Ce poți găti din calmar: rapid și gustos

Panyushkin V.V.

(„HiZh”, 2014, nr. 4)

Producția cipurilor minuscule care dau viață unui laptop este una dintre cele mai complexe și sofisticate. Constă din peste trei sute de operațiuni, iar un ciclu de producție poate dura până la câteva săptămâni. Cum arată acest proces într-o formă simplificată?

Aplicați un strat de silicon

Primul lucru de făcut este să creați un strat suplimentar pe suprafața unui substrat de siliciu cu un diametru de 30 cm. Atomii de siliciu cresc pe substrat folosind metoda epitaxiei: ei sunt depuși treptat pe suprafața de siliciu din faza gazoasă. Procesul se desfășoară în vid, nu este nimic de prisos aici, așa că, în rezultat, se formează la suprafață un strat subțire de siliciu pur cu aceeași structură cristalină ca și substratul de siliciu, doar și mai pur. Cu alte cuvinte, obținem un substrat ușor îmbunătățit.

Aplicarea unui strat protector

Acum trebuie să creați un strat protector pe suprafața substratului, adică pur și simplu să îl oxidați, astfel încât să se formeze o peliculă subțire de oxid de siliciu SiO 2.

Funcția sa este foarte importantă: pelicula de oxid va împiedica ulterior curgerea curentului electric din placă. Apropo, în în ultima vremeÎn locul dioxidului de siliciu tradițional, Intel a început să folosească un dielectric de înaltă k pe bază de oxizi și silicați de hafniu, care au o constantă dielectrică k mai mare în comparație cu oxidul de siliciu. Stratul dielectric de înaltă k este realizat aproximativ de două ori mai gros decât un strat de SiO 2 convențional din cauza îngustării zonelor adiacente, dar datorită acesteia, cu o capacitate comparabilă, curentul de scurgere poate fi redus de o sută de ori. Acest lucru permite o miniaturizare suplimentară a procesoarelor.

Aplicați un strat de fotorezist

Un fotorezist trebuie aplicat pe stratul protector de oxid de siliciu - material polimeric, ale căror proprietăți se modifică sub influența radiațiilor. Cel mai adesea, acest rol este jucat de polimetacrilați, aril sulfoesteri și rășini fenol-formaldehidice, care sunt distruse sub influența radiațiilor ultraviolete (acest proces se numește fotolitografie). Se aplică pe un substrat rotativ, pulverizându-l cu un aerosol al substanței menționate. În principiu, este posibil să se utilizeze și un fascicul de electroni (litografie cu fascicul de electroni) sau raze X moi (litografie cu raze X) prin selectarea substanțelor de detectare adecvate. Dar ne vom uita la procesul tradițional de fotolitografie.

Iradiem cu lumină ultravioletă

Acum substratul este gata pentru contactul cu lumina ultravioletă, dar nu direct, ci printr-un intermediar - o fotomască, care joacă rolul unui șablon. În esență, o mască foto este un desen al unui viitor microcircuit, mărit doar de câteva ori. Pentru a-l proiecta pe suprafața substratului, se folosesc lentile speciale care reduc imaginea. Acest lucru oferă o claritate uimitoare și o precizie de proiecție.

Lumina ultravioletă, care trece prin mască și lentile, proiectează o imagine a viitorului circuit pe substrat. Pe fotomască, viitoarele zone de lucru ale circuitului integrat sunt transparente la radiațiile ultraviolete, în timp ce zonele pasive sunt invers. În acele locuri de pe substrat unde este activ elemente structurale, iradierea distruge fotorezistul. Dar în zonele pasive nu se produce distrugerea, deoarece radiațiile ultraviolete nu ajung acolo: un șablon este doar asta: un șablon. Reacție chimică, care apare în strat sub influența luminii ultraviolete, este foarte asemănătoare cu reacția din film care are loc în timpul fotografierii. Fotorezistul degradat se dizolvă cu ușurință, astfel încât nu este dificil să îndepărtați produsele de descompunere de pe substrat. Apropo, pentru a crea un procesor, sunt necesare până la 30 de măști foto diferite, astfel încât etapa se repetă pe măsură ce straturile sunt aplicate unul altuia.

Otrăvim

Deci, desenul viitorului circuit cu toate elementele până la câțiva nanometri este transferat pe suprafața substratului. Zonele în care stratul protector s-a deteriorat trebuie acum să fie gravate. În acest caz, zonele pasive nu vor fi deteriorate, deoarece sunt protejate de un strat polimeric de fotorezist, care nu a fost distrus în etapa anterioară. Zonele iradiate sunt gravate fie cu reactivi chimici, fie cu metode fizice.

În primul caz, pentru a distruge stratul de dioxid de siliciu, se folosesc compoziții pe bază de acid fluorhidric și fluorură de amoniu. Gravarea lichidă este un lucru bun, dar există o problemă: lichidul tinde să curgă sub stratul de rezistență în zonele pasive adiacente. Ca rezultat, detaliile modelului gravat se dovedesc a fi mai mari ca dimensiuni decât cele oferite de mască. Prin urmare, metoda fizică uscată este de preferat - gravarea ionilor reactivi cu plasmă. Pentru fiecare material care urmează să fie gravat uscat, este selectat gazul reactiv corespunzător. Astfel, siliciul și compușii săi sunt gravați cu plasmă care conține clor și fluor (CCl 4 + Cl 2 + Ar, ClF 3 + Cl 2, CHF 3, CF 4 + H 2, C 2 F 6). Adevărat, gravarea uscată are, de asemenea, un dezavantaj - selectivitate mai mică în comparație cu gravarea lichidă. Din fericire, există o metodă universală pentru acest caz - gravarea cu fascicul de ioni. Este potrivit pentru orice material sau combinație de materiale și are cea mai mare rezoluție dintre orice metodă de gravare, producând caracteristici mai mici de 10 nm.

