Технология изготовления полупроводниковых микросхем. Способ изготовления микросхем
Особенностью полупроводниковых ИМС является то, что все элементы изготавливают одновременно в едином технологическом цикле, отдельные операции которого (окисление и травление, диффузия, эпитаксия) выполняются в одной и той же среде.
При создании активных и пассивных элементов современных ИМС используют следующие основные технологические операции: окисление, травление, литографию, диффузию, ионное легирование, эпитаксию, напыление и нанесение пленок.
Окисление. Кремниевую пластину нагревают до 800 - -1200 °С и подвергают воздействию кислорода или насыщенных водяных паров. В такой окислительной среде атомы на поверхности пластины взаимодействуют с кислородом и образуют тонкий диэлектрический слой. На начальных этапах изготовления ИМС слой толщиной 1-3 мкм используют как маску для проведения избирательной диффузии на участках пластины, не покрытых этим слоем. При помощи этого слоя предотвращается диффузия примесей в полупроводник, находящийся под слоем, так как коэффициент диффузии примесей в двуокиси кремния значительно меньше, чем в полупроводнике. Диэлектрическую пленку используют также в качестве диэлектрика для затвора МДП-транзисторов. На последнем этапе изготовления ИМС диэлектрический слой применяют для пассивации кристалла: этот слой, покрывая всю поверхность кристалла, предохраняет ИМС от воздействия окружающей среды.
Более современным является анодное окисление кремния, позволяющее формировать диэлектрическую пленку на поверхности кремния почти любой толщины путем выбора режима анодного окисления. В отличие от термического окисления это низкотемпературный процесс, который избавляет от нескольких высокотемпературных обработок, связанных с выполнением термического окисления при формирований масок.
Травление проводится в плавиковой кислоте, в которой этот слой растворяется. На тех участках пластины, на которых необходимо проводить диффузию, в слое при помощи плавиковой кислоты вытравливают окна требуемых размеров.
Фотолитография. (Рис. 3.1) Окна на поверхности пластины, используемые для проведения диффузии, наносятся фотолитографическим методом. При этом поверх слоя; на пластину наносят фоторезистор, представляющий собой тонкую пленку светочувствительного органического материала. Затем накладывается фотошаблон в виде стеклянной контактной маски, на которой имеется рисунок, состоящий из прозрачных и непрозрачных областей. Через маску фоторезистор подвергается облучению ультрафиолетовыми лучами, в результате чего при действии проявителя на облученных участках фоторезистор не проявляется. Таким образом, на поверхности пластины остается рисунок определенной конфигурации и соответствующих размеров. При травлении пластины в плавиковой кислоте для удаления слоя фоторезистор не растворяется, поэтому окна вскрываются только на участках, не покрытых экспонированным фоторезистором. Через эти окна и проводится, диффузия.
Рис. 3.1. Схема процесса создания ИМС по планарно-эпитаксиальной технологии: а - эпитаксиальная структура после выращивания слоя оксида кремния; б – пластины с нанесенным слоем фоторезиста; в – схема операции совмещения и экспонирования; г – пластина после проявления фоторезиста; д – пластина после вытравливания отверстия в оксиде и удаления фоторезиста; е – пластина после проведения процесса диффузии и получения p – n-переходов; ж – пластина после вытравливания отверстия в слое оксида кремния для нанесения металлических контактов; з – пластина со сформированными структурами интегральных микросхем; 1 – пластина; 2 – эпитаксиальный слой кремния; 3 – слой оксида кремния SiO 2 ; 4 – слой фоторезиста; 5 – фотошаблон; 6 – отверстие в фоторезисте; 7 - отверстие в оксиде кремния; 8 – граница p – n-перехода; 9 – металлический контакт.
Фотолитография позволяет создавать рисунки с размерами элементов не менее 2 мкм. Этим размером ограничивается плотность компоновки элементов на пластинах.
Более высокой разрешающей способностью обладает электроннолучевая литография. При прямой экспозиции полупроводниковой пластины в электронном луче можно создавать полоски в 20 раз более узкие, чем при фотолитографии, тем самым, уменьшая размеры элементов до 0,1 мкм.
Диффузия примесей применяется для легирования пластины с целью формирования р- и n-слоев, образующих эмиттер, базу, коллектор биполярных транзисторов, сток, исток, канал униполярных транзисторов, резистивные слои, а также изолирующие p-n-переходы. Для диффузии примесей пластины нагреваются до 800-1250 °С и над ее поверхностью пропускается газ, содержащий примесь. Примесь диффундирует в глубь пластины через окна. Глубину залегания диффузионного слоя и его сопротивление регулируют путем изменения режима диффузии (температуры и продолжительности диффузии).
Ионное легирование. Вместо диффузии для имплантации примесей в полупроводник применяют ионное легирование. Для этого ионы примесей ускоряют в ускорителе до 80-300 кэВ, а затем их направляют на подложку, защищая при помощи маски те участки, которые не должны подвергаться легированию. Введение примесей в широком диапазоне концентраций и возможность осуществления более точного контроля дозировок примесей позволяют изменять параметры элементов в требуемых пределах. Поэтому вместо диффузии все больше применяют ионное легирование, хотя ее внедрение связано с переоснащением производства ИМС дорогостоящим оборудованием.
В производстве полупроводниковых ИС и многих дискретных приборов необходимо на подложке создавать однородно легированные по толщине слои одноименного ей полу проводника, а в некоторых случаях и полупроводника другого вида, с иной шириной запрещенной зоны. В частности, это необходимо для расширения функциональных возможностей схем, улучшения их параметров путем, например, формирования скрытых под такими слоями участков высокой проводимости (скрытых слоев).
Термин «эпитаксия», впервые предложенный Руайе, отражает в настоящее время процесс ориентированного нарастания, в результате которого образующаяся новая фаза закономерно продолжает кристаллическую решетку имеющейся фазы подложки с образованием некоторого переходного слоя, способствующего когерентному срастанию двух решеток по плоскости подложки со сходной плотностью упаковки атомов. По окончании формирования переходного слоя эпитаксиальный процесс продолжается с образованием слоя требуемой толщины.
