Самый большой объем информации, который может проводить улучшения, идет с рабочего места. Тот же оператор, который перемещает пластины из одной емкости в другую – он кладезь идей для того, чтобы провести улучшения.
То есть, такие рацпредложения, как были в советское время, они у вас востребованы?
"Рацпредложения" — это очень страшное слово, потому что ими анализировалось только несколько параметров – "сделать пятилетку за три года" или сразу шагнуть куда-то там в космос. А здесь именно поступательными движениями, не навредить и т.д. Скорее, "разумные предложения". Потому что слово "рациональные", оно попадает именно в этот треугольник…
В завершении беседы не могу не спросить, как у вас идет сейчас модернизация производства с 0.18 микрон на 90 нанометров? В планы укладываетесь, все нормально?
В этом году уже первые результаты есть, пока мы их не афишируем, сейчас мы ждем подтверждения от ST – от нашего партнера. Мы уже на существующих линейках, на той части оборудования, которую мы поставили, уже сделали образцы 90 нанометров. По нашим планам, это новая "чистая комната" под дополнительное оборудование сейчас уже почти готова, идет монтаж стен – к 20-му числу она уже будет готова для приема оборудования.
Мы еще работаем с иностранными партнерами, там, к сожалению для нашего производства, для нашей страны, у них начинается Christmass-time 24-го. Но мы будем продолжать работать, иностранцы возвращаются раньше, для них Новый Год это не такое событие. И они уже где-то 27-го приезжают сюда, а наши ребята продолжают работать и в Новый Год тоже. Не в сам Новый Год, конечно. Первого, второго, третьего мы, наверное, все-таки не будем рисковать.
Самое главное, что те планы, о которых говорили раньше, что в конце 2010 года будут некие тестовые чипы 90 нанометров — образцы, как вы сказали, они есть, да?
Да. Они есть и их уже можно пощупать. Пока есть определенные параметры, которые надо померить, подтвердить – частоты и т.д.
Но в целом все идет по плану? Это важно, что нет каких-то отставаний, потому что можно молчать, когда все хорошо, а можно молчать, скрывая какие-то проблемы.
Отставания всегда бывают… У нас есть параметры, но нельзя четко изо дня в день делать одну и ту же работу без каких-либо нюансов. Плюс-минус, вариации какие-то есть, но они в пределах плановой вариации. Нет таких срывов работ, которые нельзя бы было компенсировать, нагнать. Или найти какой-то путь, как вот сейчас, например, мы, не дожидаясь запуска всей технологической линейки, сделали все эти образцы, методом активной фотолитографии и т.д.
Но о проценте выхода годных, о серийной технологии пока еще не идет речи.
Да, естественно. Главное, что процесс пошел, как у нас говорил Михаил Сергеевич. Спасибо! У нас был в гостях Сергей Ранчин, начальник кристального производства завода "Микрон". Мы говорили, собственно, о кристальном производстве, о сердце микроэлектроники.
Технологические процессы полупроводникового производства процессоров
1. Введение
2. Кремний – строительный элемент
2.1. Кремний и германий
2.2. Кристаллическая решетка кремния
2.2.1. Несовершенства и дефекты кристаллической решетки
2.2.1.1. Примеси
2.2.1.2. Дефекты
2.2.1.3. Дислокации
2.2.1.3.1. Линейные дислокации
2.2.1.3.2. Винтовые дислокации
2.2.2. Индексы Миллера
3. Технологические процессы производства
3.1. Технологический процесс и топологические нормы
3.2. Технологические процессы получения полупроводниковых пластин
3.2.1. Технологический процесс получения монокристаллического слитка кремния
3.2.2. Абразивные материалы
3.2.2.1. Механическая обработка свободным абразивом
3.2.2.2. Механическая обработка связанным абразивом
3.2.3. Технологический процесс резки монокристаллического слитка на полупроводниковые пластины
3.2.4. Технологический процесс резки полупроводниковых пластин на кристаллы
3.2.5. Качество поверхности полупроводниковых пластин
3.2.6. Технологический процесс обработки полупроводниковых пластин
3.2.6.1. Механическая обработка полупроводниковых пластин
3.2.6.1.1. Шлифовка полупроводниковых пластин
3.2.6.1.2. Полировка полупроводниковых пластин
3.2.6.2. Химическая обработка полупроводниковых пластин
3.2.6.2.1. Виды загрязнений полупроводниковых пластин
3.2.6.2.2. Отмывка полупроводниковых пластин
3.2.6.2.3. Требования к чистоте помещений
Изначально данный материал не планировался, и немалая его часть собиралась по-крупицам достаточно долгое время безо всяких целей. Все, что здесь описано, по-моему мнению, является достаточно важным даже для общего понимания технологических процессов в современном производстве интегральных микросхем. Все те вопросы которые возникали у автора, в итоге вылились в интенсивный поиск ответов на них. Таким образом, чтобы упорядочить почти всю схему производственного цикла и был написан этот материал (2 Часть, возможно, будет также написана). Вся информация собиралась из многочисленных источников, датированных большим временным разбросом, поэтому попрошу этот материал не оценивать слишком строго и не рассматривать его как полную и истинную картину какого-либо производства или фабрики, а воспринимать его как общие принципы. Поэтому я надеюсь, что этот материал будет интересен и полезен всем, кому интересны не только принципы действия различных процессоров, видеочипов и других интегральных микросхем, но и их структура, как и из чего они созданы.
Материал разбит на две большие части, первую – “Кремний – строительный элемент”, рассказывающий о главном исходном материале во всем производстве и вторую, основную – “Технологические процессы производства”, рассказывающей о цикле основных технологических этапов производства микросхем, от получения монокристаллических слитков кремния до завершающих этапов обработки кремниевых подложек (в данном материале – до подготовки подложек).
2. Кремний – строительный элемент
2.1. Кремний и германий
Полупроводниковые материалы по химическому составу можно разделить на две группы: простые и сложные. К простым относятся германий и кремний. В группу сложных полупроводниковых материалов входят химические соединения, обладающие полупроводниковыми свойствами и включающие в себя два, три и более элементов. Практическое применение для изготовления интегральных микросхем нашел только кремний.
Кремний – элемент IV группы периодической системы с атомным номером 14. После кислорода кремний – самый распространенный элемент в природе. Он составляет примерно четверть веса земной коры. Многочисленные соединения кремния (наиболее распространеным является диоксид кремния) входят в большинство горных пород и минералов. Песок и глина, образующие минеральную часть почвы, также представляют собой соединения кремния. Свободный диоксид кремния SiO2 встречается главным образом в виде минерала – кварца. В свободном состоянии кремний в природе не встречается. Кристаллизуется кремний в кубической пространственной решетке типа алмаза. Кристаллический кремний – темно-серое вещество, твердое и хрупкое с металлическим блеском, химически довольно инертное. При комнатной температуре химически устойчив, в воде не растворим. Плотность твердого кремния при комнатной температуре – 2.32 (г/см^3), жидкого (при температуре плавления) – 2.53 (г/см^3). Температура плавления кремния 1420 Градусов по Цельсию, кипит кремний при температуре 2477 Градусов по Цельсию и давлении 10^5 Па. Относительная диэлектрическая проницаемость 11.7, число атомов в 1 см^3 при 298 К равно 4.99*10^22, удельная теплоемкость при 298 К равна 0.75 (Дж/(г*С)), коэффициент теплопроводности 1.2 Вт/(см*С), подвижность электронов при 300 К почти в 3 раза выше подвижности дырок, концентрация собственных носителей 1.5*10^10 см^(-3).
Основными соединениями кремния, которые используются в полупроводниковом производстве, являются диоксид кремния, оксид кремния, тетрахлорид кремния, трихлорсилан и моносилан.
Германий принадлежит к IV группе периодической системы элементов, атомный номер 32, обладает характерным блеском. Температура плавления германия – 937 Градусов по Цельсию, плотность 5.35 (г/см^3) и 5.57 (г/см^3) соответственно, температура кипения германия при 10^5 Па равна 2700 Градусам по Цельсию. Германий тверд и хрупок, его механическая обработка затруднена. Химически устойчив на воздухе при комнатной температуре, не растворим в воде. При нагревании до 1500 Градусов по Цельсию германий не взаимодействует с кварцем (применяется с кварцевыми и графитовыми тиглями).
Содержание германия в земной коре составляет около 0.001%. Германий в ничтожных количествах (0.01 — 0.5%) содержится в цинковых рудах, угольной пыли, золе, саже и морской воде. Германий является рассеянным веществом в силикатах, сульфидных минералах, а также в минералах, представляющих собой сульфосоли. Так, содержание германия в бурых углях составляет до 100 грамм/тонну, около 10 г/т в цинковых рудах, а в иодно-колчеданных – от 1 до 10 г/т. В итоге, добыча германия является сложным технологическим процессом. В результате химической переработки исходного сырья получают тетрахлорид германия, который путем дальнейшего окисления переводят в диоксид германия GeO2 – порошок белого цвета. Диоксид германия затем восстанавливают в среде водорода до элементарного германия, который представляет собой порошок серого цвета и последующей термической обработки является монокристаллический германий в виде стержневидных слитков.
Монокристаллический кремний занимает ведущее место среди других полупроводниковых материалов, так как он обладает рядом преимуществ. Уникальное сочетание подходящей для изготовления микросхем ширины зепрешенной зоны кремния (при 300 K равна 1.11 эВ, с ростом температуры уменьшается), отличные диэлектрические и технологические свойства и стабильность его окисла, большие природные запасы. Кремниевые микросхемы имеют малые обратные токи, работают при повышенных температурах, допускают более высокие удельные нагрузки, могут работать в области электрического пробоя p-n-перехода.
