Что такое кристалл в микросхеме

2.7 Интегральные микросхемы

Еще в ламповый период развития электроники большое внимание уделялось уменьшению габаритных размеров, массы, потребляемой электроэнергии, повы­шению надежности электронных приборов.

Создание в 1948 г. транзисторов и последовавшее затем широкое внедрение различных полупроводниковых приборов в электронную аппаратуру были огром­ным шагом вперед на пути развития электроники.

Однако аппаратура продолжала усложняться, появились устройства, содер­жащие сотни тысяч электронных полупроводниковых элементов, поэтому габа­ритные размеры, масса, потребляемая мощность возрастали, а надежность умень­шалась. Потребовались новые решения конструктивно-технологических, схемо­технических, физических проблем.

Эти решения привели к созданию новой отрасли электроники — микроэлек­троники, которая охватывает проблемы разработки и применения новых элек­тронных приборов — интегральных микросхем (ИМС).

Таким образом, микроэлектроника — это область электроники, занимающаяся созданием функциональных электронных узлов, блоков и устройств в микроми­ниатюрном интегральном исполнении. Ход развития электроники был предо­пределен резким увеличением функций, выполняемых РЭА, и повышением тре­бований к ее надежности.

ИМС становятся основной элементной базой в технике связи, в космической электронике и особенно в ЭВМ.

Интегральная микросхема — это микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования, обработки сигнала и (или) накапли­вания информации и имеющее высокую плотность упаковки электрически со­единенных элементов (элементов и компонентов) и (или) кристаллов, которое с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рас­сматривается как единое целое (ГОСТ 17021-88).

Таким образом, исходя из определения, ИМС обладает следующими особен­ностями:

Состоит из множества элементов и выполняет определенную функцию: усиление, генерацию, выпрямление, выполнение отдельных логических операций или нескольких функций.

Элементы ИМС не являются дискретными: диоды, транзисторы, конденсато­ры, резисторы и соединяющие их элементы составляют единое целое.

Все элементы ИМС заключены в один герметический корпус с выводами наРУХУ.

Необходимо отметить, что основным новшеством при создании ИМС стала не элементная база (транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и т. д.), а сам принцип создания и соединения существовавших элементов.

ИМС могут быть классифицированы по нескольким признакам.

Конструктивно-технологическому, то есть в зависимости от технологии и ма­териалов при изготовлении: полупроводниковые, пленочные, гибридные.

По степени интеграции: малые (МИС), средние (СИС), большие (БИС), сверх­ большие (СБИС).

По функциональному принципу, то есть в зависимости от функции, выполня­емой схемой, — генерация, усиление, логические операции и т. д.: аналоговые ИС, цифровые ИС.

По физическому принципу различают два класса полупроводниковых ИС: би­полярные ИС, МДП ИС.

Полупроводниковая микросхема — это такая микросхема, в которой все эле­менты и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности по­лупроводникового материала.

В теле полупроводникового материала создают слои резисторов и структуры транзисторов, выполняющие заданные электронные функции.

Полупроводниковые ИС (ПИС) наиболее распространены на практике и пер­спективны, так как позволяют создавать надежные и достаточно сложные в функ­циональном отношении электронные устройства малых размеров при незначи­тельной их стоимости.

Характерной особенностью ПИС является отсутствие среди ее элементов ка­тушки индуктивности и тем более трансформатора. Это объясняется тем, что до сих пор не удалось использовать в твердом теле какие-либо физические явления, эквивалентные электромагнитной индукции. Поэтому при разработке ИС стара­ются реализовать необходимую функцию без использования индуктивных эле­ментов или «навешивают» эти элементы.

В качестве резисторов и конденсаторов в ПИС используют соответственно сопротивление и зарядную емкость Сзар pn — перехода, что позволяет обеспечить единый технологический цикл изготовления структур транзисторов, диодов и кон­денсаторов при производстве полупроводниковых ИС.

В большинстве полупроводниковых ИС элементы располагаются в тонком (тол­щина 0,5-10 мкм) приповерхностном слое полупроводника. Так как удельное сопротивление полупроводника невелико (1-10 Ом), а элементы должны быть изолированы друг от друга, необходимы специальные изолирующие области.

Основной элемент биполярных ИС — ири-транзистор, а в МДП ИС — МДП-транзистор с индуцированным каналом.

Все остальные элементы схемы (диоды, резисторы и конденсаторы) изготав­ливают на базе основного элемента и одновременно с ним.

Пленочная микросхема — это такая микросхема, все элементы и межэлемент­ные соединения которой выполнены только в виде проводящих пленок и ди­электрических материалов.

В настоящее время существуют два класса пленочных микросхем:

Все элементы ИС (кроме активных) наносят на диэлектрическую пластину (подложку) в виде поликристаллических или аморфных слоев (пленок), выпол­няющих заданные функции пассивных элементов. Полученную ИС при необхо­димости помещают в корпус с внешними выводами.

Различие между тонкопленочными и толстопленочными микросхемами мо­жет быть количественным и качественным. К тонкопленочньм (условно) отно­сят ИМС с толщиной пленок менее 1 мкм, а к толстопленочным — более 1 мкм.

Деление пленочных ИС обусловлено не столько толщиной пленок, сколько методом их нанесения в процессе создания пассивных элементов. Пассивные эле­менты тонкопленочных схем наносят на подложку преимущественно с использо­ванием термовакуумного распыления и катодного осаждения, а пассивные эле­менты толстопленочных схем получают нанесением и вжиганием проводящих и резистивных паст.

Активные элементы (диоды и транзисторы) «навешивают» на пленочную схе­му, в результате чего получают смешанную (плепочно-дискретную) ИС, которую называют гибридной.

Частным случаем гибридной ИС является многокристальная ИС, содержа­щая в качестве компонентов несколько бескорпусных полупроводниковых схем на одной подложке. Наиболее распространены в настоящее время полупровод­никовые и гибридные ИС.

Число элементов в данной ИС характеризует ее степень интеграции.

Степень интеграции — это функциональная сложность ИС, то есть число элементов, чаще всего транзисторов, входящих в состав интегральной схемы.

В соответствии со степенью интеграции все интегральные схемы условно де­лятся на:

малые (МИС), до 10 2 элементов на кристалл;

средние (СИС), до 10 3 элементов на кристалл;

большие (БИС), до 10 4 элементов на кристалл;

сверхбольшие (СБИС), до 10 6 элементов на кристалл;

ультрабольшие (УБИС), до 10 9 элементов на кристалл;

гигабольшие (ГБИС), более 10 9 элементов на кристалл.

Иногда степень интеграции определяют величиной

где N — число элементов, входящих в ИС.

Значение К определяется до ближайшего целого числа в сторону увеличения.

Например, ИС первой степени интеграции (К= 1) содержит до 10 элементов, второй степени интеграции (К = 2) — от 10 до 100, третьей степени интеграции (К = 3) — от 100 до 1000, и т. д.

Создание БИС явилось новым шагом в электронике, БИС содержат более 1000 элементов и являются сложными функциональными устройствами.

По функциональному назначению интегральные микросхемы делятся на ана­логовые и цифровые.