Эпитаксиальный слой
(ЭС) - это монокристаллический слой новой
фазы, выросший в результате эпитаксии на поверхности
монокристаллической подложки строго определенным образом, который
имеет прочную кристаллохимическую связь с подложкой и не может быть
отделен от нее без разрушения слоя или поверхности подложки. ЭС
практически продолжает кристаллическую решетку подложки и
ориентирован строго определенным образом относительно кристаллографической плоскости, выходящей на ее поверхность.
Основное физическое явление, которое имеет место в процессе эпитаксии, - это кристаллизация вещества. Под кристаллизацией вещества понимают появление зародышей твердой фазы и их рост. В зависимости от того, из каких составов получают ЭС, различают следующие механизмы кристаллизации:
Механизм пар - кристалл (П - К), когда образование твердой фазы происходит из парообразного или газообразного состояния вещества;
Механизм пар - жидкость - кристалл (П - Ж - К), когда образование твердой фазы из парообразного состояния проходит стадию жидкого состояния. Примером может служить кристаллизация Ge на подложке Si, если последнюю нагреть до температуры, превышающей температуру плавления Ge;
Механизм твердое тело - кристалл (Т - К), когда выращивание эпитаксиального слоя производится из электролитов или расплавов.
Напыление и нанесение пленок. Элементы полупроводниковых ИМС соединяются между собой с помощью проводящего рисунка, полученного путем напыления металлической пленки. Для этого после вытравления с помощью фотолитографии окон под контакты в вакууме напыляется алюминиевая пленка на всю поверхность пластины. Путем напыления формируют также металлизированные площадки, к которым путем термокомпрессионной сварки привариваются выводы микросхемы и тонкие проволочки, соединяющие бескорпусные транзисторы в гибридных ИМС. В последнее время вместо проволочных перемычек применяют балочные выводы, представляющие собой золотые удлиненные выступы. Во время сборки гибридной ИМС балочные выводы совмещают с контактными площадками на подложке и припаивают к ним, нагревая до температуры, при которой образуется эвтектический спай. Наконец путем напыления и нанесения пленок изготавливают пассивные элементы в совмещенных и гибридных ИМС в виде толстых и тонких пленок. Интегральная электроника на сегодняшний день является одной из наиболее бурно развивающихся отраслей современной промышленности. Одной из составных частей данной науки является схемотехническая микроэлектроника. На каждом новом этапе развития технологии производства интегральных микросхем (ИМС) создаются принципиально новые методы изготовления структур ИМС, отражающие последние достижения науки.
Технология изготовления интегральных микросхе
Производство интегральных микросхем состоит из ряда операций, выполняя которые постепенно из исходных материалов получают готовое изделие. Количество операций технологического процесса может достигать 200 и более, поэтому рассмотрим только базовые.
Эпитаксия - это операция наращивания на подложке монокристаллического слоя, повторяющего структуру подложки и ее кристаллографическую ориентацию. Для получения эпитаксиальных пленок толщиной от 1 до 15 мкм обычно применяется хлоридный метод, при котором полупроводниковые пластины после тщательной очистки поверхности от различного рода загрязнений помещают в кварцевую трубу с высокочастотным нагревом, где пластины нагреваются до 1200±3 оС. Через трубу пропускают поток водорода с небольшим содержанием тетрахлорида кремния. Образующиеся при реакции атомы кремния занимают места в узлах кристаллической решетки, из-за чего растущая пленка продолжает кристаллическую структуру подложки. При добавлении в смесь газов газообразных соединений доноров наращиваемый слой приобретает дырочную проводимость.
Легирование - это операция введения примесей в подложку. Существуют два метода легирования: диффузия примесей и ионная имплантация.
Диффузия примесей представляет собой обусловленное тепловым движением перемещение частиц в направлении убывания их концентрации. Основной механизм проникновения примесных атомов в кристаллическую решетку состоит в их последовательном перемещении по вакансиям решетки. Диффузия примесей осуществляется в кварцевых печах при температуре 1100-1200 оС, поддерживаемой с точностью ±0,5 оС. Через печь пропускается нейтральный газ-носитель (N2 или Аг), который переносит частицы диффузанта (В2О3 или Р2О5) к поверхности пластин, где в результате химических реакций выделяются атомы примесей (В или Р), которые диффундируют вглубь пластин.
Ионное легирование широко используется при создании БИС и СБИС. По сравнению с диффузией процесс ионного легирования занимает меньше времени и позволяет создавать слои с субмикронными горизонтальными размерами, толщиной менее 0,1 мкм, с высокой воспроизводимостью параметров.
Термическое окисление применяется для получения тонких пленок диоксида кремния SiО2, оно основано на высокотемпературных реакциях кремния с кислородом или кислородосодержащими веществами. Окисление происходит в кварцевых печах при температуре 800-1200 оС с точностью ±1 оС..
Травление применяется для очистки поверхности полупроводниковых пластин от различного рода загрязнений, удаления слоя SiО2, также для создания на поверхности подложек канавок и углублений. Травление может быть как жидкостным, так и сухим.
Жидкостное травление осуществляется с помощью кислоты, либо щелочи. Кислотное травление применяют при подготовке пластин кремния к изготовлению структур микросхем с целью получения зеркально гладкой поверхности, а также для удаления пленки SiО2 и формирования в ней отверстий. Щелочное травление применяют для получения канавок и углублений.
Литография - это процесс формирования отверстий в масках, применяемых для локальной диффузии, травления, окисления и других операций. Существует несколько разновидностей этого процесса.
Фотолитография основана на использовании светочувствительных материалов - фоторезистов, которые могут быть негативными и позитивными. Негативные фоторезисты под действием света полимеризуются и становятся устойчивыми к травителям. В позитивных фоторезистах свет, наоборот, разрушает полимерные цепочки, поэтому засвеченные участки фоторезиста разрушаются травителем. При производстве ППИС слой фоторезиста наносят на поверхность SiО2, а при производстве ГИС - на тонкий слой металла, нанесенный на подложку, или на тонкую металлическую пластину, выполняющую функции съемной маски.