Aliere

Acum este timpul pentru implantarea ionică. Vă permite să implementați aproape orice elemente chimiceîn cantitatea necesară la o adâncime dată în zonele gravate unde este expus substratul de siliciu. Scopul acestei operațiuni este de a schimba tipul de conductivitate și concentrația purtătorilor în volumul semiconductorului pentru a obține proprietățile dorite, de exemplu, netezimea necesară a joncțiunii p-n. Cei mai obișnuiți dopanți pentru siliciu sunt fosforul, arsenul (oferă conductivitate electronică de tip n) și bor (oferă conductivitate în găuri de tip p). Ionii elementelor implantate sub formă de plasmă sunt accelerați la viteze mari câmp electromagnetic și bombardează substratul cu ele. Ionii energetici pătrund în zonele neprotejate, cufundându-se în probă la o adâncime de câțiva nanometri până la câțiva micrometri.

După introducerea ionilor, stratul de fotorezist este îndepărtat, iar structura rezultată este recoaptă la temperatură ridicată, astfel încât structura deteriorată a semiconductorului să fie restaurată, iar ionii ligand să ocupe nodurile rețelei cristaline. În general, primul strat de tranzistori este gata.

Realizarea ferestrelor

Un strat izolator trebuie aplicat deasupra tranzistorului rezultat, pe care trei „ferestre” sunt gravate folosind aceeași metodă de fotolitografie. Prin intermediul acestora se vor crea în viitor contacte cu alți tranzistori.

Aplicarea metalului

Acum, întreaga suprafață a plăcii este acoperită cu un strat de cupru folosind depunerea în vid. Ionii de cupru trec de la electrodul pozitiv (anod) la electrodul negativ (catod), jucat de substrat, și aterizează pe acesta, umplând ferestrele create prin gravare. Suprafața este apoi lustruită pentru a îndepărta excesul de cupru. Metalul este depus în mai multe etape pentru a crea interconexiuni (gândiți-vă la ele ca fire de legătură) între tranzistoarele individuale.

Dispunerea unor astfel de interconexiuni este determinată de arhitectura microprocesorului. În acest fel, procesoarele moderne stabilesc conexiuni între aproximativ 20 de straturi care formează un circuit tridimensional complex. Numărul de straturi poate varia în funcție de tipul de procesor.

Testare

În sfârșit, înregistrarea noastră este gata pentru testare. Controlerul principal aici sunt capetele sondelor de pe instalațiile automate de sortare a plachetelor. Prin atingerea plăcilor, ele măsoară parametrii electrici. Dacă ceva nu merge bine, ele marchează cristalele defecte, care sunt apoi aruncate. Apropo, în microelectronică, un cristal este un singur circuit integrat de complexitate arbitrară plasat pe o placă semiconductoare.

Taiem

Apoi, plăcile sunt împărțite în cristale simple. Aproximativ 150 de microcircuite care măsoară aproximativ 2x2 cm sunt plasate pe un substrat cu un diametru de 30 cm. Pentru a se separa, placa este fie tăiată cu un tăietor diamantat, fie cu un fascicul laser, apoi ruptă de-a lungul unor tăieturi gata făcute, fie imediat tăiată cu un. disc de diamant.

Procesorul este gata!

După aceasta, conectează pad-ul de contact, care asigură comunicarea între procesor și restul sistemului, cristalul și capacul, care elimină căldura de la cristal la răcitor.

Procesorul este gata! Conform estimărilor mele (probabil foarte inexacte), producția unui procesor modern, cum ar fi, de exemplu, un Intel Core i7 quad-core, necesită aproximativ o lună de funcționare a unei fabrici de ultimă generație și 150 kWh de electricitate. În același timp, masa de siliciu și substanțe chimice consumate pe cristal este calculată în grame maxime, cuprul - fracțiuni de gram, aur pentru contacte - miligrame și liganzi precum fosfor, arsen, bor - și mai puțin.

Dicţionar

Pentru cei care riscă să se încurce în substraturi, cipuri, procesoare și cristale, iată un mic glosar de termeni.

Substratul- o placă rotundă de siliciu monocristalin cu diametrul de 10 până la 45 cm, pe care se cultivă microcircuite semiconductoare prin metoda epitaxiei.

Cristal, cip, circuit integrat- o parte a substratului neconectată cu altele cu un sistem multistrat de tranzistori crescuți pe acesta, conectați prin contacte de cupru. Mai târziu este folosit ca parte principală a microprocesorului.

Ligand (dopant)- în cazul materialelor semiconductoare, substanță ai cărei atomi sunt înglobați în rețeaua unui cristal de siliciu, modificându-i conductivitatea.

Procesor, microprocesor- elementul central de calcul al calculatoarelor moderne. Este alcătuit dintr-un cristal așezat pe un tampon de contact și acoperit cu un capac de disipare a căldurii.

Fotomască- o placă translucidă cu un model prin care trece lumina atunci când fotorezistul este iradiat.

Fotorezist- un material fotosensibil polimeric ale cărui proprietăți, de exemplu solubilitatea, se modifică după expunerea la un anumit tip de radiație.