Цифровая интегральная микросхема (ЦИМ) — это микросхема, предназначен­ная для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискрет­ной функции (например, выраженные в двоичном или другом цифровом коде).

Цифровые ИС представляют собой множество транзисторных ключей, обла­дающих двумя устойчивыми состояниями (разомкнутым и замкнутым).

Частным случаем ЦИМ является логическая микросхема, выполняющая опе­рации с двоичным кодом, которые описываются логической алгеброй и реализу­ют такие функции, как И, ИЛИ, НЕ и др.

Аналоговая интегральная микросхема (АИМ) — это микросхема, предназна­ченная для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону не­прерывной функции.

Из изложенной выше классификации ИС по степени интеграции, в зависимо­сти от типа ИС (аналоговая или цифровая) и класса транзисторов (биполярный или полевой) следует, что применение цифровых методов обработки информа­ции способствует более эффективному решению вопроса микроминиатюризации электронных средств.

Однако применение цифровых методов не всегда возможно. Так, при разра­ботке конкретного электронного устройства к нему могут предъявляться требо­вания, выполнение которых методами цифровой электроники будет неоптималь­ным, например, с точки зрения стоимости или других показателей, или вообще недостижимым. В первую очередь это касается требуемого быстродействия и точ­ности электронного устройства.

Поэтому поиск оптимального решения должен базироваться на использовании всего набора имеющихся электронных устройств: аналоговой, цифровой и им­пульсной электроники.

Одновременно с понятием БИС в ГОСТ 17021-88 присутствуют два термина: БИС и базовый комплект БИС. Это обстоятельство вызвано необходимостью со­вместной комплексной разработки и применения БИС, представляющих собой узлы и блоки радиоэлектронной аппаратуры.

Большие интегральные микросхемы (БИС), составляющие комплект, хотя и выполняют различные функции, но совместимы по конструктивному испол­нению и электрическим параметрам. Они позволяют использовать при постро­ении микроэлектронной аппаратуры общие «архитектурные» приемы.

Базовый комплект БИС — это минимальный состав комплекта БИС, необхо­димый для решения определенного круга аппаратурных задач.

В настоящее время наряду с разработкой микросхем общего назначения широкое распространение получило создание сложных микросхем, в разработке и организации производства которых принимает участие как предприятие – заказчик, так и предприятие – изготовитель.

Таким образом, ИМС можно разделить на микросхемы общего назначения, полузаказные и заказные.

Заказная ИМС – это микросхема, разработанная на основе стандартных и (или) специально созданных элементов и узлов по функциональной схеме заказчика и предприятия и предприятия для определенной радиоэлектронной аппаратуры.

Полузаказная ИМС – микросхема, разработанная на основе базовых (в том числе матричных) кристаллов и предназначенная для определенной радиоэлектронной аппаратуры.

ИМС общего назначения — микросхема определенного функционального на­значения, предназначенная для различных видов радиоэлектронной аппаратуры.

Микросхема, имеющая время задержки распространения сигнала 2,5 не или нижнюю границу рабочего диапазона тактовых частот не менее 300 МГц, назы­вается сверхскоростной ИМС (ССИС).

ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ МИКРОСХЕМ

Рассмотрим некоторые общие и специальные термины, встречающиеся при опи­сании конструкций микросхем.

Корпус — часть конструкции интегральной микросхемы, предназначенная для защиты ИМС от внешних воздействий и для соединения с внешними электриче­скими цепями посредством выводов.

Типы и размеры корпусов ИМС, расположение и число их выводов стандар­тизированы.

Подложка — заготовка из диэлектрического материала, предназначенная для нанесения на нее элементов гибридных и пленочных ИМС, межэлементных и (или) межкомпонентных соединений, а также контактных площадок.

Плата — часть подложки (или вся подложка) гибридной интегральной схе­мы, на поверхности которой нанесены пленочные элементы микросхемы, меж­элементные и межкомпонентные соединения и контактные площадки.

Полупроводниковая пластина — заготовка из полупроводникового материа­ла, предназначенная для изготовления полупроводниковых интегральных мик­росхем.

Кристалл — часть пластины, в объеме и на поверхности которой сформирова­ны элементы полупроводниковой микросхемы, межэлементные соединения и кон­тактные площадки.

Контактная подложка — металлизированный участок на плате или кристал­ле или на корпусе ИМС, служащий для соединения выводов компонентов и кри­сталлов, а также для контроля ее электрических параметров и режимов.

Бескорпусная интегральная микросхема — кристалл микросхемы, предназна­ченный для монтажа в гибридную интегральную микросхему.

Если в обычной микросхеме корпус служит для защиты от внешних воздей­ствий, то бескорпусная ИМС такой собственной защиты (по крайней мере, от механических воздействий) не имеет.

Для соединения с внешними электрическими цепями бескорпусная интеграль­ная микросхема имеет собственные выводы, а ее полная защита обеспечивается корпусом устройства, в которое эта микросхема установлена.

Вывод бескорпуспой интегральной микросхемы — проводник, соединенный электрически с контактной площадкой кристалла или механически с его поверх­ностью.

Главным назначением вывода является обеспечение электрического контакта одной из цепей ИМ С при ее соединении с внешними электрическими цепями. По выводам от бескорпусной ИМС отводится часть тепла.

СИСТЕМА ОБОЗНАЧЕНИЙ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

Первый элемент — цифра, соответствующая конструктивно-технологической группе:

полупроводниковые — 1, 5, 6, 7 — бескорпусная;

гибридные — 2, 4, 8;

прочие — 3 (пленочные, вакуумные, керамические).

Второй элемент — две-три цифры, обозначающие порядковый номер разра­ботки данной серии микросхем.

Первый и второй элементы составляют номер серии.

Третий элемент — две буквы, обозначающие функциональную классифика­цию, при этом существует 19 подгрупп:

первая буква — подгруппа микросхемы;

вторая буква — вид микросхемы.

Четвертый элемент — порядковый номер разработки микросхемы в данной серии по функциональному признаку (может быть несколько цифр).

Пример. 1533ЛАЗ:

533 — порядковый номер разработки данной серии;

1533 — серия ИМС;

ЛА — логический элемент И-НЕ;

3 — порядковый номер разработки ИМС в данной серии по функционально­му признаку.

«К» в начале условного обозначения означает «микросхема широкого приме­нения». После буквы «К» стоят буквы, обозначающие материал и тип корпуса, например «КР531».

Обозначения типов корпусов:

А — пластмассовый (4);

Р — пластмассовый (2);

Е — металлополимерный (2);

С — стеклокерамический (2);

И — стеклокерамический (4);

Ф — пластмассовый микрокорпус;

М — металлокерамический (2).

В соответствии с ГОСТ принято пять типов корпусов.

В конце условного обозначения буквенные индексы (А-Я) выражают отличие ИМС данного типа по числовому значению одного или нескольких параметров.

Примеры. К140УД8А, К140УД8Б:

К — ИМС широкого применения;

40 — порядковый номер разработки данной серии;

УД — усилитель операционный;

8 — порядковый номер разработки в данной серии по функциональному при­знаку;

А (Б) — отличие по параметру;

Применение ИС вместо дискретных элементов в качестве базы РЭА дает зна­чительные преимущества по надежности, габаритам, стоимости и другим показа­телям.