Необходимый рисунок элементов ИС получают путем облучения фоторезистасветом через фотошаблон, представляющий собой стеклянную пластину, на одной из сторон которой имеется позитивный или негативный рисунок элементов ИС в масштабе 1:1. При производстве ИС используется несколько фотошаблонов, каждый из которых задает рисунок тех или иных слоев (базовых и эмиттерных областей, контактных выводов и т. д.).
После облучения светом неполимеризованные участки фоторезиста удаляются травителем и на поверхности SiО2 (или металлической пленки) образуется фоторезистивная маска, через отверстия в которой осуществляют травление SiО2 (или металлической пленки), в результате чего рисунок фотошаблона оказывается перенесенным на поверхность подложки.
Рентгеновская литография использует мягкое рентгеновское излучение с длиной волны около 1 нм, что позволяет получить D » 0,1 мкм. Фотошаблон в этом случае представляет собой такую мембрану (около 5 мкм), прозрачную для рентгеновских лучей, на которой методом электронно-лучевой литографии создан рисунок элементов ИС.
Ионно-лучевая литография использует облучение резиста пучком ионов. Чувствительность резиста к ионному облучению во много раз выше, чем к электронному, что позволяет использовать пучки с малыми токами и соответственно малым диаметром (до 0,01 мкм). Система ионно-лучевой литографии технологически совместима с установками ионного легирования.
Вам не приходилось бывать в сердце полупроводниковой индустрии - на фабрике по производству микросхем?
Вам не приходилось бывать в сердце полупроводниковой индустрии - на фабрике по производству микросхем? Каждое подобное сооружение - творение, способное впечатлить любого, даже непосвященного в производственные процессы человека.У побывавших там возникало ощущение, будто совершаешь фантастическое путешествие в футуристический муравейник роботов или внутрь самой микросхемы. Там, в стерильном зале размером с три футбольных поля, снуют роботы и десятки специалистов, облаченных в скафандры и защитные шлемы. А высокоточные машины для производства микросхем «парят» на специальных платформах, освещенные желто-оранжевым светом…
Этапы производства кристаллов микросхем и фотолитографияИнтегральные микросхемы делают на поверхности монокристаллического кремния (Кремний (Si) используется потому, что он является наиболее подходящим для этих целей полупроводником. В свою очередь, полупроводники - это класс материалов, чья электрическая проводимость находится посреди между проводимостью проводников (главным образом, металлов) и изоляторов (диэлектриков). Кремний также может выступать как в качестве диэлектрика, так и в качестве проводника - в зависимости от количества и типа присутствующих в нем примесей других химических элементов. И эта особенность широко используется при производстве микросхем. Впрочем, в редких случаях вместо кремния применяют и другие материалы. В частности, Intel умеет внедрять в свой 90-нм техпроцесс биполярные транзисторы с гетеропереходами (HBT) на кремний-германии (SiGe)) путем последовательного создания различных слоев на тонкой (меньше миллиметра) круглой (диаметром до 30 см) кремниевой пластине, именуемой подложкой [Тонкие пластины нарезаются из тяжеленной длинной цилиндрической болванки монокристаллического кремния, которая выращивается специальным прецизионным способом. Затем пластины полируются до зеркального блеска механическими и химическими методами. «Рабочая» поверхность (то есть та, на которой далее создается микросхема) пластины должна быть гладкой и совершенной на атомарном уровне и иметь весьма точную кристаллографическою ориентацию (подобно различным граням бриллианта при огранке, но еще более совершенной)]. Слои формируются при помощи различных процессов с использованием химических реактивов, газов и света. Производство современных микропроцессоров является сложным процессом, состоящим из трехсот с лишним шагов - более двадцати слоев «витиевато» соединены между собой, дабы сформировать схему микропроцессора с трехмерной структурой. Точное число слоев на подложке (вафле) зависит от дизайн-проекта конкретного процессора. Сотни идентичных микропроцессоров создаются на одной кремниевой подложке и на финальной стадии разрезаются на отдельные прямоугольные кристаллы - чипы.
Процессы формирования различных слоев и рисунков элементов микросхемы на подложке достаточно хитроумны (фактически это целая область науки), однако в их основе лежит одна простая идея: поскольку характерные размеры создаваемого рисунка настолько малы (Например, ячейка кэш-памяти процессора на 90-нм ядре Prescott в сто раз меньше красной кровяной клетки (эритроцита), а один ее транзистор - величиной с вирус гриппа), что осаждать те или иные материалы в нужных местах просто невозможно, поступают проще - материал осаждают сразу на всю поверхность подложки, а затем его аккуратно удаляют из тех мест, где он не нужен. Для этого служит процесс фотолитографии.
Что такое «чистая комната» и почему они используются на полупроводниковых фабриках?
Кристаллы микросхем должны производиться в условиях контролируемого и очень чистого воздуха. Поскольку функциональные элементы (транзисторы, проводники) на микрочипах очень малы, любая чужеродная частица (пыль, дым или чешуйки кожи), попавшая на пластину с будущими микросхемами на промежуточных стадиях ее производства, способна вывести из строя целый кристалл. «Чистые комнаты» классифицируются по размеру и количеству микрочастиц, присутствующих в единице объема (кубическом футе, примерно равном одной тридцатой части кубометра) воздуха. Например, комнаты класса 1, используемые в современном производстве, примерно в тысячу раз чище, чем хирургическая операционная. «Чистая комната» управляет чистотой воздуха путем фильтрации поступающего воздуха, удалением грязи с установок, ламинарным перемещением воздуха от потолка к полу (примерно за шесть секунд), регулировкой влажности и температуры. Люди в «чистых комнатах» ходят в специальных скафандрах, закрывающих, в том числе, весь волосяной покров (а в ряде случаев - даже с собственной системой дыхания). Для устранения вибраций чистые комнаты располагаются на собственном виброзащитном фундаменте.