Максимальные рабочие температуры, при которых могут эксплуатироваться микросхемы из того или иного полупроводникового материала, зависят от их ширины запрещенной зоны. Для германия верхний предел рабочих температур равен 80 — 100 Градусам по Цельсию, для кремния 180 – 200 Градусам.
Эксплуатация при низких (отрицательных) температурах зависит от энергии ионизации легирующих примесей полупроводникового материала. В случае с электронной проводимостью при температуре абсолютного нуля у атомов легирующего вещества 5-й электрон, (не участвующий в образовании связи) движется в ослабленном поле с увеличенной орбитой, радиус которой превышает постоянную решетки кристалла. При температуре, отличной от 0 K, этим электронам сообщается энергия (энергия ионизации, равная для кремния 0.04-0.05 эВ), при которой они отрываются от атома легирующего вещества (сходят с этих орбит) и приобретают способность свободно перемещаться в кристалле, превращаясь в электроны проводимости, участвующие в образовании электрического тока. При нагревании кристалла в первую очередь будут возбуждаться именно эти электроны (примесных атомов) и их концентрация будет превосходить концентрацию собственных электронов (кремния, к примеру). При дырочной проводимости собственные электроны кристалла связываются с атомами примеси и теряют способность перемещаться в решетке кристалла, в итоге в проводимости не участвуют. Образованные в валентной зоне дырки (представляющие собой вакансии (незаполненные места) электронов) основного вещества (кристалла) и будут являться носителями заряда. Поэтому при сильном нагревании кристалла полупроводника (нагрев процессора при высокой нагрузке, например) вследствие все большего возбуждения собственных электронов, вступающих в проводимость вместе с примесными и итогового роста тока процессора возрастает и его энергопотребление (для компенсации этого эффекта производители процессоров и системных плат используют специальный механизм drooping (так называемый Vdroop), немного снижающий напряжение процессора под нагрузкой, чтобы он оставался в пределах электрических спецификаций (TDP).
Максимальные рабочие частоты определяются значениями подвижности электронов и дырок, а также диэлектрической проницаемостью материалов, из которых они выполнены.
Прежде чем рассматривать процессы получения монокристаллических слитков кремния и их резку на подложки, необходимо ознакомиться с рядом важных параметров и свойств, свойственных полупроводникам и с происходящими при их росте (росте монокристалла) явлениями. Получение кристаллов с нужными свойствами оказывает большое влияние на получаемые электрические характеристики микросхем, их воспроизводимость, на последующие технологические этапы обработки подложки и в итоге на процент выхода годной продукции.
2.2. Кристаллическая решетка кремния
Все кристаллы можно разделить по степени совершенства решетки на идеальные и реальные, а по составу – на стехиометрические и нестехиометрические.
Идеальные – это такие кристаллы, каждый атом которых находится в положении, характеризуемом минимумом потенциальной энергии, т.е. он расположен упорядоченно как по отношению к ближайшему соседнему атому, так и по отношению к атомам всего объема кристалла.
Стехиометричностью кристалла принято называть пропорциональность весового состава атомным весам в его химической формуле (идеальные кристаллы).
В отличие от идеальных кристаллов в реальных или дефектных кристаллах имеются нарушения кристаллической решетки или химические примеси. Здесь не все атомы решетки упорядоченно расположены по отношению к ближайшим и дальним соседям. Реальные кристаллы по своему составу могут быть стехиометрическими и нестехиометрическими. В реальных кристаллах могут быть такие несовершенства кристаллической решетки, как структурные дефекты, примесные атомы, дислокации. Уже начиная с начального этапа производства — выращивания слитка кремния, его совершенство и несовершенства начинают влиять на воспроизводимость параметров. Все последующие технологические процессы только усилят пагубность несовершенств кристаллической решетки (вплоть до брака). Об этих дефектах речь пойдет чуть позже.
При достаточном сближении частиц между ними возникают силы взаимодействия. Независимо от природы этих сил, общий характер их остается одинаковым – на относительно больших расстояниях возникают силы притяжения, быстро увеличивающиеся с уменьшением расстояния между частицами, на малых расстояниях возникают силы отталкивания, которые с уменьшением расстояния между частицами увеличиваются значительно быстрее, чем силы притяжения.
На определенном расстоянии (r) силы отталкивания уравновешивают силы притяжения и результирующая сила взаимодействия обращается в нуль, а энергия взаимодействия достигает минимального значения. Поэтому состояние частиц, сближенных на расстояние (r) является состоянием устойчивого равновесия, вследствие чего частицы, предоставленные сами себе, должны выстраиваться в строгом порядке на расстоянии (r) друг от друга, образуя тело с правильной внутренней структурой – кристалл. Такая структура будет сохраняться до тех пор, пока энергия связи остается выше энергии теплового движения частиц. Частицы как бы закреплены в положениях равновесия. Единственной доступной для них формой движения является беспорядочное колебание около положений равновесия.
Для описания правильной внутренней структуры кристаллов пользуются понятием кристаллической решетки. Различают трансляционные решетки Бравэ и решетки с базисом.
Решетка, построенная путем параллельного переноса (трансляции) какого-либо узла по трем направлениям, называется трансляционной решеткой или решеткой Бравэ.
Решетку можно представить в виде двух вставленных друг в друга решеток Бравэ, каждая из которых определяется трансляционными векторами. Смещение решеток друг относительно друга описывается дополнительным вектором, называемым базисным. Решетку общего типа называют решеткой с базисом. Ее можно построить с помощью тех же трансляций, что и каждую из составляющих решеток Бравэ, только при этом надо транслировать не один узел, а несколько узлов – базис, задаваемый совокупностью базисных векторов. (Решетка алмаза — решетка с базисом, на рисунке ниже)
Элементарная ячейка представляет собой наименьший объем кристаллического вещества в виде параллелепипеда, перемещая который вдоль трех независимых направлений можно получить весь кристалл. Во всех вершинах ячеек располагаются одинаковые атомы или группы атомов. Поэтому все вершины эквивалентны друг другу. Их называют узлами кристаллической решетки (положения равновесия, относительно которых происходят тепловые колебания частиц).
Для характеристики элементарной ячейки необходимо задать шесть величин: три ребра ячейки a, b, c и три угла между ними. Эти величины называются параметрами элементарной ячейки.
Постоянная решетки определяется как длина элементарной ячейки вдоль одной из осей.
Кристаллографические оси показывают направления кристалла и определяются ребрами элементарной ячейки.
Для достижения более полного выражения симметрии решетки элементарные ячейки строят таким образом, что они содержат частицы не только в вершинах, но и в других точках. Такие ячейки называются сложными. Наиболее распространенные решетки: простая кубическая, объемноцентрированная, гранецентрированная и базоцентрированная.
Существует 14 различных решеток Бравэ, которые в зависимости от степени симметрии делятся на 7 систем симметрии (сингоний): триклинная, моноклинная, ромбическая, тетрагональная, тригональная, гексагональная и кубическая.
Кристаллическая решетка типа алмаза и элементарная ячейка решетки
Кубическая пространственная решетка типа алмаза является наиболее важной, в которой кристаллизуется большинство полупроводниковых материалов (кремний, германий и др.). Основную роль в этой решетке играет наличие тетраэдрических связей – каждый атом имеет четыре ближайших соседей, связанных с ним валентными силами. Решетка типа алмаза представляет собой модификацию гранецентрированной кубической решетки и состоит из двух гранецентрированных решеток, сдвинутых одна относительно другой на 1/4 постоянной решетки.
2.2.1. Несовершенства и дефекты кристаллической решетки
Структуры реальных кристаллов показывают, что их внутреннее строение может существенно отличаться от строения идеальных кристаллов. Реальные кристаллы имеют мозаичную структуру – они построены из блоков правильного строения, расположенных, приблизительно, параллельно друг другу. Размеры блоков колеблются от 10^[-6] до 10^[-8] м, величина углов между ними от нескольких секунд до нескольких минут. Так как кристаллическая решетка в соприкасающихся блоках имеет различную ориентацию, то возникает переходной слой, в котором решетка постепенно переходит от одной ориентации к другой. Поэтому она в этом слое искажена по сравнению с решеткой идеального кристалла.
Еще большему искажению подвергается решетка у границ зерен поликристалла (твердое тело, состоящее из беспорядочно ориентированных монокристаллов.), так как ориентация зерен может отличаться друг от друга на десятки градусов. Границы блоков и зерен являются носителями избыточной свободной энергии, обусловливающей повышенную скорость протекания химических реакций, полиморфных превращений, диффузии и т.д. Они являются также эффективными центрами рассеяния носителей, определяющими значительную долю электрического сопротивления тела, не исчезающего при абсолютном нуле.
2.2.1.1. Примеси
Примеси, всегда и неизбежно присутствующие в твердых телах, являются наиболее важными и распространенными дефектами решетки. В зависимости от природы примесей они могут находиться в кристалле или в растворенном состоянии, или в виде включений. Процесс растворения состоит в том, что примесные атомы внедряются в промежутки между атомами кристалла или замещают часть этих атомов, размещаясь в узлах решетки. В первом случае твердый раствор называется раствором внедрения, во втором случае – раствором замещения. Так как чужеродные атомы по своей физической природе и размерам отличаются от атомов основного кристалла, то их присутствие вызывает искажение решетки кристалла.
Искажение кристаллической решетки в растворах земещения (слева) и в растворах внедрения (справа)
Примеси могут оказывать существенное влияние на химические, оптические, магнитные и механические свойства твердых тел. Технически чистый кремний имеет удельное сопротивление при комнатной температуре порядка 2000 Ом*м, содержание в нем примесей в количестве 10^(-9)% снижает удельное сопротивление до единиц Ом на метр. Технически чистый германий долгое время считался металлом, так как его удельное сопротивление было того же порядка, что и у металлов.
