Микроэлектроника для «чайников»: Технологический процесс производства интегральных схем. Особенности материалов, оборудования, специфики современного техпроцесса
В студии Zelenograd.ru Сергей Ранчин – начальник кристального производства завода “Микрон”.
Мы поговорим сегодня о кристальном производстве – сердце микроэлектронного производства. Можно так сказать?
Да, потому что все полупроводниковое производство именно там, где рождаются сами чипы с интегральной схемой, начиная от исходной пластины и до пластины с кристаллами. Все дальнейшие манипуляции – это уже выход изготовленного кристалла до своей конечной цели.
А почему производство “кристальное”? Мы знаем, что такое кристаллы в природе, а что такое кристаллы в микроэлектронике?
Первое, научное объяснение – пластина монокристаллическая. Это часть большого кристалла, порезанная на части. Она имеет определенную кристаллическую структуру, и на этой монокристаллической пластине мы формируем интегральные схемы. И все манипуляции, соответственно, мы совершаем с кусочком кристалла. Ну, а традиционно американское название “чип” — оно ближе к слову “кристалл” — кристальное производство подразумевает под собой это. То есть, “чип” и “кристалл” это идентичные названия. Фактически, я начальник производства чипов. Если брать английскую аббревиатуру — director of chip production.
Естественно, ваше кристальное производство — часть большой технологической цепочки. Что поступает к вам “на вход”? C точки зрения материалов, каких-то технических заданий? Какие именно чипы делать? Что это такое?
Мы обеспечиваем один из самых важных процессов в формировании интегральной схемы, но далеко не единственный. Начало – это целая промышленность – производство исходных материалов. Если брать непосредственно историю Зеленограда, то раньше был завод “Элма”, который занимался выращиванием исходного поликремния. А поликремний получается из обычного кварцевого песка, то есть практически мы работаем с исходным материалом, с песком. Из песка получается поликремний, из поликремния уже пластины, которые нарезаются и поступают к нам в производство.
То есть, к вам уже поступает нарезанная пластина?
Да, это исходная пластина, отполированная, с минимальным, считанным количеством дефектов (идеального, безусловно, ничего нет). Дальше все манипуляции с пластиной – это уже непосредственно мое производство.
Помимо пластин, есть некое дизайнерское решение: что это будет за чип, какие действия он будет выполнять?
Изначально в основе всего лежит технология. Это формирование в объеме активных и пассивных элементов, на основании которых, создавая электрические схемы с определенными параметрами, можно делать какие-то конечные устройства. В начале нашего процесса на соответствующей монокристаллической пластине по определенным правилам, так называемой “технологии”, с использованием определенного оборудования и определенных операций, формируются активные и пассивные элементы, которые потом соединяются в электрическую схему.
По сути дела, ваша задача – сформировать электрическую схему на пластине?
Моя задача создавать условия и четко, жестко выдерживать параметры в процессе этого производства. Потому что формально, меняя только комплект шаблонов и рисунок, мне все равно, что выпускать: сложные изделия, карточку для метрополитена или сим-карту, карту памяти и т.д. Последовательность операций ровно такая же для всех, меняется только комплект шаблонов, рисунок.
Можно сказать, что это чертеж электрической схемы?
То есть, грубо говоря, если я открою сейчас какой-нибудь старый телевизор, то там будет большая плата с кучей элементов. Вы, фактически, делаете то же самое, только в маленьком кристалле? Я помню, к старым электронным устройствам прилагались огромные “простыни” со чертежами электрических схем. Такой чертеж поступает к вам “на вход”, в некоем компьютеризированном виде?
Совершенно верно, процесс дизайна именно такой. Из пассивных элементов, или из блоков, мини-плат или уже готовых мини-устройств, триггеров, счетных устройств, процессоров компонуется электрическая схема, точно такая же, как на чертеже дизайна. После этого по определенным описанным правилам проектирования, я как изготовитель, гарантирую, что все запланированное на бумаге, я выведу в конечном продукте.
То есть, вы эти правила проектирования передаете сначала дизайнерам, и они уже работают с этими правилами, зная что их задумки, возможно где-то безумные, все равно будут реализованы вашим производством.
На основании базовых элементов. Располагается все от простых элементов – к сложным. Простые элементы – это транзисторы, резисторы, конденсаторы – какие-то пассивные элементы, емкости тоже, в интегральном исполнении. Специальный отдел снимает с них так называемые “спайс-параметры”, и дальше преобразует их в те самые правила, по которым собираются эти электрические схемы. Дизайнеры берут эти правила, и на основании них могут формировать так называемые “design kit”: это уже блочные элементы, например – интерфейсную плату, память, какие-то генераторы, блоки взаимодействия, коммутации. Следующий этап – создать из этих блоков определенную схему.
Некую реально работающую схему…
Да. И действительно, зачастую люди далекие от микроэлектроники спрашивают: “Что такое микроэлектроника, “минимальный размер”, ну, какая разница: 0.18 микрон – 90 нанометров? Что это такое?”. Действительно, все видят платы, зелененькие-синенькие в сотовых телефонах или компьютерах — как правило, люди больше с ними общаются… Телевизоры редко кто разбирает, а телефон у многих падал и разбивался – проще объяснить. На этой плате много различных элементов. Чем выше уровень технологии – тем меньше размер, тем в меньшем размере все эти элементы можно реализовать. Чем “круче” технология – тем меньше размер, тем более миниатюрное устройство с большим функционалом на той же самой единице площади можно сделать. Таким образом определяется и эффективность – пластина одна, а можно сделать одного и того же устройства на этой пластине по разным технологиям разное количество.
То есть чип сам по себе будет дешевле?
Конечно. Дешевле и конечное устройство. Но можно и по-другому подойти – он будет стоить столько же, а работать будет в четыре раза быстрее.
Или меньше энергии потреблять…
Да. Или больше функционала нести в себе.
Насколько я понимаю, так же “на вход” поступают всевозможные химические реактивы.
Не только химические, зачастую и различные материалы – “мишени”…
Ну, всевозможные расходные материалы.
Да, причем требования к ним достаточно чистые, специальные, которые образуют целое производство. Почему говорят, что микроэлектроника – это такое направление, которое за собой тянет несколько других. Раньше это называлось “градообразующее”, сейчас говорят “которое за собой тянет развитие в других областях”.
Говорят, что одно рабочее место в микроэлектронике создает десять в других областях.
Примерно так, да. Потому что для обеспечения этого выпуска нужно притягивать и химическую промышленность и производство, естественно это производство зависит от уровня технологического оборудования, машиностроения.
Пластины перед тем как запустить в производство, насколько я понимаю, вы загружаете в эти специальные оранжевые SMIF-контейнеры и дальше они уже оттуда людьми не достаются?
Мы их не просто загружаем, мы их еще и однозначно идентифицируем специальной лазерной маркировкой. Например, в чем уникальность билетов – в том, что всегда можно проследить его историю, потому что на каждом этапе мы фактически подписываем каждый чип. Есть разные принципы построение “чистой комнаты”. Наша “чистая комната” под проект 180-90 нанометров использует так называемую “SMIF-технологию”. В основном, чтобы сэкономить на инфраструктуре, на обеспечении чистоты, потому что любая пылинка несет в себе поражающий фактор и, попадая на пластину, выводит из строя ваше функциональное устройство. И если оно у вас очень сложное, то цена вопроса намного больше. Если у устройства много чипов на пластине, то попадание одной пылинки на один из восьмидесяти тысяч кристаллов, наверное, не так страшно. А если их всего сто, то цена вопроса – один процент минимум.
В этом СМИФ-контейнере маленькая “особо чистая комната”?
Да, она особо чистая. Есть так называемые “классы чистоты”. Там создан класс чистоты фактически 0.00-сколько-то там единиц, естественно, в пересчете на кубический метр. Это допустимо – идеального ничего нет, к сожалению. Таким образом, мы, во-первых, экономим, во-вторых – это дополнительная защита от загрязнений, повышение процента выхода годных пластин.
Что происходит с пластиной, когда она уже загружена в SMIF-контейнер?
Много чего происходит. Все операции делаются последовательно, нельзя никакую операцию пропустить, иначе на выходе мы ничего годного не получим. Если брать по-крупному, таких операций около трехсот, а если детализировать каждую операцию, каждую манипуляцию с пластинами, это либо перемещение, либо нанесение какого-то одного из слоев, потому что есть композитные материалы, где несколько раз обрабатывается пластина, то таких операций свыше трех тысяч. Все они делаются последовательно, и если у вас есть какая-то накопленная ошибка, то она дальше действует как усилитель.
Три тысячи разных типов операций или три тысячи операций, которые делаются с пластиной?
Три тысячи операций, которые делают с этой пластиной, чтобы на выходе получить годное изделие – чип, готовый к корпусированию.
А сколько разных именно типов операций?
Они сгруппированы, на каждую операцию выписан отдельный рецепт на установку, который забит и отрабатывается уже не на рабочих пластинах, а зачастую на спутниках. Потому что цена отработки на рабочих пластинах, конечно, очень велика. Например, на 2999-й отрабатывать пластину, на которой сделал столько операций, наверное, бессмысленно. Смысл есть, но очень дорого. Поэтому все это отрабатывается на спутниках, на специальных пластинах. И у нас, более того, это подтверждается каждый раз, то есть мало того, что процесс один раз разработан, он еще должен воспроизводиться изо дня в день, из месяца в месяц, из года в год. Таким образом, мы подтверждаем качество всех этих процессов. Все процессы мы сгруппировали на восемь основных направлений. От восьми до одиннадцати, с разной степенью детализации: процессы фотолитографии, плазмо-химического травления, жидкостной химии и травления… ну, диффузии сейчас уже нет как таковой, но мы уже традиционно называем высокотемпературную обработку диффузией, и, соответственно, высокотемпературными отжигами. CVD – это английская аббревиатура – осаждение диэлектрических или металлических пленок из газовой фазы. PVD – это напыление на пластины металлов, различных проводящих металлических пленок. Далее, безусловно, метрология, потому что с определенной периодичностью на маршруте мы должны контролировать, подтвердить, что все предыдущие операции сделаны качественно. Должны подтвердить непосредственно качество каких-то критических процессов – это либо толщина диэлектрика, осажденного или окисленного, или померить размеры фотолитографии, совпадают они или нет. И два последних процесса – это ионная имплантация и химико-механическая полировка. Если брать по-крупному, то формально это все процессы, которые сейчас у нас есть. На 90 нанометров, которые будут у нас реализованы, будет еще медная металлизация, там будет дополнительное оборудование, это электро-химическое осаждение меди из жидких реагентов.
В чем заключается основной принцип, благодаря которому вы делаете трехмерную структуру на кремниевой пластине?
Принцип в том, что на пластину наносится рисунок, на фотолитографии, дальше с этим рисунком делаются различные манипуляции. Каждый слой несет в себе определенный функционал. Либо делается активная область, либо рисунок активных элементов, проводников, или — есть такое понятие – обкладки конденсаторов, затворы транзисторов, переходные или контактирующие окна между двумя слоями, соединяющие два слоя, например, разводки, или активной структуры. То есть элементы создаются и в объеме пластины и на ее поверхности. Примерно, вся структура составляет до шести микрон в глубину пластины и примерно столько же – шесть микрон и даже больше, в зависимости от функционала и сложности, на поверхности.
Я правильно понимаю, что фотолитография заключается в том, что вы какие-то участки закрываете, грубо говоря, а то, что осталось протравливаете?
