Технологические этапы производства микропроцессоров. Производство современных процессоров
Как и обещал – подробный рассказ о том, как делают процессоры… начиная с песка. Все, что вы хотели знать, но боялись спросить)
Я уже рассказывал о том, «Где производят процессоры
» и о том, какие «Трудности производства
» на этом пути стоят. Сегодня речь пойдет непосредственно про само производство – «от и до».
Производство процессоров
Когда фабрика для производства процессоров по новой технологии построена, у нее есть 4 года на то, чтобы окупить вложенные средства (более $5млрд) и принести прибыль. Из несложных секретных расчетов получается, что фабрика должна производить не менее 100 работающих пластин в час.Вкратце процесс изготовления процессора выглядит так: из расплавленного кремния на специальном оборудовании выращивают монокристалл цилиндрической формы. Получившийся слиток охлаждают и режут на «блины», поверхность которых тщательно выравнивают и полируют до зеркального блеска. Затем в «чистых комнатах» полупроводниковых заводов на кремниевых пластинах методами фотолитографии и травления создаются интегральные схемы. После повторной очистки пластин, специалисты лаборатории под микроскопом производят выборочное тестирование процессоров – если все «ОК», то готовые пластины разрезают на отдельные процессоры, которые позже заключают в корпуса.
Уроки химии
Давайте рассмотрим весь процесс более подробно. Содержание кремния в земной коре составляет порядка 25-30% по массе, благодаря чему по распространённости этот элемент занимает второе место после кислорода. Песок, особенно кварцевый, имеет высокий процент содержания кремния в виде диоксида кремния (SiO 2) и в начале производственного процесса является базовым компонентом для создания полупроводников.Первоначально берется SiO 2 в виде песка, который в дуговых печах (при температуре около 1800°C) восстанавливают коксом:
Данные реакции с использованием рецикла образующихся побочных кремнийсодержащих веществ снижают себестоимость и устраняют экологические проблемы:
2SiHCl 3 SiH 2 Cl 2 + SiCl 4Получившийся в результате водород можно много где использовать, но самое главное то, что был получен «электронный» кремний, чистый-пречистый (99,9999999%). Чуть позже в расплав такого кремния опускается затравка («точка роста»), которая постепенно вытягивается из тигля. В результате образуется так называемая «буля» - монокристалл высотой со взрослого человека. Вес соответствующий - на производстве такая дуля весит порядка 100 кг.
2SiH 2 Cl 2 SiH 3 Cl + SiHCl 3
2SiH 3 Cl SiH 4 + SiH 2 Cl 2
SiH 4 Si + 2H 2
Слиток шкурят «нулёвкой»:) и режут алмазной пилой. На выходе – пластины (кодовое название «вафля») толщиной около 1 мм и диаметром 300 мм (~12 дюймов; именно такие используются для техпроцесса в 32нм с технологией HKMG, High-K/Metal Gate). Когда-то давно Intel использовала диски диаметром 50мм (2"), а в ближайшем будущем уже планируется переход на пластины с диаметром в 450мм – это оправдано как минимум с точки зрения снижения затрат на производство чипов. К слову об экономии - все эти кристаллы выращиваются вне Intel; для процессорного производства они закупаются в другом месте.
Каждую пластину полируют, делают идеально ровной, доводя ее поверхность до зеркального блеска.
Производство чипов состоит более чем из трёх сотен операций, в результате которых более 20 слоёв образуют сложную трёхмерную структуру – доступный на Хабре объем статьи не позволит рассказать вкратце даже о половине из этого списка:) Поэтому совсем коротко и лишь о самых важных этапах.
Итак. В отшлифованные кремниевые пластины необходимо перенести структуру будущего процессора, то есть внедрить в определенные участки кремниевой пластины примеси, которые в итоге и образуют транзисторы. Как это сделать? Вообще, нанесение различных слоев на процессорную подложу это целая наука, ведь даже в теории такой процесс непрост (не говоря уже о практике, с учетом масштабов)… но ведь так приятно разобраться в сложном;) Ну или хотя бы попытаться разобраться.