2.2.1.2. Дефекты
Распределение энергии между атомами твердого тела, как и между атомами газа и жидкости, является весьма неравномерным. При любой температуре в кристалле имеются атомы, энергия которых во много раз больше и атомы, энергия которых во много раз меньше среднего значения. Атомы, обладающие в данный момент достаточно высокой энергией, могут не только удалиться на значительное расстояние от положения равновесия, но и преодолеть потенциальный барьер, созданный соседними атомами и перейти в новое окружение, в новую ячейку. Такие атомы приобретают способность как бы “испаряться” из своих узлов и “конденсироваться” во внутренних полостях решетки – в междоузлиях. Этот процесс сопровождается возникновением вакансии и атома в междоузлии (дислоцированного атома). Такого рода дефекты решетки называются дефектами по Френкелю.
Дислоцированные атомы (диффузия происходит путем перехода его из одного междоузлия в другое) и вакансии (путем эстафетного заполнения ее соседними атомами) диффундируют в решетке. Помимо внутреннего испарения возможно полное или частичное испарение атомов с поверхности кристалла. При полном испарении атом покидает поверхность кристалла и переходит в пар, при частичном испарении атом переходит с поверхности в положение над поверхностью. В том и другом случае в поверхностном слое кристалла образуется вакансия. Путем замещения глубже лежащим атомом вакансия втягивается в глубь кристалла и диффундирует по его объему. Этим вакансиям уже нельзя сопоставить дислоцированные атомы, так как их образование не сопровождается одновременным внедрением атомов в междоузлии. Такого рода вакансии называются дефектами по Шоттки.
Такого рода дефекты оказывают большое влияние на многие процессы в кристаллах.
2.2.1.3. Дислокации
Важными несовершенствами решетки являются дислокации. Различают линейные (краевые) и винтовые (спиральные) дислокации.
Дислокации в кристаллах могут возникать в процессе их роста, в результате накопления в решетке вакансий, при протекании в кристалле пластической деформации.
2.2.1.3.1.Линейные дислокации
Предположим, что в кристалле по плоскости ABCD произведен сдвиг в направлении вектора b на участке AHED. Граница HE, отделяющая область AHED, в которой произошло скольжение, от области HBCE, которая не охвачена еще скольжением и представляет собой линейную дислокацию. Вектор b называется вектором сдвига. Он характеризует степень развития скольжения в области AHED.
Незавершенный сдвиг, приводящий к образованию линейной дислокации (а) и расположение атомов в плоскости, перпендикулярной линейной дислокации (б)
Дислокация занимает область, в которой атомы смещены из положений равновесия (ограничена окружностью). На рисунке (б) показано расположение атомов в плоскости, перпендикулярной дислокации. В результате сдвига, произошедшего на участке AHED, в верхней части решетки оказывается на одну атомную плоскость (плоскость 0М) больше, чем в нижней части решетки. Вследствие этого атомный ряд 1, лежащий над плоскостью сдвига, содержит на один атом больше, чем ряд 2, расположенный под этой плоскостью. Поэтому расстояние между атомами верхнего ряда у точки 0 (центр дислокации) будет меньше нормального (решетка сжата), а расстояние между атомами нижнего ряда у точки 0 будет больше нормального (решетка растянута). По мере перемещения от центра дислокации вправо и влево, вверх и вниз искажение решетки постепенно уменьшается и на некотором расстоянии от точки 0 в кристалле восстанавливается нормальное расположение атомов. В направлении же, перпендикулярном плоскости чертежа, дислокация может проходить через весь кристалл или значительную его часть. Таким образом, характерным для линейной дислокации является наличие “лишней” атомной плоскости (экстраплоскость) в части решетки кристалла.
2.2.1.3.2.Винтовые дислокации
Предположим, что в кристалле произведен незавершенный сдвиг в направлении вектора b на площади ABCD, как показано на следующем рисунке.
а – сдвиг, приводящий к образованию винтовой дислокации
б – расположение атомов вокруг винтовой дислокации
в – атомная картина сдвига, приводящего к винтовой дислокации (перемещение атома a к атомам b, c, d, e и т.д.)
AD – граница распространения сдвига. Белыми кружками показаны атомы атомной плоскости, расположенной непосредственно над плоскостью скольжения, черными кружками – атомы атомной плоскости, расположенной под плоскостью скольжения. В недеформированной части кристалла, лежащей левее границы AD, атомы этих плоскостей располагаются друг над другом, поэтому черные кружки совмещены с белыми. В правой части кристалла, где произошел сдвиг на одно атомное расстояние, т.е. в области, лежащей правее EH, атомы плоскостей располагаются также друг над другом. В узкой же полосе AHED атомы верхней плоскости смещены относительно атомов нижней плоскости и тем сильнее, чем дальше они отстоят от границы AD (ось дислокации). Это смещение вызывает локальное искажение решетки – винтовую дислокацию.
2.2.2. Индексы Миллера
Все кристаллические вещества обладают анизотропностью, т.е. свойства кристаллов изменяются в зависимости от кристаллографического направления. Поэтому при использовании кристаллических материалов в различных технологических процессах необходимо задать ориентацию той или иной кристаллографической плоскости. Для задания нужных плоскостей используют индексы Миллера.
Индексы узлов. Положение любого узла решетки относительно выбранного начала координат определяется заданием 3-х координат: x, y, z. Эти координаты выражают так: x=ma, y=nb, z=pc, где a, b, c – параметры решетки; m, n, p – целые числа. Если за единицы измерения длин принять параметры решетки, то координатами узла будут просто числа m, n, p. Эти числа называются индексами узла [[mnp]].
Индексы направления. Для описания направления в кристалле выбирается прямая, проходящая через начало координат. Ее направление определяется индексами [[mnp]] первого узла, через который она проходит. Поэтому индексы узла являются одновременно и индексами направления [mnp]. Индексы направления представляют собой три наименьших числа, характеризующих положение ближайшего узла, лежащего на данном направлении.
Индексы плоскости. Положение плоскости определяется заданием трех отрезков A, B, C, которые она отсекает на осях решетки. Отрезки A, B, C выражают в осевых единицах и записывают величины, обратные этим отрезкам: 1/A, 1/B/, 1/C. Полученные дроби приводят к общему знаменателю (D). Целые числа h=D/A, k=D/B, l=D/C и являются индексами плоскости (hkl).
а – индексы узлов и направлений в решетке
б – индексы основных направлений в кубической решетке
в – индексы основных плоскостей в кубической решетке
3.Технологические процессы производства
Вот мы и подошли к самому интересному, к технологическим процессам производства. Многое, что было изложено выше, будет часто встречаться по ходу изложения материала, поэтому те, кто поленился хотя бы бегло прочитать малокартиночный 2 рункт – разворачивайтесь, пригодится.
3.1.Технологический процесс и топологические нормы
Производственный процесс – совокупность действий рабочих и орудий производства, в результате которых исходные материалы, полуфабрикаты и компоненты превращаются в готовую продукцию, соответствующую своему назначению.
Технологический процесс (маршрут, техпроцесс) – часть производственного процесса, непосредственного связанная с последовательным изменением состояния предмета труда с превращением его в готовую продукцию.
Применительно к данной тематике – последовательность технологических операций обработки полупроводниковых пластин, применяемых для изготовления данного типа микросхем.
Процесс формирования микросхемы состоит из большого числа различных по своей физико-химической природе операций. Все операции необходимы, чтобы обеспечить создание прецизионных по составу и геометрическим размерам областей в кремнии, на основе которых формируются отдельные элементы, а также диэлектрических и металлических пленок, используемых для объединения отдельных элементов в микросхему. Все операции технологического процесса сильно связаны между собой. Большинство технологических операций многократно повторяются в общем цикле (в совокупности около 1500 раз), поэтому весь процесс получения сложных микросхем весьма продолжительный.
Основными факторами, влияющими на результаты производственного процесса (выход годных микросхем, уровень их рабочих характеристик) являются суммарная плотность дефектов, приходящихся на единицу поверхности пластины (подложки) в процессе проведения всех технологических операций и количество фотолитографических операций (как самых ответственных). Для большинства производственных процессов плотность дефектов примерно одинакова, так как полупроводниковые пластины во многих случаях закупаются производителями микросхем у сторонних фабрик, производящих их с регламентированными стандартами (в том числе и количеством дефектов). Поэтому определяющим фактором результатов технологического процесса является фотолитография (несколько десятков операций фотолитографии).
Достаточно часто при чтении обзоров про разгон различных процессоров (в основном) многим приходится слышать о воспроизводимости результатов одинаковых образцов – в основном итоговые результаты имеют весьма малый разброс (одного степпинга и при не столь большом разбросе во временном промежутке (дате производства) в отлаженности технологического процесса), но все же его имеют. Отчего это происходит? В связи с очень высокой сложностью технологических маршрутов в процессе производства микросхемы подвергаются воздействию чрезвычайно большого числа факторов (сотни), причем степень их влияния различна, а совместное действие приводит к разбросу электрофизических параметров.
Для осуществления полного технологического маршрута производства определенного конструктивно-технологического исполнения микросхем выпускаются комплекты оборудования (производители: Applied Materials, ASML, Tokyo Electron, KLA-Tencor, Nikon, Canon, Hitachi и другие), в которые входят технологические установки, приборы и устройства, обеспечивающие все без исключения группы технологических процессов (программно-управляемое технологическое оборудование, роботы и роботехнические системы и др.). Фабрики, оснащенные таким оборудование, являются очень гибкими, имеющими возможность переналаживаться, перестраиваться для производства различных, но однородных по свойствам и назначению изделий.