Epitaxie- creşterea orientată naturală a unui cristal pe suprafaţa altuia. În acest caz, cuvântul „cristal” este folosit în sensul său de bază. Există multe metode de producere a cristalelor ordonate bazate pe creșterea epitaxială.

Lumea modernă este atât de computerizată încât viața noastră este practic de neimaginat fără existența dispozitivelor electronice care ne însoțesc în toate sferele vieții și activităților noastre.
Și progresul nu stă pe loc, ci continuă să fie îmbunătățit continuu: dispozitivele devin mai mici și mai puternice, mai capacitive și mai productive. Acest proces se bazează pe tehnologia de producție a microcircuitelor, care, într-o versiune simplificată, este o conexiune a mai multor diode, triode, tranzistori, rezistențe și alte componente electronice active fără corp (uneori numărul lor într-un microcircuit ajunge la câteva milioane), unite prin un circuit.

Cristalele semiconductoare (siliciu, germaniu, oxid de hafniu, arseniura de galiu) stau la baza producerii tuturor microcircuitelor. Toate conexiunile dintre elemente și interelement sunt realizate pe ele. Cel mai comun dintre ele este siliciul, deoarece, datorită proprietăților sale fizico-chimice, este cel mai potrivit semiconductor pentru aceste scopuri. Cert este că materialele semiconductoare aparțin clasei cu conductivitate electrică situată între conductori și izolatori. Și pot acționa ca conductori și dielectrici, în funcție de conținutul altor impurități chimice din ele.

Microcircuitele sunt create prin crearea secvenţială a diferitelor straturi pe o placă subţire de semiconductor, care sunt pre-lustruite şi aduse mecanic sau chimic la un finisaj în oglindă. Suprafața sa trebuie să fie complet netedă la nivel atomic.

Etapele video ale producției de microcircuite:

La formarea straturilor, deoarece modelele aplicate pe suprafața plăcii sunt atât de mici, materialul care formează ulterior modelul este depus pe întreaga suprafață dintr-o dată, iar apoi ceea ce nu este necesar este îndepărtat folosind procesul de fotolitografie.

Fotolitografia este una dintre principalele etape ale producției de microcircuite și amintește oarecum de producția de fotografie. Un material special sensibil la lumină (fotorezist) este de asemenea aplicat pe suprafața materialului aplicat anterior într-un strat uniform, apoi este uscat. Apoi, modelul necesar este proiectat pe suprafața stratului printr-o fotomască specială. Sub influența luminii ultraviolete, zonele individuale ale fotorezist își schimbă proprietățile - devin mai puternice, astfel încât zonele neiradiate sunt ulterior îndepărtate. Această metodă de desen este atât de eficientă în ceea ce privește acuratețea, încât va continua să fie folosită pentru o lungă perioadă de timp.

Urmează procesul de conectare electrică între tranzistori în microcircuite, combinând tranzistori în celule separate și celule în blocuri separate. Interconexiunile sunt create în mai multe straturi metalice de cipuri finalizate. Materialele folosite la producerea straturilor sunt în principal cuprul, iar pentru circuite deosebit de performante se folosește aur. Numărul de straturi de conexiuni electrice depinde de puterea și performanța cipului creat - cu cât este mai puternic, cu atât conține mai multe straturi.

În acest fel, se obține o structură tridimensională complexă a unui microcircuit electronic cu o grosime de câțiva microni. Circuitul electronic este apoi acoperit cu un strat de material dielectric gros de câteva zeci de microni. În ea, sunt deschise doar plăcuțele de contact, prin care sunt furnizate ulterior microcircuitului putere și semnale electrice din exterior. Pe fund este atașată o placă de silicon de sute de microni grosime.

La sfârșitul procesului de producție, cristalele de pe napolitana sunt testate individual. Apoi fiecare cip este ambalat în carcasa lui, cu ajutorul căruia devine posibilă conectarea la alte dispozitive. Fără îndoială, tipul de ambalaj depinde de scopul cipului și de modul în care este utilizat. Chipurile ambalate trec prin etapa principală a testării de stres: expunerea la temperatură, umiditate, electricitate. Și pe baza rezultatelor testelor, acestea sunt respinse, sortate și clasificate conform specificațiilor.

Video - excursie la fabrica unde se produc microcircuite:

Ai o idee de afaceri? Pe site-ul nostru îi puteți calcula Rentabilitatea Online!

Cum se fac microcircuitele?

Pentru a înțelege care este principala diferență dintre aceste două tehnologii, este necesar să facem o scurtă excursie în însăși tehnologia de producție a procesoarelor moderne sau a circuitelor integrate.

După cum știți dintr-un curs de fizică școlar, în electronica modernă principalele componente ale circuitelor integrate sunt semiconductori de tip p și de tip n (în funcție de tipul de conductivitate). Un semiconductor este o substanță a cărei conductivitate este superioară dielectricilor, dar inferioară metalelor. Baza ambelor tipuri de semiconductori poate fi siliciul (Si), care în forma sa pură (așa-numitul semiconductor intrinsec) conduce slab curentul electric, dar adăugarea (introducerea) unei anumite impurități în siliciu îi poate schimba radical proprietățile conductoare. . Există două tipuri de impurități: donor și acceptor. O impuritate donor duce la formarea de semiconductori de tip n cu conductivitate de tip electronic, iar o impuritate acceptoare duce la formarea de semiconductori de tip p cu conductivitate de tip orificiu.

Cum funcționează un tranzistor CMOS?