Фотолитография
Проблема решается с помощью технологии фотолитографии - процесса избирательного травления поверхностного слоя с использованием защитного фотошаблона. Технология построена по принципу «свет-шаблон-фоторезист» и проходит следующим образом:- На кремниевую подложку наносят слой материала, из которого нужно сформировать рисунок. На него наносится фоторезист - слой полимерного светочувствительного материала, меняющего свои физико-химические свойства при облучении светом.Нужная структура рисуется на фотошаблоне - как правило, это пластинка из оптического стекла, на которую фотографическим способом нанесены непрозрачные области. Каждый такой шаблон содержит один из слоев будущего процессора, поэтому он должен быть очень точным и практичным.
- Производится экспонирование (освещение фотослоя в течение точно установленного промежутка времени) через фотошаблон
- Удаление отработанного фоторезиста.
Иной раз осаждать те или иные материалы в нужных местах пластины просто невозможно, поэтому гораздо проще нанести материал сразу на всю поверхность, убрав лишнее из тех мест, где он не нужен - на изображении выше синим цветом показано нанесение фоторезиста.
Пластина облучается потоком ионов (положительно или отрицательно заряженных атомов), которые в заданных местах проникают под поверхность пластины и изменяют проводящие свойства кремния (зеленые участки - это внедренные чужеродные атомы).
Как изолировать области, не требующие последующей обработки? Перед литографией на поверхность кремниевой пластины (при высокой температуре в специальной камере) наносится защитная пленка диэлектрика – как я уже рассказывал, вместо традиционного диоксида кремния компания Intel стала использовать High-K-диэлектрик. Он толще диоксида кремния, но в то же время у него те же емкостные свойства. Более того, в связи с увеличением толщины уменьшен ток утечки через диэлектрик, а как следствие – стало возможным получать более энергоэффективные процессоры. В общем, тут гораздо сложнее обеспечить равномерность этой пленки по всей поверхности пластины - в связи с этим на производстве применяется высокоточный температурный контроль.
Так вот. В тех местах, которые будут обрабатываться примесями, защитная пленка не нужна – её аккуратно снимают при помощи травления (удаления областей слоя для формирования многослойной структуры с определенными свойствами). А как снять ее не везде, а только в нужных областях? Для этого поверх пленки необходимо нанести еще один слой фоторезиста – за счет центробежной силы вращающейся пластины, он наносится очень тонким слоем.
В фотографии свет проходил через негативную пленку, падал на поверхность фотобумаги и менял ее химические свойства. В фотолитографии принцип схожий: свет пропускается через фотошаблон на фоторезист, и в тех местах, где он прошел через маску, отдельные участки фоторезиста меняют свойства. Через маски пропускается световое излучение, которое фокусируется на подложке. Для точной фокусировки необходима специальная система линз или зеркал, способная не просто уменьшить, изображение, вырезанное на маске, до размеров чипа, но и точно спроецировать его на заготовке. Напечатанные пластины, как правило, в четыре раза меньше, чем сами маски.
Весь отработанный фоторезист (изменивший свою растворимость под действием облучения) удаляется специальным химическим раствором – вместе с ним растворяется и часть подложки под засвеченным фоторезистом. Часть подложки, которая была закрыта от света маской, не растворится. Она образует проводник или будущий активный элемент – результатом такого подхода становятся различные картины замыканий на каждом слое микропроцессора.
Собственно говоря, все предыдущие шаги были нужны для того, чтобы создать в необходимых местах полупроводниковые структуры путем внедрения донорной (n-типа) или акцепторной (p-типа) примеси. Допустим, нам нужно сделать в кремнии область концентрации носителей p-типа, то есть зону дырочной проводимости. Для этого пластину обрабатывают с помощью устройства, которое называется имплантер - ионы бора с огромной энергией выстреливаются из высоковольтного ускорителя и равномерно распределяются в незащищенных зонах, образованных при фотолитографии.