Дефекты при фотолитографии крайне опасны и сильно влияют на процент годных микросхем, но в тех случаях, когда итоговые (получившиеся) размеры части логики (тополигии) схемы меньше минимального, принятого в качестве стандартной нормы (топологические нормы) при проектировании элементов микросхемы, могут вызвать выход ее из строя под нагрузкой.
Так как в данном материале рассматривается лишь вопрос получения полупроводниковых подложек, не будут рассматриваться процессы фотолитографии и наращивания слоев из-за своей обширности и сложности и, возможно, являются темой для еще одной статьи. Но вкратце рассказать или дать определения, что такое структура, топология микросхемы и ее топологические нормы, думаю, необходимо.
Фотолитография – процесс образования на поверхности подложки с помощью светочувствительных материалов (фоторезист) локальных защитных участков пленки (микроизображение), рельеф которых повторяет рисунок топологии микросхемы и последующего переноса этого микроизображения на подложку. Фотолитография является основным технологическим процессом при производстве микросхем.
Конструкция полупроводниковой микросхемы полностью определяется ее физической структурой – совокупностью слоев в кристалле, отличающихся материалом и электрофизическими свойствами.
Топология микросхемы – форма, размеры, относительное расположение отдельных областей и характер межсоединений по поверхности кристалла.
Если посмотреть на этот кристалл сверху (в плане), это и будет топологией. А вид поперечного сечения кристалла – структурой.
Кому интересно, могут перейти по ссылкам и ознакомиться вкратце с общим циклом производства процессоров.
Как изготавливаются процессоры Intel: история в картинках
Производство современных процессоров. Технологический экскурс
Когда в процессе фотолитографии облучаются не защищенные участки слоя фоторезиста, после его частичного стравливания с подложки образуется рисунок с определенными линейными размерами участков элементов. Величина этих размеров определяется топологической нормой – областью минимально воспроизводимого (без смыканий и других дефектов) планарного размера (например, 45 нм).
Эти нормы определяются разрешающей способностью литографического проекционного оборудования, с помощью которого и происходит облучение фоторезиста нужным рисунком. Таким образом, размеры определяются полученными размерами в слое фоторезиста, которые далее будут перенесены в подложку. Разрешающая способность фоторезиста определяется числом линий равной толщины, которые могут быть получены без слияния на какой-то определенной величине площади поверхности (1 мм). Размеры таких линий определяются топологическими нормами. Поэтому, такие понятия, как технологический процесс и технологические (топологические, производственные) нормы различны.
3.2.Технологические процессы получения полупроводниковых пластин
Итак, теперь мы рассмотрим, как же превращается “обычный” кремний в столь блестящие полупроводниковые подложки, на которых и будут размещены миллиарды транзисторов.
3.2.1.Технологический процесс получения монокристаллического слитка кремния
Для начала выясним, что такое монокристаллы и поликристаллы.
Кристаллические тела могут быть монокристаллическими и поликристаллическими.
Монокристалл – отдельный однородный кристалл, имеющий во всем объеме единую кристаллическую решетку и зависимость физических свойств от направления (анизотропия).
К монокристаллам относятся природные кристаллы – кварц, алмаз, турмалин.
Поликристалл – твердое тело, состоящее из беспорядочно ориентированных монокристаллов.
Для изготовления микросхем требуются полупроводниковые материалы в виде пластин, вырезанных из монокристаллических слитков, имеющих форму стержня круглого сечения, получаемые путем вытягивания из расплавов с помощью затравки. Рассмотрим, как это происходит.
Производство начинают с нагревания необожженного поликристаллического кремния до 1420 Градусов по Цельсию в специальной герметичной печи, очищенной от воздуха инертным газом – аргоном.
Затем получившийся расплавленный кремний раскручивается в тигле, а затравочный кристалл кремния, размером и формой напоминающий карандаш, охлаждаемый холодильником, погружается в него, вращаясь в противоположном направлении.
Кремний устойчив на воздухе при нагревании его до 900 Градусов по Цельсию, выше этой температуры кремний начинает интенсивно окисляться с образованием диоксида кремния. Расплавленный кремний обладает высокой химической активностью, поэтому подбор для него контейнерного и тигельного материалов вызывает определенные трудности. Наиболее чистые материалы, из которых изготовляют тигли (кварц и графит), при высоких температурах взаимодействуют с кремнием.
Пока расплавленный монокристаллический кремний остывает, затравочный кристалл медленно извлекают, увлекая за собой монокристалл полупроводникового материала. Растет монокристалл на затравке со скоростью до 80 мм/ч. Расплав смачивает затравку и удерживается на ней силами поверхностного натяжения. В результате получается сплошной кремниевый кристалл нужной длины и диаметром (в настоящее время) 300 мм. Отсутствие прямого контакта растущего монокристалла с тиглем и возможность изменения его геометрической формы позволяют получать практически бездислокационные монокристаллы.
Кремний легируют акцепторными или донорными примесями до определенного заданного уровня для управления его свойствами — создания электронного или дырочного типа электропроводности. Например, для получения кремния с электропроводностью n-типа (электронная) его легируют фосфором, мышьяком, сурьмой, для получения электропроводности p-типа (дырочная) легируют бором, алюминием. Плотность дислокаций для всех групп кремния различна и лежит в пределах от 10^2 до 10^4 см^(-2). Разброс удельного сопротивления не превышает 35% по объему слитка и 20% по торцу слитка. Содержание кислорода в монокристаллическом кремнии в зависимости от электропроводности (n/p-типа) не превышает единиц 10^17 (ат/см^3 или см^(-3)).
Монокристалл после охлаждения калибруют по диаметру до заданного размера (300 мм) с точностью +/- 1 мм. Затем проводится травление его поверхности на глубину 0.3 — 0.5 мм и ориентация по заданному кристаллографическому направлению (для кремния обычно по оси [111] и [100]), чтобы получить после резки пластины, ориентированные строго в заданной плоскости. Правильная ориентация пластин обеспечивает высокую воспроизводимость электрофизических параметров создаваемых на пластине микросхем.
После химического и рентгеноскопического анализа для проверки степени его чистоты и молекулярной ориентации он загружается в установку для резки кремния на пластины (подложки).
3.2.2. Абразивные материалы
Для механической обработки полупроводниковых материалов не могут быть использованы обычные токарные, фрезерные, строгальные и сверлильные станки. Это связано с высокой хрупкостью полупроводниковых материалов. Поэтому основным способом их механической обработки является обработка с использованием абразивов как в связанном состоянии (алмазные диски и шлифовальники), так и в свободном (абразивные суспензии и алмазные пасты).
Абразивным может быть любой природный или искусственный материал, зерна которого обладают определенными свойствами: твердостью, абразивной способностью, механической и химической стойкостью. Главной особенностью абразивных материалов является их высокая твердость по сравнению с другими материалами. На использовании различия в твердости полупроводниковых и абразивных материалов построены все процессы механической обработки полупроводниковых материалов.
Под твердостью понимают способность абразивного материала сопротивляться вдавливанию в него другого материала, не получая остаточных деформаций. По шкале Мооса самому твердому материалу, алмазу, соответствует 10-й класс, корунду – 9-й, топазу – 8-й, кварцу – 7-й и т.д.
Под абразивной способностью понимают возможность с помощью одного материала обрабатывать другой или группу различных материалов. Абразивная способность алмаза – 1, карбида бора – 0.6, карбида кремния – 0.5, монокорунд – 0.25, электрокорунд – 0.15 и т.д.
Под механической стойкостью понимают способность абразивного материала выдерживать механические нагрузки и не разрушаться при механической обработке полупроводниковых материалов.
Под химической стойкостью понимают способность абразивных материалов не изменять своих механических свойств в растворах щелочей, кислот, воде и органических растворителях.
В производстве применяют следующие виды основных абразивных материалов: алмаз (самый твердый из известных минералов, его микротвердость 9.8*10^10 (Н/м^2), используются искусственные алмазы, полученные из графита, обработанного под большим давлением и при высокой температуре), карбид кремния (химическое соединение кремния с углеродом, твердость по шкале Мооса 9.2, микротвердость – 3.4*10^10 (Н/м^2)), карбид бора (химическое соединение бора с углеродом, твердость равна 9.7, микротвердость – 4.8*10^10 (Н/м^2)), электрокорунд (кристаллический оксид алюминия, микротвердость (1.8-2.4)*10^10 (Н/м^2), твердость – 9), оксид хрома (порошок, получаемый восстановлением двухромовокислого аммония серой) и аэросил (чистый диоксид кремния).
Все абразивные материалы отличаются размером зерен и подразделяются на четыре группы: шлифзерно, шлифпорошки, микропорошки, тонкие микропорошки.
Физическая сущность механизма разрушения хрупкого полупроводникового материала при обработке свободным абразивом заключается в следующем. Частицы абразивного материала, вдавливаясь в поверхность обрабатываемого полупроводникового материала, вызывают образование в ней микротрещин. Эти микротрещины в процессе обработки увеличиваются и распространяются вглубь от поверхности. Дальнейшая обработка приводит к созданию сети трещин, которые, смыкаясь, вызывают сколы отдельных участков полупроводникового материала. Отколовшиеся части удаляют с поверхности исходного образца. Таким образом происходит послойное удаление материала и осуществляется механическая обработка исходного образца.
Зарождение микротрещин при абразивной обработке происходит в местах скопления дислокаций и других дефектов кристаллической решетки. Особое значение имеют краевые (линейные) дислокации. В месте расположения краевой дислокации наиболее вероятно возникновение микротрещин.
Обработка полупроводниковых материалов свободным абразивом проводится с использованием различных абразивных суспензий, составной частью которых яляется жидкость. Наличие жидкости способствует процессу механической обработки полупроводниковых материалов, так как абразивный порошок находится в жидкости во взвешенном состоянии и равномерно распределяется в ней.