Да, там разные есть элементы, но принцип примерно такой. Почему это называется фотолитография: на пластину наносится фоточувствительная пленка, специальный фоторезист, нужна определенная равномерность ее нанесения, с ней необходимо провести определенные модификации, дальше шаблоном формируется рисунок. Позитив-негатив – все точно так же, как в обычной фотографии. И в зависимости от того, какой тип фотолитографии, шаблона и фоторезиста, формируется либо негативный рисунок, либо позитивный. После этого все отправляется в проявитель – все как в фотографии – засвеченные или, наоборот, защищенные места, растворяются в этом проявителе. Таким образом, формируется фоторезист. Он обладает интересными свойстами: он достаточно устойчив к плазме, и несет в себе вязки для проникновения, например, ионной имплантации атомов, которые там полегируются. А после этого идет модификация, как я сказал, либо это травление по этой маске, то есть все слои, которые внизу, плазмой будут потравлены либо до определенного слоя, либо на определенную глубину. Соответственно, так же с фоторезистивной маской, пластины могут пойти в ионную имплантацию. Ионная имплантация – это когда считанное количество атомов определенного вещества разгоняется (чистого — у нас там сепаратор стоит) до определенной энергии и проникает в поверхность на определенную глубину, из-за того, что она обладает энергией, набирает скорость. Она упирается, бьется в пластину и проникает на определенную глубину. Таким образом, достаточно точно можно регулировать количество атомов, примесей и глубину их проникновения.
То есть вы меняете химические свойства вещества в строго определенном месте?
Не химические свойства, а свойства непосредственно самого атома.
Да, само вещество меняется.
Да, само вещество из газовой фазы разгоняется. Если старую физику вспомнить, сейчас уже, наверное, не так это актуально, а когда мы учились, старые телевизоры, электронно-лучевая трубка, поток электронов: две пластины, приложением различного напряжения можно разогнать их до разной скорости, соответственно, если приложить пластины по пучку, то разная масса отклонится на разный уровень. Таким образом, можно очистить весь пучок от других примесей и выделить, посчитать примерное количество.
Полетит только то, что нужно.
Полетит только то, что нужно и туда, куда нужно. А “туда, куда нужно” обеспечивается вот этой маской. В маске они застревают, не проникают в глубину фоторезистивной пластины, а в открытые участки пластины они проникают и формируют активную область.
А вот этот фотошаблон, который используется в фотолитографии, он что из себя представляет чисто физически?
Физически это очень сложное устройство. По проекту 90 нанометров, это — произведение искусства. Иногда один шаблон – это стекло размером примерно 157 на 157 миллиметров, толщиной порядка 6 микрон. На нем нанесен этот рисунок. Напыляются различные металлы, такими же методами фотолитографии, лазерами, различными способами формируется этот рисунок. Это стекло, через которое идет поляризованный свет. Но так как там уже есть различные оптические эффекты, эффекты близости двух элементов и так далее, то выглядит это немного не так, как рисунок. Это можно сравнить с искусством Дали, где из мелких фрагментов формируется общая картина. Дали использовал именно оптические эффекты, в том числе близости, для того, чтобы формировать такие сложные элементы. Сейчас это действительно произведение искусства, которое стоит приличных денег, порядка 15000 евро стоит один шаблон.
Из себя он представляет обычную стеклянную пластину, но она еще закрывается пеликлами, чтобы пыль не попала, или если и попала, то не так была критична. Фактически это стекло…Стеклышко с рисунком, но произвести его очень сложно.
Стеклышко непростое. Вы уже упомянули существующие на “Микроне” 180 нанометров, 90 нанометров, а также существующие на других производствах 65, 45 и т.д. Я знаю, есть технология 22 нанометра. Вы сказали, что разница в том размере элементов, которые можно создать на пластине. А где предел, где все это остановится? Я имею в виду традиционную кремниевую технологию.
Я думаю, что никто не сможет сказать, где все это остановится. Давно уже, 25 лет назад, велись споры о том, какая будет фотолитография, рентгеновская или лазером будем рисовать, а не на шаблонах… Все определяется, в-основном, доступностью материалов и экономикой. Кварцевый песок – наиболее доступный на нашей матушке-земле материал. Я думаю, его возможности далеко не исчерпаны. Сейчас уже 22 нанометра заявляют, Intel первый – 32 нанометра запускает, дальше идут разработки уже 18 и т.д. Я думаю, здесь скорее будет вопрос о технологиях и оборудовании, которое будет использовано для этого, а не с точки зрения каких-то новых материалов. Ближайшие 10-15 лет кремний будет и дальше хорошо существовать.
То есть, технологических ограничений нет, я правильно понимаю?
Изобретут, наверное, какой-нибудь трехмерный транзистор, который уже будут в глубине выращивать.
Кстати, о трехмерных выращиваемых транзисторах. Я видел такие станки – фактически трехмерные принтеры, которые печатают по трехмерной модели некие произвольные формы. Из пластиков каких-то это делают… А в микроэлектронике можно так делать?
Это перспективная технология или наоборот, она не подходит?
3D-принтеры в основном используются для того, чтобы ощутить, посмотреть на то, что изобрели, не просчитались ли, сопоставить две детали, как они друг к другу подходят и т.д. А здесь, возможно, так как мы уже сейчас работаем с атомарными слоями, 21 ангстрем – это уже слой из считанного количества атомов – дальше уже больше проблем будет как это оценить, посмотреть, померить, попробовать, а не с тем, как это изготовить.
Вопрос метрологии, наверное?
Да. Вот почему сейчас еще на диаметр пластин 450 мм еще никто не перешел – хотя, в-общем, логично – чем больше диаметр, тем выше эффективность. Очень дорого. И приостановилась микроэлектроника где-то на десять лет, сейчас уже пошли первые приборы, которые позволяют вот такие здоровые “блины” контролировать. И производители говорят, что да – следующий уровень уже не за горами. А что будет дальше – возможно какие-то материалы, какие-то различные объемные вещи, объемный транзистор, может быть, даже будет какая-то новая элементная база. Если сейчас мы пользуемся транзисторами “КМОП” технологии и биполярными, старыми, то я не исключаю, что будет какой-нибудь квантовый…
Что-нибудь придумают.
Какой-нибудь новый активный элемент, который будет делать несколько состояний. Если сейчас они позволяют состояния “включен-выключен”, то, может быть, это будут какие-то многомерные.
Возвращаясь непосредственно к производству, от “входа” до “выхода” в среднем, сколько времени проходит?
В среднем мы ориентируемся — поставили себе такую задачку — выйти на среднее время в два месяца.
Два месяца одна пластина крутится там, внутри “чистой комнаты”?
Так долго?
Я бы сказал по-другому: “Так быстро?”
То есть, если я сейчас приду к вам со своим заказом и скажу: “Мне завтра нужен чип”, то вы скажете: “Извини, нет – два месяца”.
Со своим дизайном, да, безусловно. Никто в мире таких сроков вам не даст. Даже, если вы придете со своим комплектом шаблонов. Скажем так, это среднее время, не средняя температура по больнице, но среднее время, потому что есть супер-быстрые партии, так называемые “горячие” партии, есть обычное производство, а есть “как получится”. Некоторые могут и месяцами изготавливаться, если это что-то очень сложное, где нужно каждый процесс контролировать и т.д. Есть у нас такие научные разработки.
Когда мы общались до эфира, я сравнивал ваше производство со сборкой автомобиля, но сейчас я вижу, что его, наверное, можно сравнить со строительством какого-то большого, сложного здания, где нужно ждать пока бетон застынет и т.д. Просто по технологии быстро не сделаешь.
В принципе да. Минимальное время, если убрать перемещения пластин, выстроить все это на огромный конвейер, где на входе чистые пластины, а на выходе продукт. Человека мы не используем, все настроено идеально и т.д. Просто физический цикл, хотя перемещения все равно какие-то будут, короткие, без участия людей… Это где-то от 8 до 11 дней.
Все равно долго.
Если подключать человеческий фактор, минимальное достижимое время – не у нас, правда, у нашего партнера – 18 дней. Мы можем за месяц. То, что ранее я сказал за два месяца, мы можем отдельной партией сделать за месяц. Но это будет к партии приставлен человек, который все это отслеживает и сам перемещает.
Персональный менеджер.
Да, безусловно. Потому что фактически три тысячи операций, семьдесят единиц оборудования, можно посчитать, сколько каждое оборудование делает. Простая математика может подсчитать количество перемещений…
Да, просуммировать и получить те самые два месяца. Тем более, если все это так долго, то возрастает цена ошибки. Мы уже об этом немного поговорили о том, как происходит тестирование. Получилась у нас в итоге пластина, она годная, все лампочки “зеленые”, дальше как-то проверяется, что на самом деле все хорошо?
Безусловно. Есть два вида тестирования. Третий – испытание на надежность, подтверждение качества, об этом я сейчас не буду говорить. А про первые: в определенных местах на каждой пластине, для максимального охвата, например, пять точек или двенадцать или сорок восемь, существуют специальные тестовые элементы. Они представляют из себя набор простейших транзисторов, тех самых, которые мы даем дизайнерам, для изначальной разработки и говорим: “Ребята, если по этим параметрам вы используете эти элементы с такими-то параметрами, то у вас на выходе будет годное изделие”. Мы эти параметры закладываем в тестовую ячейку, сравниваем с тем, что должно получиться, плюс-минус, естественно, определенные отклонения. И по критериям годности, а это, как правило, из пяти точек допускается только одно некритичное отклонение. То есть это будет одна область, с которой возможно что-то не так. Снижение процента выхода годных. Вот по такому критерию мы говорим, что да – пластина годная.
То есть, вы не тестируете все чипы? Вы тестируете, фактически, где-то рядом, тестовые элементы на незадействованных участках?
Да, и после этого можем сказать, что пластина прошла весь технологический цикл и на ней элементарные элементы годные. Потому что есть еще ошибки дизайна…
За которые вы не отвечаете, да?
Так как у нас производство все в целом, то ошибка дизайна это в том числе и наш просчет.
Кристальное производство не отвечает, я имею в виду.
Формально да. Вот мы сделали, мы гарантируем, что – элементарные элементы находятся в определенных параметрах и, косвенно, мы говорим о том, что все что сделано на этих элементарных элементах, если вы просчитали правильно схему, должно быть рабочим.
Но в итоге, если вы признали годной пластину, то на ней все чипы годные или нет?
Нет, нет, потому что здесь мы не учитываем поражающий фактор вот этих дефектов.
Та самая пылинка, которая куда-то может упасть?
Да, возможно она не попала на тестовый элемент, потому что тестовый элемент это по отношению ко всему элементу процент или доля процента. После этого пластина не уходит с “Микрона”. Дальше, на каждой интегральной схеме есть контактные площадки, к которым присоединяются проводки, по которым подаются управляющие сигналы и питание, и, в зависимости от входного воздействия, должен получиться определенный выходной сигнал. После этого мы передаем пластину в наш тестирующий цех, он называется у нас “отдел разработки и измерений”. Там на зондовых установках к каждому контактируемому чипу “иголочками” (потому что там есть площадки 60 на 60 микрон, стандартные – 80 на 80), “приконтачивается” специальное контактирующее устройство, подаются входные импульсы, питание, меряются определенные параметры, которые говорят о том, что эта микросхема годная. Если она не годная, то на старом производстве некоторые потребители просят “закапать” его. Иногда берешь изготовленную пластину, а она в мелких черных точечках. Это значит, что микросхема забракована. Делается это потому, что когда дальше это все разрезается, компьютер – у него “глаз” – распознает точку и не берет ее, а берет только годные кристаллы. Есть другой вариант, где мы померяли и сразу в компьютере пометили координаты этого места или номер этого дефектного чипа. Дальше автомат, без распознавания, по определенной программе разбирает эти чипы. Годные он либо укладывает в кейс, либо ставит в изделие, в корпус или на билет.