Это связано с тем, что при использовании ИС отпадает необходимость в мно­гочисленных паяных соединениях (основной фактор снижения надежности), резко сокращаются габариты и масса электронных устройств (благодаря отсут­ствию корпусов и внешних выводов у каждого элемента ИС), существенно сни­жается их стоимость за счет исключения множества сборочных и монтажных операций.

Кристалл (микроэлектроника)

Кристалл в микроэлектронике (интегральная схема) — размещённая на полупроводниковой пластине или плёнке электронная схема произвольной сложности. В процессе сборки упаковывается в корпус и в результате образует готовое изделие — микросхему.

См. также

Примечания

	Кристалл (микроэлектроника) на Викискладе ?

• Технология полупроводников

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое «Кристалл (микроэлектроника)» в других словарях:

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА — (интегральная электроника) область электроники, связанная с созданием и применением в радиоэлектронной аппаратуре узлов и блоков, выполненных на интегральных схемах и микроминиатюрных конструктивно вспомогательных изделиях (разъемах,… … Большой Энциклопедический словарь

микроэлектроника — (интегральная электроника), область электроники, связанная с созданием и применением в радиоэлектронной аппаратуре узлов и блоков, выполненных на интегральных схемах и микроминиатюрных вспомогательных изделиях (разъёмах, переключателях и т. д.),… … Энциклопедия техники

микроэлектроника — и; ж. Область электроники, занимающаяся созданием миниатюрных радиоэлектронных устройств и их использованием. Достижения микроэлектроники. * * * микроэлектроника (от микро. и электроника), направление электроники, связанное с созданием приборов … Энциклопедический словарь

Микроэлектроника — область электроники (См. Электроника), занимающаяся созданием электронных функциональных узлов, блоков и устройств в микроминиатюрном интегральном исполнении. Возникновение М. в начале 60 х гг. 20 в. было вызвано непрерывным усложнением… … Большая советская энциклопедия

Микроэлектроника — Производство микропроцессоров. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, направление электроники, связанное с созданием приборов и устройств в микроминиатюрном исполнении, с использованием групповой (интегральной) технологии их изготовления. Основу элементной базы… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА — (от микро. и электроника) направление электроники, связанное с созданием приборов и устройств в микроминиатюрном исполнении и с использованием групповой (интегральной) технологии их изготовления. Возникновение М. в нач. 60 х гг. 20 в. было… … Большой энциклопедический политехнический словарь

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА — (отмикро. и электроника), направление электроники, связанное с созданием приборов и устройств в микроминиатюрном исполнении и с использованием групповой (интегральной) технологии их изготовления. Возникла в нач. 60 х гг. 20 в. Совр. М.… … Естествознание. Энциклопедический словарь

Кристаллизация — образование кристаллов из паров, растворов, расплавов, вещества в твёрдом состоянии (аморфном или другом кристаллическом), в процессе электролиза и при химических реакциях. К. приводит к образованию минералов. К. воды играет важную роль в … Большая советская энциклопедия

КРИСТАЛЛЫ — (от греч. krystallos, первоначальное значение лёд), твёрдые тела, обладающие трёхмерной периодич. ат. структурой и, при равновесных условиях образования, имеющие естеств. форму правильных симметричных многогранников (рис. 1). К. равновесное… … Физическая энциклопедия

Кристаллы — I Кристаллы (от греч. krýstallos, первоначально лёд, в дальнейшем горный хрусталь, кристалл) твёрдые тела, имеющие естественную форму правильных многогранников (рис. 1). Эта форма следствие упорядоченного расположения в К. атомов,… … Большая советская энциклопедия

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.

Технологии микроэлектроники на пальцах: «закона Мура», маркетинговые ходы и почему нанометры нынче не те. Часть 1

Возможное фото 10 нм IceLake. Источник

Странные вещи творятся на процессорном рынке. Мировой лидер в лице фирмы Intel пятый год бьется в попытках перейти на 10 нм техпроцесс. Изначально заявляли о переходе на 10 нм в 2015-м году, потом в 2016-м, 2017-м… На дворе 2019-й, а 10-нм от Intel в серии так и нет. Ну как нет, есть отдельные опытные/инженерные образцы, но высокий выход годных — проблема. Реальный переход ожидается не раньше 2022 года уже.

Собственно, это и стало причиной дефицита процессоров Intel на рынке. Для его преодоления компания расширяет производство модифицированных 14 нм процессоров (те же Lake только в профиль) и даже возвращается к 22 нм. Казалось бы, регресс налицо. А в это время корейский Samsung, тайваньский TSMC и примкнувший к ним AMD с платформой ZEN 2 рапортуют о вводе в серию аж 7 нм и вот-вот перейдут на 5 нм. Достали из пыльного шкафа «закон Мура» и объявили его живее всех живых. Скоро будет и 3 нм, и 2 нм, и даже 1 нм (sic!) — pourquoi pas?!

Что же произошло? Неужто ушлые азиаты обошли клятых пендосов в ключевой отрасли? Можно открывать шампанское?

Disclaimer: Данную статью я нашёл совершенно случайно и был крайне поражён, насколько грамотно и подробно в ней раскрываются проблемы современной микроэлектроники, в частности, смерть закона Мура и маркетинг. Когда-то давно и сам баловался написанием статей про изготовление чипов, а в серии статей «Взгляд Изнутри» даже заглядывал внутрь оных, т.е. тема мне крайне интересна. Естественно, я бы хотел, чтобы сам автор оригинальной статьи опубликовал её на Хабре, но в связи с занятостью он разрешил мне перенести её сюда. К сожалению, правила Хабра не разрешают прямую копи-пасту, поэтому я добавил ссылки на источники, картинки и немножко отсебятины и постарался чуть-чуть выправить текст. Да, и статьи (1 и 2) по данной теме от amartology знаю и уважаю.

Итак, давайте разбираться в проблеме вместе. Постараемся насколько возможно минимально вникать в физику и технологию, и не углубляться в нюансы (коим имя легион!). Описание ниже упрощенное и иногда схематическое. Пишите комментарии, попробуем конструктивно дискутировать.

Предисловие

«Не все так однозначно. » — говаривала одна дочь офицера. Если посмотреть плотность транзисторов, то она в 14 нм технологии от Intel и 7 нм технологии от TSMC практически одинакова (ooops. ). И даже откат Intel’а на 22 нм не сильно сказался на производительности. Что за чертовщина? По всем правилам переход от 14 нм к технологии 7 нм должен увеличить плотность транзисторов аж в 4 раза. И это согласно заветам Гордона Мура, 50-летие закона которого праздновали совсем недавно, а на носу уже и 55-ая годовщина!

Отлитый в «железе» закон Мура. Как видно, мы «топчемся» на месте уже лет 5. Источник

При этом звучат разнонаправленные заявления. Одни утверждают, что «Закон Мура» актуален как никогда, а микроэлектроника будет развиваться, как и раньше. Гениальные ученые, конструкторы и инженеры преодолеют любые ограничения, даже законы физики. Пипл требует новых достижений, и они не заставят себя ждать.