Cu toate acestea, dacă se aplică un potențial pozitiv porții (Fig. 1), situația se va schimba radical. Sub influența câmpului electric al porții, găurile sunt împinse adânc în p-semiconductor, iar electronii, dimpotrivă, sunt atrași în zona de sub poartă, formând un canal bogat în electroni între sursă și scurgere. Dacă se aplică o tensiune pozitivă pe poartă, acești electroni încep să se deplaseze de la sursă la scurgere. În acest caz, tranzistorul conduce curentul; se spune că tranzistorul este „deschis”. Dacă tensiunea de la poartă este îndepărtată, electronii nu mai sunt atrași în zona dintre sursă și scurgere, canalul conductor este distrus și tranzistorul nu mai trece de curent, adică se „oprește”. Astfel, prin schimbarea tensiunii de la poartă, puteți deschide sau închide tranzistorul, similar modului în care puteți porni sau opri un comutator obișnuit, controlând fluxul de curent prin circuit. Acesta este motivul pentru care tranzistoarele sunt uneori numite comutatoare electronice.

Cu toate acestea, spre deosebire de comutatoarele mecanice convenționale, tranzistoarele CMOS sunt practic lipsite de inerție și sunt capabile să comute de la pornit la oprit de trilioane de ori pe secundă! Această caracteristică, adică capacitatea de a comuta instantaneu, determină în cele din urmă performanța procesorului, care constă din zeci de milioane de astfel de tranzistori simpli. Deci, un circuit integrat modern este format din zeci de milioane de tranzistoare CMOS simple. Să aruncăm o privire mai atentă asupra procesului fabricarea așchiilor

Pasul 1. Creșterea spațiilor libere

Crearea unor astfel de substraturi începe cu creșterea unui monocristal de siliciu cilindric. Ulterior, aceste semifabricate monocristaline (marturi) sunt tăiate în plachete rotunde (napolitane), a căror grosime este de aproximativ 1/40 inch și diametrul este de 200 mm (8 inchi) sau 300 mm (12 inci). Acestea sunt substraturile de siliciu utilizate pentru producerea de microcircuite. Când se formează plachete din monocristale de siliciu, faptul că pentru structuri cristaline ideale proprietăți fizice depind în mare măsură de direcția aleasă (proprietatea anizotropiei). De exemplu, rezistența unui substrat de siliciu va fi diferită în direcțiile longitudinale și transversale. De asemenea, în funcție de orientarea rețelei cristaline, un cristal de siliciu va reacționa diferit la orice legate de prelucrarea sa ulterioară (de exemplu, gravare, pulverizare etc.).

Prin urmare, placa trebuie tăiată dintr-un singur cristal în așa fel încât orientarea rețelei cristaline față de suprafață să fie strict menținută într-o anumită direcție. După cum sa menționat deja, diametrul piesei de siliciu monocristal este fie de 200, fie de 300 mm. În plus, diametrul este de 300 mm, acesta este relativ tehnologie nouă , despre care vom discuta mai jos. Este clar că o placă de acest diametru poate găzdui mai mult de un microcircuit, chiar dacă despre care vorbim

Pasul 2. Aplicarea unei pelicule protectoare de dielectric (SiO2)

După formarea substratului de siliciu, începe etapa creării unei structuri semiconductoare complexe.

Pentru a face acest lucru, este necesar să se introducă în siliciu așa-numitele impurități donor și acceptor.

După ce substratul de siliciu este acoperit cu o peliculă protectoare de dioxid de siliciu, este necesar să îndepărtați acest film din acele zone care vor fi supuse procesării ulterioare. Filmul este îndepărtat prin gravare și pentru a proteja zonele rămase de gravare, pe suprafața plachetei este aplicat un strat de așa-numit fotorezist. Termenul „fotorezistenți” se referă la compuși care sunt sensibili la lumină și rezistenți la factorii agresivi. Compozițiile utilizate trebuie să aibă, pe de o parte, anumite proprietăți fotografice (sub influența luminii ultraviolete devin solubile și sunt spălate în timpul procesului de gravare) și, pe de altă parte, rezistive, permițându-le să reziste la gravarea în acizi și alcalii. , incalzire etc. Scopul principal al fotorezistelor este de a crea un relief de protecție a configurației dorite.

Procesul de aplicare a fotorezistului și iradierea ulterioară a acestuia cu lumină ultravioletă conform unui model dat se numește fotolitografie și include următoarele operații de bază: formarea unui strat de fotorezist (prelucrarea substratului, aplicare, uscare), formarea unui relief protector (expunere, dezvoltare, uscare) și transferul imaginii pe substrat (gravare, pulverizare etc.).

Înainte de aplicarea unui strat de fotorezist (Fig. 3) pe substrat, acesta din urmă este supus la pretratament, în urma căreia se îmbunătățește aderența sa la stratul de fotorezist. Pentru aplicarea unui strat uniform de fotorezist se folosește metoda centrifugării. Substratul este așezat pe un disc rotativ (centrifugă), iar sub influența forțelor centrifuge, fotorezistul este distribuit pe suprafața substratului într-un strat aproape uniform. (Când vorbim despre un strat aproape uniform, ținem cont de faptul că, sub influența forțelor centrifuge, grosimea filmului rezultat crește de la centru spre margini, totuși, această metodă de aplicare a fotorezistului poate rezista la fluctuațiile stratului grosime în ±10%)

După aplicarea și uscarea stratului de fotorezist, începe etapa de formare a reliefului protector necesar. Relieful se formează ca urmare a faptului că, sub influența radiațiilor ultraviolete care cad pe anumite zone ale stratului fotorezistent, acesta din urmă modifică proprietățile de solubilitate, de exemplu, zonele iluminate încetează să se dizolve în solvent, care elimină zonele de stratul care nu a fost expus la iluminare sau invers - zonele iluminate se dizolvă. Pe baza metodei de formare a reliefului, fotorezistele sunt împărțite în negative și pozitive. Fotorezistele negative, atunci când sunt expuse la radiații ultraviolete, formează zone de protecție de relief. Fotorezistele pozitive, dimpotrivă, sub influența radiațiilor ultraviolete dobândesc proprietăți de fluiditate și sunt spălate de solvent. În consecință, se formează un strat protector în acele zone care nu sunt expuse la iradierea ultravioletă.