Там, где диэлектрик был убран, ионы проникают в слой незащищенного кремния – в противном случае они «застревают» в диэлектрике. После очередного процесса травления убираются остатки диэлектрика, а на пластине остаются зоны, в которых локально есть бор. Понятно, что у современных процессоров может быть несколько таких слоев - в таком случае на получившемся рисунке снова выращивается слой диэлектрика и далее все идет по протоптанной дорожке - еще один слой фоторезиста, процесс фотолитографии (уже по новой маске), травление, имплантация… ну вы поняли.
Характерный размер транзистора сейчас - 32 нм, а длина волны, которой обрабатывается кремний - это даже не обычный свет, а специальный ультрафиолетовый эксимерный лазер - 193 нм. Однако законы оптики не позволяют разрешить два объекта, находящиеся на расстоянии меньше, чем половина длины волны. Происходит это из-за дифракции света. Как быть? Применять различные ухищрения - например, кроме упомянутых эксимерных лазеров, светящих далеко в ультрафиолетовом спектре, в современной фотолитографии используется многослойная отражающая оптика с использованием специальных масок и специальный процесс иммерсионной (погружной) фотолитографии.
Логические элементы, которые образовались в процессе фотолитографии, должны быть соединены друг с другом. Для этого пластины помещают в раствор сульфата меди, в котором под действием электрического тока атомы металла «оседают» в оставшихся «проходах» - в результате этого гальванического процесса образуются проводящие области, создающие соединения между отдельными частями процессорной «логики». Излишки проводящего покрытия убираются полировкой.
Финишная прямая
Ура – самое сложное позади. Осталось хитрым способом соединить «остатки» транзисторов - принцип и последовательность всех этих соединений (шин) и называется процессорной архитектурой. Для каждого процессора эти соединения различны – хоть схемы и кажутся абсолютно плоскими, в некоторых случаях может использоваться до 30 уровней таких «проводов». Отдаленно (при очень большом увеличении) все это похоже на футуристическую дорожную развязку – и ведь кто-то же эти клубки проектирует!
Когда обработка пластин завершена, пластины передаются из производства в монтажно-испытательный цех. Там кристаллы проходят первые испытания, и те, которые проходят тест (а это подавляющее большинство), вырезаются из подложки специальным устройством.
На следующем этапе процессор упаковывается в подложку (на рисунке – процессор Intel Core i5, состоящий из CPU и чипа HD-графики).
Привет, сокет!
Подложка, кристалл и теплораспределительная крышка соединяются вместе – именно этот продукт мы будем иметь ввиду, говоря слово «процессор». Зеленая подложка создает электрический и механический интерфейс (для электрического соединения кремниевой микросхемы с корпусом используется золото), благодаря которому станет возможным установка процессора в сокет материнской платы – по сути, это просто площадка, на которой разведены контакты от маленького чипа. Теплораспределительная крышка является термоинтерфейсом, охлаждающим процессор во время работы – именно к этой крышке будут примыкать система охлаждения, будь то радиатор кулера или здоровый водоблок.
Сокет (разъём центрального процессора) - гнездовой или щелевой разъём, предназначенный для установки центрального процессора. Использование разъёма вместо прямого распаивания процессора на материнской плате упрощает замену процессора для модернизации или ремонта компьютера. Разъём может быть предназначен для установки собственно процессора или CPU-карты (например, в Pegasos). Каждый разъём допускает установку только определённого типа процессора или CPU-карты.
На завершающем этапе производства готовые процессоры проходят финальные испытания на предмет соответствия основным характеристикам – если все в порядке, то процессоры сортируются в нужном порядке в специальные лотки – в таком виде процессоры уйдут производителям или поступят в OEM-продажу. Еще какая-то партия пойдет на продажу в виде BOX-версий – в красивой коробке вместе со стоковой системой охлаждения.