Вы уже упомянули то, что присутствие людей, перемещение контейнеров, например, отнимает достаточно много времени – больше половины. Почему нельзя убрать людей?
В целом, убрать людей можно. На больших фабриках с большим объемом продаж все перемещение пластин осуществляется, в основном роботами, специальной транспортной системой. К SMIF-контейнеру приделан небольшой пейджер или мобильный телефон, который сам связывается с оборудованием, когда он пришел, смотрит маршрут и так далее. Это очень большие затраты на автоматизацию и не все фирмы этим пользуются.
У нас пока люди дешевле?
Не то, что дешевле… Дело в том, что если бы производили, к примеру, полмиллиона пластин в год, тогда это имело бы смысл. А мы производим от полутора до трех тысяч пластин… Чтобы было понятно, вся эта система автоматизации стоит десятки миллионов долларов, это сравнимо с вложениями в основное оборудование. Это вопрос не технический, а больше экономический.
Скажите, а что это за люди, которые занимаются, скажем так, не очень интеллектуальной работой — берут контейнер из одного места и несут в другое; или это все-таки специалисты высокого класса?
Это делают операторы и это не такая уж монотонная работа, не просто с одного места на другое перенести. Нужно еще выбрать рецепт, что тоже большая ответственность, потому что люди несут в себе ошибку. Человек в конце смены, к примеру, устал…
Человек хуже пылинки – пылинка один чип испортит, а человек сразу весь контейнер.
Совершенно верно, да, именно поэтому здесь ситуация делится на элементарные операции, но они могут быть достаточно сложны, в том плане, что человек обслуживает не одну установку, а десять. Естественно, он должен подходить со знанием дела. К тому же ему делегировано принятие определенных решений, если мы говорим про простых операторов, не про инженеров. После того, как сделал процесс, он сравнил результат с тем, который должен быть и может принять определенное решение – отправлять партию дальше или оставить ее.
Тем не менее, он работает по определенному алгоритму, да?
Абсолютно. Причем, чем жестче алгоритм и чем более четко человек следует правилам, этому алгоритму, тем процент пригодных лучше. Недаром все большие системы, “Тойота” и так далее, все это создано в Японии. Ими придуманы “Just in time”, “kanban” и так далее, 5S, все эти системы. Интересный пример – ни в Африке, ни в Южной Америке, включая Латинскую, полупроводникового производства, как правило, нет. А в Азии – в Сингапуре, Малайзии и т.д. – они есть. Там люди немного к разным вещам предрасположены. Микроэлектроника это вещь больше такого плана – четкого следования определенным алгоритмам. А вот разработка этих алгоритмов, последовательностей этих операций – это очень интересная работа, и там как раз необходимы инженеры.
А зарплата на кристальном производстве высокие?
Зависит опять же от отдачи. Цифры варьируются в районе тысячи долларов. Есть и плюс, есть и минус, естественно. Есть и существенный плюс, но существенного минуса нет.
У вас есть некие ресурсы, есть скорость и, соответственно, объем производства, есть качество. Что здесь можно улучшить? Вот, на примере вашего производства.
Улучшаться должно все в комплексе, другого пути нет. Если улучшаешь что-то одно…
Так бывает?
Задача улучшить весь этот треугольник – быстро-качественно-дешево. Или дорого, наоборот, можно разные поставить вершины. Можно, например, просто сделать фабрику по перемалыванию пластин. Делать все очень быстро, но на выходе не иметь ничего…
Я говорю о реальности, реально ли сейчас что-то улучшать?
В реальности, безусловно. Не мы, во-первых, всю эту цепочку разрабатывали. Мы покупали технологию на ST Microelectronics. Естественно, первое — это внедрение и адаптация этой технологии для наших российских условий. Потому что за пятнадцать лет — большое отставание возникло. Я даже не знаю с чем сравнить, но уже люди немного отвыкли в этом работать, тяжело было найти персонал. Не включая тот, который вернулся из-за рубежа, плюс те, кто работает на “Микроне”. Но подходы уже поменялись: совершенно новые системы качества, подход к анализу ошибки, анализу и принятию решения и т.д. Безусловно, существуют методики и определенные процедуры, по которым все это делается, даже любое улучшение должно по ним проходить. У нас есть цикл PDSA: планируй, делай, контролируй, анализируй и т.д. с обратной связью. Он всегда есть, его никто не отменял. И идет это все так, как я сказал. Если мы хотим улучшить какой-то процесс или убрать какое-то количество операций, сократить что-то, модернизировать, то первое: это либо мозговым штурмом, либо как-то еще подготавливается это решение, обсуждается, и, если решение принимается, то делается на какой-то маленькой части, либо на части маршрута. Так называемые short loop-ы. На коротком участке мы моделируем то, что может произойти и какой эффект это принесет с точки зрения экономии материала, времени и т.д. Если это дало нужный эффект, то мы можем запустить какую-то пилотную серию – взять часть рабочих пластин. Не все 25, не полностью весь SMIF, а какие-то определенные пластины. Если это дало эффект, то дальше мы запускаем так называемый “прототип”. Еще одна особенность микроэлектроники, если прототип проходит испытания, то мы обязательно должны “валидировать” это все у потребителя. Например, те же самые билеты или электронный паспорт. Я еще не упоминал один момент – подтверждение надежности изделий. Билет или электронный паспорт, например, должны храниться десять лет. Испытывать десять лет и ждать пока она валидируется нет возможности.
Как на компакт-дисках пишут “пожизненная гарантия” или “вечная гарантия”, а проверить нельзя.
Да, примерно так. Поэтому существуют определенные методики. Например, нагреть ее, создав, таким образом, какие-то жесткие условия, которые могут с ней произойти в течение этих десяти лет и посмотреть, как изменились параметры, насколько они деградировали. Можно ли после этой деградации опять ею пользоваться, несет ли она в себе ту же информацию, которая и была зашита. У нас есть такое оборудование и методики.
Вы их сами уже на месте разрабатываете, что-то улучшаете?
Часть мы получили из ST, а часть мы уже сами сделали.
Самое главное, что резервы есть для улучшения и вы этим занимаетесь.
Безусловно, всегда есть, даже на том же самом ST. Зависит еще от того, что все хотят сделать гигантский шаг, но чтобы он не явился результатом пинка. Поэтому нужно идти большими шагами и сразу все сокращать, но тогда можно перейти в фабрику по перемалыванию пластин.
Можно идти по другому пути. Например, ST вышел на определенный уровень – два месяца. Или, если определить количество фотолитографий, то нормальный уровень это одна фотолитография – микроцикл, последовательность — в день. Если у нас, к примеру, два дня, а мы будем решать: “Ребята, наша цель 1.2 дня”. То люди, которые достигли уже уровня 1, они говорят: “Так, в этот год наша цель – 0.995”. И такими путями они идут, потому что чем меньше этот шажок, до определенной границы, тем больше возможны глобальные инвестиции. То, что я говорил – перемещения роботами и т.д. Дальше уже оценивается стоимость, разумность этого шага, к чему это приведет.
Такая творческая, интересная работа. Есть и операторская работа, есть работа и творческая, интересная.
Абсолютно. На Западе, и, в принципе, у нас тоже, этой работой занимаются, люди постоянно создают “кружки качества”. Самый большой объем информации, который может проводить улучшения, идет с рабочего места. Тот же оператор, который перемещает пластины из одной емкости в другую – он кладезь идей для того, чтобы провести улучшения.
То есть, такие рацпредложения, как были в советское время, они у вас востребованы?
“Рацпредложения” — это очень страшное слово, потому что ими анализировалось только несколько параметров – “сделать пятилетку за три года” или сразу шагнуть куда-то там в космос. А здесь именно поступательными движениями, не навредить и т.д. Скорее, “разумные предложения”. Потому что слово “рациональные”, оно попадает именно в этот треугольник…
В завершении беседы не могу не спросить, как у вас идет сейчас модернизация производства с 0.18 микрон на 90 нанометров? В планы укладываетесь, все нормально?
В этом году уже первые результаты есть, пока мы их не афишируем, сейчас мы ждем подтверждения от ST – от нашего партнера. Мы уже на существующих линейках, на той части оборудования, которую мы поставили, уже сделали образцы 90 нанометров. По нашим планам, это новая “чистая комната” под дополнительное оборудование сейчас уже почти готова, идет монтаж стен – к 20-му числу она уже будет готова для приема оборудования.
Мы еще работаем с иностранными партнерами, там, к сожалению для нашего производства, для нашей страны, у них начинается Christmass-time 24-го. Но мы будем продолжать работать, иностранцы возвращаются раньше, для них Новый Год это не такое событие. И они уже где-то 27-го приезжают сюда, а наши ребята продолжают работать и в Новый Год тоже. Не в сам Новый Год, конечно. Первого, второго, третьего мы, наверное, все-таки не будем рисковать.
Самое главное, что те планы, о которых говорили раньше, что в конце 2010 года будут некие тестовые чипы 90 нанометров — образцы, как вы сказали, они есть, да?
Да. Они есть и их уже можно пощупать. Пока есть определенные параметры, которые надо померить, подтвердить – частоты и т.д.
Но в целом все идет по плану? Это важно, что нет каких-то отставаний, потому что можно молчать, когда все хорошо, а можно молчать, скрывая какие-то проблемы.
Отставания всегда бывают… У нас есть параметры, но нельзя четко изо дня в день делать одну и ту же работу без каких-либо нюансов. Плюс-минус, вариации какие-то есть, но они в пределах плановой вариации. Нет таких срывов работ, которые нельзя бы было компенсировать, нагнать. Или найти какой-то путь, как вот сейчас, например, мы, не дожидаясь запуска всей технологической линейки, сделали все эти образцы, методом активной фотолитографии и т.д.
Но о проценте выхода годных, о серийной технологии пока еще не идет речи.
Да, естественно. Главное, что процесс пошел, как у нас говорил Михаил Сергеевич. Спасибо! У нас был в гостях Сергей Ранчин, начальник кристального производства завода “Микрон”. Мы говорили, собственно, о кристальном производстве, о сердце микроэлектроники.