Pentru a ilumina zonele dorite ale stratului fotorezistent, se folosește un șablon special de mască.

Cel mai adesea, plăci de sticlă optică cu elemente opace obținute fotografic sau în alt mod sunt folosite în acest scop. De fapt, un astfel de șablon conține un desen al unuia dintre straturile viitorului microcircuit (pot fi câteva sute de astfel de straturi în total). Deoarece acest șablon este o referință, trebuie realizat cu mare precizie. În plus, ținând cont de faptul că multe plăci foto vor fi realizate dintr-o singură fotomască, aceasta trebuie să fie durabilă și rezistentă la deteriorare. Din aceasta rezultă clar că o fotomască este un lucru foarte scump: în funcție de complexitatea microcircuitului, poate costa zeci de mii de dolari.

În ciuda simplității aparente a procesului fotolitografic, această etapă a producției de microcircuite este cea mai complexă. Cert este că, în conformitate cu predicția lui Moore, numărul de tranzistori de pe un cip crește exponențial (se dublează la fiecare doi ani). O astfel de creștere a numărului de tranzistori este posibilă numai datorită unei scăderi a dimensiunii acestora, dar tocmai scăderea „se sprijină” pe procesul litografiei. Pentru a face tranzistoarele mai mici, este necesar să se reducă dimensiunile geometrice ale liniilor aplicate stratului de fotorezist. Dar există o limită la orice; focalizarea unui fascicul laser într-un punct nu este atât de ușoară.

Faptul este că, în conformitate cu legile opticii undelor, dimensiunea minimă a punctului în care este focalizat fasciculul laser (de fapt, nu este doar un punct, ci un model de difracție) este determinată, printre alți factori, de lungimea de undă a luminii. Dezvoltarea tehnologiei litografice de la invenția sa la începutul anilor 70 a fost în direcția reducerii lungimii de undă a luminii. Acesta este ceea ce a făcut posibilă reducerea dimensiunii elementelor circuitelor integrate. De la mijlocul anilor 80, fotolitografia a început să folosească radiația ultravioletă produsă de laser.

Ideea este simplă: lungimea de undă a radiației ultraviolete este mai mică decât lungimea de undă a luminii vizibile, prin urmare este posibil să se obțină linii mai fine pe suprafața fotorezistului. Până de curând, litografia folosea radiații ultraviolete profunde (Deep Ultra Violet, DUV) cu o lungime de undă de 248 nm. Cu toate acestea, atunci când fotolitografia s-a deplasat dincolo de 200 nm, au apărut probleme serioase care au pus pentru prima dată îndoieli cu privire la utilizarea continuă a acestei tehnologii. De exemplu, la lungimi de undă mai mici de 200 de microni, prea multă lumină este absorbită de stratul fotosensibil, complicând și încetinind astfel procesul de transfer al șablonului de circuit la procesor. Probleme precum acestea îi determină pe cercetători și producători să caute alternative la tehnologia tradițională a litografiei.

Tehnologia actuală de litografie permite un model cu o lățime minimă a firului de 100 nm, în timp ce litografia EUV face posibilă imprimarea cu lățimi de linii mult mai mici, de până la 30 nm. Controlul radiațiilor ultrascurte nu este atât de ușor pe cât pare. Deoarece radiația EUV este bine absorbită de sticlă, noua tehnologie presupune utilizarea unei serii de patru oglinzi convexe speciale care reduc și focalizează imaginea obținută după aplicarea măștii (Fig. 5, ,).

Pasul 5: Gravare

După expunerea stratului de fotorezist, etapa de gravare începe să îndepărteze filmul de dioxid de siliciu (Fig. 8). Procesul de gravare este adesea asociat cu băi acide. Această metodă de gravare cu acid este bine cunoscută radioamatorilor care și-au făcut propriile plăci de circuite imprimate. Pentru a face acest lucru, un model de piste pentru viitoarea placă este aplicat pe PCB acoperit cu folie cu lac, care acționează ca un strat protector, iar apoi placa este coborâtă într-o baie cu acid azotic

. Secțiunile inutile ale foliei sunt gravate, expunând PCB curat.

Această metodă are o serie de dezavantaje, dintre care principalul este incapacitatea de a controla cu precizie procesul de îndepărtare a stratului, deoarece prea mulți factori influențează procesul de gravare: concentrația acidului, temperatura, convecția etc. În plus, acidul interacționează cu materialul în toate direcțiile și pătrunde treptat sub marginea măștii de fotorezist, adică distruge straturile acoperite cu fotorezist din lateral. Prin urmare, în producția de procesoare se folosește metoda de gravare uscată, numită și plasmă. Această metodă vă permite să controlați cu precizie procesul de gravare, iar distrugerea stratului gravat are loc strict în direcția verticală.