Фотолитография является незыблемой основой производства микросхем, и в обозримом будущем ей вряд ли найдется достойная замена. Поэтому имеет смысл рассмотреть ее подробнее. Например, нам нужно создать рисунок в слое какого-то материала - диоксида кремния или металла (это наиболее распространенные в современном производстве операции). Прежде всего, на подложке тем или иным способом создается тонкий (обычно тоньше одного микрона) и сплошной, без дефектов, слой нужного материала. Далее на нем проводится фотолитография. Для этого сперва на поверхность пластины наносится тонкий слой светочувствительного материала, называемого фоторезистом (Фоторезист наносится из жидкой фазы, равномерно распределяется по поверхности пластины вращением в центрифуге и сушится до затвердевания). Затем пластина с фоторезистом помещается в прецизионную установку, где нужные участки поверхности облучаются ультрафиолетом сквозь прозрачные отверстия в фотомаске (ее еще называют фотошаблоном). Маска содержит соответствующий (наносимый на поверхность пластины) рисунок, который разрабатывается для каждого слоя в процессе проектирования микросхемы. Под действием ультрафиолета облученные участки фоторезиста меняют свои свойства так, что становится возможным их селективно удалить в определенных химических реактивах (Существует негативный и позитивный фоторезист. Один при облучении «крепчает», поэтому удаляют его необлученные участки, а другой, наоборот, теряет химическую стойкость, поэтому удаляются его облученные участки. Соответственно, различают позитивную и негативную фотолитографию). После снятия фоторезиста остаются открытыми только те области поверхности пластины, над которыми требуется совершить нужную операцию - например, убрать слой диэлектрика или металла. Они успешно удаляются (эта процедура называется травлением - химическим или плазмохимическим), после чего остатки фоторезиста можно окончательно убрать с поверхности пластины, оголив сформированный в слое нужного материала рисунок для дальнейших действий.Фотолитография завершена.
При производстве современных микропроцессоров приходится совершать операции фотолитографии до 20–25 раз - каждый раз над новым слоем. В общей сложности это занимает несколько недель! В одних случаях это слои изолирующих материалов, служащих подзатворным диэлектриком транзисторов или пассивирующими (изолирующими) прослойками между транзисторами и проводниками. В других - это формирование проводящих поликремневых затворов транзисторов и соединяющих транзисторы металлических проводников (В целях упрощения часть операций иногда совмещают - например, так называемые самосовмещенные затворы изготавливаются на базе одной и той же фотолитографии одновременным формированием рисунка подзатворного диэлектрика и тонкого поликремниевого затвора). В третьих - это формирование селективно легированных областей (главным образом - стоков и истоков транзисторов), причем легирование участков поверхности монокристаллической кремниевой пластины ионизированными атомами различных химических элементов (с целью создания в кремнии полупроводниковых областей n- или p-типа) производится не через окна в фоторезисте (он слишком нестоек для этого), а сквозь рисунок в достаточно толстом слое нанесенного диэлектрика (например, того же оксида кремния). После чего диэлектрик удаляется вместе с фоторезистом.
Иногда применяется и такой интересный метод, как взрывная фотолитография. То есть сперва формируется рисунок (вытравливаются окна в фоторезисте или временном слое диэлектрика), затем на поверхность пластины наносится сплошной слой нового материала (например, металла), и, наконец, пластина помещается в реактив, удаляющий остатки фоторезиста или временный диэлектрик. В результате удаляемый слой как бы «взрывается» изнутри, унося с собой лежащие на нем куски нанесенного последним металла, а в предварительно «открытых» участках (окнах) металл остался и сформировал нужный нам функциональный рисунок (проводников или затворов). И это только верхушка айсберга, называемого микроэлектронной технологией, в основе которой лежит принцип фотолитографии.
Таким образом на поверхности кремниевой пластины создается сложная трехмерная структура толщиной в несколько микрон, которая, собственно, и является электронной схемой. Сверху схема покрывается толстым (микроны) слоем пассивирующего диэлектрика, защищающего тонкую структуру от внешних воздействий. В нем лишь открываются окна для больших, стороной в десятки микрон, квадратных металлических контактных площадок, через которые на схему подаются извне питающие напряжения и электрические сигналы. А снизу механической основой микросхемы служит кремниевая пластина толщиной в сотни микрон. Теоретически, такую схему можно было бы сделать очень тонкой (10–30 мкм) и при желании даже «свернуть в трубочку» без потери функциональности. И подобные работы уже некоторое время ведутся в отдельных направлениях, хотя традиционные кристаллы микросхем (чипы) по-прежнему остаются «несгибаемыми».
После завершения технологических процедур каждый из кристаллов на пластине тестируется (подробнее об этом - в следующей статье), а потом пластина разрезается на отдельные кристаллы (прямоугольные чипы) при помощи алмазной пилы (Перед разрезанием на кристаллы толщина пластины у современных микропроцессоров уменьшается примерно на треть при помощи механической полировки. Это позволяет помещать их в более компактные корпуса. Полировка обратной стороны преследует также цели удаления посторонних материалов с последующим формированием электрического и адгезионного контактов к подложке при корпусировке). Далее каждый чип упаковывается в свой корпус, что позволяет подключать его к другим приборам. Тип упаковки зависит от типа микросхемы и от того, как она будет использоваться. Напоследок все упакованные чипы тестируются еще раз (негодные отбраковываются, годные проходят специальные стресс-тесты при различных температурах и влажности, а также проверку на электростатический разряд), сортируются по характеристикам и соответствию тем или иным спецификациям и отгружаются заказчику.
Технология Intel Copy ExactlyУ большинства производителей микросхем оборудование и процессы, используемые в лабораториях для исследований и разработок, отличаются от того, что применяется на фабриках производства готовой продукции. И при переводе производства с опытного на серийное часто возникают серьезные задержки, связанные с тем, что на новом оборудовании требуется заметно дорабатывать и адаптировать технологические процессы, чтобы достичь высокого процента выхода годной продукции, ранее полученного в лабораториях. Это не только задерживает массовое производство, но и приводит к изменениям сотен параметров техпроцессов и даже конечных изделий. То же самое справедливо, если процесс, отлаженный на одной фабрике, переносится на другую с новым оборудованием.