Технологические процессы полупроводникового производства процессоров
1. Введение 2. Кремний – строительный элемент 2.1. Кремний и германий 2.2. Кристаллическая решетка кремния 2.2.1. Несовершенства и дефекты кристаллической решетки 2.2.1.1. Примеси 2.2.1.2. Дефекты 2.2.1.3. Дислокации 2.2.1.3.1. Линейные дислокации 2.2.1.3.2. Винтовые дислокации 2.2.2. Индексы Миллера 3. Технологические процессы производства 3.1. Технологический процесс и топологические нормы 3.2. Технологические процессы получения полупроводниковых пластин 3.2.1. Технологический процесс получения монокристаллического слитка кремния 3.2.2. Абразивные материалы 3.2.2.1. Механическая обработка свободным абразивом 3.2.2.2. Механическая обработка связанным абразивом 3.2.3. Технологический процесс резки монокристаллического слитка на полупроводниковые пластины 3.2.4. Технологический процесс резки полупроводниковых пластин на кристаллы 3.2.5. Качество поверхности полупроводниковых пластин 3.2.6. Технологический процесс обработки полупроводниковых пластин 3.2.6.1. Механическая обработка полупроводниковых пластин 3.2.6.1.1. Шлифовка полупроводниковых пластин 3.2.6.1.2. Полировка полупроводниковых пластин 3.2.6.2. Химическая обработка полупроводниковых пластин 3.2.6.2.1. Виды загрязнений полупроводниковых пластин 3.2.6.2.2. Отмывка полупроводниковых пластин 3.2.6.2.3. Требования к чистоте помещений
Изначально данный материал не планировался, и немалая его часть собиралась по-крупицам достаточно долгое время безо всяких целей. Все, что здесь описано, по-моему мнению, является достаточно важным даже для общего понимания технологических процессов в современном производстве интегральных микросхем. Все те вопросы которые возникали у автора, в итоге вылились в интенсивный поиск ответов на них. Таким образом, чтобы упорядочить почти всю схему производственного цикла и был написан этот материал (2 Часть, возможно, будет также написана). Вся информация собиралась из многочисленных источников, датированных большим временным разбросом, поэтому попрошу этот материал не оценивать слишком строго и не рассматривать его как полную и истинную картину какого-либо производства или фабрики, а воспринимать его как общие принципы. Поэтому я надеюсь, что этот материал будет интересен и полезен всем, кому интересны не только принципы действия различных процессоров, видеочипов и других интегральных микросхем, но и их структура, как и из чего они созданы.
Материал разбит на две большие части, первую – “Кремний – строительный элемент”, рассказывающий о главном исходном материале во всем производстве и вторую, основную – “Технологические процессы производства”, рассказывающей о цикле основных технологических этапов производства микросхем, от получения монокристаллических слитков кремния до завершающих этапов обработки кремниевых подложек (в данном материале – до подготовки подложек).
2. Кремний – строительный элемент
2.1. Кремний и германий
Полупроводниковые материалы по химическому составу можно разделить на две группы: простые и сложные. К простым относятся германий и кремний. В группу сложных полупроводниковых материалов входят химические соединения, обладающие полупроводниковыми свойствами и включающие в себя два, три и более элементов. Практическое применение для изготовления интегральных микросхем нашел только кремний.
Эксплуатация при низких (отрицательных) температурах зависит от энергии ионизации легирующих примесей полупроводникового материала. В случае с электронной проводимостью при температуре абсолютного нуля у атомов легирующего вещества 5-й электрон, (не участвующий в образовании связи) движется в ослабленном поле с увеличенной орбитой, радиус которой превышает постоянную решетки кристалла. При температуре, отличной от 0 K, этим электронам сообщается энергия (энергия ионизации, равная для кремния 0.04-0.05 эВ), при которой они отрываются от атома легирующего вещества (сходят с этих орбит) и приобретают способность свободно перемещаться в кристалле, превращаясь в электроны проводимости, участвующие в образовании электрического тока. При нагревании кристалла в первую очередь будут возбуждаться именно эти электроны (примесных атомов) и их концентрация будет превосходить концентрацию собственных электронов (кремния, к примеру). При дырочной проводимости собственные электроны кристалла связываются с атомами примеси и теряют способность перемещаться в решетке кристалла, в итоге в проводимости не участвуют. Образованные в валентной зоне дырки (представляющие собой вакансии (незаполненные места) электронов) основного вещества (кристалла) и будут являться носителями заряда. Поэтому при сильном нагревании кристалла полупроводника (нагрев процессора при высокой нагрузке, например) вследствие все большего возбуждения собственных электронов, вступающих в проводимость вместе с примесными и итогового роста тока процессора возрастает и его энергопотребление (для компенсации этого эффекта производители процессоров и системных плат используют специальный механизм drooping (так называемый Vdroop), немного снижающий напряжение процессора под нагрузкой, чтобы он оставался в пределах электрических спецификаций (TDP).
2.2. Кристаллическая решетка кремния
Для описания правильной внутренней структуры кристаллов пользуются понятием кристаллической решетки. Различают трансляционные решетки Бравэ и решетки с базисом. Решетка, построенная путем параллельного переноса (трансляции) какого-либо узла по трем направлениям, называется трансляционной решеткой или решеткой Бравэ. Решетку можно представить в виде двух вставленных друг в друга решеток Бравэ, каждая из которых определяется трансляционными векторами. Смещение решеток друг относительно друга описывается дополнительным вектором, называемым базисным. Решетку общего типа называют решеткой с базисом. Ее можно построить с помощью тех же трансляций, что и каждую из составляющих решеток Бравэ, только при этом надо транслировать не один узел, а несколько узлов – базис, задаваемый совокупностью базисных векторов. (Решетка алмаза — решетка с базисом, на рисунке ниже) Элементарная ячейка представляет собой наименьший объем кристаллического вещества в виде параллелепипеда, перемещая который вдоль трех независимых направлений можно получить весь кристалл. Во всех вершинах ячеек располагаются одинаковые атомы или группы атомов. Поэтому все вершины эквивалентны друг другу. Их называют узлами кристаллической решетки (положения равновесия, относительно которых происходят тепловые колебания частиц). Для характеристики элементарной ячейки необходимо задать шесть величин: три ребра ячейки a, b, c и три угла между ними. Эти величины называются параметрами элементарной ячейки. Постоянная решетки определяется как длина элементарной ячейки вдоль одной из осей. Кристаллографические оси показывают направления кристалла и определяются ребрами элементарной ячейки. Для достижения более полного выражения симметрии решетки элементарные ячейки строят таким образом, что они содержат частицы не только в вершинах, но и в других точках. Такие ячейки называются сложными. Наиболее распространенные решетки: простая кубическая, объемноцентрированная, гранецентрированная и базоцентрированная. Существует 14 различных решеток Бравэ, которые в зависимости от степени симметрии делятся на 7 систем симметрии (сингоний): триклинная, моноклинная, ромбическая, тетрагональная, тригональная, гексагональная и кубическая.
Кристаллическая решетка типа алмаза и элементарная ячейка решетки Кубическая пространственная решетка типа алмаза является наиболее важной, в которой кристаллизуется большинство полупроводниковых материалов (кремний, германий и др.). Основную роль в этой решетке играет наличие тетраэдрических связей – каждый атом имеет четыре ближайших соседей, связанных с ним валентными силами. Решетка типа алмаза представляет собой модификацию гранецентрированной кубической решетки и состоит из двух гранецентрированных решеток, сдвинутых одна относительно другой на 1/4 постоянной решетки.
2.2.1. Несовершенства и дефекты кристаллической решетки
Структуры реальных кристаллов показывают, что их внутреннее строение может существенно отличаться от строения идеальных кристаллов. Реальные кристаллы имеют мозаичную структуру – они построены из блоков правильного строения, расположенных, приблизительно, параллельно друг другу. Размеры блоков колеблются от 10^[-6] до 10^[-8] м, величина углов между ними от нескольких секунд до нескольких минут. Так как кристаллическая решетка в соприкасающихся блоках имеет различную ориентацию, то возникает переходной слой, в котором решетка постепенно переходит от одной ориентации к другой. Поэтому она в этом слое искажена по сравнению с решеткой идеального кристалла.
Еще большему искажению подвергается решетка у границ зерен поликристалла (твердое тело, состоящее из беспорядочно ориентированных монокристаллов.), так как ориентация зерен может отличаться друг от друга на десятки градусов. Границы блоков и зерен являются носителями избыточной свободной энергии, обусловливающей повышенную скорость протекания химических реакций, полиморфных превращений, диффузии и т.д. Они являются также эффективными центрами рассеяния носителей, определяющими значительную долю электрического сопротивления тела, не исчезающего при абсолютном нуле.
2.2.1.1. Примеси
Примеси, всегда и неизбежно присутствующие в твердых телах, являются наиболее важными и распространенными дефектами решетки. В зависимости от природы примесей они могут находиться в кристалле или в растворенном состоянии, или в виде включений. Процесс растворения состоит в том, что примесные атомы внедряются в промежутки между атомами кристалла или замещают часть этих атомов, размещаясь в узлах решетки. В первом случае твердый раствор называется раствором внедрения, во втором случае – раствором замещения. Так как чужеродные атомы по своей физической природе и размерам отличаются от атомов основного кристалла, то их присутствие вызывает искажение решетки кристалла.
Искажение кристаллической решетки в растворах земещения (слева) и в растворах внедрения (справа) Примеси могут оказывать существенное влияние на химические, оптические, магнитные и механические свойства твердых тел. Технически чистый кремний имеет удельное сопротивление при комнатной температуре порядка 2000 Ом*м, содержание в нем примесей в количестве 10^(-9)% снижает удельное сопротивление до единиц Ом на метр. Технически чистый германий долгое время считался металлом, так как его удельное сопротивление было того же порядка, что и у металлов.
2.2.1.2. Дефекты
Распределение энергии между атомами твердого тела, как и между атомами газа и жидкости, является весьма неравномерным. При любой температуре в кристалле имеются атомы, энергия которых во много раз больше и атомы, энергия которых во много раз меньше среднего значения. Атомы, обладающие в данный момент достаточно высокой энергией, могут не только удалиться на значительное расстояние от положения равновесия, но и преодолеть потенциальный барьер, созданный соседними атомами и перейти в новое окружение, в новую ячейку. Такие атомы приобретают способность как бы “испаряться” из своих узлов и “конденсироваться” во внутренних полостях решетки – в междоузлиях. Этот процесс сопровождается возникновением вакансии и атома в междоузлии (дислоцированного атома). Такого рода дефекты решетки называются дефектами по Френкелю.
Дислоцированные атомы (диффузия происходит путем перехода его из одного междоузлия в другое) и вакансии (путем эстафетного заполнения ее соседними атомами) диффундируют в решетке. Помимо внутреннего испарения возможно полное или частичное испарение атомов с поверхности кристалла. При полном испарении атом покидает поверхность кристалла и переходит в пар, при частичном испарении атом переходит с поверхности в положение над поверхностью. В том и другом случае в поверхностном слое кристалла образуется вакансия. Путем замещения глубже лежащим атомом вакансия втягивается в глубь кристалла и диффундирует по его объему. Этим вакансиям уже нельзя сопоставить дислоцированные атомы, так как их образование не сопровождается одновременным внедрением атомов в междоузлии. Такого рода вакансии называются дефектами по Шоттки. Такого рода дефекты оказывают большое влияние на многие процессы в кристаллах.
2.2.1.3. Дислокации
Важными несовершенствами решетки являются дислокации. Различают линейные (краевые) и винтовые (спиральные) дислокации. Дислокации в кристаллах могут возникать в процессе их роста, в результате накопления в решетке вакансий, при протекании в кристалле пластической деформации.
2.2.1.3.1.Линейные дислокации
Предположим, что в кристалле по плоскости ABCD произведен сдвиг в направлении вектора b на участке AHED. Граница HE, отделяющая область AHED, в которой произошло скольжение, от области HBCE, которая не охвачена еще скольжением и представляет собой линейную дислокацию. Вектор b называется вектором сдвига. Он характеризует степень развития скольжения в области AHED.
Незавершенный сдвиг, приводящий к образованию линейной дислокации (а) и расположение атомов в плоскости, перпендикулярной линейной дислокации (б) Дислокация занимает область, в которой атомы смещены из положений равновесия (ограничена окружностью). На рисунке (б) показано расположение атомов в плоскости, перпендикулярной дислокации. В результате сдвига, произошедшего на участке AHED, в верхней части решетки оказывается на одну атомную плоскость (плоскость 0М) больше, чем в нижней части решетки. Вследствие этого атомный ряд 1, лежащий над плоскостью сдвига, содержит на один атом больше, чем ряд 2, расположенный под этой плоскостью. Поэтому расстояние между атомами верхнего ряда у точки 0 (центр дислокации) будет меньше нормального (решетка сжата), а расстояние между атомами нижнего ряда у точки 0 будет больше нормального (решетка растянута). По мере перемещения от центра дислокации вправо и влево, вверх и вниз искажение решетки постепенно уменьшается и на некотором расстоянии от точки 0 в кристалле восстанавливается нормальное расположение атомов. В направлении же, перпендикулярном плоскости чертежа, дислокация может проходить через весь кристалл или значительную его часть. Таким образом, характерным для линейной дислокации является наличие “лишней” атомной плоскости (экстраплоскость) в части решетки кристалла.