Другие твердят что все ребята, дошли до физических пределов, будем облизывать то что есть, но это нормально. Об этом давно предупреждали. Так глава NVIDIA заявил во время CES 2019, что закон Мура мертв и теперь вектор (Хуанг должен не в вектор, а в тензор) развития надо менять. С ним согласен и специалист по литографии AMD и GlobalFoundries.

На самом деле, все эти технологические нормы в единицы и десятки нм давно оторвались от физических размеров и стали больше элементами маркетинга. Как минимум последние лет 15: после перехода со 130 нм на 90 нм. Именно тогда впервые столкнулись с ограничениями не технологическими, а базовыми физическими. Эксперты, кстати, говорили об этом, но их тихий голос заглушался бравурными реляциями маркетологов, которые делали вид, что ничего не произошло, что все идет своим путем, согласно заветам Лени… доктора Мура.

К сожалению, для маркетологов и, возможно, к счастью для нас закон Мура — это не закон природы, а лишь эмпирическое наблюдение, сформулированное в 1965-м одним из основателей Intel Гордоном Муром. Согласно его наблюдениям, новые серии микросхем выходили с интервалом в год, при этом количество транзисторов в них вырастало примерно в 2 раза. В 1975-м закон скорректировали, согласно оному удвоение должно происходить каждые 24 месяца. С тех пор в течении почти 40 лет закон Мура возвели в ранг иконы и знамени для производителей цифровой микроэлектроники, который иногда всё же подкручивали (24 месяца превратились в 36, теперь вот стагнация — см. картинку выше).

По пути возникали различные технологические ограничения, которые притормаживали процесс (тот же переход через дифракционный предел). Или прорывы, которые давали резкий рост в миниатюризации. Для стороннего же наблюдателя все выглядело как стабильный рост в полном соответствии закону Мура, и не в последнюю очередь усилиями маркетологов.

Физика «Его Величества Кремния»

Начну с оды кремнию. Кремний это просто подарок небес для производителей микроэлектроники. Мало того, что лежит, в буквальном смысле, под ногами, кремний еще и хороший полупроводник с очень годными параметрами (по совокупности электрических, энергетических и физических характеристик). Чистый кремний практически диэлектрик, проводимость полностью определяется концентрацией примесей. Имеет высокую теплопроводность, технологичен, устойчив к воздействию агрессивных сред.

Кремний при обычных температурах является полупроводником с кубической кристаллической решеткой. 4 внешних электрона атомов кремния «обобществлены», т.е. принадлежат всем атомам кристаллической решетки. Они не свободные, но и не привязаны жестко к своему атому. Это особенность полупроводников. Какое-то время эти электроны крутятся вокруг своего атома, потом перебрасываются к соседнему, а на их место приходят соседние. Таким образом внешние (валентные) электроны хаотично путешествуют от атома к атому по всему кристаллу (прим.: не совсем так, сами электроны не путешествуют, они лишь передают энергию через взаимодействие друг с другом). Изредка какой-то электрон полностью отрывается от атома и начинает (квази)свободно двигаться между кристаллической решеткой. На его месте остается положительный ион кремния с незаполненной электронной вакансией – «дырка». При следующем пробросе электронов от соседа вакансия заполняется, но она появляется у соседа, потом у его соседа и т.д. Дырка также начинает хаотично путешествовать по кристаллу.

Если теперь наложить электрическое поле, то свободный электрон полетит от минуса к плюсу. Валентные электроны тоже подвержены действию поля и начинают быстрее заполнять вакансии в сторону плюса, а вакансии-дырки потекут в сторону минуса. Такое поведение выглядит как будто дырка является свободным носителем заряда, такой свободный электрон, только с положительным зарядом. Поведение дырки описывается теми же формулами, что и электрона, с поправкой на большую «эффективную массу». Поэтому часто не парятся и считают для простоты дырки обычными элементарными частицами с положительным зарядом.

При комнатных температурах одна электронно-дырочная пара приходится на триллион атомов кремния (концентрация 10 -12 ), чистый же кремний при комнатных температурах является изолятором (условно: электроны и дырки слишком быстро аннигилируют друг с другом, не успевая долететь до конца кристалла).

Если теперь в решетку кремния внедрить атом с 5 внешними электронами, например, фосфор, то он включается в 4-электронный обмен, а пятый электрон становится свободным. Получаем вкрапленные в кремний положительные ионы фосфора и «электронный газ» из свободных электронов. Проводимость кремния с такой примесью линейно возрастает, концентрации в один атом фосфора на миллион атомов кремния (ppm) уже кардинально меняет электрические свойства. Примесь фосфора называется донорной, а сам полупроводник — N-типа проводимости. Кроме фосфора это может быть мышьяк или сурьма.

Теперь добавим в чистый кремний атомы с 3 внешними электронами, например, бор. Он тоже включается в 4-электронный обмен, но отдать может только 3 электрона. У соседних атомов кремния появляется «дырка» и отправляется в путешествие по кристаллу. Получаем отрицательные ионы бора и положительно заряженный «дырочный газ». Такая примесь называется акцепторной, а полупроводник — P-типа. Кроме бора акцепторами являются алюминий, галлий и индий.

Кстати, особо чистый кремний (чтобы он был изолятором) получить невероятно сложно. Присутствие бора всегда делает кремний полупроводником p-типа.

Бонусом к кремнию идет его окисел – диоксид кремния SiO₂. Это почти идеальный диэлектрик, с высокой прочностью и твердостью, стойкий ко всем кислотам, кроме плавиковой (HF). При этом плавиковая кислота не растворяет сам кремний, можно не бояться протравить лишнего. Тонкая пленка окисла образуется на поверхности кремния даже при комнатных температурах (на воздухе, естественно). Для получения толстых пленок окисла кремний нагревают или используют низкотемпературное осаждение из кремнийсодержащего газа. Осаждение используют, когда в кристалле уже нанесены слои, и нагревание приведет к «размыванию» топологии.

Занудство от химика, раз год Периодической Системы: шаг вправо — P, фосфор, оксид образует фосфорную кислоту, влево — Al, алюминий, металл, вверх — C, углерод, оксид — газ, вниз — Ge с низкой распространённостью в земной коре (кило сейчас стоит

Несмотря на постоянные разговоры о скором конце эпохи кремния и переходе на другие полупроводники, например, структуры A₃B₅ (аресенид галлия, фосфид галлия или нитрид галлия), карбид кремния, алмаз, графен и прочие, так как у них выше эффективная подвижность электронов и дырок, ниже температурная зависимость, выше теплопроводность, в массовой микроэлектронике царствует кремний.

Да, для A₃B₅ есть возможность создавать гетеропереходы. Это когда области внутри транзистора отличаются не только типом проводимости, но и физической структурой, что дает дополнительные возможности. При прочих равных микросхемы на нитриде галлия могут работать на более высокой частоте, устойчивы к высокой температуре, и обеспечивают лучший теплоотвод. Но пока эти материалы используются лишь для дискретных элементов и небольших микросхем. Для больших микросхем сложность технологии делает ее цену на порядки выше кремниевой. Да и «прочих равных» пока не получается. Поэтому альтернативные не кремниевые микросхемы имеют узкую специализацию.