Наличие жидкости при обработке дает возможность более равномерного распределения абразивных зерен по всей обрабатываемой поверхности исходного образца. Жидкость переносит новую порцию абразивных зерен, поступающих из дозатора и выносит из зоны обработки разрушенные частицы обрабатываемого материала. Смоченные абразивной суспензией обрабатываемые поверхности не подвергаются перегреву, который может привести к ухудшению качества механической обработки. Если жидкость вляется не чистая вода, а щелочные или кислотные растворы, то такая жидкость при абразивной обработке оказывает химическое воздействие на обрабатываемый материал. Кроме того, жидкость способна проникать в имеющиеся на поверхности полупроводникового материала микротрещины и способствовать откалыванию от его поверхности отдельных частиц за счет расклинивающего действия сил поверхностного натяжения (поглощение влаги различными материалами связано с тем, что межмолекулярные промежутки в материалах в сотни раз превосходят размеры молекул воды (около 3*10^(-10) м) и способность воды смачивать поверхность и проникать в поры материалов и микротрещины в зоне спаев разнородных материалов увеличивается с повышением температуры, при ее повышении от +20 до +80 Градусов вязкость воды уменьшается в 3 раза, величина поверхностного натяжения более чем в 2 раза, коэффициент самодиффузии при этом также увеличивается более чем в 2 раза).
Физическая сущность процесса механической обработки связанным абразивом несколько отличается от обработки свободным абразивом. При обработке связанным абразивом к разрушению под действием нормальной силы, направленной перпендикулярно поверхности (случай обработки свободным абразивом), добавляется разрушение обрабатываемого материала за счет срезания микровыступов поверхности закрепленным зерном абразива под действием сдвигающей силы, направленной вдоль поверхности пластины.
При обработке свободным абразивом ударное усилие направлено внутрь обрабатываемого полупроводникового материала и абразивные зерна вызывают сильное разрушение поверхностного слоя. При обработке связанным абразивом основная часть усилий направлена не внутрь образца, а вдоль его поверхности, что вызывает меньшую глубину разрушения исходного материала при той же толщине удаленного слоя. Жидкость при обработке связанным абразивом используется лишь для охлаждения режущего инструмента и обрабатываемого полупроводникового метариала.
3.2.3. Технологический процесс резки монокристаллического слитка на полупроводниковые пластины
Процесс включает в себя разрезание монокристаллического слитка на тонкие (около миллиметра) плоскопараллельные пластины.
Рассмотрим два способа резки слитка на пластины: резка диском с алмазной внутренней кромкой и резку проволокой с применением абразива.
Сущность метода резки алмазным диском с внутренней режущей кромкой состоит в следующем. На шпиндель станка крепят алмазный диск и с помощью специальных растягивающих болтов регулируют его радиальное натяжение. Внутрь полого шпинделя помещают держатель с приклеенным к нему полупроводниковым слитком. Перед началом весь слиток находится внутри шпинделя, а торцовая его часть немного выступает за кромку плоскости алмазного диска. При включении станка шпиндель с закрепленным на нем алмазным диском (его стойкость зависит от режимов резки, рода обрабатываемого материала и качества крепления диска на шпинделе – натяжение, биение, вибрация) начинает вращаться. Если держатель со слитком перемещать в горизонтальном (или вертикальном) направлении, то в определенный момент слиток коснется своей боковой поверхностью кромки алмазного диска и начинается процесс резки. При полном отрезании пластины от слитка держатель отводится в исходное первоначальное положение и выдвигается из шпинделя на длину, равную толщине отрезаемой пластины. После этого процесс повторяется.
Каждое алмазное зерно, закрепленное на кромке металлического диска, представляет собой микрорезец, который скалывает микрочастицы с обрабатываемой поверхности полупроводникового материала. Процесс резания идет при большой частоте вращения шпинделя (3000 — 5000 об/мин). При частотах вращения менее 3000 об/мин производительность процесса резки резко снижается, при частотах более 5000 об/мин возрастают вибрации станка, которые вызывают биение диска, что приводит к снижению чистоты обработки поверхности пластин и резкому увеличению расхода полупроводникового материала. При резке происходит выделение большого количества теплоты в месте соприкосновения алмазной кромки диска с поверхностью полупроводникового материала. Поэтому в течение всего процесса резки в область контакта диск-слиток непрерывно подают охлаждающую жидкость.
1 – шпиндель
2 – диск с алмазной кромкой
3 – слиток
4 – держатель слитка
5 – отрезанная пластина
6 — сборник
Режим резки выбирают, исходя из конкретных условий: вида полупроводникового материала, диаметра, толщины отрезаемой пластины, требований по классу и чистоте обработки, точности геометрических размеров и требований по плоскостности и плоскопараллельности пластины. На процесс резки существенное влияние оказывает скорость подачи слитка (сила прижатия к алмазному диску). При малых скоростях подачи слитка производительность резки слишком мала. С увеличением скорости подачи производительность повышается, а точность обработки снижается за счет прогибания диска. Отрезаемая пластина будет иметь искривленную поверхность. При малой толщине пластины это может привести к ее разлому в процессе резки (более низкая скорость подачи для тонких и более высокая – для толстых пластин). На скорость подачи существенное влияние оказывает твердость обрабатываемого материала.
Качество процесса резки в сильной степени зависит от применяемой охлаждающей жидкости и ее расхода (2-4 л/мин). Процесс изнашивания рабочей поверхности алмазного диска характеризуется тремя периодами: выкрашивание из связки отдельных непрочно закрепленных алмазных зерен; округление вершин и расщепление алмазных зерен, а также частичное скалывание отдельных зерен по плоскости спайности; увеличение усталостных явлений в основе диска, зерне, связке. Тепловые явления, возникающие при резке слитка на пластины, оказывают существенное влияние на качество резки – увеличивается толщина нарушенного слоя, создаются остаточные напряжения и микронеровности, структурные изменения поверхности полупроводникового материала и алмазного диска.
Резка проволокой с применением абразива имеет две разновидности. В одном случае проволока наматывается на ролики, укрепленные на специальной вилке, которая приводится в возвратно-поступательное движение кривошипно-шатунным механизмом. Проволока, совершая возвратно-поступательное движение с вилкой, медленно перематывается. Перемотка необходима для равномерного износа проволоки по всей рабочей длине.
В другом случае резка происходит по принципу перемотки проволоки с одного ролика на другой с большой скоростью. Разрезаемый слиток подводят к движущейся проволоке до соприкосновения и устанавливают определенную скорость подачи слитка. В процессе перемотки происходит резка пластин на кристаллы.
На проволоку непрерывно подается абразивная суспензия. Взаимодействие абразивных зерен с полупроводниковым материалом приводит к появлению микротрещин и выколок в последнем и послойному удалению обрабатываемого материала.
При малых скоростях подачи полупроводникового материала происходит незначительное его разрушение. Для резки полупроводниковых слитков обычно используют проволоку из вольфрама, стали, никеля, нихрома. Диаметр проволоки 0.05 — 0.15 мм, ширина реза равна 0.08 — 0.2 мм.
3.2.4.Технологический процесс резки полупроводниковых пластин на кристаллы
Эта операция, хотя и размещена сразу за процессом резки слитка на полупроводниковые пластины, в общем цикле обработки пластин она проводится на последнем этапе, непосредственно перед процессом сборки.
Способов резки слитка на кристаллы достаточно много (резка алмазным диском с внешней режущей кромкой, резка проволокой с применением абразива, резка с использованием ультразвуковых установок, алмазное скрайбирование с последующим разламыванием, лазерное скрайбирование с последующим разламыванием, электронно-лучевое с последующим разламыванием). Использование каждого из способов резки пластин на кристаллы диктуется требованиями к конкретному типу микросхем и технологии его изготовления.
Резка алмазным диском с внешней режущей кромкой несколько отличается от рассмотренной резки слитка на пластины. Отличие состоит в конструкции алмазного диска (для резки кремниевых пластин обычно применяют резцы с алмазным наконечником, имеющим форму четырехгранной пирамиды с острой вершиной), у которого режущая алмазная кромка нанесена на его периферийную часть. Конструкция такого диска не может быть использована для резки слитка на пластины из-за малой жесткости конструкции, не позволяющей получать глубокие резы без нарушения качества обработки. Однако для разрезания пластин на кристаллы, когда глубина реза не превышает 1 мм, успешно используют алмазные диски с внешней режущей кромкой. Иногда используют не единичные диски, а наборы дисков с расстоянием между ними, равным размеру отрезаемого кристалла. Толщину диска выбирают равной 0.1 мм (100 мкм) и, соответственно, итоговая ширина реза равна 0.2 мм. Разброс кристаллов по геометрическим размерам не превышает +/- 0.03 мм (30 мкм). При резке слитка на кристаллы при помощи проволоки ширина реза меньше 0.1 мм.
Алмазное скрайбирование заключается в том, что на поверхности полупроводниковой пластины алмазным резцом наносят риски (шириной 10 – 20 мкм, глубиной 5 – 10 мкм, нагрузка на резце 1.2 – 1.4 Н) в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Вокруг нанесенной риски на поверхности пластины возникают механически напряжения, ослабляющие материал в локальных областях. При приложении к пластине изгибающего усилия она разламывается вдоль нанесенных рисок. Устройство для разламывания состоит из линзы со сферической поверхностью и резиновой мембраны. Пластину располагают на резиновой мембране рисками вниз, а сверху к пластине подводят сферическую поверхность линзы. При определенном давлении воздуха на резиновую мембрану происходит прижатие пластины к сферической поверхности линзы и разламывание пластины на кристаллы квадратной формы (для различных размеров кристаллов требуется определенной кривизны линзы).