2.2.1.3.2.Винтовые дислокации
Предположим, что в кристалле произведен незавершенный сдвиг в направлении вектора b на площади ABCD, как показано на следующем рисунке.
AD – граница распространения сдвига. Белыми кружками показаны атомы атомной плоскости, расположенной непосредственно над плоскостью скольжения, черными кружками – атомы атомной плоскости, расположенной под плоскостью скольжения. В недеформированной части кристалла, лежащей левее границы AD, атомы этих плоскостей располагаются друг над другом, поэтому черные кружки совмещены с белыми. В правой части кристалла, где произошел сдвиг на одно атомное расстояние, т.е. в области, лежащей правее EH, атомы плоскостей располагаются также друг над другом. В узкой же полосе AHED атомы верхней плоскости смещены относительно атомов нижней плоскости и тем сильнее, чем дальше они отстоят от границы AD (ось дислокации). Это смещение вызывает локальное искажение решетки – винтовую дислокацию.
2.2.2. Индексы Миллера
Все кристаллические вещества обладают анизотропностью, т.е. свойства кристаллов изменяются в зависимости от кристаллографического направления. Поэтому при использовании кристаллических материалов в различных технологических процессах необходимо задать ориентацию той или иной кристаллографической плоскости. Для задания нужных плоскостей используют индексы Миллера. Индексы узлов. Положение любого узла решетки относительно выбранного начала координат определяется заданием 3-х координат: x, y, z. Эти координаты выражают так: x=ma, y=nb, z=pc, где a, b, c – параметры решетки; m, n, p – целые числа. Если за единицы измерения длин принять параметры решетки, то координатами узла будут просто числа m, n, p. Эти числа называются индексами узла [[mnp]]. Индексы направления. Для описания направления в кристалле выбирается прямая, проходящая через начало координат. Ее направление определяется индексами [[mnp]] первого узла, через который она проходит. Поэтому индексы узла являются одновременно и индексами направления [mnp]. Индексы направления представляют собой три наименьших числа, характеризующих положение ближайшего узла, лежащего на данном направлении. Индексы плоскости. Положение плоскости определяется заданием трех отрезков A, B, C, которые она отсекает на осях решетки. Отрезки A, B, C выражают в осевых единицах и записывают величины, обратные этим отрезкам: 1/A, 1/B/, 1/C. Полученные дроби приводят к общему знаменателю (D). Целые числа h=D/A, k=D/B, l=D/C и являются индексами плоскости (hkl).
3.Технологические процессы производства
Вот мы и подошли к самому интересному, к технологическим процессам производства. Многое, что было изложено выше, будет часто встречаться по ходу изложения материала, поэтому те, кто поленился хотя бы бегло прочитать малокартиночный 2 рункт – разворачивайтесь, пригодится.
3.1.Технологический процесс и топологические нормы
Достаточно часто при чтении обзоров про разгон различных процессоров (в основном) многим приходится слышать о воспроизводимости результатов одинаковых образцов – в основном итоговые результаты имеют весьма малый разброс (одного степпинга и при не столь большом разбросе во временном промежутке (дате производства) в отлаженности технологического процесса), но все же его имеют. Отчего это происходит? В связи с очень высокой сложностью технологических маршрутов в процессе производства микросхемы подвергаются воздействию чрезвычайно большого числа факторов (сотни), причем степень их влияния различна, а совместное действие приводит к разбросу электрофизических параметров.
Эти нормы определяются разрешающей способностью литографического проекционного оборудования, с помощью которого и происходит облучение фоторезиста нужным рисунком. Таким образом, размеры определяются полученными размерами в слое фоторезиста, которые далее будут перенесены в подложку. Разрешающая способность фоторезиста определяется числом линий равной толщины, которые могут быть получены без слияния на какой-то определенной величине площади поверхности (1 мм). Размеры таких линий определяются топологическими нормами. Поэтому, такие понятия, как технологический процесс и технологические (топологические, производственные) нормы различны.
3.2.Технологические процессы получения полупроводниковых пластин
Итак, теперь мы рассмотрим, как же превращается “обычный” кремний в столь блестящие полупроводниковые подложки, на которых и будут размещены миллиарды транзисторов.
3.2.1.Технологический процесс получения монокристаллического слитка кремния
Для начала выясним, что такое монокристаллы и поликристаллы. Кристаллические тела могут быть монокристаллическими и поликристаллическими. Монокристалл – отдельный однородный кристалл, имеющий во всем объеме единую кристаллическую решетку и зависимость физических свойств от направления (анизотропия). К монокристаллам относятся природные кристаллы – кварц, алмаз, турмалин. Поликристалл – твердое тело, состоящее из беспорядочно ориентированных монокристаллов.
Для изготовления микросхем требуются полупроводниковые материалы в виде пластин, вырезанных из монокристаллических слитков, имеющих форму стержня круглого сечения, получаемые путем вытягивания из расплавов с помощью затравки. Рассмотрим, как это происходит.
Производство начинают с нагревания необожженного поликристаллического кремния до 1420 Градусов по Цельсию в специальной герметичной печи, очищенной от воздуха инертным газом – аргоном.
Затем получившийся расплавленный кремний раскручивается в тигле, а затравочный кристалл кремния, размером и формой напоминающий карандаш, охлаждаемый холодильником, погружается в него, вращаясь в противоположном направлении.
Кремний легируют акцепторными или донорными примесями до определенного заданного уровня для управления его свойствами — создания электронного или дырочного типа электропроводности. Например, для получения кремния с электропроводностью n-типа (электронная) его легируют фосфором, мышьяком, сурьмой, для получения электропроводности p-типа (дырочная) легируют бором, алюминием. Плотность дислокаций для всех групп кремния различна и лежит в пределах от 10^2 до 10^4 см^(-2). Разброс удельного сопротивления не превышает 35% по объему слитка и 20% по торцу слитка. Содержание кислорода в монокристаллическом кремнии в зависимости от электропроводности (n/p-типа) не превышает единиц 10^17 (ат/см^3 или см^(-3)).
Монокристалл после охлаждения калибруют по диаметру до заданного размера (300 мм) с точностью +/- 1 мм. Затем проводится травление его поверхности на глубину 0.3 — 0.5 мм и ориентация по заданному кристаллографическому направлению (для кремния обычно по оси [111] и [100]), чтобы получить после резки пластины, ориентированные строго в заданной плоскости. Правильная ориентация пластин обеспечивает высокую воспроизводимость электрофизических параметров создаваемых на пластине микросхем.
После химического и рентгеноскопического анализа для проверки степени его чистоты и молекулярной ориентации он загружается в установку для резки кремния на пластины (подложки).
3.2.2. Абразивные материалы
Для механической обработки полупроводниковых материалов не могут быть использованы обычные токарные, фрезерные, строгальные и сверлильные станки. Это связано с высокой хрупкостью полупроводниковых материалов. Поэтому основным способом их механической обработки является обработка с использованием абразивов как в связанном состоянии (алмазные диски и шлифовальники), так и в свободном (абразивные суспензии и алмазные пасты).
Абразивным может быть любой природный или искусственный материал, зерна которого обладают определенными свойствами: твердостью, абразивной способностью, механической и химической стойкостью. Главной особенностью абразивных материалов является их высокая твердость по сравнению с другими материалами. На использовании различия в твердости полупроводниковых и абразивных материалов построены все процессы механической обработки полупроводниковых материалов. Под твердостью понимают способность абразивного материала сопротивляться вдавливанию в него другого материала, не получая остаточных деформаций. По шкале Мооса самому твердому материалу, алмазу, соответствует 10-й класс, корунду – 9-й, топазу – 8-й, кварцу – 7-й и т.д. Под абразивной способностью понимают возможность с помощью одного материала обрабатывать другой или группу различных материалов. Абразивная способность алмаза – 1, карбида бора – 0.6, карбида кремния – 0.5, монокорунд – 0.25, электрокорунд – 0.15 и т.д. Под механической стойкостью понимают способность абразивного материала выдерживать механические нагрузки и не разрушаться при механической обработке полупроводниковых материалов. Под химической стойкостью понимают способность абразивных материалов не изменять своих механических свойств в растворах щелочей, кислот, воде и органических растворителях. В производстве применяют следующие виды основных абразивных материалов: алмаз (самый твердый из известных минералов, его микротвердость 9.8*10^10 (Н/м^2), используются искусственные алмазы, полученные из графита, обработанного под большим давлением и при высокой температуре), карбид кремния (химическое соединение кремния с углеродом, твердость по шкале Мооса 9.2, микротвердость – 3.4*10^10 (Н/м^2)), карбид бора (химическое соединение бора с углеродом, твердость равна 9.7, микротвердость – 4.8*10^10 (Н/м^2)), электрокорунд (кристаллический оксид алюминия, микротвердость (1.8-2.4)*10^10 (Н/м^2), твердость – 9), оксид хрома (порошок, получаемый восстановлением двухромовокислого аммония серой) и аэросил (чистый диоксид кремния). Все абразивные материалы отличаются размером зерен и подразделяются на четыре группы: шлифзерно, шлифпорошки, микропорошки, тонкие микропорошки.
Физическая сущность механизма разрушения хрупкого полупроводникового материала при обработке свободным абразивом заключается в следующем. Частицы абразивного материала, вдавливаясь в поверхность обрабатываемого полупроводникового материала, вызывают образование в ней микротрещин. Эти микротрещины в процессе обработки увеличиваются и распространяются вглубь от поверхности. Дальнейшая обработка приводит к созданию сети трещин, которые, смыкаясь, вызывают сколы отдельных участков полупроводникового материала. Отколовшиеся части удаляют с поверхности исходного образца. Таким образом происходит послойное удаление материала и осуществляется механическая обработка исходного образца. Зарождение микротрещин при абразивной обработке происходит в местах скопления дислокаций и других дефектов кристаллической решетки. Особое значение имеют краевые (линейные) дислокации. В месте расположения краевой дислокации наиболее вероятно возникновение микротрещин.
Физическая сущность процесса механической обработки связанным абразивом несколько отличается от обработки свободным абразивом. При обработке связанным абразивом к разрушению под действием нормальной силы, направленной перпендикулярно поверхности (случай обработки свободным абразивом), добавляется разрушение обрабатываемого материала за счет срезания микровыступов поверхности закрепленным зерном абразива под действием сдвигающей силы, направленной вдоль поверхности пластины.
При обработке свободным абразивом ударное усилие направлено внутрь обрабатываемого полупроводникового материала и абразивные зерна вызывают сильное разрушение поверхностного слоя. При обработке связанным абразивом основная часть усилий направлена не внутрь образца, а вдоль его поверхности, что вызывает меньшую глубину разрушения исходного материала при той же толщине удаленного слоя. Жидкость при обработке связанным абразивом используется лишь для охлаждения режущего инструмента и обрабатываемого полупроводникового метариала.