МОП-транзисторы

Рассмотрим основной кирпичик цифровых микросхем – полевой планарный (плоский) транзистор с индуцированным каналом. Он же МОП (металл-оксид-полупроводник), он же МДП (металл-диэлектрик-полупроводник), он же MOS (metal-oxide-semiconductor), он же MOSFET.

Схематический вид n-канального транзистора в разрезе

Имеем кремниевую подложку р-типа проводимости. В ней созданы 2 слоя n-типа – исток и сток. Аналоги эмиттера и коллектора в биполярных транзисторах. Между ними электрод, отделенный от кремния слоем диэлектрика (обычно окисел кремния) – затвор. Область под затвором зовется базой. Если подадим напряжение между истоком и стоком, тока не будет, поскольку между ними будет обратносмещенный p-n-переход – транзистор закрыт. Схематически это аналог запирающего диода. При правильном подключении это переход между базой и стоком.

Теперь подаем положительное напряжение на затвор. Электрическое поле проходит через окисел, проникает в кремний, отталкивает от приповерхностного слоя дырки (+) и притягивает свободные электроны (-). Последних в подложке p-типа хоть и мало, но они есть. При некотором напряжении на затворе в приповерхностном слое электронов становится больше, чем дырок. Происходит инверсия, и под слоем окисла появляется канал n-типа проводимости. Через него потечет ток от истока к стоку – транзистор открыт. Открытый транзистор – это логическая единица, закрытый – логический 0. Ну или наоборот, в зависимости от реализации.

Для p-канальных транзисторов n- и p-области меняются местами, а транзистор открывается при отрицательном напряжении на затворе.

Преимущества МОП транзисторов – компактность. Но есть и серьезный недостаток – большое энергопотребление, поскольку в открытом состоянии через транзистор течет сквозной ток. Поэтому с 1970-х в цифровой технике доминируют КМОП транзисторы (комплементарный МОП). Это последовательно соединенные p-канальный и n-канальный транзисторы, с объединенными затворами. Обычно делаются в одной ячейке.

Если подаем на затворы плюс – n-канальный транзистор открыт, p-канальный закрыт. Сквозного тока нет, на выходе минус. Если подаем на затвор минус – n-канальный транзистор закрыт, p-канальный открыт. Сквозного тока опять нет, на выходе плюс. Т.е. элемент работает еще и как инвертор.

Это самая энергосберегающая технология. В статическом состоянии элемент ничего не потребляет (кроме паразитного тока утечки), потребляется только ток переключения. Энергопотребление почти прямо пропорционально частоте микросхемы (числу циклов перезарядки). Низкое энергопотребление и компактность определило доминирование КМОП-технологии в цифровой электронике.

Схемы на биполярных транзисторах изначально обеспечивали более высокую производительность, но были сложнее, занимали больше места и потребляли на порядок больше энергии. Надо сказать, что выбор в пользу КМОП полностью оправдал себя. Таких характеристик, как у сегодняшних процессоров, на других технологиях получить было бы практически невозможно. И пока альтернатив на горизонте не просматривается.

Особенности топологии

Топологию кристалла микросхемы можно условно представить, как большой лист бумаги в клетку, где по линиям рисуются границы областей, а технологический размер – это размер клетки. На самом деле, для некритичных элементов можно делать отступ и в полклетки (правило двух лямбд), но это нюансы.

Вернемся мысленно в конец 1980-х, когда технологии были еще просты и понятны. Рассмотрим реальную пару КМОП транзисторов. Окна n+ и p+ — высоколегированные (1 атом примеси на несколько сотен или даже десятков атомов кремния), т.е. уровень примесей на порядки выше чем у просто n и p.

Предположим, нам дали ТЗ нарисовать топологию такой пары транзисторов в изолированном кармане. Поскольку больших токов через транзисторы не будет, расчет будем производить исходя из минимально возможного технологического размера, так называемого техзазора. Обзовем его буквой d.

Профиль

Вид сверху

Начнем с контактного окошка для истока n-канального транзистора (1). Делаем его минимально возможным d*d.

Исток (2) тогда будет иметь размер 3d*3d (нужно отступить минимум от краев окошка).

Базу (3) делаем минимальной ширины d.

Далее сток (4) со своим контактным окошком, еще 3d*3d.

Последний элемент – высоколегированная зона (5) для контакта к p-базе, еще 3d*3d. Он нужен для выравнивания напряжения истока и базы, чтобы не произошло самопроизвольного появления канала.

Рисуем границы самого p-кармана (6), еще на d от нарисованных окон. Размер p-окна получился 5d*13d.

Ниже нарисуем p-канальный транзистор. Делаем такое расположение для приближения всего элемента к квадратной форме — так проще компоновать.

Меняем местоположение истока и стока. Такое расположение минимизирует длину контактных металлических дорожек. Начнем с контактного окошка для стока (7), размер минимальны – d*d.

Сток (8) будет 3d*3d, база (9) шириной d и на одной линии с базой n-канального транзистора. Исток (10) и высоколегированная подконтактная область к базе (11) будут также 3d*3d.

Последний размер – минимальный отступ к разделительной дорожке (12), ещёd.

Итого получили размер транзисторной пары 11d*15d. Раздельной дорожкой в нашем случае является еще одна область p-типа, которая с n-подложкой образует обратносмещенный p-n-переход.

Есть еще вариант изоляции диэлектриком – двуокисью кремния SiO₂ или сапфиром Al₂O₃. Последний вариант предпочтительней, но заметно дороже. В этом случае области можно формировать вплотную к разделительной дорожке и ток утечки между ячейками будет нулевой. Обычно ширина разделительной дорожки чуть больше толщины эпитаксиального слоя (об этом ниже) и равна 2d.

Итого эффективный размер ячейки до середин разделительных дорожек – 13d*17d.

Затем поверх окисла рисуем затвор (1), выносим контактную область (2) затвора ближе к разделительной дорожке и формируем контактное окно (3).

Заключительная стадия –металлизация и контактные дорожки (4). В качестве материала затвора и контактных дорожек изначально использовался алюминий (хотя в некоторых устройствах алюминий используемся до сих пор), позднее затвор стали делать из высоколегированного поликристаллического кремния, а контактные дорожки из меди.

Предположим, что мы живем при техпроцессе в 3 мкм. Тогда наша двух транзисторная ячейка 11d*15d, как показано выше, будет иметь размер 33*45 мкм. Но тут нам поперло, переключились на новый техпроцесс в 1,5 мкм. Размер нашей ячейки стал 16,5*22,5 мкм. И там, где раньше помещалась одна ячейка, теперь влезает аж целых четыре. При этом потребляют тока эти четыре ячейки столько же, сколько одна старая (при одинаковой частоте и плотности тока). Вместе с линейными размерами каждого транзистора уменьшились его паразитная емкость и сопротивление, уменьшилось время переходных процессов при переключении. Такой транзистор может устойчиво работать при более высокой частоте и меньшем напряжении питания. А консолидация большего числа элементов на одном кристалле минимизирует необходимость обращаться к медленной внешней шине.