Чтобы предотвратить возможные издержки, корпорация Intel, имеющая уже более десятка полупроводниковых фабрик, несколько лет назад внедрила у себя технологию Copy Exactly, суть которой в том, что при переносе технологии изготовления того или иного продукта из лаборатории на фабрику или между разными фабриками производится полное, до мелочей повторение (дупликация) всего, что с этим техпроцессом связано. Для этого, в частности, менеджеры с заводов участвуют в разработке продукта. А при переносе технологии копируется буквально все - не только входные и выходные параметры процессов (более 500!), но и их протекание, оборудование и параметры его настроек, поставщики исходных материалов для техпроцессов, трубопроводная система, чистые комнаты и даже методики обучения персонала.
Эта новаторская методика переноса технологий оказалась очень успешной. Сегодня она позволяет заводам выходить на полную мощность практически сразу после запуска - в течение нескольких недель. К тому же технология Copy Exactly придает фабрикам одной корпорации большую гибкость: начатые на одном заводе, пластины без ущерба для качества и выхода годных могут быть завершены на другом. А в случае аварии или реорганизации одной из фабрик другие «подхватят» ее дело и бизнес практически не пострадает. Эту технологию по достоинству оценивают и конкуренты - например, AMD и IBM, - хотя между ними в настоящее время она неприменима, поскольку их технологические маршруты несколько различаются.
Полупроводниковые фабрикиСейчас в промышленности по производству чипов подходит к завершению одна из тех революций, которые раз в десятилетие меняют облик индустрии. Изготовители переходят от подложек диаметром 200 мм к подложкам диаметром 300 мм (см. фото справа), в результате чего появляется возможность заметно удешевить производство микросхем, а вместе с этим - всей электронной полупроводниковой продукции. Дело в том, что подложка диаметром 300 мм обеспечивает 225-процентное увеличение площади кремниевой пластины и 240-процентное увеличение полезного выхода чипов с каждой подложки. Кроме того, значительно улучшаются и экологические характеристики производства, которое требует меньшего расхода химических реактивов и энергии в пересчете на каждый процессор, создает меньше отходов. По данным Intel, по сравнению с заводом, работающим на 200-миллиметровых подложках, новая фабрика выбрасывает на 48% меньше летучих органических веществ, расходует на 42% меньше сверхчистой воды и примерно на 40% меньше энергии. На 50% сокращаются затраты труда.
Современные «300-мм» фабрики - это гигантские промышленные предприятия стоимостью около 2 млрд. долларов и площадью более сотни тысяч квадратных метров. Лишь немногие из современных компаний-производителей чипов (двадцатку лидеров см. во врезке на стр. 34) могут позволить себе вложения в такие дорогие фабрики. Ведь для постройки и дальнейшей эксплуатации подобных предприятий требуется достичь уровня ежегодных продаж в размере как минимум 6 млрд. долларов в расчете на каждую фабрику. Подобные фабрики принято называть «foundry» - один из переводов этого термина на русский язык означает «литейное производство». Название олицетворяет колоссальный индустриальный масштаб: ювелирный процесс изготовления высокотехнологичных элементов микропроцессоров становится на промышленный поток, масштаб которого сравним разве что с масштабом производства продукции огромными металлургическими цехами. В 2000 году, когда продажи чипов были на подъеме, всего десять компаний в мире имели объемы продаж выше 6 млрд. долларов. Из «старой гвардии» сегодня только Intel, IBM, Infineon, AMD, Texas Instruments и Samsung владеют собственными действующими фабриками по производству микросхем на 300-мм подложках. Другие создаются и управляются совместно объединениями компаний - например, «Motorola - Philips - STMicroelectronics - Taiwan Semiconductor». Несомненным лидером в планах постройки новых фабрик является Тайвань. Уже в 2001 году на острове была изготовлена пятая часть всего мирового производства подложек, а к 2010 году эта доля может достичь 40%. На пятки Тайваню наступают Китай, Малайзия и Сингапур - они планируют построить 15 фабрик, пять из которых будут работать на 300-мм пластинах.
У корпорации Intel таких действующих в промышленном масштабе фабрик уже четыре: F11X в Рио-Ранчо (штат Нью-Мексико), две - D1C и D1D - в Хиллсборо (штат Орегон) и недавно введенная в строй Fab 24 в ирландском городке Лейкслип (Leixlip). Все они могут выпускать процессоры по 90-нм технологии; пятая же, Fab 12 в Чандлере (штат Аризона) для 65-нм техпроцесса, будет переведена на 300-мм пластины к 2005 году. А, например, у AMD ввод в строй первой 300-мм фабрики Fab 36 планируется лишь в следующем году, см. обзор на www.terralab.ru/system/33692. Как полагают эксперты, существующие фабрики с 200-мм подложками смогут продержаться «на плаву» до 2005 года, после чего они уже не смогут выдержать ценовой конкуренции с 300-мм процессом. К 2005 году чипы будут делаться по технологии 65 нм, а на микропроцессорах будет интегрировано по миллиарду транзисторов! Чипы станут настолько крошечными, что позволят встраивать сотовые телефоны с голосовым набором номера в авторучку.
Почему фабрики для производства микросхем так дороги (до 5 млрд. долларов)? Полупроводниковые фабрики выполняют наиболее сложные задачи среди всех фабрик в мире. Они используют только специализированные материалы, болты, конструктивные элементы, оборудование и пр. Кроме того, интеловские фабрики, например, почти вдвое больше, чем средний размер подобных заводов в мире. Само здание стоит примерно 25% от общей стоимости фабрики и еще лет десять после постройки остается сооружением, пригодным для решения самых современных задач. Оборудование (установки для фотолитографии, газофазного осаждения, ионной имплантации) и автоматы на этаже стоят остальные 75%.