După procedura de gravare, adică atunci când zonele dorite de siliciu pur sunt expuse, partea rămasă a fotostratului este îndepărtată. Astfel, un model realizat din dioxid de siliciu rămâne pe substratul de siliciu. Pasul 6. Difuzia (implantare ionică) structuri semiconductoare prin introducerea unei impurități donor sau acceptor. Procesul de introducere a impurităților se realizează prin difuzie (Fig. 9) introducerea uniformă a atomilor de impurități în rețeaua cristalină de siliciu. Pentru a obține un semiconductor de tip n, se utilizează de obicei antimoniu, arsen sau fosfor.

Pentru a obține un semiconductor de tip p, ca impurități se folosesc bor, galiu sau aluminiu.

Implantarea ionică este utilizată pentru procesul de difuzie a dopanților. Procesul de implantare constă în faptul că ionii impurității dorite sunt „împușcați” de la un accelerator de înaltă tensiune și, având suficientă energie, pătrund în straturile de suprafață de siliciu.

Pasul 7. Pulverizare și depunere

Aplicarea de noi straturi se efectuează de mai multe ori, în timp ce pentru conexiunile interstraturilor sunt lăsate „ferestre” în straturi, care sunt umplute cu atomi de metal;

În acest fel, procesoarele moderne stabilesc conexiuni între straturi care formează un circuit tridimensional complex. Procesul de creștere și prelucrare a tuturor straturilor durează câteva săptămâni, iar ciclul de producție în sine constă din mai mult de 300 de etape. Ca rezultat, sute de procesoare identice sunt formate pe o placă de siliciu.

Fiecare microprocesor este încorporat într-o carcasă de protecție, care asigură și conexiune electrică între cipul microprocesorului și dispozitivele externe.

Tipul carcasei depinde de tipul și de aplicarea prevăzută a microprocesorului.

Tehnologii promițătoare

Am considerat procesul tehnologic de producere a microcircuitelor (în special, procesoarelor) într-un mod foarte simplificat. Dar chiar și o prezentare atât de superficială ne permite să înțelegem dificultățile tehnologice întâmpinate la reducerea dimensiunii tranzistoarelor.

Cu toate acestea, înainte de a lua în considerare noile tehnologii promițătoare, vom răspunde la întrebarea pusă chiar la începutul articolului: care este standardul de proiectare al procesului tehnologic și cum, de fapt, diferă standardul de proiectare de 130 nm de standardul de 180 nm nm? 130 nm sau 180 nm aceasta este distanța minimă caracteristică dintre două elemente adiacente dintr-un strat al microcircuitului, adică un fel de pas de grilă de care sunt legate elementele microcircuitului. Este destul de evident că cu cât această dimensiune caracteristică este mai mică, cu atât mai mulți tranzistori pot fi plasați pe aceeași zonă a microcircuitului.În prezent, procesoarele Intel folosesc 0,13 microni

proces

Ei bine, ultima inovație care a fost implementată în timpul tranziției la un proces tehnologic de 0,13 microni este utilizarea plachetelor de siliciu (plachete) cu diametrul de 300 mm. Să reamintim că înainte de aceasta, majoritatea procesoarelor și microcircuitelor erau fabricate pe baza de wafer-uri de 200 mm.

Creșterea diametrului plachetei face posibilă reducerea costului fiecărui procesor și creșterea randamentului produselor de calitate adecvată. Într-adevăr, aria unei napolitane cu diametrul de 300 mm este de 2,25 ori mai mare decât aria unei napolitane cu diametrul de 200 mm și, în consecință, numărul de procesoare obținute dintr-o napolitană cu diametrul de 300 mm este de peste două ori mai mare.

În 2003, este de așteptat să fie introdus un nou proces tehnologic cu un standard de proiectare și mai mic, și anume 90 de nanometri. Noul proces prin care Intel va fabrica majoritatea produselor sale, inclusiv procesoare, chipset-uri și echipamente de comunicații, a fost dezvoltat la unitatea de procesare a plachetelor Intel D1C de 300 mm din Hillsboro, Oregon.

Pe 23 octombrie 2002, Intel a anunțat deschiderea unei noi unități de 2 miliarde de dolari în Rio Rancho, New Mexico. Noua fabrică, numită F11X, va folosi tehnologie modernă, care va produce procesoare pe wafer-uri de 300 mm folosind o tehnologie de proces cu o normă de proiectare de 0,13 microni. În 2003, instalația va fi transferată la un proces tehnologic cu un standard de proiectare de 90 nm.

În plus, Intel a anunțat deja reluarea construcției altuia instalație de producție la Fab 24 din Leixlip, Irlanda, care este proiectat să producă componente semiconductoare pe plăci de siliciu de 300 mm cu un standard de design de 90 nm. O nouă aventură suprafata totala mai mult de 1 milion mp. picioare cu camere deosebit de curate cu o suprafață de 160 mii de metri pătrați. ft. este de așteptat să fie operațional în prima jumătate a anului 2004 și va angaja peste o mie de angajați. Costul instalației este de aproximativ 2 miliarde de dolari.

Procesul de 90 nm folosește o serie de tehnologii avansate. Acestea sunt cele mai mici tranzistoare CMOS produse în masă din lume, cu o lungime a porții de 50 nm (Fig. 11), care oferă o performanță sporită, reducând în același timp consumul de energie, și cel mai subțire strat de oxid de poartă dintre orice tranzistor produs vreodată - doar 1,2 nm (Fig. 12), sau mai puțin de 5 straturi atomice și prima implementare a industriei a tehnologiei de siliciu tensionat de înaltă performanță.