The end
Теперь представьте себе, что компания анонсирует, например, 20 новых процессоров. Все они различны между собой – количество ядер, объемы кэша, поддерживаемые технологии… В каждой модели процессора используется определенное количество транзисторов (исчисляемое миллионами и даже миллиардами), свой принцип соединения элементов… И все это надо спроектировать и создать/автоматизировать – шаблоны, линзы, литографии, сотни параметров для каждого процесса, тестирование… И все это должно работать круглосуточно, сразу на нескольких фабриках… В результате чего должны появляться устройства, не имеющие права на ошибку в работе… А стоимость этих технологических шедевров должна быть в рамках приличия… Почти уверен в том, что вы, как и я, тоже не можете представить себе всего объема проделываемой работы, о которой я и постарался сегодня рассказать.Ну и еще кое-что более удивительное. Представьте, что вы без пяти минут великий ученый - аккуратно сняли теплораспределительную крышку процессора и в огромный микроскоп смогли увидеть структуру процессора – все эти соединения, транзисторы… даже что-то на бумажке зарисовали, чтобы не забыть. Как думаете, легко ли изучить принципы работы процессора, располагая только этими данными и данными о том, какие задачи с помощью этого процессора можно решать? Мне кажется, примерно такая картина сейчас видна ученым, которые пытаются на подобном уровне изучить работу человеческого мозга. Только если верить стэнфордским микробиологам, в одном человеческом мозге
Процессор это сердце любого современного компьютера. Любой микропроцессор по сути является большой интегральной схемой, на которой расположены транзисторы. Пропуская электрический ток транзисторы позволяют создавать двоичную логику (вкл. – выкл.) вычислений. Современные процессоры выполняются на базе 45 нм технологии. 45нм (нанометра) это размер одного транзистора, расположенного на процессорной пластине. Еще недавно в основном использовали 90 нм технологию.
Пластины делаются из кремния, который занимает 2 место по размеру залежей в земной коре.
Кремний получают химической обработкой, очищая его от примесей. После этого его начинают выплавлять, формируя кремниевый цилиндр диаметром 300 миллиметров. Этот цилиндр, в дальнейшем разрезают на пластины алмазной нитью. Толщина каждой пластины около 1 мм. Чтобы пластина имела идеальную поверхность, после реза нитью, ее шлифуют специальной шлифовальной машиной.
После этого поверхность кремниевой пластины получается идеально ровной. Кстати многие производственные компании уже заявили о возможности работы с 450 мм пластинами. Чем больше поверхность – тем большее количество транзисторов для размещения, и тем более высокая производительность процессора.
Процессор состоит из кремниевой пластины, на поверхности которой располагается до девяти уровней транзисторов, разделенные слоями оксида, для изоляции.
Развитие технологии производства процессоров
Гордон Мур, один из основателей компании Intel, одного из лидеров производства процессоров в мире, в 1965 году на основе своих наблюдений открыл закон, по которому новые модели процессоров и микросхем появлялись через равные отрезки времени. Рост количества транзисторов в процессорах растет примерно в 2 раза за 2 года. Вот уже в течение 40 лет закон Гордона Мура работает без искажений. Освоение будущих технологий не за горами – уже есть рабочие прототипы на основе 32 нм и 22нм технологии производства процессоров. До середины 2004 года мощность процессора зависела в первую очередь от частоты процессора, но, начиная с 2005 года, частота процессоров практически перестала расти. Появилась новая технология многоядерности процессора. То есть создается несколько ядер процессора с равной тактовой частотой, и при работе мощность ядер суммируется. За счет этого повышается общая мощность процессора.
Ниже вы можете посмотреть видео о производстве процессоров.
ПЛАН ЛЕКЦИИ
1. Семь поколений процессоров
2. Технология производства
3. Технологические этапы производства микропроцессоров
1. Семь поколений процессоров
Первое поколение (процессоры 8086 и 8088 и математический сопроцессор 8087) положило архитектурную основу – набор «неравноправных» 16-разрядных регистров, сегментную систему адресации в пределах 1 Мб с большим разнообразием режимов, систему команд, систему прерываний и ряд других атрибутов. В процессорах использовалась «малая» конвейеризация: пока одни узлы выполняли текущую команду, блок предварительной выборки выбирал из памяти следующую.