Дополнительные измерения проводятся для того, чтобы убедиться в виброустойчивости фундамента и установок. Даже если фабрика - внешне одно здание, на самом деле это несколько зданий, отделенных друг от друга набольшими (до 10 см) промежутками, и каждое здание имеет собственный фундамент. Это помогает гасить различные вибрации - как от внешних источников (автотранспорта, поездов), так и собственных вибраций оборудования.
Любопытные факты о первой 300-мм фабрике Intel Fab 11XМногие наверняка не раз задавались вопросом, почему процессоры, видеокарты и материнские платы которые мы покупаем в магазинах - разработаны и сделаны где угодно, только не в России? Почему так получается, неужели мы только нефть качать можем?
Сколько стоит запуск производства микросхемы, и почему при наличии 22нм фабрик, бОльшая часть микросхем по всему миру до сих пор делается на «устаревшем» 180нм-500нм оборудовании?
Ответы на эти и многие другие вопросы под катом.
Как же работает микроэлектронное производство и сколько все это стоит?Транзисторы на кремниевой пластине рисуются с помощью фотолитографии, с помощью аппаратов называемых степперами или сканерами. Степпер - рисует кадр (до 26x33мм) целиком, затем переходит на новую позицию. Сканер - одновременно сдвигает маску и пластину таким образом, чтобы в каждый момент рисовать только одну узкую «строку» в центре кадра, таким образом аберрации оптической системы меньше влияют на изображение.Основные характеристики степперов/сканеров - длина волны света, на которой они работают (на ртутных лампах i-line - 365nm, затем на эксимерных лазерах - 248nm и 193nm), и численная апертура объектива . Чем короче длина волны, и чем больше апертура - тем меньшие детали могут быть нарисованы объективом в соответствии с дифракционным пределом:
Например, для одного из самых совершенных сканеров ASML NXT 1950i с длиной волны 193нм и численной апертурой 1.35, и k1=0.4(обычное значение для фотолитографии без «хитростей») получаем теоретическое разрешение 57нм. Применяя хитрости вроде фазовых масок, многократной экспозиции, оптической коррекции близости, off-axis illumination , поляризации света - получают минимальные элементы до 22нм.
Другие параметры степперов/сканеров - производительность (сколько пластин в час они могут обработать, до 220 пластин), и ошибка совмещения (на сколько нанометров в штуках промахивается позиционирование пластины относительно заданной позиции. На современных сканерах - до 3-5нм).
Степперы/сканеры печатают уменьшенное в 4–5 раз изображение вот такой маски (стеклянной пластинки с рисунком микросхемы, размер примерно 15x15см) в точно заданных местах.
Операцию печати рисунка (с разными масками) нужно повторить от ~10 (для самых простых и старых микросхем) до ~40 раз чтобы сформировать все нужные слои на микросхеме (начиная от самих транзисторов, и заканчивая 2–10 слоями металлических соединений). Между операциями фотолитографии пластины подвергаются различной обработке - их греют в печке до 1100 градусов, травят в растворах и плазме. На выходе остаётся пластину разрезать на отдельные кристаллы, протестировать и поместить в корпус.
«Крутость» технологии измеряют размером минимального рисуемого элемента (отдельные части транзистора, например затвор - могут быть как меньше так и больше этой цифры - т.е. это величина достаточно условная). Понятно что чем меньше транзисторы - тем быстрее работает микросхема, и больше кристаллов влезет на пластину (но не везде нужна максимальная скорость).
Сейчас начинается медленный и мучительный переход на EUV-литографию, с длиной волны 13.5nm и зеркальной оптикой . EUV сканеры пока дороже и медленнее обычных 193нм, и только-только начинают превосходить их по достижимому разрешению.
Сколько стоит свой процессор сделать?Цифры - грубые оценки, точных нигде не скажут без NDA.Лицензия софта на одно рабочее место разработчика микросхем - от 20"000 до 100"000$ в год и выше. Можно конечно и воровать, но за этим все вокруг следят.
Далее - изготовление масок. Они не должны иметь ни одного повреждения, и их изготовление обходится очень дорого: от ~7"000$ за комплект для микросхем на 1000нм, ~100"000$ для микросхем на 180нм и до ~5"000"000$ для микросхем на 32нм. А ведь микросхема с первого раза скорее всего не заработает - и после нахождения ошибки маски придётся переделывать. Частично с этой проблемой можно бороться размещая тестовые микросхемы от многих заказчиков на одном наборе масок - тогда все получат по чуть–чуть тестовых микросхем за 1/3–1/10 цены полного набора масок (это называют Shuttle или MPW - multi project wafer).
Каждая произведённая пластина стоит от 100–400$ для старых технологий на 1000нм, ~1000$ на 180нм и до ~5000$ для самых современных (помимо нанометров тут оказывает влияние и сложность технологии - простая логика дешевле, флеш память дороже, но не в разы). Тут также важно помнить и о размере пластин: самые современные производства сейчас работают с пластинами диаметром 300мм - они по площади примерно вдвое больше пластин на 200мм (которые сейчас используются в России на Микроне, Интеграле и в туманном будущем на Ангстрем-Т), а последние примерно вдвое больше ещё более старых 150мм. Пластины бОльшего размера позволяют получать микросхемы меньшей стоимости при большИх заказах т.к. количество телодвижений для изготовления 100 пластин примерно одинаковое, независимо от диаметра (это одна из причин планируемого перехода передовых производств на пластины диаметром 450мм в 2018 году по оптимистичным оценкам).
Допустим мы хотим разработать x86-совместимый процессор (или любую другую относительно сложную микросхему), по более-менее современной коммерчески доступной технологии 28/32нм (22нм хоть и существует, но коммерческие заказы пока не разместить - так что доступ к технологиям иногда как любовь: за деньги не продается). Вопрос со стоимостью патентов опустим, это вообще очень печальная тема. Предположим, для разработки нужно 200 мифических человеко-лет (это если мы делаем скромный процессор, не претендующий на первое место).
Лицензии на софт - 50k$*100 = 5 млн$ (грубая оценка, не всем нужны лицензии).