Dintre caracteristicile enumerate, poate doar conceptul de „siliciu tensionat” are nevoie de comentariu (Fig. 13). Într-un astfel de siliciu, distanța dintre atomi este mai mare decât într-un semiconductor convențional. Acest lucru, la rândul său, permite curentului să circule mai liber, similar modului în care traficul se mișcă mai liber și mai rapid pe un drum cu benzi mai largi.

Ca urmare a tuturor inovațiilor, caracteristicile de performanță ale tranzistorilor sunt îmbunătățite cu 10-20%, în timp ce costurile de producție cresc cu doar 2%.

În plus, procesul de 90 nm utilizează șapte straturi per cip (Figura 14), cu un strat mai mult decât procesul de 130 nm, precum și interconexiuni de cupru.

Toate aceste caracteristici, combinate cu wafer-uri de siliciu de 300 mm, oferă Intel beneficii în performanță, volum de producție și cost. Consumatorii beneficiază, de asemenea, deoarece noua tehnologie de proces a Intel permite industriei să continue să evolueze în conformitate cu Legea lui Moore, crescând performanța procesorului din nou și din nou.

Chip

Circuite integrate moderne concepute pentru montare la suprafață.

Microcircuite digitale sovietice și străine.

Integrat (în engleză Circuit integrat, IC, microcircuit, microcip, cip de siliciu sau cip), (micro)circuit (IC, IC, m/s), cip, microcip cip- sliver, fragment, chip) - dispozitiv microelectronic - un circuit electronic de complexitate arbitrară, realizat pe un cristal semiconductor (sau film) și plasat într-o carcasă neseparabilă. Adesea, un circuit integrat (IC) este înțeles ca cristalul sau filmul real cu un circuit electronic, iar un microcircuit (MC) este un IC închis într-o carcasă. În același timp, expresia „componente de așchii” înseamnă „componente de montare la suprafață” spre deosebire de componentele tradiționale lipite prin orificiu traversant. Prin urmare, este mai corect să spunem „microcircuit cu cip”, adică un microcircuit montat pe suprafață. ÎN momentul prezent(an) majoritatea microcircuitelor sunt fabricate în pachete de montare la suprafață.

Invenția microcircuitelor a început cu studiul proprietăților peliculelor subțiri de oxid, care se manifestă prin efectul conductibilității electrice slabe la tensiuni electrice scăzute. Problema era că acolo unde cele două metale se atingeau, nu exista contact electric sau era polar. Studiile profunde ale acestui fenomen au condus la descoperirea diodelor și mai târziu a tranzistorilor și a circuitelor integrate.

• Fizic - metode de implementare a unui tranzistor (sau a unui grup mic) sub formă de zone dopate pe un cristal.
• Electrice - fundamentale schema electrica(tranzistoare, condensatoare, rezistențe etc.).
• Logic - circuit logic (invertoare logice, elemente OR-NOT, AND-NOT etc.).
• Nivel de circuit și sistem - proiectarea circuitului și a sistemului (flip-flops, comparatoare, codificatoare, decodore, ALU-uri etc.).
• Topologice - fotomasti topologice pentru productie.
• Nivel de program (pentru microcontrolere și microprocesoare) - instrucțiuni de asamblare pentru programator.

În prezent, majoritatea circuitelor integrate sunt dezvoltate folosind CAD, ceea ce vă permite să automatizați și să accelerați semnificativ procesul de obținere a măștilor foto topologice.

Un circuit integrat poate avea o funcționalitate completă, oricât de complexă ar fi - până la un întreg microcomputer (microcomputer cu un singur cip).

• Generatoare de semnal
• Multiplicatori analogici
• Atenuatoare analogice și amplificatoare variabile
• Stabilizatoare de alimentare
• Schimbarea cipurilor de control al sursei de alimentare
• Convertoare de semnal
• Circuite de sincronizare
• Diversi senzori (temperatura, etc.)

• Elemente logice
• Convertoare tampon
• Module de memorie
• (Micro)procesoare (inclusiv procesorul dintr-un computer)
• Microcalculatoare cu un singur cip
• FPGA - circuite integrate logice programabile

Circuitele integrate digitale au o serie de avantaje față de cele analogice:

• Consumul redus de energie este asociat cu utilizarea semnalelor electrice pulsate în electronica digitală. La recepționarea și convertirea unor astfel de semnale, elemente active dispozitive electronice(tranzistoarele) funcționează în modul „cheie”, adică tranzistorul este fie „deschis” - ceea ce corespunde unui semnal de nivel înalt (1), fie „închis” - (0), în primul caz nu există tensiune scădere peste tranzistor, în al doilea - prin el nu curge curent. În ambele cazuri, consumul de energie este aproape de 0, spre deosebire de dispozitivele analogice, în care de cele mai multe ori tranzistoarele sunt într-o stare intermediară (rezistivă).
• Imunitatea ridicată la zgomot a dispozitivelor digitale este asociată cu diferența mare dintre semnalele de nivel înalt (de exemplu 2,5 - 5 V) și cele scăzute (0 - 0,5 V). Este posibilă o eroare cu o astfel de interferență când nivel înalt este perceput ca fiind scăzut și invers, ceea ce este puțin probabil. În plus, în dispozitivele digitale este posibil să se utilizeze coduri speciale care permit corectarea erorilor.
• Diferența mare dintre semnalele de nivel înalt și cel scăzut și o gamă destul de largă de modificări permise ale acestora fac ca tehnologia digitală să fie insensibilă la dispersarea inevitabilă a parametrilor elementului în tehnologia integrată, eliminând necesitatea de a selecta și configura dispozitivele digitale.