Получаем, что от уменьшения размеров транзисторов одна сплошная польза и никакого вреда. Именно поэтому миниатюризация стала основной задачей цифровой микроэлектроники с самого момента появления.

Чем же ограничивается техзазор (он же проектная норма)? Для этого надо слегка пройтись по технологии изготовления микросхем.

Техпроцессы

Монокристаллический кремний получают методом медленного вытягивания из расплава (метод Чохральского). Нужная примесь добавляется еще в расплав, что обеспечивает равномерное легирование (прим.: я бы поспорил с автором оригинала, так как по Чохральскому растят именно чистый (относительно) кремний, при этом страшно боятся примесей из тигля, а нужный уровень легирования создают уже потом на самих пластинах, например, имплантацией ионов. CorneliusAgrippa поправляет: на самом деле примеси как раз могут добавлять прямо в расплав при рорсте пластин, так получают пластины, сразу легированные примесью (КЭФ, КДБ с разной степенью проводимости). Ионная имплантация используется позже, на этапе изготовления микросхем). На выходе получаются цилиндрические болванки були (boule) диаметром 200 или 300 мм, которые затем нарезаются на тонкие пластины (aka wafers) толщиной порядка 0,5-0,7 мм. Позднее на них формируется в едином технологическом цикле десятки и сотни микросхем. Была попытка перейти на пластины диаметром 450 мм, но пока не поперло. Слишком сложно выдерживать одинаковые условия техпроцессов в центре и на краях пластины (распределение температуры, примесей и так далее).

Затем, на рабочей стороне пластины наращивают тонкий слой кремния с другим типом проводимости — эпитаксиальный слой. Способы наращивания разные: например, восстановлением газообразного тетрахлорида кремния (SiCl₄). При этом легирующая примесь добавляется в газ. Получившийся слой продолжает структуру кристалла пластины, но имеет другой тип проводимости. В нашем примере выше мы имеем кремниевую подложку p-типа и эпитаксиальный слой n-типа. Иногда перед эпитаксиальным наращиванием на подложке создают карманы n- или p-типа. Так называемые скрытые слои.

А дальше идет процесс создания истока, стока, p-базы, подконтактных и разделительных областей в эпитаксиальном слое. Суть техпроцессов сводится к тому, чтобы убрать в нужных местах окисел, открыть сам кремний, и ввести в него нужные примеси. Примеси вводятся методом диффузии или ионной имплантации.

При диффузии кристалл кремния с очищенными от окисла окнами помещается в содержащую газообразную примесь атмосферу, а затем нагревается до температуры выше 700 градусов Цельсия. Атомы кремния при нагревании начинают колебаться с большей амплитудой, и атомы примеси постепенно внедряются в кристаллическую решетку кремния, как бы растворяются. Скорость внедрения экспоненциально зависит от температуры. В принципе, процесс пройдет и при комнатной температуре, вот только ждать придется годы. Регулируя температуру и длительность, получают нужную глубину и концентрацию слоя. Нагревание при последующих операциях может размыть уже сформированные слои, поэтому стараются все высокотемпературные операции проводить в начале техпроцесса.

Плюсом метода диффузии является простота и дешевизна. Минусом то, что при диффузии примесь внедряется не только вглубь кристалла, но и по сторонам под окисел. Таким образом, реальная ширина базы получается меньше нарисованной нами. Если перестараться с нагревом, то исток и сток под затвором сомкнутся, и транзистор превратится в резистор. При размерах элементов в сотни нанометров диффузия не используется.

При ионной имплантации атомы примеси ионизируется, разгоняется электрическим полем и бомбардируют кристалл кремния. Скорость ионов и толщину окисла подбирают таким образом, чтобы ионы углубилась в кремний на нужную глубину, но не смогли пробить оксидный слой. Ионы примеси выбивают атомы кремния из кристаллической решетки или застревают между решеткой. После имплантации кристалл нагревается, чтобы за счет тепловых колебаний атомов восстановить структуру решетки. Температура нагревания ниже, чем при диффузии, поэтому заход примеси под окисел заметно меньше.

А иногда для специальных применений используется, где требуется высокая равномерность легирования, как в силовых полупроводниках, применяется имплантация в ядерном реакторе. Спасибо tnenergy за наше счастливое ядерное детство просвещение.

Литография

А теперь о главном и самом интересном процессе – литографии. С помощью него на поверхности кремния и создается рисунок слоев. Рассмотрим самую простую контактную оптическую литографию (фотолитографию).

1. На поверхности пластины кремния формируется пленка окисла.
2. Поверх окисла наносится специальная паста – фоторезист. Пластина раскручивается в центрифуге, чтобы фоторезист равномерно растёкся по поверхности.
3. Совмещение. Сверху прикладывают специальную маску – фотошаблон. На ней нанесен рисунок слоя, например, разделительные дорожки или p-карманы всех элементов всех микросхем на пластине. Фотошаблон под мощным микроскопом совмещается с пластиной с помощью фигурок совмещения (прим.: специальные крестики-метки) и высокоточной механики.
4. Экспонирование. Пластина облучается ультрафиолетом через фотошаблон. Под действием излучения фоторезист меняет свои свойства, размягчается (в случае позитивного фоторезиста) или дубеет (негативный фоторезист). Далее будем рассматривать случай с позитивным фоторезистом.
5. Проявление – облученный фоторезист смывается растворителем и открывается слой окисла под ним.
6. Травление окисла. На незащищенных фоторезистом участках окисел снимается плавиковой кислотой или пучком ионизированного инертного газа. Плавиковая кислота дешевле, но она растворяет не только открытые участки, но и слегка подмывает окисел под фоторезистом (всё тот же shadowing effect).
7. Полное удаление фоторезиста с помощью более ядрёного проявителя.

Окна создают от широких к узким. В нашем случае последовательность будет такой – разделительные области, p-карманы, p+ слои, n+ слои, контактные окна с металлизацией, нанесение затвора, контактные области затвора, первый слои металлических дорожек с контактными областями под второй слой, второй слой металлизации и т.д. В современных процессорах металлизация бывает до 10-15 слоев.

Контактная фотолитография использовалась на заре микроэлектроники. Сейчас основной является проекционная фотолитография. Это когда между источником излучения и фотошаблоном ставится линза и системы зеркал для создания сужающего пучка фотонов. Схематически разные методы фотолитографии показаны на рисунке ниже: контактная фотолитография, с зазором, проекционная через линзы, проекционная зеркальная.

Плюсы фотолитографии – высокая скорость и дешевизна. Экспонируется разом вся площадь пластины со всеми ее микросхемами, и процесс занимает несколько минут. Или квадрат из нескольких микросхем с последующим сдвигом пластины.

Кроме фотолитографии есть и другие виды – электронная, рентгеновская и ионная. Наиболее интересна электронная литография (например, проект Mapper, о котором писал BarsMonster).