Втрое поколение (80286 и сопроцессор 80287) дополнило семейство так называемым «защищённым режимом», позволяющим пользоваться виртуальной памятьюразмером до 1Гб для каждой задачи, используя адресуемую физическую память в пределах 16 Мб. Защищённый режим стал основой для построения многозадачных операционных систем, в которых система привилегий жестко регламентирует взаимоотношения задач с памятью, операционной системой и друг с другом. Следует отметить, что производительность процессоров 80286 возросла не только в связи с ростом тактовой частоты, а также за счет значительного усовершенствования конвейера.
Третье поколение (80386/80387 с «суффиксами» DX и SX, определяющими разрядность внешней шины) ознаменовалось переходом к 32-разрядной архитектуре. Кроме расширения диапазона представляемых величин (16 бит отображают целые числа в диапазоне от 0 до 65535 или от –32768 до +32767, а 32 бита – более четырёх миллиардов), увеличилась ёмкость адресуемой памяти. С этими процессорами начала широко использоваться операционная система система Microsoft Windows.
Четвертое поколение (80486 также DX и SX) не добавило больших изменений в архитектуру, однако былпринят ряд мер для повышения производительности. В этих процессорах был значительно усложнен исполнительный конвейер. Производители отказались от внешнего сопроцессора – его сталиразмещаться на одном кристалле с центральным.
Пятое поколение (процессор Pentium у фирмы Intel и К5 у фирмы AMD) дало суперскалярную архитектуру. Для быстрого снабжения конвейеров командами и данными из памяти шина данных этих процессоров сделана 64-разрядной. Позже у этого поколения появилось расширение ММХ (Matrics Math Extensions instruction set ) – набор команд для расширения матричных математических операций (первоначально Multimedia Extension instruction set ) – набор команд для мультимедиа-расширения)). Традиционные 32-разрядные процессоры могут выполнять операции сложение двух 8-разрядных чисел, размещая каждое из них в младших разрядах 32-разрядных регистров. При этом 24 старших разряда регистров не используются, и потому, получается, что при одной операции сложения ADD осуществляется просто сложение двух 8-разрядных чисел. Команды ММХ оперируют сразу с 64 разрядами, где могут храниться восемь 8-разрядных чисел, причем имеется возможность выполнить их сложение с другими 8-разрядными числами в процессе одной операции ADD. Регистры ММХ могут употребляться также для одновременного сложения четырех 16-разрядных слов или двух 32-разряных длинных слов. Этот принцип получил название SIMD (Single Instruction /Multiple Data - «один поток команд/много потоков данных»). Новые командыв основном были предназначеныдля ускорения выполнения мультимедийныхпрограмм, но использовать их с технологией мультимедиа. В ММХ появился и новый тип арифметики - с насыщением: если результат операции не помещается в разрядной сетке, то переполнения (или «антипереполнения») не происходит, а устанавливается максимально (или минимально) возможное значение числа.
Шестое поколение процессоров взяло своё начало с Pentium Pro и продолжилось в процессорах Pentium III, Celeron и Xeon (у фирмы AMD Примером могут служить процессоры К6, К6-2, К6-2+, К6-III). Основой здесьявляетсядинамическое исполнение, исполнение команд не в том порядке, который предписывает программный код, а в том, как будет более удобно дляпроцессора. Здесь следует отметить, что здесь между процессорамипятого и шестого поколения существует сходство, а именно добавление расширенияпятое поколение было дополнено расширением ММХ,шестое поколение получило расширения, уеличивающие возможности ММХ. У AMD это расширение 3dNnoy!, а у Intel - SSE (Streaming SIMD Extensions – потоковые расширения SIMD).
Седьмое поколение началось с процессора Athlon фирмы AMD. Процессор обладал характеристикамиобуславливающиеразвитие суперскалярности и суперконвейерности . Позже компанияIntel также выпустила свой процессор седьмого поколения Pentium 4.