Электронно-лучевое скрайбирование проводят остросфокусированным электронным лучом. Электронный луч, обладая достаточной энергией, производит микрорасплавление локального участка поверхности пластины. Процесс нагрева и охлаждения локальных областей (бороздок) пластины происходит в течение короткого промежутка времени, что вызывает возникновение термомеханических напряжений в области созданных электронным лучом бороздок. При последующем приложении к пластине изгибающего усилия пластина раскалывается на кристаллы. Либо при достаточной мощности луча проводят сквозную резку пластины за счет расплавления и последующего испарения локальной области пластины.
При лазерном скрайбировании резка на поверхности пластины образуется не механическим, а электрофизическим способом путем нагрева и испарения узкой полосы пластины (25 – 40 мкм). Данный метод позволяет проводить резку и скрайбирование пластин с любым покрытием и на любую глубину.
Размеры риски, зона термического влияния лазерного луча определяются скоростью перемещения пластины относительно лазерного луча, мощностью, частотой и длительностью импульса лазерного излучения, размером сфокусированного луча.
Резка пластины на кристаллы осуществляется по специальным разделительным дорожкам между топологией каждого кристалла (полосы яркого свечения). Износ резца диска возрастает при резке диоксида кремния и других защитных слоев, поэтому предусматривают эту дорожку, максимально свободную от таких пленок.
3.2.5.Качество поверхности полупроводниковых пластин
Полученные после разрезания слитка полупроводниковые пластины (подложки) обладают рядом нарушений, к которым относятся наличие механически нарушенного слоя, неплоскостность и неплоскопараллельность сторон, изгиб и большой разброс по толщине. Глубина механически нарушенного слоя является основной характеристикой качества обработки полупроводниковых пластин. Этот слой распространяется от обработанной поверхности в глубь объема полупроводникового материала. Наибольшая глубина залегания нарушенного слоя образуется при резке слитка на пластины, процессы шлифовки и полировки приводят к уменьшению глубины залегания этого слоя.
Качество поверхности полупроводниковых пластин оценивается с геометрической и физической точек зрения. С геометрической точки зрения качество определяется неровностями, выступами и впадинами реальной поверхности, с физической – отклонением свойств верхних слоев материала от свойств материала сердцевины. Если рассматривать реальную необработанную подложку в разрезе, то можно выделить рельефный слой, который определяет геометрические отклонения от идеального поверхностного слоя; трещиноватый слой, в котором нарушена целостность поверхности; пластически деформированный слой; напряженный, упругодеформированный слой.
H – высота дефектного слоя, величина его определяется способом обработки. Чем грубее обработка, тем дефектный слой больше. К причинам появления дефектного слоя следует отнести упругие, пластические деформации и деформации разрушения, которые имеют место в процессе обработки, нагрев поверхностного слоя, химические явления, которые имеют место в зоне обработки: окисление, образование других химических соединений.
Макронеровности – единичные, неповторяющиеся отклонения поверхности (конусность, непараллельность, овальность). Волнистость – периодически повторяющиеся выступы и впадины на поверхности. Микронеровности – выступы и впадины на небольших участках поверхности.
Слой материала, подлежащего удалению в процессе последующей обработки пластины называется припуском (равным H) на обработку. Минимальное значение припуска должно обеспечивать удаление микронеровностей и дефектного слоя, получаемого при предшествующей обработке. В процессе обработки полупроводниковой подложки для получения нужного качества поверхности (чистоты) припуск удаляется не сразу, а постепенно – в несколько этапов. При этом предварительный припуск должен быть как можно большим, чтобы удалить дефектный слой H, но после предварительной обработки появляется новый дефектный слой, только меньшего размера.
3.2.6.Технологический процесс обработки полупроводниковых пластин
Отрезанные полупроводниковые пластины загружают в установки для шлифовки и полировки.
3.2.6.1.Механическая обработка полупроводниковых пластин
3.2.6.1.1.Шлифовка полупроводниковых пластин
Для получения хороших результатов шлифовку проводят в чистых, свободных от пыли помещениях и под защитными кожухами с избыточным давлением воздуха, все установки для проведения процессов шлифовки разделены по виду обработки и типу используемого абразива, а все материалы (шлифовальники, абразивные порошки) рассортированы и хранятся в отдельных герметичных скафандрах.
Под процессом шлифовки понимают обработку полупроводниковых пластин на твердых доводочных дисках-шлифовальниках абразивными микропорошками. Шлифовальники обычно изготовляют из чугуна, стекла, стали, меди или латуни. Зернистость микропорошков для шлифования пластин выбирают от нескольких микрон до менее 0.1 микрона.
По технологическим признакам шлифовку подразделяют на предварительную (с более крупным порошком) и окончательную (с более мелким порошком), по конструктивным признакам – на одностороннюю и двустороннюю, по виду используемого материала – на шлифовку свободным и связанным абразивом.
Цель предварительной шлифовки – быстро выровнять плоскости пластин и удалить припуск. Режимы проведения этого процесса отличаются более высокими частотой вращения шлифовальников и давлениями абразивного микропорошка на поверхность пластины. Окончательная шлифовка характеризуется более мягкими режимами обработки. Целью окончательной шлифовки является дальнейшее улучшение геометрических параметров и качества поверхности обрабатываемых пластин.
При шлифовке полупроводниковые пластины располагают так, чтобы они соприкасались с поверхностью шлифовальника. При вращении шлифовальника поверхность шлифовальника и пластин плотно прилегают друг к другу. В зону шлифования подают абразивную суспензию, что создает определенное давление, которое приводит к выкалыванию микрочастиц полупроводникового материала. Шлифованная поверхность обрабатываемых пластин имеет матовую фактуру и состоит из большого числа кратерообразных выколок. Размеры этих выколок находятся в прямой зависимости от размера зерен абразива, давления на них шлифовальника и скорости шлифовки.
Шлифовку свободным абразивом выполняют с использованием различных суспензий и паст. В процессе обработки зерна абразива находятся в свободном состоянии, т.е. не связаны жестко друг с другом. Абразивная суспензия создает тонкую прослойку между шлифовальником и обрабатываемой пластиной, в которой абразивные зерна свободно перетекаются. Шлифовка связанным абразивом существенно отличается как по физическому принципу удаления материала в процессе обработки, так и по кинематике процесса. Шлифовку связанным абразивом выполняют на станках с жесткими осями, особенностью которых является неизменность положения осей вращения шлифовальника и обрабатывамых пластин. Конструкция шлифовального круга представляет собой металлический диск с нанесенным на его поверхность алмазным слоем. Алмазные зерна прочно соединены с поверхностью шлифовального диска специальной крепящей связкой.
Шпиндель шлифовального круга, вращаясь с частотой 15000 – 18000 об/мин, приходит в контакт с поверхностью пластин. Алмазные зерна шлифовальника, ударяясь с высокой скоростью о пластины, снимают с поверхности полупроводникового материала микростружку. Обработанная этим способом полупроводниковая пластина имеет специфический рисунок поверхности, который предстваляет собой сетку из множества пересекающихся рисок. Процесс шлифовки свзанным абразивом характеризуется выделением большого количества теплоты. Поэтому для предотвращения перегрева шлифовальника и пластин в зону шлифования подают охлаждающую жидкость. Точность обработки связанным абразивом зависит в первую очередь от настройки станка и жесткости крепления его элементов. Погрешности геометрических размеров и форм обрабатываемых пластин возникают вследствие непараллельности осей шпинделя шлифовального круга и предметной головки станка (где размещают подложки).
3.2.6.1.2.Полировка полупроводниковых пластин
Для улучшения качества обработки поверхности полупроводниковых пластин и уменьшения глубины механически нарушенного слоя проводят процесс полировки. Процесс полировки отличается от процесса шлифовки технологическим режимом, размером зерна и видом абразива, а также материалом полировальщика. Обработка происходит с использованием свободного абразива. Процесс полировки проводят на мягких полировальниках, которые представляеют собой жесткие диски, обтянутые мягким материалом. В качестве абразива используют микропорошки синтетического алмаза, оксида алюминия, оксида хрома, диоксида кремния. Полировочный материал должен удерживать частицы абразивного материала в процессе обработки пластин.
Процесс полировки пластин может происходить в несколько этапов. Для начала применяют микропорошки с более крупной зернистостью. На последующих этапах, после проведения операции очищения от следов предыдущей обработки, меняют материал полировальника и используют более мелкие микропорошки. Нагрузка на полупроводниковые пластины несколько увеличивается. Водная суспензия в течение всего процесса полировки тщательно перемешивается. Последний этап полировки имеет большое значение. Он дает возможность удалить фон частиц с поверхности пластин, возникающий на первых этапах полировки и значительно уменьшить глубину механически нарушенного слоя.
Так же могут применяться химико-механические способы полировки, которые отличаются высокой химической активностью по отношению к обрабатываемому полупроводниковому материалу.
3.2.6.2.Химическая обработка полупроводниковых пластин
Получение чистой поверхности полупроводниковых подложек связано с требованием недопустимости каких-либо загрязнений поверхности пластин, так как электрические параметры микросхем существенно зависят от степени совершенства поверхности, качества обработки и геометрической формы обработанных пластин и эти несовершенства неблагоприятно сказываются на последующих технологических процессах, создающих в подложке топологию будущей микросхемы. Несовершенства кристаллической решетки приповерхностного слоя пластины, образовавшегося после шлифовки и полировки с использованием абразивных микропорошков, все еще сохраняются (с близкой к идеальной поверхностью), поскольку все предыдущие технологические операции основываются на механической обработке поверхности пластин. Удаление с поверхности подложки остаточного механически нарушенного слоя необходимо для получения атомарно совершенной структуры поверхностного слоя, поэтому следующим технологическим процессом является химическая обработка пластин.