3.2.3. Технологический процесс резки монокристаллического слитка на полупроводниковые пластины
Сущность метода резки алмазным диском с внутренней режущей кромкой состоит в следующем. На шпиндель станка крепят алмазный диск и с помощью специальных растягивающих болтов регулируют его радиальное натяжение. Внутрь полого шпинделя помещают держатель с приклеенным к нему полупроводниковым слитком. Перед началом весь слиток находится внутри шпинделя, а торцовая его часть немного выступает за кромку плоскости алмазного диска. При включении станка шпиндель с закрепленным на нем алмазным диском (его стойкость зависит от режимов резки, рода обрабатываемого материала и качества крепления диска на шпинделе – натяжение, биение, вибрация) начинает вращаться. Если держатель со слитком перемещать в горизонтальном (или вертикальном) направлении, то в определенный момент слиток коснется своей боковой поверхностью кромки алмазного диска и начинается процесс резки. При полном отрезании пластины от слитка держатель отводится в исходное первоначальное положение и выдвигается из шпинделя на длину, равную толщине отрезаемой пластины. После этого процесс повторяется.
Каждое алмазное зерно, закрепленное на кромке металлического диска, представляет собой микрорезец, который скалывает микрочастицы с обрабатываемой поверхности полупроводникового материала. Процесс резания идет при большой частоте вращения шпинделя (3000 — 5000 об/мин). При частотах вращения менее 3000 об/мин производительность процесса резки резко снижается, при частотах более 5000 об/мин возрастают вибрации станка, которые вызывают биение диска, что приводит к снижению чистоты обработки поверхности пластин и резкому увеличению расхода полупроводникового материала. При резке происходит выделение большого количества теплоты в месте соприкосновения алмазной кромки диска с поверхностью полупроводникового материала. Поэтому в течение всего процесса резки в область контакта диск-слиток непрерывно подают охлаждающую жидкость.
Режим резки выбирают, исходя из конкретных условий: вида полупроводникового материала, диаметра, толщины отрезаемой пластины, требований по классу и чистоте обработки, точности геометрических размеров и требований по плоскостности и плоскопараллельности пластины. На процесс резки существенное влияние оказывает скорость подачи слитка (сила прижатия к алмазному диску). При малых скоростях подачи слитка производительность резки слишком мала. С увеличением скорости подачи производительность повышается, а точность обработки снижается за счет прогибания диска. Отрезаемая пластина будет иметь искривленную поверхность. При малой толщине пластины это может привести к ее разлому в процессе резки (более низкая скорость подачи для тонких и более высокая – для толстых пластин). На скорость подачи существенное влияние оказывает твердость обрабатываемого материала.
Качество процесса резки в сильной степени зависит от применяемой охлаждающей жидкости и ее расхода (2-4 л/мин). Процесс изнашивания рабочей поверхности алмазного диска характеризуется тремя периодами: выкрашивание из связки отдельных непрочно закрепленных алмазных зерен; округление вершин и расщепление алмазных зерен, а также частичное скалывание отдельных зерен по плоскости спайности; увеличение усталостных явлений в основе диска, зерне, связке. Тепловые явления, возникающие при резке слитка на пластины, оказывают существенное влияние на качество резки – увеличивается толщина нарушенного слоя, создаются остаточные напряжения и микронеровности, структурные изменения поверхности полупроводникового материала и алмазного диска.
3.2.4.Технологический процесс резки полупроводниковых пластин на кристаллы
Эта операция, хотя и размещена сразу за процессом резки слитка на полупроводниковые пластины, в общем цикле обработки пластин она проводится на последнем этапе, непосредственно перед процессом сборки.
Способов резки слитка на кристаллы достаточно много (резка алмазным диском с внешней режущей кромкой, резка проволокой с применением абразива, резка с использованием ультразвуковых установок, алмазное скрайбирование с последующим разламыванием, лазерное скрайбирование с последующим разламыванием, электронно-лучевое с последующим разламыванием). Использование каждого из способов резки пластин на кристаллы диктуется требованиями к конкретному типу микросхем и технологии его изготовления.
Резка алмазным диском с внешней режущей кромкой несколько отличается от рассмотренной резки слитка на пластины. Отличие состоит в конструкции алмазного диска (для резки кремниевых пластин обычно применяют резцы с алмазным наконечником, имеющим форму четырехгранной пирамиды с острой вершиной), у которого режущая алмазная кромка нанесена на его периферийную часть. Конструкция такого диска не может быть использована для резки слитка на пластины из-за малой жесткости конструкции, не позволяющей получать глубокие резы без нарушения качества обработки. Однако для разрезания пластин на кристаллы, когда глубина реза не превышает 1 мм, успешно используют алмазные диски с внешней режущей кромкой. Иногда используют не единичные диски, а наборы дисков с расстоянием между ними, равным размеру отрезаемого кристалла. Толщину диска выбирают равной 0.1 мм (100 мкм) и, соответственно, итоговая ширина реза равна 0.2 мм. Разброс кристаллов по геометрическим размерам не превышает +/- 0.03 мм (30 мкм). При резке слитка на кристаллы при помощи проволоки ширина реза меньше 0.1 мм.
Алмазное скрайбирование заключается в том, что на поверхности полупроводниковой пластины алмазным резцом наносят риски (шириной 10 – 20 мкм, глубиной 5 – 10 мкм, нагрузка на резце 1.2 – 1.4 Н) в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Вокруг нанесенной риски на поверхности пластины возникают механически напряжения, ослабляющие материал в локальных областях. При приложении к пластине изгибающего усилия она разламывается вдоль нанесенных рисок. Устройство для разламывания состоит из линзы со сферической поверхностью и резиновой мембраны. Пластину располагают на резиновой мембране рисками вниз, а сверху к пластине подводят сферическую поверхность линзы. При определенном давлении воздуха на резиновую мембрану происходит прижатие пластины к сферической поверхности линзы и разламывание пластины на кристаллы квадратной формы (для различных размеров кристаллов требуется определенной кривизны линзы).
Электронно-лучевое скрайбирование проводят остросфокусированным электронным лучом. Электронный луч, обладая достаточной энергией, производит микрорасплавление локального участка поверхности пластины. Процесс нагрева и охлаждения локальных областей (бороздок) пластины происходит в течение короткого промежутка времени, что вызывает возникновение термомеханических напряжений в области созданных электронным лучом бороздок. При последующем приложении к пластине изгибающего усилия пластина раскалывается на кристаллы. Либо при достаточной мощности луча проводят сквозную резку пластины за счет расплавления и последующего испарения локальной области пластины.
При лазерном скрайбировании резка на поверхности пластины образуется не механическим, а электрофизическим способом путем нагрева и испарения узкой полосы пластины (25 – 40 мкм). Данный метод позволяет проводить резку и скрайбирование пластин с любым покрытием и на любую глубину.
Размеры риски, зона термического влияния лазерного луча определяются скоростью перемещения пластины относительно лазерного луча, мощностью, частотой и длительностью импульса лазерного излучения, размером сфокусированного луча.
Резка пластины на кристаллы осуществляется по специальным разделительным дорожкам между топологией каждого кристалла (полосы яркого свечения). Износ резца диска возрастает при резке диоксида кремния и других защитных слоев, поэтому предусматривают эту дорожку, максимально свободную от таких пленок.
3.2.5.Качество поверхности полупроводниковых пластин
Полученные после разрезания слитка полупроводниковые пластины (подложки) обладают рядом нарушений, к которым относятся наличие механически нарушенного слоя, неплоскостность и неплоскопараллельность сторон, изгиб и большой разброс по толщине. Глубина механически нарушенного слоя является основной характеристикой качества обработки полупроводниковых пластин. Этот слой распространяется от обработанной поверхности в глубь объема полупроводникового материала. Наибольшая глубина залегания нарушенного слоя образуется при резке слитка на пластины, процессы шлифовки и полировки приводят к уменьшению глубины залегания этого слоя.
Качество поверхности полупроводниковых пластин оценивается с геометрической и физической точек зрения. С геометрической точки зрения качество определяется неровностями, выступами и впадинами реальной поверхности, с физической – отклонением свойств верхних слоев материала от свойств материала сердцевины. Если рассматривать реальную необработанную подложку в разрезе, то можно выделить рельефный слой, который определяет геометрические отклонения от идеального поверхностного слоя; трещиноватый слой, в котором нарушена целостность поверхности; пластически деформированный слой; напряженный, упругодеформированный слой.
Слой материала, подлежащего удалению в процессе последующей обработки пластины называется припуском (равным H) на обработку. Минимальное значение припуска должно обеспечивать удаление микронеровностей и дефектного слоя, получаемого при предшествующей обработке. В процессе обработки полупроводниковой подложки для получения нужного качества поверхности (чистоты) припуск удаляется не сразу, а постепенно – в несколько этапов. При этом предварительный припуск должен быть как можно большим, чтобы удалить дефектный слой H, но после предварительной обработки появляется новый дефектный слой, только меньшего размера.
3.2.6.Технологический процесс обработки полупроводниковых пластин
Отрезанные полупроводниковые пластины загружают в установки для шлифовки и полировки.
3.2.6.1.Механическая обработка полупроводниковых пластин
3.2.6.1.1.Шлифовка полупроводниковых пластин
Для получения хороших результатов шлифовку проводят в чистых, свободных от пыли помещениях и под защитными кожухами с избыточным давлением воздуха, все установки для проведения процессов шлифовки разделены по виду обработки и типу используемого абразива, а все материалы (шлифовальники, абразивные порошки) рассортированы и хранятся в отдельных герметичных скафандрах.
Под процессом шлифовки понимают обработку полупроводниковых пластин на твердых доводочных дисках-шлифовальниках абразивными микропорошками. Шлифовальники обычно изготовляют из чугуна, стекла, стали, меди или латуни. Зернистость микропорошков для шлифования пластин выбирают от нескольких микрон до менее 0.1 микрона.
Шпиндель шлифовального круга, вращаясь с частотой 15000 – 18000 об/мин, приходит в контакт с поверхностью пластин. Алмазные зерна шлифовальника, ударяясь с высокой скоростью о пластины, снимают с поверхности полупроводникового материала микростружку. Обработанная этим способом полупроводниковая пластина имеет специфический рисунок поверхности, который предстваляет собой сетку из множества пересекающихся рисок. Процесс шлифовки свзанным абразивом характеризуется выделением большого количества теплоты. Поэтому для предотвращения перегрева шлифовальника и пластин в зону шлифования подают охлаждающую жидкость. Точность обработки связанным абразивом зависит в первую очередь от настройки станка и жесткости крепления его элементов. Погрешности геометрических размеров и форм обрабатываемых пластин возникают вследствие непараллельности осей шпинделя шлифовального круга и предметной головки станка (где размещают подложки).
3.2.6.1.2.Полировка полупроводниковых пластин
Для улучшения качества обработки поверхности полупроводниковых пластин и уменьшения глубины механически нарушенного слоя проводят процесс полировки. Процесс полировки отличается от процесса шлифовки технологическим режимом, размером зерна и видом абразива, а также материалом полировальщика. Обработка происходит с использованием свободного абразива. Процесс полировки проводят на мягких полировальниках, которые представляеют собой жесткие диски, обтянутые мягким материалом. В качестве абразива используют микропорошки синтетического алмаза, оксида алюминия, оксида хрома, диоксида кремния. Полировочный материал должен удерживать частицы абразивного материала в процессе обработки пластин.