Зарплата разработчиков - допустим 3k$*1,5(налоги)*12*200 = 10.8 млн$
Тестовые запуски в MPW - 2*1.5 млн$
Изготовление масок для серийного производства 2*5млн$ = 10 млн$ (2 - потому что как ни старайся - с первого раза не выйдет)
Итого - 28.8 млн$
Это было то, что называется Non-recurring engineering (NRE) - единоразовые затраты, которые не зависят от объема производства, и успеха всего мероприятия.
Если процессор у нас получился площадью 200мм2, пластины по технологии 32нм диаметром 300мм стоят 5000$, то с пластины у нас получится 70690/200 = 350 кристаллов (оценка сверху), из которых работать допустим будет 300. Т.е. себестоимость кристалла - 16.6$, 20$ после корпусировки. За сколько теперь такой процессор можно будет продавать? 50$? 100$? Отнимем налоги и наценку магазинов…
И вот теперь вопрос - сколько же нужно продать таких процессоров, чтобы окупить наши NRE, проценты по кредитам, налоги и проч? Миллион? 5 миллионов? А главный вопрос - есть ли какие-то гарантии, что эти 5 миллионов процессоров удастся продать, учитывая что конкурентам ничего не стоит произвести на 5 миллионов больше их уже готового продукта?
Вот такой вот адский бизнес получается - огромные капитальные расходы, огромные риски и умеренная прибыль в лучшем случае.
Китай - решил проблему по своему, они решили во все школы поставить компьютеры со своими процессорами и Linux - и проблема с объёмами производства решена ( ).
Таким образом, главный вопрос при создании микросхем - это не как и где произвести, а как разработать и кому потом продать миллионы штук получившейся продукции?
А сколько стоит завод построить? Стоимость современного завода подбирается к отметке 5 млрд$ и выше . Такая сумма получается потому, что стоимость лицензий и некоторых других фиксированных расходов не сильно зависит от объёмов производства - и выгодно иметь большие производства, чтобы затраты «размазывались» по бОльшему объёму продукции. А каждый современный сканер (который собственно рисует эти 22–32нм детали) стоит 60–100млн $ (на большом заводе их может быть пара десятков). В принципе, 5млрд - не такие большие деньги в масштабах страны. Но естественно, никто не потратит 5 млрд без чёткого плана по возврату инвестиций. А ситуация там такая - несмотря на всю сложность индустрии, только монополисты работают с видимой прибылью (TSMC, Intel, Samsung и немногие другие), остальные еле сводят концы с концами.Это просто не укладывалось у меня в голове - как же так, вкладывать миллиарды, и едва–едва их отбивать? Оказалось, все просто - по всему миру микроэлектроника жесточайше дотируемая отрасль - заводы постоянно выклянчивают освобождение от налогов, льготные кредиты и демпингуют (в Китае пошли ещё дальше - SMIC заводы строит за государственный счёт, и потом ими «управляет» - это у них называется Reverse Build-Operate-Transfer). После появления каждой новой технологии (45нм, 32нм...) - первые заводы-монополисты обладающие ей и рубят основную прибыль, а те, кто приходят на 2-5-10 лет позже старта - вынуждены работать практически по себестоимости. В результате денег тут заработать крайне сложно (без монополии и без дотаций).
Это похоже поняли и в России - и проекты больших микроэлектронных заводов пока отложили, и строят маленькие производства - чтобы если и терять деньги, то терять их мало. А даже 3000 пластин в месяц, производимых на Микроне - это с головой покрывает объёмы потребления билетов Метрополитена и оборонки (кристалл билета метро имеет размеры 0.6x0.6мм, на одной 200мм пластине получается 87"000 билетов в метро - но о грустной истории с билетами метро я расскажу в одной из следующих статей).
Вопреки расхожему мнению, особых ограничений на продажу оборудования для микроэлектроники в Россию нет - на поправку Джексона - Вэника в США ежегодно накладывается президентский мораторий, и нужно только получать обычное разрешение на экспорт. Сами производители оборудования кровно заинтересованы заработать побольше денег, и сами пинают со своей стороны выдачу разрешений. Но естественно, без денег никто ничего не делает. Так что за ваши деньги - любой каприз.
Но нужно помнить и о том, что свой завод не гарантирует полной независимости производства, и не дешевле производства за рубежом: основную стоимость составляют технологии/лицензии и стоимость закупаемого оборудования - а если своих технологий и оборудования нет, и все импортировать - то и дешевле получится не может. Многие расходные материалы также в любом случае придется импортировать. Отдельный больной вопрос - производство масок, только очень крупные фабрики могут иметь «своё» производство масок.
А сколько нанометров нужно для счастья?Многим кажется - вот, у Intel–а 22нм, а у нас 90нм - как мы безнадежно отстали, подайте трактор… Но есть и другая сторона медали: посмотрите например на ту же материнскую плату: там сотни полупроводниковых приборов - MOSFET–ы, драйверы, микросхемы питания, всякая вспомогательная мелочь - почти для всех из них хватает и 1000нм технологии. Вся промышленная электроника, и микросхемы для космоса и военных - это практически в 100% случаев технологии 180нм и толще. Таким образом, самые последние технологии нужны лишь для центральных процессоров (которые делать очень сложно/дорого из–за высоких рисков и высокого порога выхода на рынок), и различных «жопогреек» (айфонов и проч). Если вдруг случится война, и Россия лишится импорта - без «жопогреек» прожить можно будет, а вот без промышленной, космической и военной электроники - нет. Т.е. по факту мы видим, что критичные для страны вещи по возможности делают в России (или закупают впрок), а то, без чего можно будет прожить в крайнем случае - импортируем.Есть и другие факторы - та же стоимость масок. Если нам нужно сделать простую микросхему, то делать для её изготовления по 32нм маски стоимостью 5 млн $ - может быть выгодно если эту микросхему потом производить тиражом в десятки и сотни миллионов копий. А если нам нужно всего 100"000 микросхем - выгоднее экономить на масках, и выпускать микросхему по самой «толстой» технологии. Кроме этого, на микросхеме есть контактные площадки, к которым подсоединяются выводы микросхем - их уменьшать некуда, и следовательно, если площадь микросхемы сравнима с площадью контактных площадок - то делать микросхему по более тонкой технологии также нет смысла (если конечно «толстые нормы» удовлетворяют требованиям по скорости и энергопотреблению).