Но прежде чем рассматривать этот завершающий этап в общем цикле подготовки подложек, рассмотрим, какие виды загрязнений могут образоваться на полупроводниковых подложках вследствие механической обработки, а также за счет адсорбции различных веществ из технологических сред, рассмотрим весьма ответственный процесс отмывки подложек и требования, предъявляемые к чистоте производственных помещений ввиду того, что химическая обработка не допускает каких-либо видов загрязнений.
3.2.6.2.1.Виды загрязнений полупроводниковых пластин
Все виды загрязнений можно классифицировать по двум признакам: их физико-химическим свойствам (органические, неорганические, солевые, ионные, механические и др.) и характеру их взаимодействия (физически и химически адсорбированные) с полупроводниковыми материалами, на которых они находятся.
К физически адсорбированным загрязнениям относятся все виды механических частиц (пыль, волокна, абразив, металлические включения), а также все виды органических материалов, связанные с поверхностью подложки силами физической адсорбции. Удаление органических (полярные (синтетические вещества, смолы), неполярные (минеральные масла, вазелин, нефтяные парафины, воск)) загрязнений требует более сложного процесса отмывки, так как при нагревании они разлагаются и выделяют газообразные вещества (кислород, оксид и диоксид углерода, пары воды и др.), ухудшающие последующие технологические процессы.
К химически адсорбированным загрязнениям относятся различные виды оксидных и сульфидных пленок на поверхности пластин, катионы и анионы химических веществ. Таким образом, для полной очистки подложки от загрязнений используют ряд последовательных операций, каждая из которых удаляет несколько видов загрязнений, а какие это операции – рассмотрим далее.
3.2.6.2.2.Отмывка полупроводниковых пластин
На всем протяжении процесса создания необходимых слоев на поверхности подложки, последняя регулярно проходит очистку от продуктов зевершенных последовательных технологических операций, чтобы можно было приступить к следующим. Эта операция состоит из двух этапов – обезжиривание подложек в органических растворителях и промывка в особо чистой воде.
Обезжиривание подложек проводят для удаления органических физических загрязнений. Для отмывки подложек часто используют различные смеси растворителей, которые позволяют проводить отмывку полярных и неполярных органических загрязнений. Например, фреон-хлористый метилен, фреон-изопропиловый спирт, фреон-ацетон и др. Процесс обезжиривания в органических растворителях в сильной степени зависит от режима его проведения (температуры, длительности и скорости смены отработанного растворителя). Часто для интенсификации процесса и улучшения качества применяют ультразвуковые ванны.
Полупроводниковые пластины загружают в кассеты, которые последовательно опускают в несколько ванн с растворителем или смесью растворителей. Происходит удаление наиболее грубых жировых загрязнений, снимаются оставшиеся при первой обработке участки жировых покрытий и окончательная отмывка подложек. Весьма эффективным методом является обработка пластин в парах кипящих расворителей – пары растворителя более эффективно взаимодействуют с загрязнениями и растворяют их.
В процессе обезжиривания происходит взаимодействие расворителя с различными видами загрязнений и в результате десорбции молекулы этих загрязнений переходят с поверхности полупроводниковой подложки в приповерхностный слой растворителя, а молекулы растворителя оседают на поверхности подложки. Происходит замещение адсорбированных молекул загрязнений молекулами растворителя. Таким образом, в процессе обезжиривания на поверхности подложки создаются слои растворителя, которые необходимо удалить. Остатки расворителя и частиц продуктов удаляют промывкой в особо чистой (деионизованной, удельное сопротивление которой 1-20 МОм*см (идеально чистой воды равно 25 МОм)) воде.
3.2.6.2.3.Требования к чистоте помещений
На протяжении всего технологического процесса обрабатываемые пластины находятся в контакте с той или иной средой. Технологической средой называется характеризуемая строго определенными параметрами воздушная, газовая или другая среда, наличие которой является обязательным условием для проведения заданной технологической операции. Наибольшее влияние на технологические процессы оказывают следующие параметры воздушной среды: температура, влажность, запыленность и содержание газов и паров. Производство делится на ряд технологических участков, занимающих отдельные помещения.
Колебания температуры изменяют линейные размеры оснастки и обрабатываемых объектов, скорости химических реакций, скорости испарения применяемых материалов, параметры структур и готовых микросхем. Влажная среда нежелательна при проведении практически всех технологических операций. Адсорбируясь на различных поверхностях, влага и растворенные в ней вещества приводят к образованию нежелательных соединений. Влажность воздуха производственных помещений поддерживают на минимальном уровне. В связи с субмикронными размерами элементов и зазоров между ними присутствие в воздушной среде механических частиц может существенно ухудшить качество и снизить процент выхода годных микрочипов. Механические частицы могут приводить к разрывам проводящих дорожек, коротким замыканиям элементов, образованию сквозных пор, проколов.
Из-за всех этих причин фабрики микроэлектронной промышленности строят вдали от крупных промышленных городов, в зеленых зонах, при строительстве применяют специальные износостойкие материалы, легко очищаемые и не загрязняющие воздушную среду. Давление внутри зданий несколько превышает атмосферное во избежание проникновения наружного воздуха.
Чистая комната представляет собой помещения (1 класс), в которых производятся технологические операции, требующие особой чистоты и тщательного поддержания температуро-влажностных параметров воздушной среды, а также строгого соблюдения норм технологической гигиены.
Свет в чистой комнате жёлтый. Причина в том, что использование процессов фотолитографии означает, что поверхность подложки чувствительна к свету, особенно к ультрафиолету (длина волны спектра УФ излучения равна (10 – 380) нм (диапазон частот (8*10^14 – 3*10^16) Гц), к слову, УФ-излучение весьма эффективно поглощает обычное стекло, точнее, оксид железа, входящий в его состав). Обычное белое освещение сразу бы испортило поверхность подложки, поэтому его нужно жёстко контролировать, чтобы частота волн света не взаимодействовала со светочувствительным покрытием подложек.
В чистых комнатах важно обеспечить и определенную величину, и направление вектора скорости кондиционированного перемещения воздуха. В чистых комнатах запыленность обеспечивается присутствием не больше 100 частиц размером более 0,5 микрон (имеются частицы размерами от сотых до нескольких десятых долей микрона). Некоторые участки требуют воздушной среды более чистой, чем в помещениях. Чистота воздушной среды в производственных помещениях находится на столь высоком уровне, что источником загрязнений становится обслуживающий персонал (кожа человека и одежда). Число частиц различного размера, выделяемых человеком и его одеждой в минуту, может изменяться от 100 000 (человек сидит или стоит неподвижно), до 10 000 000 (ходьба со скоростью 9 км/ч). Поэтому работы в чистых комнатах ведутся в специальной рабочей одежде, изготовленной из материалов с минимальным пылевыделением. Прежде чем попасть в чистое помещение, работники проходят через промежуточные помещения.
Чтобы избежать загрязнения пластин, они комплектуются в сложные унифицированные контейнеры фронтального открытия. Они защищают обрабатываемые пластины от воздушной среды помещения и перемещаются по специальным линиям внутри помещений.
Но вернемся к химической обработке пластин. Процесс химической обработки полупроводниковых пластин состоит в растворении их повехностного слоя под действием травителей (могут использоваться и другие, “сухие” (не требующие жидких травителей) методы, используемые в других процессах). Данный процесс является гетерогенным, так как взаимодействие полупроводникового материала с травителем осуществляется на границе раздела двух сред: твердой (подложка) и жидкой (травитель). Факт наличия механически нарушенного слоя объясняет различие в скорости его травления с идеально ровной поверхность – скорость травления первого значительно выше. Это объясняется наличием в механически нарушенном слое большого количества структурных нарушений, которые увеличивают эффективную площадь взаимодействия полупроводникового материала с травителем, что приводит к возрастанию скорости травления. За счет разницы в концентрации травителя у выступов и впадин на поверхности, происходит более быстрое растворение выступов (в различных частях подложки выделяется неодинаковое количество теплоты, приводящее к локальному перегреву отдельных участков и увеличению скорости растворения полупроводникового материала), это приводит к сглаживанию поверхности пластины. Периферийные области подложки (краевые части) находятся не в одинаковых термодинамических условиях и подвергаются более интенсивному травлению, поэтому подложка и травитель находятся в постоянном вращении и перемешивании соответственно. Атомы, расположенные вблизи линии дислокации, обладают повышенным по сравнению с ненарушенной частью кристалла химическим потенциалом, поэтому растворение и испарение кристалла начинаются с линий дислокаций. Для различных полупроводниковых материалов и кристаллографических направлений скорости травления (энергия, необходимая для высвобождения атома из кристаллической решетки, неодинакова) существенно различаются, поэтому используют различные составы травителей. На поверхности кремниевой подложки всегда имеется тонкий слой оксидной пленки (порядка 30 Ангстрем (3 нм)), налагающий некоторые ограничения на используемые травители.
Так что же в итоге мы имеем после этих многочисленных и, казалось бы, не столь ответственных технологических процессов по получению подложки с зеркально чистой поверхностью? И зачем все таки необходима столь совершенная структура поверхности подложки?
А имеем мы пластину диаметром 300 мм и толщиной 775 мкм, полностью готовую к последующим, еще более трудоемким и ответственным процессам наращивания слоев, фотолитографии, создающие те самые кристаллы процессоров, видеочипов, памяти, мостов и огромного числа иных микросхем (в том числе и силовые преобразовательные элементы).