Процесс полировки пластин может происходить в несколько этапов. Для начала применяют микропорошки с более крупной зернистостью. На последующих этапах, после проведения операции очищения от следов предыдущей обработки, меняют материал полировальника и используют более мелкие микропорошки. Нагрузка на полупроводниковые пластины несколько увеличивается. Водная суспензия в течение всего процесса полировки тщательно перемешивается. Последний этап полировки имеет большое значение. Он дает возможность удалить фон частиц с поверхности пластин, возникающий на первых этапах полировки и значительно уменьшить глубину механически нарушенного слоя.
Так же могут применяться химико-механические способы полировки, которые отличаются высокой химической активностью по отношению к обрабатываемому полупроводниковому материалу.
3.2.6.2.Химическая обработка полупроводниковых пластин
Получение чистой поверхности полупроводниковых подложек связано с требованием недопустимости каких-либо загрязнений поверхности пластин, так как электрические параметры микросхем существенно зависят от степени совершенства поверхности, качества обработки и геометрической формы обработанных пластин и эти несовершенства неблагоприятно сказываются на последующих технологических процессах, создающих в подложке топологию будущей микросхемы. Несовершенства кристаллической решетки приповерхностного слоя пластины, образовавшегося после шлифовки и полировки с использованием абразивных микропорошков, все еще сохраняются (с близкой к идеальной поверхностью), поскольку все предыдущие технологические операции основываются на механической обработке поверхности пластин. Удаление с поверхности подложки остаточного механически нарушенного слоя необходимо для получения атомарно совершенной структуры поверхностного слоя, поэтому следующим технологическим процессом является химическая обработка пластин.
Но прежде чем рассматривать этот завершающий этап в общем цикле подготовки подложек, рассмотрим, какие виды загрязнений могут образоваться на полупроводниковых подложках вследствие механической обработки, а также за счет адсорбции различных веществ из технологических сред, рассмотрим весьма ответственный процесс отмывки подложек и требования, предъявляемые к чистоте производственных помещений ввиду того, что химическая обработка не допускает каких-либо видов загрязнений.
3.2.6.2.1.Виды загрязнений полупроводниковых пластин
Все виды загрязнений можно классифицировать по двум признакам: их физико-химическим свойствам (органические, неорганические, солевые, ионные, механические и др.) и характеру их взаимодействия (физически и химически адсорбированные) с полупроводниковыми материалами, на которых они находятся.
К физически адсорбированным загрязнениям относятся все виды механических частиц (пыль, волокна, абразив, металлические включения), а также все виды органических материалов, связанные с поверхностью подложки силами физической адсорбции. Удаление органических (полярные (синтетические вещества, смолы), неполярные (минеральные масла, вазелин, нефтяные парафины, воск)) загрязнений требует более сложного процесса отмывки, так как при нагревании они разлагаются и выделяют газообразные вещества (кислород, оксид и диоксид углерода, пары воды и др.), ухудшающие последующие технологические процессы.
К химически адсорбированным загрязнениям относятся различные виды оксидных и сульфидных пленок на поверхности пластин, катионы и анионы химических веществ. Таким образом, для полной очистки подложки от загрязнений используют ряд последовательных операций, каждая из которых удаляет несколько видов загрязнений, а какие это операции – рассмотрим далее.
3.2.6.2.2.Отмывка полупроводниковых пластин
На всем протяжении процесса создания необходимых слоев на поверхности подложки, последняя регулярно проходит очистку от продуктов зевершенных последовательных технологических операций, чтобы можно было приступить к следующим. Эта операция состоит из двух этапов – обезжиривание подложек в органических растворителях и промывка в особо чистой воде.
В процессе обезжиривания происходит взаимодействие расворителя с различными видами загрязнений и в результате десорбции молекулы этих загрязнений переходят с поверхности полупроводниковой подложки в приповерхностный слой растворителя, а молекулы растворителя оседают на поверхности подложки. Происходит замещение адсорбированных молекул загрязнений молекулами растворителя. Таким образом, в процессе обезжиривания на поверхности подложки создаются слои растворителя, которые необходимо удалить. Остатки расворителя и частиц продуктов удаляют промывкой в особо чистой (деионизованной, удельное сопротивление которой 1-20 МОм*см (идеально чистой воды равно 25 МОм)) воде.
3.2.6.2.3.Требования к чистоте помещений
На протяжении всего технологического процесса обрабатываемые пластины находятся в контакте с той или иной средой. Технологической средой называется характеризуемая строго определенными параметрами воздушная, газовая или другая среда, наличие которой является обязательным условием для проведения заданной технологической операции. Наибольшее влияние на технологические процессы оказывают следующие параметры воздушной среды: температура, влажность, запыленность и содержание газов и паров. Производство делится на ряд технологических участков, занимающих отдельные помещения.
Колебания температуры изменяют линейные размеры оснастки и обрабатываемых объектов, скорости химических реакций, скорости испарения применяемых материалов, параметры структур и готовых микросхем. Влажная среда нежелательна при проведении практически всех технологических операций. Адсорбируясь на различных поверхностях, влага и растворенные в ней вещества приводят к образованию нежелательных соединений. Влажность воздуха производственных помещений поддерживают на минимальном уровне. В связи с субмикронными размерами элементов и зазоров между ними присутствие в воздушной среде механических частиц может существенно ухудшить качество и снизить процент выхода годных микрочипов. Механические частицы могут приводить к разрывам проводящих дорожек, коротким замыканиям элементов, образованию сквозных пор, проколов.
Из-за всех этих причин фабрики микроэлектронной промышленности строят вдали от крупных промышленных городов, в зеленых зонах, при строительстве применяют специальные износостойкие материалы, легко очищаемые и не загрязняющие воздушную среду. Давление внутри зданий несколько превышает атмосферное во избежание проникновения наружного воздуха.
Чистая комната представляет собой помещения (1 класс), в которых производятся технологические операции, требующие особой чистоты и тщательного поддержания температуро-влажностных параметров воздушной среды, а также строгого соблюдения норм технологической гигиены.
Свет в чистой комнате жёлтый. Причина в том, что использование процессов фотолитографии означает, что поверхность подложки чувствительна к свету, особенно к ультрафиолету (длина волны спектра УФ излучения равна (10 – 380) нм (диапазон частот (8*10^14 – 3*10^16) Гц), к слову, УФ-излучение весьма эффективно поглощает обычное стекло, точнее, оксид железа, входящий в его состав). Обычное белое освещение сразу бы испортило поверхность подложки, поэтому его нужно жёстко контролировать, чтобы частота волн света не взаимодействовала со светочувствительным покрытием подложек.
В чистых комнатах важно обеспечить и определенную величину, и направление вектора скорости кондиционированного перемещения воздуха. В чистых комнатах запыленность обеспечивается присутствием не больше 100 частиц размером более 0,5 микрон (имеются частицы размерами от сотых до нескольких десятых долей микрона). Некоторые участки требуют воздушной среды более чистой, чем в помещениях. Чистота воздушной среды в производственных помещениях находится на столь высоком уровне, что источником загрязнений становится обслуживающий персонал (кожа человека и одежда). Число частиц различного размера, выделяемых человеком и его одеждой в минуту, может изменяться от 100 000 (человек сидит или стоит неподвижно), до 10 000 000 (ходьба со скоростью 9 км/ч). Поэтому работы в чистых комнатах ведутся в специальной рабочей одежде, изготовленной из материалов с минимальным пылевыделением. Прежде чем попасть в чистое помещение, работники проходят через промежуточные помещения.
Чтобы избежать загрязнения пластин, они комплектуются в сложные унифицированные контейнеры фронтального открытия. Они защищают обрабатываемые пластины от воздушной среды помещения и перемещаются по специальным линиям внутри помещений.
Но вернемся к химической обработке пластин. Процесс химической обработки полупроводниковых пластин состоит в растворении их повехностного слоя под действием травителей (могут использоваться и другие, “сухие” (не требующие жидких травителей) методы, используемые в других процессах). Данный процесс является гетерогенным, так как взаимодействие полупроводникового материала с травителем осуществляется на границе раздела двух сред: твердой (подложка) и жидкой (травитель). Факт наличия механически нарушенного слоя объясняет различие в скорости его травления с идеально ровной поверхность – скорость травления первого значительно выше. Это объясняется наличием в механически нарушенном слое большого количества структурных нарушений, которые увеличивают эффективную площадь взаимодействия полупроводникового материала с травителем, что приводит к возрастанию скорости травления. За счет разницы в концентрации травителя у выступов и впадин на поверхности, происходит более быстрое растворение выступов (в различных частях подложки выделяется неодинаковое количество теплоты, приводящее к локальному перегреву отдельных участков и увеличению скорости растворения полупроводникового материала), это приводит к сглаживанию поверхности пластины. Периферийные области подложки (краевые части) находятся не в одинаковых термодинамических условиях и подвергаются более интенсивному травлению, поэтому подложка и травитель находятся в постоянном вращении и перемешивании соответственно. Атомы, расположенные вблизи линии дислокации, обладают повышенным по сравнению с ненарушенной частью кристалла химическим потенциалом, поэтому растворение и испарение кристалла начинаются с линий дислокаций. Для различных полупроводниковых материалов и кристаллографических направлений скорости травления (энергия, необходимая для высвобождения атома из кристаллической решетки, неодинакова) существенно различаются, поэтому используют различные составы травителей. На поверхности кремниевой подложки всегда имеется тонкий слой оксидной пленки (порядка 30 Ангстрем (3 нм)), налагающий некоторые ограничения на используемые травители.
Так что же в итоге мы имеем после этих многочисленных и, казалось бы, не столь ответственных технологических процессов по получению подложки с зеркально чистой поверхностью? И зачем все таки необходима столь совершенная структура поверхности подложки?
А имеем мы пластину диаметром 300 мм и толщиной 775 мкм, полностью готовую к последующим, еще более трудоемким и ответственным процессам наращивания слоев, фотолитографии, создающие те самые кристаллы процессоров, видеочипов, памяти, мостов и огромного числа иных микросхем (в том числе и силовые преобразовательные элементы).
Последующие эпитаксиальные слои, осажденные на поверхности подложки (создающие структуру и топологию микросхемы), будут сохранять морфологию (структуру) полученной подложки. Рост монокристаллического слоя состоит из зарождения центров кристаллизации, присоединения атомов к этим центрам, бокового роста и соединения отдельных плоских образований в единое целое. В процессе нарастания слоя образующаяся фаза (наращиваемый слой совместно с подложкой) закономерно продолжает кристаллическую структуру имеющейся фазы (исходной подложки) с помощью образования переходного эпитаксиального слоя (таких слоев больше 20 у современных процессоров). Переходный слой способствует когерентному срастанию двух решеток по плоскостям и направлениям со сходной плотностью упаковки атомов, через него передается основная информация о кристаллической структуре подложки в нарастающий слой. Ориентированно нарастающие кристаллические слои могут быть как однотипного по структуре с подложкой вещества (отличающиеся от нее только содержанием легирующих примесей), так и отличающегося по составу от вещества подложки и происходящего при их кристаллохимическом взаимодействии (слои металлизации, например).
Граница раздела обладает повышенной плотностью дислокаций и напряжений. При воспроизведении морфологии подложки дислокации, имевшиеся в подложке, перерастают в эпитаксиальный слой. Если при росте слоя какой-либо атом выдвигается из своего слоя, то он служит исходной точкой развития дефекта. Форма этих дефектов (дефектов упаковки) зависит от кристаллографической ориентации эпитаксиального слоя. Плотность дислокаций в слое обычно превышает их плотность в подложке. Это обусловлено тем, что область вблизи раздела подложка-эпитаксиальный слой характеризуется наличием примесей, загрязнений и поверхностных дефектов, влияющих на совершенство растущего слоя и служащих источником образования дислокаций. Плотность дислокаций возрастает в направлении от поверхности эпитаксиального слоя к границе раздела слоя с подложкой. Механические напряжения могут возникать при значительном различии в содержании легирующей примеси в подложке и растущем слое. Из-за различия в параметрах решеток подложки и слоя возникают напряжения и структура изгибается (изгиб возрастает при увеличении толщины слоя).
