Як виробляються мікропроцесори
Вам
не доводилося бувати в серці напівпровідникової індустрії - на фабриці з
виробництва мікросхем? Кожне подібне споруда - витвір, здатне
вразити будь-кого, навіть непосвяченого у виробничі процеси людини.
У
побували там виникало відчуття, ніби робиш фантастичну подорож
в футуристичний мурашник роботів або всередину самої мікросхеми. Там, у
стерильному залі розміром з три футбольні поля, снують роботи і десятки
фахівців, одягнених у скафандри і захисні шоломи. А високоточні машини
для виробництва мікросхем "парять" на спеціальних платформах,
освітлені жовто-оранжевим світлом ...
Етапи виробництва кристалів мікросхем і фотолітографія
Інтегральні
мікросхеми роблять на поверхні монокристалічного кремнія1 шляхом
послідовного створення різних верств на тонкій (менше міліметра)
круглої (діаметром до 30 см) кремнієвої пластині, що іменується подложкой.2 Шари
формуються за допомогою різних процесів з використанням хімічних
реактивів, газів і світла. Виробництво сучасних мікропроцесорів є
складним процесом, що складається з трьохсот з гаком кроків - понад двадцять верств
"ветувати" з'єднані між собою, щоб сформувати схему
мікропроцесора з тривимірною структурою. Точна кількість шарів на підкладці (вафлі)
залежить від дизайн-проекту конкретного процесора. Сотні ідентичних
мікропроцесорів створюються на одній кремнієвої підкладці і на фінальній стадії
розрізають на окремі прямокутні кристали - чіпи.
Процеси
формування різних верств і малюнків елементів мікросхеми на підкладці
досить хитромудрі (фактично це ціла галузь науки), однак на їх основі
лежить одна проста ідея: оскільки характерні розміри створюваного малюнка
настільки мали3, що брати в облогу ті чи інші матеріали в потрібних місцях просто
неможливо, роблять простіше - матеріал беруть в облогу відразу на всю поверхню
підкладки, а потім його акуратно видаляють з тих місць, де він не потрібен. Для цього
є процес фотолітографії.
фотолітографії
є непорушною основою виробництва мікросхем, і в осяжному майбутньому їй
навряд чи знайдеться гідна заміна. Тому має сенс розглянути її
докладніше. Наприклад, нам потрібно створити малюнок у шарі якогось матеріалу --
діоксиду кремнію або металу (це найбільш поширені в сучасному
виробництві операції). Перш за все, на підкладці тим або іншим способом
створюється тонкий (звичайно тонше одного мікрона) і суцільний, без дефектів, шар
потрібного матеріалу. Далі на ньому проводиться фотолітографія. Для цього спершу на
поверхню пластини наноситься тонкий шар світлочутливого матеріалу,
званого фоторезістом.4 Потім пластина з фоторезистом поміщається в
прецизійну установку, де потрібні ділянки поверхні опромінюються
ультрафіолетом крізь прозорі отвори в фотомаски (її ще називають
фотошаблонів). Маска містить відповідний (що наноситься на поверхню
пластини) малюнок, який розробляється для кожного шару в процесі
проектування мікросхеми. Під дією ультрафіолету опромінені ділянки
фоторезиста змінюють свої властивості так, що стає можливим їх селективно
видалити в певних хімічних реактівах.5 Після зняття фоторезиста залишаються
відкритими тільки ті області поверхні пластини, над якими потрібно
зробити потрібну операцію - наприклад, прибрати шар діелектрика або металу. Вони
успішно видаляються (ця процедура називається травленням - хімічним або
плазмохімічної), після чого залишки фоторезиста можна остаточно прибрати з
поверхні пластини, оголивши сформований в шарі потрібного матеріалу малюнок
для подальших дій. Фотолітографія завершена.
При
виробництві сучасних мікропроцесорів доводиться здійснювати операції
фотолітографії до 20-25 разів - кожного разу над новим шаром. В цілому це
займає кілька тижнів! В одних випадках це шари ізолюючих матеріалів,
службовців подзатворним діелектриком транзисторів або пасивуючі
(ізолюючими) прошарками між транзисторами і провідниками. В інших - це
формування проводять полікремневих затворів транзисторів і з'єднують
транзистори металевих проводніков.6 По-третє - це формування селективно
легованих областей (головним чином - стоків і витоків транзисторів), причому
легування ділянок поверхні монокристалічний кремнієвої пластини
іонізованими атомами різних хімічних елементів (з метою створення в
кремнії напівпровідникових областей n-або p-типу) здійснюється не через вікна в
фоторезист (він дуже нестійкий для цього), а крізь малюнок у досить
товстому шарі нанесеного діелектрика (наприклад, того ж оксиду кремнію). Після
чого діелектрик видаляється разом з фоторезистом.