Последующие эпитаксиальные слои, осажденные на поверхности подложки (создающие структуру и топологию микросхемы), будут сохранять морфологию (структуру) полученной подложки. Рост монокристаллического слоя состоит из зарождения центров кристаллизации, присоединения атомов к этим центрам, бокового роста и соединения отдельных плоских образований в единое целое. В процессе нарастания слоя образующаяся фаза (наращиваемый слой совместно с подложкой) закономерно продолжает кристаллическую структуру имеющейся фазы (исходной подложки) с помощью образования переходного эпитаксиального слоя (таких слоев больше 20 у современных процессоров). Переходный слой способствует когерентному срастанию двух решеток по плоскостям и направлениям со сходной плотностью упаковки атомов, через него передается основная информация о кристаллической структуре подложки в нарастающий слой. Ориентированно нарастающие кристаллические слои могут быть как однотипного по структуре с подложкой вещества (отличающиеся от нее только содержанием легирующих примесей), так и отличающегося по составу от вещества подложки и происходящего при их кристаллохимическом взаимодействии (слои металлизации, например).
Граница раздела обладает повышенной плотностью дислокаций и напряжений. При воспроизведении морфологии подложки дислокации, имевшиеся в подложке, перерастают в эпитаксиальный слой. Если при росте слоя какой-либо атом выдвигается из своего слоя, то он служит исходной точкой развития дефекта. Форма этих дефектов (дефектов упаковки) зависит от кристаллографической ориентации эпитаксиального слоя. Плотность дислокаций в слое обычно превышает их плотность в подложке. Это обусловлено тем, что область вблизи раздела подложка-эпитаксиальный слой характеризуется наличием примесей, загрязнений и поверхностных дефектов, влияющих на совершенство растущего слоя и служащих источником образования дислокаций. Плотность дислокаций возрастает в направлении от поверхности эпитаксиального слоя к границе раздела слоя с подложкой. Механические напряжения могут возникать при значительном различии в содержании легирующей примеси в подложке и растущем слое. Из-за различия в параметрах решеток подложки и слоя возникают напряжения и структура изгибается (изгиб возрастает при увеличении толщины слоя).
Структурные дефекты элементов
Теперь должно быть понятно, как же все таки важно получение совершенной и бездислокационной поверхности полупроводниковых подложек.
Ну а процесс фотолитографии – тема отдельной статьи, весьма и весьма обширной.
Благодарю за внимание всех тех, кто ознакомился с данным материалом и надеюсь, он был кому-то полезен и интересен.
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.
От песка до процессора: как производятся чипы
Процессоры окружают нас повсюду. Они есть в каждом электронном девайсе и отвечают за его работу. На их характеристики мы обращаем внимание при покупке компьютеров и сотовых телефонов. Однако мало кому известно, как и из чего делают эти сложнейшие миниатюрные устройства.
В техническом плане современный процессор представляет собой большую микросхему, состоящую из миллиардов элементов — транзисторов, они же дискретные переключатели. Транзисторы отвечают за включение и выключение, то есть пропуск и блокировку электрического тока.
Дискретные переключатели позволяют логическим схемам компьютера функционировать в двоичной системе. Проход электротока — это единица, а отключение — ноль. Различная последовательность этих цифр и образует информацию: программы, текст, видео, картинки или музыку.
Размеры транзисторов измеряют в нанометрах, это миллиардная часть метра. Давайте посмотрим, как удается производить такие микроскопические элементы.
Экскурсия на производство
Для начала представим, что вы попали на завод по производству чипов. Первое, что попросят сделать — тщательно умыться и вымыть руки. Косметика и парфюм строго запрещены. После гигиенических процедур нужно надеть специальный костюм: комбинезон, ботинки и сетку для волос. Перед помещением, где непосредственно изготавливают чипы, выполняют обдув сильным потоком, чтобы обеспечить максимальную стерильность.
Попадание на рабочую заготовку мельчайшей частицы пыли чревато браком — отсюда и беспрецедентные меры по защите. Воздух в цехах чище, чем в операционных — класс чистоты 10. Это значит, что в каждом кубическом метре содержится не больше десяти частиц толщиной в полмикрона (размером с небольшую бактерию).
В почти стерильных помещениях очень тихо. Вибрация практически отсутствует, раздается лишь небольшой гул от работающего оборудования. В таких условиях и проходят основные этапы производственного процесса, но что происходит до этого?
Сначала был кремний
Точнее, диоксид кремния, который в больших количествах содержится в обычном песке. Атомная структура SiO2 дает возможность изготавливать микросхемы любой конфигурации. Из рыхлой горной породы получают технический, а затем электронный кремний с чистотой 99,9999999%.
На следующем этапе электронный кремний расплавляют, помещают в него затравочный кристалл в форме карандаша, вокруг которого вырастет кристаллическое твердое тело — буля. Диаметр такого слитка составляет 300 мм, высота — около 2 м, а вес — до 100 кг.
В процессе роста затравочный кристалл вращается и медленно поднимается, увлекая за собой монокристалл. После достижения нужных размеров булю тестируют на соответствие параметрам чистоты, далее устанавливают на алмазную резку. Ее разрезают на тончайшие пластины толщиной 1 мм. Поверхность каждой пластины полируют до зеркального блеска. Теперь кремниевая заготовка готова для отправки на завод по изготовлению чипов.
Основные этапы производства процессоров
Производственный процесс включает более двух тысяч операций. Выделим из них три основных этапа.
- Печать транзисторов — микросхемы печатают посредством фотолитографии на специальных машинах. Цель технологии — сформировать на кремниевой подложке изображение, чтобы получить заданную топологию микросхемы. На пластину наносят тончайший слой светочувствительного полимера — фоторезиста. Далее осуществляют облучение через оптическую систему, проявление и обработку поверхности. Процесс напоминает печать черно-белых фотографий, когда на пленку светят лампой, подложив снизу фотобумагу. Машина повторяет операцию несколько десятков раз. Между слоями находится диэлектрик, выполняющий роль изолятора. В результате образуются миллиарды транзисторов, которые пока еще не соединены между собой.
- Соединение дискретных переключателей выполняют в определенном порядке, который зависит от архитектуры процессора. Производители держат ее в секрете. На данном этапе наносят токопроводящий слой, ставят фильтр и закрепляют транзисторы.
- Тестирование и нарезка пластины. Каждую микросхему проверяют на брак, затраты электроэнергии и нагревание. После этого пластины разрезают на 100–150 отдельных чипов, которые оснащают крышкой для защиты кристалла от механических повреждений и отвода тепла. Самые удачные микропроцессоры устанавливают в дорогие серверные продукты. Если ЦП имеет небольшие недочеты, его не бракуют, а отдают в массовую продажу.
На протяжении всего процесса производства кремниевые пластины находятся в фупах — герметичных контейнерах с классом чистоты 1 (кубический метр воздуха содержит не более одной частицы размером в полмикрона). По производственной линии фупы передвигают сотни роботов. Они бегают по рельсовым дорожкам, доставляя кремниевые заготовки к различным инструментам.
Сроки производства
Сколько времени уходит на создание чипов? Производители микропроцессоров уверяют, что это не забег на короткую дистанцию.
На выращивание були необходимо два месяца. После этого заготовки отправляют на завод чипмейкера. Выполнение основных этапов может занимать три месяца. На изготовление тестовой партии производитель тратит больше полугода, если считать время со всеми необходимыми тестами. Любой сбой на производственной линии вызывает простои. Возобновляют работу только после исправления выявленных недочетов.
Если начинать бизнес с нуля, потребуется не меньше пяти лет и огромные финансовые затраты. По самым скромным подсчетам строительство фабрики для производства микросхем обойдется в 8,5 миллиарда долларов, а в исследования и разработки придется вложить минимум 2 миллиарда.
Проблемы будущего
Первый коммерческий чип на кремниевой подложке создала компания Intel. Она показала свое революционное изобретение в 1971 году. Intel 4004 содержал 2250 дискретных переключателей. К 1978 году число транзисторов увеличилось в десятки тысяч раз. В Intel 8086 оно составило уже 29 000. В современных ЦП это количество достигает нескольких миллиардов.
Один из основателей Intel Гордон Мур в 1965 году выявил важную закономерность. Число переключателей каждые два года увеличивалось вдвое. Уменьшение геометрических размеров транзистора — единственный способ удваивать их количество, в результате повышая производительность процессора.
Сделать это без изменения техпроцесса невозможно. Техпроцессом чипа называют длину затвора, который решает — тока нет (0) или же ток есть (1). В какой-то момент технология производства достигла того, что параметры затвора больше нельзя было уменьшать. Тогда на помощь пришло еще одно открытие — новая структура FinFET. Затвор оказался приподнят над кремниевой подложкой, что дало возможность продолжать менять размеры дискретных переключателей в меньшую сторону.
После того как технология достигла 32 нм, понятие техпроцесса больше стало напоминать маркетинговую уловку производителей, чем действительные характеристики. Для потребителя выполнение закона Мура означает, что каждый новый процессор лучше предыдущего. Однако до сих пор не существует единого метода подсчета. На деле получается, что под техпроцессом, например, 10 нм каждый чипмейкер подразумевает что-то свое. В итоге количество и плотность транзисторов — приблизительные метрики.
Весной 2022 года компания AMD представила первую серию потребительских процессоров на техпроцессе 5 нм под названием Ryzen 7000. Samsung Electronics летом этого года анонсировала запуск производства микросхем с техпроцессом 3 нм. TSMC тоже планирует наладить выпуск продукции с аналогичными характеристиками. Intel не спешит догонять и перегонять конкурентов, остановившись на техпроцессе 10 нм. Ее микропроцессоры уступают в нанометрах, зато превосходят в производительности за счет более высокой плотности транзисторов.
15 лет назад Мур заявил, что выведенный им принцип больше не действует. Он обосновал это тем, что по естественным законам природы процессоры не могут функционировать еще быстрее. По прогнозам, эмпирическое наблюдение об удвоении числа транзисторов формально будет считаться рабочим до конца 2025 года. Как пойдет развитие чипов дальше, пока неясно.