2. Технология производства
В настоящее время мы можем наблюдатьинтересную тенденцию на рынке: с одной стороны компании-производители пытаются быстрыми темпами внедрить новые техпроцессы и технологии в свои продукцию, с другой же стороны, наблюдается искусственное ограничение роста частот процессоров. Это объясняется тем, что, сказывается ощущение неполной готовности рынка к очередной смене семейств процессоров, а фирмы производители еще не получили достаточно прибыли от объема продаж производящихся сейчас CPU. Здесь следует отметить, что для компаний основополагающей по сравнению с другими интересами является цена готового продукта. Однако большое значение в снижение темпов развития микропроцессоров связано с пониманием необходимости внедрения новых технологий, которые будут увеличивать производительность при минимальном объеме технологических затрат
Производителям при переходе на новые техпроцессы пришлось решать ряд проблем. Технологическая норма 90 нм оказалась значительно серьезным технологическим препятствием для многих производителей чипов. Это подтверждает и компания TSMC, данная компания занимается производством чипов для многих крупных производителей рынка, а именно компании AMD, nVidia , ATI, VIA. Долгое время у неё не получалось отладить производство чипов по технологии 0,09 мкм, это привело к низкому выходу годных кристаллов. Это привело к тому, что AMD долгое время переносила выпуск своих процессоров с технологией SOI (Silicon-on-Insulator ). Обуславливается же это тем, что именно на этой размерности элементов проявились недостатки ранее не являющиеся ощутимыми, такие кактоки утечки, большой разброс параметров и экспоненциальное повышение тепловыделения. Один из альтернативных выходов – это применение технологии SOI кремний на изоляторе, который был недавно внедрён AMD в своих 64-разрядных процессорах. Однако, это обошлось ей немалым количеством усилий и преодолением немалого количества технологических барьеров. Но следует отметить, что данная технология имеет много приимуществ которые способны скомпенсировать её недостатки. Сущность этой технологии, вполне логична - транзистор отделяется от кремневой подложки еще одним тонким слоем изолятора. К положительным качествам можно отнести. Отсутствие неконтролируемого движения электронов под каналом транзистора, влияющия на его электрических характеристиках - раз. После подачи отпирающего тока на затвор, время ионизации канала до рабочего состояния, до момента, пока по нему пойдет рабочий ток, уменьшается, это влечёт за собой улучшение второго ключевого параметра производительности транзистора, время его включения/выключения. Можно также, при той же скорости, просто понизить отпирающий ток - три. Или же найти какое-то решение между возможностью увеличения скорости работы и возможностью уменьшения напряжения. При сохранении того же отпирающего тока, увеличение производительности транзистора может составитьдо 30%, если оставить частоту той же, делая экцент на энергосбережение, в этом случае производительность может составить - до 50%. В итоге, характеристики канала становятся более предсказуемыми, а сам транзистор становится более устойчивым к спорадическим ошибкам, примером которых могут служить космические частицы, попадая в субстрат канала, и непредвиденно ионизируя его. Попадая в подложку, расположенную под слоем изолятора, они никак не влияют на работу транзистора. Единственным недостатком SOI является то, что необходимо уменьшать глубину области эмиттер/коллектор, что в свою очередь сказывается на увеличении ее сопротивления по мере сокращения толщины.
Ещё одна причина, которая способствовала замедлению темпов роста частот – это невысокая активность производителей на рынке. К примеру, каждый компанияAMD работала над повсеместным внедрением 64-битных процессоров, Intel в этот период усовершенствовала новый техпроцесс, отладки для увеличенная выхода годных кристаллов.
Внедрение новых технологий в техпроцессы очевидна, но технологам это с каждым разом даётся всё труднее. Первые процессоры Pentium (1993г) производились по техпроцессу 0,8 мкм, затем по 0,6 мкм. В 1995 году впервые для процессоров 6-го поколения был применен техпроцесс 0,35 мкм. В 1997 году он сменился на 0,25 мкм, а в 1999 – на 0,18 мкм. Современные процессоры выполняются по технологии 0,13 и 0,09 мкм введённая в 2004году.