Іноді
застосовується і такий цікавий метод, як вибухова фотолітографія. Тобто
спершу формується малюнок (витравлюється вікна в фоторезист або тимчасову
шарі діелектрика), потім на поверхню пластини наноситься суцільний шар нового
матеріалу (наприклад, металу), і, нарешті, пластина поміщається в реактив,
видаляє залишки фоторезиста або тимчасовий діелектрик. У результаті видаляється
шар як би "вибухає" зсередини, несучи з собою що лежать на ньому шматки
нанесеного останнім металу, а в попередньо "відкритих" ділянках
(вікнах) метал залишився і сформував потрібний нам функціональний малюнок (провідників
або затворів). І це тільки верхівка айсберга, званого мікроелектронної
технологією, в основі якої лежить принцип фотолітографії.
межз'єднань
- То є електричні з'єднання між транзисторами в мікросхемах
(що поєднують кілька транзисторів в окремі функціональні комірки, а
осередку - у складні блоки) - створюються за допомогою декількох металевих
шарів, подібно до того, як на складних друкованих платах (материнських платах,
відкритих, модулях пам'яті тощо) окремі мікросхеми, транзистори, резистори
і конденсатори об'єднуються в закінчені схеми. Тільки тут це відбувається на
мікромасштабах. Як метал для межз'єднань в сучасних
мікропроцесори, що виготовляються по 130-нм і 90-нм технологій, як правило,
виступає медь7. Новітні мікропроцесори налічують від семи до десяти шарів
межсоедіненій8, причому у різних виробників число шарів може різнитися: для
0,13-мікронного і 90-нм техпроцесів Intel Pentium 4 має сім або вісім
шарів відповідно, тоді як AMD Athlon 64 - дев'ять шарів в обох випадках, а
процесори IBM - ще більше (до одинадцяти шарів). І це не межа - у майбутніх
складніших чіпах число шарів межз'єднань напевно зросте. Для
зменшення паразитних зв'язків між шарами металізації нині використовується вже
не традиційний діоксид кремнію, а спеціальний матеріал (low-k) з більш низькою
діелектричної проникністю (це знижує ємності між шарами).
Таким
чином на поверхні кремнієвої пластини створюється складна тривимірна
структура товщиною в декілька мікрон, яка, власне, і є
електронною схемою. Зверху схема покривається товстим (мікрони) шаром
пасивуючі діелектрика, що захищає тонку структуру від зовнішніх
впливів. У ньому лише відкриваються вікна для великих, стороною в десятки
мікрон, квадратних металевих контактних площадок, через які на схему
подаються ззовні живлять напруги та електричні сигнали. А знизу
механічною основою мікросхеми служить кремниевая пластина товщиною в сотні
мікрон. Теоретично, таку схему можна було б зробити дуже тонкої (10-30
мкм) і при бажанні навіть "скрутити в трубочку" без втрати
функціональності. І подібні роботи вже якийсь час ведуться в окремих
напрямках, хоча традиційні кристали мікросхем (чіпи) як і раніше залишаються
"непохитними".
Після
завершення технологічних процедур кожен з кристалів на пластині
тестується (детальніше про це - в наступній статті), а потім пластина
розрізається на окремі кристали (прямокутні чіпи) за допомогою алмазної
піли.9 Далі кожен чіп упаковується в свій корпус, що дозволяє підключати
його до інших приладів. Тип упаковки залежить від типу мікросхеми та від того, як
вона буде використовуватися. Наостанок всі упаковані чіпи тестуються ще раз
(негідні відбраковуються, придатні проходять спеціальні стрес-тести при
різних температурах і вологості, а також перевірку на електростатичний
розряд), сортуються за характеристиками і відповідності тим чи іншим
специфікаціям і відвантажуються замовнику.
Напівпровідникові фабрики
Зараз
в промисловості з виробництва чіпів підходить до завершення один з тих
революцій, які раз на десятиліття міняють вигляд індустрії. Продуценти
переходять від підкладок діаметром 200 мм до підкладки діаметром 300 мм (див. фото
праворуч), в результаті чого з'являється можливість помітно здешевити
виробництво мікросхем, а разом з цим - всієї електронної напівпровідникової
продукції. Справа в тому, що підкладка діаметром 300 мм забезпечує
225-відсоткове збільшення площі кремнієвої пластини і 240-відсоткове
збільшення корисного виходу чіпів з кожною підкладки. Крім того, значно
поліпшуються і екологічні характеристики виробництва, що вимагає
меншого витрати хімічних реактивів і енергії в перерахунку на кожен
процесор, створює менше відходів. За даними Intel, у порівнянні із заводом,
що працюють на 200-міліметрових підкладках, нова фабрика викидає на 48%
менше летючих органічних речовин, витрачає на 42% менше надчистої води і
приблизно на 40% менше енергії. На 50% скорочуються витрати праці.