При электронной литографии экспонирование резиста проводится не светом, а пучком электронов. В простейшем варианте напоминает формирование изображения на кинескопах ЭЛТ-телевизоров. Из всех видов литографии именно электронная обеспечивает самую четкую картинку и самую высокую разрешающую способность. Недостатком является длительное время экспонирования. В современных технологиях пучок электронов имеет толщину в единицы нанометров и даже доли нанометра, а диаметр пластины 300 мм. Используется естественно не один пучок, а десятки тысяч, управляемых компьютером. Но требуется очень мощный суммарный поток электронов. Для сравнения энергия кванта УФИ — несколько эВ , энергия электрона в пучке — несколько тысяч электронвольт.

Кроме того, электроны электрически заряжены и отталкиваются друг от друга, что приводит к расхождению пучка. Конечно, можно увеличить скорость электронов, но тогда они будут прошивать резист насквозь или отражаться с большой скоростью в произвольных направлениях, вызывая вторичное излучение (Secondary Electrons) и, соответственно, экспонирование. Все это ограничивает использование технологии.

Электронная литография используется для создания фотошаблонов. Время экспонирования одного фотошаблона — несколько суток. Поэтому пока в производстве микросхем доминирует фотолитография.

Современный набор фотошаблонов для процессора стоит десятки миллионов долларов. Не удивительно, если учесть, что современные процессоры содержат миллиарды транзисторов, а на пластине сотни процессоров. Кроме того, окна в современном фотошаблоне это не просто дырки в материале, а часто другой материал со специфическими оптическими свойствами. Реальный набор фотошаблонов состоит из десятков масок. На последних техпроцессах более 50 (sic!).

Зато они позволяет штамповать микросхемы как горячие пирожки. За время жизни набор фотошаблонов позволяет получать на выходе сотни тысяч, а то и миллионы микросхем.

Так что же ограничивает размера техпроцесса?

• Аппаратно-технологическая. Связана с разрешением аппаратуры.
• Физика техпроцессов. Определяется физическими ограничениями конкретного техпроцесса, который можно обойти сменой технологии или материалов.
• Физические. Это ограничения, которые обойти нельзя, но можно минимизировать их влияние.
• Предельные физические.

Аппаратно-технологические ограничения

Этот вид ограничений был определяющим на ранних этапах микроэлектроники. В основном относится к производству «чистых комнат», сложного оборудования для техпроцессов, контрольно-измерительного оборудования (что важно для контроля качества выпускаемой продукции). Например, для фотолитографии нужна сверхточная оптика, мощные микроскопы, механизмы для совмещения масок и пластины с точностью в доли нанометров, сверхчистая атмосфера или вакуум во время экспонирования и так далее. Нужно очень точно выдерживать параметры техпроцессов – температуру, длительность, состав атмосферы, мощность излучения, подготовку поверхностей.

Сейчас точность аппаратуры не является ограничивающим фактором. Не потому что это простая проблема. Достаточно посмотреть на рисунок схемы современной проекционной или зеркальной фотолитографии, чтобы понять уровень сложности. Но здесь действительно тот случай, когда для талантливых конструкторов и инженеров нет преград.

Проблемы с технологией обычно актуальны при первых сериях. С изменением нормы техпроцесса меняются не только горизонтальные, но и вертикальные размеры, и концентрация примесей, и пропорции активных зон. А сейчас с каждым новым шагом меняется еще и физика процессов. Естественно, все параметры предварительно просчитываются и моделируются, но реальность всегда вносит коррективы. Поэтому для первых серий 3% выхода годных микросхем (97% брака) считается нормой. Постепенно техпроцессы оптимизируются и процент выхода годных к последним сериям становится за 90%.

Физика техпроцессов

Более 30 лет, вплоть до недавнего времени, именно эти факторы были ограничивающими. Часть этих ограничений я уже перечислял – заход примесей под окисел при диффузии, отгрызание окисла под фоторезистом при травлении, размывание уже нанесенных слоев при термических процессах.

Методы решения тоже частично описал.

Диффузию сменила ионная имплантация. Плюс, для самых мелких слоев сменили материал примеси – вместо фосфора используется мышьяк, вместо бора галлий. У них атомы крупнее и тяжелее, поэтому хуже растворяются в кремнии при тех же температурах (и главное, им труднее диффундировать!). Для ионной имплантации это не принципиально, а вот при последующем нагревании такие слои размываются намного слабее.

Получение окисла нагревом сменило низкотемпературное каталитическое осаждение из газа. Нагревание используется, но только в самом начале, пока кристалл чист. На некоторых операциях вместо окисла используют нитрид кремния (Si₃N₄) или последовательные слои окисла и нитрида.

Жидкое травление кислотой сменили на ионное травление. Кислотное используется только для снятия окисла со всей площади.

Еще одной проблемой было получение сверхчистого окисла для подзатворного диэлектрика. Этот окисел остается, как рабочий элемент на микросхеме, и имеет высокие требования к чистоте и однородности. Толщина окисла местами составляет меньше 10 атомарных слоев. Небольшой дефект приводит к проколу или пробою. Это дает электрическое смыкание затвора с базой и вывод элемента из строя. Какое-то время использовали чередование слоя окисла и нитрида кремния. В технологии 90 нм в качестве подзатворного диэлектрика начали использовать окисел гафния HfO₂.

Кстати, при СССР именно проблемы с получением качественного окисла затормозили переход к КМОП. Отсюда поиски альтернативных путей и общее отставание в цифровой микроэлектронике.

Самой же критичной операцией является фотолитография. Настолько, что до сих пор многие ставят знак равенства между разрешением всего техпроцесса и разрешением фотолитографии. А основная проблема фотолитографии с конца 1980-х – это дифракция света. Точнее ультрафиолета, хотя принцип тот же самый. Не будет преувеличением сказать, что в течении 30 лет борьба за снижение размера техпроцессов была прежде всего борьбой с дифракцией.

Дифракцию света обнаружили еще в 18 веке отцы основатели оптики:

При проникновении в отверстие лучи света и любого другого электромагнитного излучения (ЭМИ) отклоняются от прямолинейного пути, расходятся и проникают в область тени. Явление наблюдается на размерах отверстий, близких к длине волн. Чем меньше отверстие по сравнению с волной, тем сильнее рассеивание. Правило действует до зазоров в четверть длины волны. Отверстие меньше четверти длины волны луч ЭМИ просто «не видит» и отражается от поверхности с такими мелкими зазорами как от сплошной.

Длина волны кремниевых светодиодов — около 1 мкм (ближняя инфракрасная зона), длины волн видимого света от 780 нм (красный цвет) до 380 нм (фиолетовый). Меньше 380 нм начинается ультрафиолетовое излучение (УФИ). Используемые сегодня в фотолитографии излучатели имеют длину волны 248 нм и 193 нм, это излучение эксимерных лазеров (например, на XeF₂). Соответственно проблемы с дифракцией встали в полный рост после преодоления планки технормы в 3 мкм, а после 800 нм стали доминирующими. Из-за дифракции при экспонировании УФИ заходит в область под непрозрачной маской и засвечивает фоторезист в тени. В результате вместо четкого квадрата получаем размытый блин.