Необходимо описать саму структуру транзистора, а именно - тонкий слой диоксида кремния, изолятора, находящегося между затвором и каналом, и выполняющего функцию - барьера для электронов, предотвращающего утечку тока затвора. Соответственно, что чем толще этот слой, тем лучше он выполняет свои изоляционные функции, но он является составной частью канала, и не менее очевидно, что если производители собираются уменьшать длину канала (размер транзистора), то надо уменьшать его толщину весьма быстрыми темпами. За последние несколько десятилетий толщина этого слоя составляет в среднем порядка 1/45 от всей длины канала. Но у этого процесса есть свой конец - как утверждал все тот же Intel, при продолжении использования SiO2, как это было на протяжении последних 30 лет, минимальная толщина слоя будет составлять 2.3. нм, иначе утечка приобретет просто нереальные величины. Для снижения подканальной утечки до последнего времени ничего не предпринималось, в настоящее время ситуация начинает меняться, поскольку рабочий ток, наряду со временем срабатывания затвора, является одним из двух основных параметров, характеризующих скорость работы транзистора, а утечка в выключенном состоянии на нем непосредственно отражается (на сохранении требуемой эффективности транзистора). Необходимо, соответственно, увеличивать рабочий ток, со всеми вытекающими отсюда последствиями.
Основные этапы производства
Изготовление микропроцессора - это сложнейший процесс, включающий более 300 этапов. Микропроцессоры формируются на поверхности тонких круговых пластин кремния - подложках, в результате определенной последовательности различных процессов обработки с использованием химических препаратов, газов и ультрафиолетового излучения.
Подложки обычно имеют диаметр 200 миллиметров. Однако корпорация Intel уже перешла на пластины диаметром 450 -миллиметровые подложки. Переход на пластины большего диаметра позволит снизить себестоимость производства микросхем, повысить эффективность использования энергии и сократить выбросы вредных газов в атмосферу. Площадь поверхности 450-миллиметровых подложек более чем в два раза превышает показатель для пластин размером 300 мм. Как результат, из одной 450-миллиметровой подложки можно получить вдвое больше конечных изделий.
Пластины изготавливают из кремния, который очищают, плавят и выращивают из него длинные цилиндрические кристаллы. Затем кристаллы разрезают на тонкие пластины и полируют их до тех пор, пока их поверхности не станут зеркально гладкими и свободными от дефектов. Далее последовательно циклически повторяясь производят термическое оксидирование, фотолитографию, диффузию примеси, эпитаксию.
В процессе изготовления микросхем на пластины-заготовки наносят в виде тщательно рассчитанных рисунков тончайшие слои материалов. На одной пластине помещается до нескольких сотен микропроцессоров. Весь процесс производства процессоров можно разделить на несколько этапов: выращивание диоксида кремния и создание проводящих областей, тестирование и изготовление.
Выращивание диоксида кремния и создание проводящих областей
Процесс производства микропроцессора начинается с "выращивания" на поверхности отполированной пластины изоляционного слоя диоксида кремния. Осуществляется этот этап в электрической печи при очень высокой температуре. Толщина оксидного слоя зависит от температуры и времени, которое пластина проводит в печи.
Затем следует фотолитография - процесс, в ходе которого на поверхности пластины формируется рисунок-схема. Сначала на пластину наносят временный слой светочувствительного материала – фоторезист , на который с помощью ультрафиолетового излучения проецируют изображение прозрачных участков шаблона, или фотомаски . Маски изготавливают при проектировании процессора и используют для формирования рисунков схем в каждом слое процессора. Под воздействием излучения засвеченные участки фотослоя становятся растворимыми, и их удаляют с помощью растворителя (плавиковая кислота), открывая находящийся под ними диоксид кремния.