В результате - подавляющее большинство микросхем в мире делается по «толстым» технологиям (350–500нм и толще), и миллиарды микросхем уходящие на экспорт с Российских заводов (правда в основном в виде пластин) - вполне себе востребованы и продаются (так что в материнских платах и сотовых телефонах есть наши микросхемы и силовые транзисторы - но под зарубежными именами).
Ну и наконец, американский F–22 Raptor до недавнего времени летал на процессоре Intel 960mx, разработанном в 1984–м году, производство в США тогда было по нормам 1000–1500nm - никто особо не жужжал о том, что американцы ставят в самолеты отсталую электронику (хотя ладно, немного жужжали). Главное ведь не нанометры, а соответствие конечного продукта техзаданию.
Резюме Рыночная экономика эльфов и микроэлектронное производство - слабо совместимые вещи. Чем больше копаешься - тем меньше видно рынка, больше дотаций, картельных сговоров, патентных ограничений и прочих радостей «свободного рынка». Бизнес в этой отрасли - это одна большая головная боль, с огромными рисками, постоянными кризисами перепроизводства и прибылью только у монополистов.Не удивительно, что в России стараются иметь маленькое, но своё производство, чтобы сохраняя независимость, терять меньше денег. Ни о какой прибыли на рыночных условиях говорить не приходится.
Ну и не для всех микросхем нужно 22-32нм производство, подавляющее большинство микросхем выгоднее производить на более старом 180-500нм оборудовании из-за стоимости масок и объемов производства.
В следующих статьях - расскажу об особенностях космической и военной микроэлектроники, и о текущем состоянии микроэлектроники в России.
Современный мир настолько компьютеризирован, что наша жизнь практически не представляется без существования электронных приборов, сопровождающие нас во всех сферах нашей жизни и деятельности.
А прогресс не стоит на месте, а продолжается непрерывно совершенствоваться: устройства уменьшаются и становятся более мощные, более емкостные и более производительные. В основе этого процесса находится технология производства микросхем
, представляющая собой в упрощенном варианте соединение нескольких без корпусных диодов, триодов, транзисторов, резисторов и других активных электронных компонентов (иногда их число в одной микросхеме достигает нескольких миллионов), объединенных одной схемой.
Полупроводниковые кристаллы (кремний, германия, оксид гафния, арсенид галлия) - являются основой производства всех микросхем. На них выполняются все элементные и межэлементные соединения. Самым распространенным из них является кремний, так как он по своим физико-химическим качествам, больше всех подходит для этих целей, полупроводником. Дело в том что полупроводниковые материалы относятся к классу с электрической проводимостью, находящейся между проводниками и изоляторами. И могут выступать в роли проводников и диэлектриков в зависимости от содержания в них других химических примесей.
Микросхемы создаются путем последовательного создания различных слоев на тонкой полупроводниковой пластине, которые предварительно полируются и доводятся механическими или химическими способами до зеркального блеска. Поверхность ее обязательно должна быть совершенно гладкой на атомном уровне.
|
|
Видео-этапы производства микросхемы:
При формировании слоев, из-за того что рисунки наносимые на поверхность пластины настолько малы, поэтому материал формирующий впоследствии рисунок осаждают сразу на всю поверхность, а потом удаляют ненужное, используя процесс фотолитографии.
Фотолитография является одним из главных этапов производства микросхемы и чем то напоминает производство фотографии. На поверхность ранее нанесенного материала так же ровным слоем наносится специальный светочувствительный материал (фоторезист), затем он высушивается. Далее через специальный фотошаблон на поверхность слоя проецируется необходимый рисунок. Под воздействием ультрафиолета отдельные участки фоторезиста меняют свои свойства - крепчает, поэтому необлученные участки впоследствии удаляются. Этот способ нанесения рисунка является настолько эффективным по своей точности, что будет еще использоваться долгое время.
Далее следует процесс электрического соединения между транзисторами в микросхемах, объединяющие транзисторы в отдельные ячейки, а ячейки в отдельные блоки. Межсоединения создаются в несколько металлических слоев законченных микросхем. В качестве материалов в производстве слоев используется в основном медь, а для особо производительных схем используется золото. Количестве слоев электрических соединений зависит от мощности и производительности создаваемой микросхемы - чем она мощнее том больше содержит в себе этих слоев.
Таким образом получается сложная трехмерная структура электронной микросхемы толщиной несколько микрон. Затем электронную схему покрывают слоем диэлектрического материала толщиной несколько десятков микрон. В нем лишь открывают лишь контактные площадки, через которые впоследствии подаются в микросхему питание и электрические сигналы из вне. Снизу крепится кремневая пластина толщиной в сотни микрон.
По окончании процесса производства кристаллы на пластине тестируются каждая в отдельности. Потом каждый чип упаковывается в свой корпус, при помощи которого и появляется возможность подключения его к другим приборам. Несомненно тип упаковки зависит от предназначения микросхемы и способов ее использования. Упакованные чипы проходят основной этап стресс теста: воздействие температур, влажности, электричества. И уже по результатам теста отбраковываются, сортируются и классифицируются по спецификациям.
Важным в процессе производства деталей микроуровня, какими являются микросхемы - это идеальная чистота помещений для производства. Поэтому для обеспечения идеальной чистоты используются специально-оборудованные помещения, которые в первую очередь являются полностью герметичными, оснащены микрофильтрами для очистки воздуха, персонал, работающий в этих помещениях, имеет спецодежду, препятствующую проникновения туда каких либо микрочастиц. Кроме того в таких помещениях обеспечивается определенная влажность, температура воздуха, строятся они на фундаментах с защитой от вибраций.
Видео - экскурсия на завод где производят микросхемы:
| Назад | Вперед - |
|
|
Загрузка...