Кроме размывания окон есть эффект наложения (интерференции) боковых волн для близкорасположенных окон. Появляются пики засветки далеко под отражающей частью фотошаблона.

Оптика — бессердечная ты.

Какие же методы используют для борьбы с этим явлением?

Первым шагом стало использование проекционной фотолитографии. Если сильно упрощенно, то между фотошаблоном и пластиной устанавливается линза, которая собирает расходящиеся лучи и фокусирует их на фоторезист.

Другим методом стало уменьшение длины волны экспонирующего излучения. В свое время начинали с дуговых ртутных ламп с длиной волны излучения 436 нм — это синий свет. Потом 405 нм (фиолетовый), 365 нм (ближний ультрафиолет). На этом эра ртутных ламп закончилась, началось использование эксимерных лазеров. Сначала 248 нм (средний ультрафиолет), потом 193 нм (глубокий ультрафиолет). На этом процесс и застопорился.

Дело в том, что достигли пределов пропускания кварцевой оптики. Более короткие волны кварц поглощает. Нужно было или переходить на зеркальные системы, или использовать линзы из других материалов. Были сделаны экспериментальные установки под 157 нм на основе фторид-кальциевой оптики. Однако в серию они так и не пошли. Поскольку появились способы оптимизации 193 нм литографии.

Наглядная инфографика по лазерам. Источник

EUV-литография

Еще в середине 1990-х разработали стандарт фотолитографии на экстремальном ультрафиолете (EUV-литография) с длиной волны 13,5 нм. Такая длина волны позволяла давать разрешение в единицы нм.

К началу 2000-х появились первые экспериментальные образцы.

К концу 2000-х технология должна была пойти в серию. И вот, наконец, пошли новости что в 2019-м Samsung и тайваньская TSMC перейдут на EUV-литографию. Не прошло и 15 лет (sic!). Главным антагонистом EUV-литографии стал Intel, хотя изначально был одним из инициаторов. Признав, что из 193 нм УФИ выжато все что можно, они заявили о переходе на 126 нм (ха-ха!).

В чем причина такого неприятия?

Дело в том, что 13,5 нм это уже практически рентгеновское излучение. Границей между УФИ и рентгеном условно считают 10 нм, но по поведению 13,5 нм ультрафиолет ничем не отличается от мягкого рентгена. Поэтому EUV-литография больше напоминает рентгеновскую. Линз под такую длину волны не существует в природе, следовательно, нужно переходить на зеркала из разнородных слоев металла.

Кроме того, что получается очень тонкая и сложная конструкция, металлические зеркала поглощают большую часть излучения. До фоторезиста доходят единицы процента от исходной мощности излучения. Если учесть, что КПД самого излучателя тоже единицы процентов, то для получения нормального времени экспозиции нужна высокая мощность и большие расходы энергии (ooops!).

Так выглядит EUV-сканер от ASML

Источником излучения является плазма. Очень капризная субстанция, от которой сложно добиться равномерного потока без пульсаций. Даже воздух активно поглощает 13,5 нм, поэтому экспонирование может проводиться только в вакууме.

Проблема и с подбором фоторезиста. Чем меньше длина волны, тем выше энергия фотона. Предыдущие источники давали энергию в единицы электронвольт, это обычная энергия химических реакций. Энергия фотона для волны 13,5 нм – 92 электронвольта. Это уже энергия связи глубинных электронов. Поглощая такой фотон, электрон становится очень «горячим», начинает метаться, излучает излишки энергии и вызывает вторичное экспонирование в стороне от окна. Поэтому подбор фоторезиста с нужным набором параметров тоже непростая задача.

Результаты моделирования Монте-Карло путешествия электрона в кремнии с энергией в 20 и 5 эВ. Источник

Эти сложности и определяли причины, по которым откладывали переход на EUV до последнего.

Актуальные методы борьбы с дифракцией

Итак, до последнего времени в качестве источника излучения пользовались всё тем же УФИ с длиной волны 193 нм. Вплоть до технологии 10 нм и 7 нм. А теперь вспоминаем, что излучение не может проникнуть в зазор, если его ширина меньше четверти длины волны. Для 193 нм это 48 нм. Возникает вопрос – КАК?!

Это и есть то маленькое чудо, которое сотворили инженеры. Они использовали метод поляризации излучения.

Берем прямоугольную узкую щель (шириной меньше четверти длины волны) и направляем на нее свет, поляризованный вдоль оси. Свет пройдет через щель, даже дифракция в поперечном направлении будет незначительной.

А теперь берем 2 перпендикулярные щели: горизонтальную и вертикальную. Сначала облучаем двухкомпонентный фоторезист поляризованным светом через вертикальную щель, а потом через горизонтальную. Проявляется только область, облученная 2 раза. Просто как все гениальное.

Правда придется использовать в 2 раза больше фотошаблонов и 2 процесса экспонирования для создания одного окна. Зато можно использовать старую добрую кварцевую оптику и проверенные годами фоторезисты. Вот это поворот!

Есть и другие способы борьбы с дифракцией.

Коррекция оптической близости. Форму окошек фотошаблона делают непрямоугольной, чтобы компенсировать дефекты при дифракции.

Метод коррекции оптической близости схематично…

Использование фазосдвигающих масок. По бокам от основного окошка фотошаблона делают вспомогательные, материал которых сдвигает фазу волны. При наложении волн (интерференции) они частично обрезают боковые смещения друг у друга.

Внеосевое освещение. Луч падает не перпендикулярно к поверхности пластины, а от двух источников под небольшим углом. При наложении источников боковые смещения частично компенсируются.

Многократное экспонирование. Например, нам нужно сделать экспонирование шести близкорасположенных окон. Прогоняем сначала экспонирование 1, 3 и 5 окна. А потом 2, 4 и 6. Это еще в 2 раза увеличивает число циклов экспонирования и фотошаблонов, но всё же лучше, чем ничего. С учетом горизонтальной и вертикальной поляризации получаем 4 цикла экспонирования для создания одного слоя.

Таким образом, если мы посмотрим на современный фотошаблон, то областей микросхемы в явном виде мы там не увидим. Будет набор горизонтальных и вертикальных фигурок, которые при наложениях и дадут картинку. Собственно, сплошные китайские иероглифы: может быть, именно поэтому китайцы оккупировали производство микроэлектроники?!

После 45 нм перешли на иммерсионную фотолитографию. Это когда пространство между крайней линзой и фоторезистом заполняют жидкостью. Сначала это была вода. Сейчас специальные жидкости с высоким коэффициентом преломления (до 1,8). Жидкость снижает эффективную длину волны и нейтрализует преломление света на границе сред.

Вот таким образом и доковыляли до разрешения в

10 нм. Но это похоже уже предел для 193 нм литографии.

Фото первого слоя металлизации для 24 нм технологии. Слева создано 193 нм литографией, справа экспериментальной 13,5 нм (EUV). Как видим, от прежних четких прямоугольных форм остались только воспоминания. Тем не менее работает.

Про физические ограничения, как они влияют и как изменили производство во второй части через пару дней — stay tuned!

Не забудьте подписаться на блог: Вам не сложно – мне приятно!