Структурные дефекты элементов Теперь должно быть понятно, как же все таки важно получение совершенной и бездислокационной поверхности полупроводниковых подложек. Ну а процесс фотолитографии – тема отдельной статьи, весьма и весьма обширной.
Благодарю за внимание всех тех, кто ознакомился с данным материалом и надеюсь, он был кому-то полезен и интересен.
Материалы для чипов будущего
Такие материалы, как германий и силицен, обеспечивают возможность создания микроскопических транзисторов, более быстрых процессоров и носителей информации. CHIP выяснил, как в будущем из них будут изготавливаться чипы.
Закон Мура — это мантра полупроводниковой промышленности, которая гласит, что процессоры должны становиться быстрее и меньше. Для того чтобы и дальше иметь возможность следовать данному правилу, необходимо находить новые материалы для производства транзисторов, поскольку кремний постепенно подходит к границам своих физических возможностей.
Веществом, в настоящее время оценивающимся в качестве возможного преемника кремния, является германий. Этот полупроводник обладает значительными преимуществами по сравнению с кремнием: его низкое сопротивление позволяет увеличить тактовую частоту процессоров, не приводя к критическому тепловыделению.
Первые транзисторы из германия уже изготовлены. Однако до сих пор обработка этого полупроводника остается гораздо более сложной, чем обработка кремния. Новые результаты исследований могли бы помочь германию изменить IT-индустрию.
«Родственник» кремния с большим потенциалом Александр Демков из Техасского университета (США) рассматривает германий не только в качестве сырья для производства процессоров, но и как революционное решение в области технологии хранения данных. Физик рассчитал, что с применением этого полупроводника можно создать сегнетоэлектрический полевой транзистор (FeFET).
FeFET-транзистор является энергонезависимым элементом, он сохраняет свое состояние без подачи питания и таким образом может использоваться в качестве постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). При этом запись и чтение в накопителе на базе FeFET-элементов могли бы производиться настолько же быстро, как и у современной оперативной памяти.
Накопитель на базе сегнетоэлектрических транзисторов способен быть столь же быстрым, как оперативная память, и таким же стабильным, как магнитные жесткие диски. То, что долгое время было чистой теорией, с помощью германия может быть эффективно реализовано на практике.
В качестве замены кремния наряду с германием большим потенциалом обладают так называемые 2D-моноструктуры, состоящие из одного слоя атомов. Самая известная из них — графен, часто называемый «чудо-материалом». Тем не менее это соединение углерода вряд ли подходит для производства процессоров: поскольку у материала практически отсутствует электрическое сопротивление, транзисторы из графена не могут просто включаться и выключаться.
Теперь надежды возлагают на двумерный материал силицен, состоящий из атомов кремния. Хотя производить его сложнее, чем графен, благодаря своей слегка волнистой структуре он обладает так называемой «запрещенной зоной» — характеристикой, которая делает материал «регулируемым».
Однако есть и проблема: силицен разлагается на воздухе через несколько минут. В настоящее время ученые лихорадочно работают над методами, которые позволят сделать материал более устойчивым. Уже высказаны первые предложения — например, нанесение защитного тефлонового слоя. В случае успеха дальнейшая миниатюризация процессоров могла бы стать безграничной.
Для выпуска транзисторов меньших размеров требуются не только новые материалы, но и новые производственные процессы. Начиная с области в 10 нанометров и менее производители вынуждены использовать нанопровода в качестве транзисторов. Для возможности срабатывания у них должен быть электрический контакт с «внешним миром»: для этого их необходимо соединить с металлом.
До сих пор провода и контакты изготавливали по отдельности, а затем соединяли друг с другом; сложность производства при этом весьма высока. Ученые из Копенгагенского университета разработали метод, при котором последний этап становится излишним. Им удалось создать гибридный нанопровод, который с самого начала соединен со своим электрическим контактом. Используемый инженерами металл (алюминий) обладает сверхпроводимостью, так что нанотрубки способны стать основой схем для будущих квантовых компьютеров.
Новый тип полупроводниковых нанотрубок «сращен» на атомарном уровне с электрическими контактами. Это прочное соединение должно обеспечить возможность промышленной обработки.
Прорыв в области сверхпроводников
Однако самая большая проблема в области сверхпроводников состоит в том, что они достигают своей практически нулевой проводимости только при очень низких температурах. Например, алюминий становится сверхпроводящим только при температуре –272 °С. Поэтому его необходимо охлаждать жидким гелием, а это очень дорогой процесс.
Для рентабельной эксплуатации сверхпроводников и квантовых компьютеров, созданных на их основе, материалы (в идеале) должны находиться в сверхпроводящем состоянии уже при комнатной температуре. Это до сих пор немыслимо, но вполне возможно. Международной группе во главе с Андреа Каваллери (общество им. Макса Планка) в ходе эксперимента на короткое время удалось достичь сверхпроводимости керамического материала при комнатной температуре с помощью коротких инфракрасных лазерных импульсов.
Несмотря на то что эффект продолжался всего несколько миллионных долей микросекунды, Каваллери считает, что это стало первым шагом к сверхпроводникам будущего, которым не будет требоваться охлаждение.
Недавно эффект левитации магнита над сверхпроводником был впервые получен при комнатной температуре. Это явление возникает, когда магнитные поля металлов вытесняются наружу.
Все достижения в области исследования материалов, которые призваны повысить скорость компьютерных процессоров и носителей информации, окажутся напрасными, если не будет устранено одно «узкое место»: скорость обмена данными. Информация между различными ядрами процессора или между процессором и запоминающими устройствами до сих пор передается по обычным медным проводам. Однако этот маршрут неприемлем для будущего, так как уже на уровне процессора он приведет к «мега-затору» в магистральной шине передачи данных.
Шина передачи данных между несколькими ядрами процессора ограничивает производительность компьютера. Новый лазер из соединения олова и германия должен устранить эту проблему.
Идеальным решением для беспрепятственной передачи данных было бы использование света вместо металлических проводников. Однако специалисты до сих пор не могли найти подходящего материала, из которого может быть создан лазер, совместимый с традиционными процессорами.
Прорыв произошел в конце января 2015 года: ученые Исследовательского центра Юлих и Института Пауля Шеррера представили инфракрасный лазер, созданный на основе соединения германия и олова. Этот материал может быть интегрирован в современные процессоры и способен не только увеличить быстродействие компьютеров, но и значительно уменьшить их энергопотребление.
Фото: Ola Jakup Joensen; Niels Bohr Institute (Aufmacher); germanium.jpg/images-of-elements.com/CC BY 3.0 (re. o.); Niels Bohr Institute (li. o.); Peter Nussbaumer/Wikipedia/CC BY-SA 3.0 (li. 2. v. o.); Forschungszentrum Jülich (li. 2. v. u. und u.); Samsung (re. o.); Plasmachem (re. u.)
Инфографика: Andreia Margarida da Silva Granada
Почему кремний — это материал, из которого сделаны процессоры
Вы, наверное, уже знаете, что кремний материал, из которого, по крайней мере, по большей части, оба Процессоры ПК и почти все чипы в отрасли производятся. Много было сказано о возможных более эффективных заменителях, чем кремний, таких как «чудесный» графен это в то время казалось решением всех проблем, но реальность такова, что кремний был и продолжает оставаться материалом, из которого производятся процессоры. ты хочешь знать почему? В этой статье мы вам все расскажем.
В 1950-х годах технологический мир нашел надежного партнера в области кремния, и с тех пор — а прошло уже около 70 лет — он продолжает использоваться. Предположим, что благодаря кремнию вместо компьютеров размером с комнату у нас есть компьютеры, которые мы знаем сегодня, некоторые из которых даже умещаются на ладони. Этот материал стал причиной отказа от старой схемотехники, ее миниатюризации, ускорения и гораздо более доступной стоимости.
Почему из кремния делают процессоры?
Please enable JavaScript
Разработка интегральных схем улучшила их положение, поместив различные электронные схемы компьютера в один кусок полупроводникового металла, называемый «микросхемой». Таким образом, интегральные схемы оставили после себя старые и хрупкие электронные лампы и, значительно уменьшив их размер, позволили их массовое производство.
В периодической таблице элементов кремний принадлежит к группе углерода, германия, олова, свинца и флеровия. Обозначенный как «Да», это восьмой по численности элемент в известной вселенной, и даже если мы говорим только о планете Земля, 28.2% земной коры содержит его. Таким образом, можно сделать вывод, что кремний — один из самых распространенных материалов и, следовательно, один из самое простое и дешевое сырье чтобы получить.
Преимущества использования кремния в производстве микросхем
Кремний — это металлоид, поэтому он обладает некоторыми металлическими характеристиками, но это не настоящий металл как таковой. И здесь мы находим его актуальность для компьютерной индустрии: это хороший полупроводник , поэтому он позволяет прохождение электричества, но, в отличие от металлов, поток можно легко контролировать. Другими словами, металл по своей природе проводит электроны и не может (или трудно) деактивировать это свойство, тогда как изолирующий материал, такой как пластик или дерево, не позволяет электричеству проходить через них. Со своей стороны, такой полупроводник, как кремний, пропускает электричество, одновременно действуя как изолятор.
На данный момент у нас уже есть три преимущества: его много, он дешев и естественным образом действует как полупроводник, поэтому не требуется больших технологий, чтобы заставить его работать так, как нужно людям (его очень легко очистить). . Он также хорошо работает в широком диапазоне температур и может быть химически модифицирован для изменения его электрических свойств. Таким образом, он может обрабатывать столько электроэнергии, сколько необходимо.
Это позволяет, например, переключаться из режима «выключено» в режим «включено» и наоборот или позволяет электричеству выборочно проходить через определенные транзисторы без сжигания цепей и, кроме того, при комнатной температуре. Более того, только этот материал можно использовать для создания множества различных типов компонентов в одном устройстве.
Крошечные транзисторы, из которых состоит процессор ПК, нуждаются в изолированных областях, и поток электричества может быть точно направлен, и все это обеспечивается кремнием с минимальной очисткой, а также материалом, который хорошо работает при температуре. атмосфера, которая изобилует, и что дешево. Это причины, по которым сегодня, спустя 70 лет после того, как он начал использоваться в промышленности, он продолжает использоваться и будет использоваться еще долгое время.
Из какого материала будут производиться процессоры будущего?
Кремний уже занял важное место в истории технического прогресса, но развитие не останавливается, и все имеет свои ограничения. Разрабатываются высокопроизводительные процессоры, в которых электроны движутся даже быстрее, чем в кремнии. С другой стороны, транзисторы с каждым разом становятся меньше, чтобы сделать микросхемы более мощными и эффективными, и кремний будет продолжать использоваться в той мере, в какой это позволяют его физические и химические свойства, но, как мы уже говорили ранее, все имеет предел.
Чтобы поместить это в контекст, теперь, когда компании используют наночипы, кремний больше не может удовлетворять эти потребности в течение длительного времени, и потребуются исследования с другими материалами, потенциально сплавами кремния и других металлов. Путь от схемотехники на электронных лампах до эры современных транзисторов был проложен с использованием кремния, но будущее явно выходит за рамки его возможностей, и потребуются другие материалы.