Сучасні
"300-мм" фабрики - це гігантські промислові підприємства вартістю
близько 2 млрд. доларів і площею понад сотні тисяч квадратних метрів. Лише
мало хто з сучасних компаній-виробників чіпів можуть дозволити собі
вкладення в такі дорогі фабрики. Адже для будівництва та подальшої експлуатації
подібних підприємств потрібно досягти рівня щорічних продажів в розмірі як
мінімум 6 млрд. доларів з розрахунку на кожну фабрику. Подібні фабрики прийнято
називати "foundry" - один з перекладів цього терміна на російську мову
означає "ливарне виробництво". Назва уособлює колосальний
індустріальний масштаб: ювелірний процес виготовлення високотехнологічних
елементів мікропроцесорів стає на промисловий потік, масштаб якого
можна порівняти хіба що з масштабом виробництва продукції величезними
металургійними цехами. У 2000 році, коли продаж чіпів були на підйомі,
всього десять компаній у світі мали обсяги продажів вище 6 млрд. доларів. З
"старої гвардії" сьогодні тільки Intel, IBM, Infineon, AMD, Texas Instruments
і Samsung володіють власними діючими фабриками з виробництва мікросхем
на 300-мм підкладках. Інші створюються та управляються спільно об'єднаннями
компаній - наприклад, "Motorola - Philips - STMicroelectronics - Taiwan
Semiconductor ". Безперечним лідером в плани будівництва нових фабрик
є Тайвань. Вже в 2001 році на острові була виготовлена п'яту частину всього
світового виробництва підкладок, а до 2010 року ця частка може досягти 40%. На
п'яти Тайваню наступають Китай, Малайзія і Сінгапур - вони планують побудувати 15
фабрик, п'ять з яких будуть працювати на 300-мм пластинах.
У
корпорації Intel таких діючих в промисловому масштабі фабрик вже чотири:
F11X в Ріо-Ранчо (штат Нью-Мексико), дві - D1C і D1D - в Хіллсборо (штат
Орегон) і недавно введена в дію Fab 24 в ірландському містечку Лейксліп
(Leixlip). Всі вони можуть випускати процесори за 90-нм технології; п'ятому ж,
Fab 12 в Чандлер (штат Арізона) для 65-нм техпроцесу, буде переведена на
300-мм пластини до 2005 року. А, наприклад, в AMD введення в дію першої 300-мм
фабрики Fab 36 планується лише наступного року (див. огляд на
www.terralab.ru/system/33692). Як вважають експерти, що існують фабрики з
200-мм підкладками зможуть протриматися "на плаву" до 2005 року, після
чого вони вже не зможуть витримати цінової конкуренції з 300-мм процесом. До 2005
році чіпи будуть робитися за технологією 65 нм, а на мікропроцесорах буде
інтегровано по мільярду транзисторів! Чіпи стануть настільки крихітними, що
дозволять вбудовувати стільникові телефони з голосовим набором номера в авторучку.
Чому
фабрики для виробництва мікросхем такі дорогі (до 5 млрд. доларів)?
Напівпровідникові фабрики виконують найбільш складні завдання серед усіх фабрик у
світі. Вони використовують тільки спеціалізовані матеріали, болти, конструктивні
елементи, обладнання та ін Крім того, інтеловськіх фабрики, наприклад, майже
вдвічі більше, ніж середній розмір подібних заводів у світі. Сама будівля стоїть
приблизно 25% від загальної вартості фабрики і ще років десять після будівлі
залишається спорудою, придатною для вирішення самих сучасних завдань.
Обладнання (установки для фотолітографії, газофазного осадження, іонної
імплантації) і автомати на поверсі стоять інші 75%. Додаткові вимірювання
проводяться для того, щоб переконатися в вібростійкої фундаменту і
установок. Навіть якщо фабрика - зовні один будинок, насправді це кілька
будівель, відокремлених один від одного найбільшого (до 10 см) проміжками, і кожне
будівля має власний фундамент. Це допомагає гасити різні вібрації --
як від зовнішніх джерел (автотранспорту, потягів), так і власних вібрацій
обладнання.
Список літератури
Для
підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://chemworld.narod.ru