De ce este greu să-ți imaginezi existența fără? omul modern? Desigur, fără tehnologie modernă. Unele lucruri au devenit atât de parte din viața noastră încât au devenit atât de plictisitoare. Internet, televizor, cuptor cu microunde, frigidere, mașini de spălat - este greu de imaginat fără el lumea modernăși, bineînțeles, în ea.

Ce face ca aproape toată tehnologia actuală să fie cu adevărat utilă și necesară?

Ce invenție a oferit progresul cu cele mai mari oportunități?

Una dintre cele mai de neînlocuit descoperiri ale omului este tehnologia producției de microcircuite.

Datorită ei, tehnologia modernă este atât de mică. Este compact și convenabil.

Știm cu toții că un număr mare de lucruri constând din microcircuite pot încăpea în casă. Multe dintre ele se potrivesc în buzunarul unui pantalon și sunt ușoare.

Pentru a obține rezultatul și a obține microcircuitul, oamenii de știință au lucrat mulți ani. Circuitele inițiale aveau dimensiuni enorme după standardele actuale, erau mai mari și mai grele decât un frigider, deși un frigider modern nu este format în întregime din circuite complexe și complicate. Nimic de genul! Contine una mica, dar superioara ca utilitate celor vechi si voluminoase. Descoperirea a creat senzație, dând impuls dezvoltare ulterioarăștiință și tehnologie, s-a făcut o descoperire. Au fost lansate echipamente pentru producția de microcircuite.

Producția de microcircuite nu este o sarcină ușoară, dar din fericire oamenii au tehnologii care simplifică cât mai mult sarcina de producție. În ciuda complexității, un număr mare de cipuri sunt produse în fiecare zi în întreaga lume. Ele sunt în mod constant îmbunătățite, dobândind noi caracteristici și caracteristici sporite. Cum apar aceste sisteme mici, dar inteligente? Echipamentele pentru producția de microcircuite ajută la acest lucru, care, de fapt, este discutat mai jos.

La crearea microcircuitelor se folosesc sisteme de depunere electrochimică, camere de spălare, camere de oxidare de laborator, sisteme de electrodepunere de cupru, echipamente fotolitografice și alte echipamente tehnologice.

Echipamentele fotolitografice sunt cele mai scumpe și mai precise din inginerie mecanică. Este responsabil pentru crearea de imagini pe substratul de siliciu pentru a produce topologia de cip dorită. Un fotorezist este aplicat pe un strat subțire de material, care este ulterior iradiat de o fotomască și un sistem optic. Pe măsură ce echipamentul funcționează, dimensiunea elementelor de proiectare scade.

În sistemele de poziționare, rolul principal îl joacă un motor electric liniar și un interferometru laser, care au adesea feedback. Dar, de exemplu, în tehnologia dezvoltată de laboratorul din Moscova „Amfora”, nu există o astfel de conexiune. Acest echipament casnic are o mișcare mai precisă și o repetare lină pe ambele părți, ceea ce elimină posibilitatea de reacție.

Filtrele speciale protejează masca de căldura emanată din regiunea ultravioletă profundă, rezistând la temperaturi de peste 1000 de grade pe luni lungi de funcționare.

Ionii cu energie scăzută sunt aplicați acoperirilor multistrat. Anterior, această lucrare era efectuată exclusiv prin pulverizare cu magnetron.

Întregul proces de creație începe cu selectarea cristalelor semiconductoare. Cel mai relevant este siliciul. O placă subțire de semiconductor este lustruită până când apare o imagine în oglindă în ea. În viitor, o etapă obligatorie de creare va fi fotolitografia folosind lumină ultravioletă atunci când se aplică un model. O mașină de producție de microcip ajută la acest lucru.

Ce este un microcircuit? Aceasta este o plăcintă multistrat făcută din napolitane subțiri de siliciu. Fiecare dintre ele are un design specific aplicat. Chiar acest desen este creat în etapa de fotolitografie. Plăcile sunt amplasate cu grijă în echipamente speciale cu temperaturi peste 700 de grade. După ardere, se spală cu apă.

Procesul de creare a unei plăci multistrat durează până la două săptămâni. Fotolitografia se efectuează de mai multe ori până la obținerea rezultatului dorit.

Oamenii de știință autohtoni din această industrie au și propriile tehnologii pentru producerea de cipuri digitale. Fabricile de profil corespunzător funcționează în toată țara. Ieșire specificatii tehnice nu sunt cu mult inferioare concurenților din alte țări. Se acordă preferință microcircuitelor rusești din mai multe țări. Totul datorită prețului fix, care este mai mic decât cel al producătorilor occidentali.

Microcipurile sunt create în încăperi dotate cu sisteme care controlează puritatea aerului. În întreaga etapă de creare, filtrele speciale colectează informații și procesează aerul, făcându-l astfel mai curat decât în ​​sălile de operație. Lucrătorii din producție poartă salopete speciale de protecție, care sunt adesea echipate cu un sistem intern de alimentare cu oxigen.

Fabricarea așchiilor este afaceri profitabile. Specialisti buni sunt mereu în căutare în acest domeniu. Aproape toate electronicele funcționează folosind microcircuite. Mașinile moderne sunt echipate cu ele. Nava spațială nu ar putea funcționa fără microcipuri. Procesul de producție este îmbunătățit în mod regulat, calitatea se îmbunătățește, capacitățile se extind și durata de valabilitate crește. Microcircuitele vor fi relevante pentru multe decenii, sau chiar sute de ani. Sarcina lor principală este să aducă beneficii pe Pământ și nu numai.