Открытый диоксид кремния удаляют с помощью процесса, который называется "травлением". Затем убирают оставшийся фотослой, в итоге на полупроводниковой пластине остается рисунок из диоксида кремния. В результате ряда дополнительных операций фотолитографии и травления на пластину наносят также поликристаллический кремний, обладающий свойствами проводника. В ходе следующей операции, называемой "легированием", открытые участки кремниевой пластины бомбардируют ионами различных химических элементов, которые формируют в кремнии отрицательные и положительные заряды, изменяющие электрическую проводимость этих участков.
Наложение новых слоев с последующим травлением схемы осуществляется несколько раз, при этом для межслойных соединений в слоях оставляются "окна", которые заполняют металлом, формируя электрические соединения между слоями. В своем 0.13-микронном технологическом процессе корпорация Intel использовала медные проводники. В 0.18-микронном производственном процессе и процессах предыдущих поколений Intel применяла алюминий. И медь, и алюминий - хорошие проводники электричества. При использовании 0,18-мкм техпроцесса использовалось 6 слоев, при внедрении 90 нм техпроцесса в 2004 году применили 7 слоев кремния.
Каждый слой процессора имеет свой собственный рисунок, в совокупности все эти слои образуют трехмерную электронную схему. Нанесение слоев повторяют 20 - 25 раз в течение нескольких недель.
Тестирование
Для устойчивости к воздействиям, которым подвергаются подложки в процессе нанесения слоев, кремниевые пластины изначально должны быть достаточно толстыми. Поэтому перед тем как разрезать пластину на отдельные микропроцессоры, ее толщину с помощью специальных процессов уменьшают на 33% и удаляют загрязнения с обратной стороны. После этого на обратную сторону "обработанной" пластины наносят слой специального материала, который улучшает последующее крепление кристалла к корпусу. Данный слой обеспечивает электрический контакт между задней поверхностью интегральной схемы и корпусом после сборки.
После этого производят тестирование пластины, для проверки качества выполнения всех операций обработки. Для определения, корректности работы процессора, проверяют их отдельные компоненты. В случаеобнаружения неисправности, производят анализ полученных данных, для выявления этапа на котором произошла ошибка.
Затем к каждому процессору подключают электрические зонды и подают питание. Процессоры тестируются компьютером, он определяет, соответствуют ли характеристики изготовленных процессоров заданным параметрам.
Изготовление корпуса
После тестирования пластины отправляются в сборочное производство, гдес помощью специальной прецизионной пилы их нарезают на маленькие прямоугольники, каждый из которых содержит интегральную схему. Неработающие кристаллы отбраковываются.
Затем каждый кристалл помещают в индивидуальный корпус. Корпус служит защитой кристалла от внешних воздействий и обеспечивает его электрическое соединение с платой, на которую он будет установлен. Крошечные шарики припоя, расположенные в определенных точках кристалла, припаивают к электрическим выводам корпуса. На этом этапе электрические сигналы могут поступать с платы на кристалл и обратно
После установки кристалла в корпус процессор производят повторное тестирование, для определения его работоспособности. Неисправные процессоры отбраковывают, а исправные подвергают нагрузочным испытаниям: воздействию различных температурных и влажностных режимов, а также электростатических разрядов. После каждого нагрузочного испытания процессор тестируют для определения его функционального состояния. Затем происходит сортировка процессоров сортируют в зависимости от их поведения при различных тактовых частотах и напряжениях питания.
3. Технологические этапы производства микропроцессоров
Как делаются чипы
Производство чипов заключается в наложении тонких слоёв со сложным "узором" на кремниевые подложки. Сначала создаётся изолирующий слой, который работает как электрический затвор. Подложки нарезаются монокристалла-цилиндра тонкими "блинами", чтобы потом легко разрезать на отдельные кристаллы процессоров. Для проведения тестов каждого кристалла на подложке используются электрические зонды. Наконец, подложка разрезается на отдельные ядра, нерабочие ядра сразу же отбраковываются. В зависимости от характеристик, ядро становится тем или иным процессором и заключается в упаковку, которая облегчает установку процессора на материнскую плату. Все функциональные блоки проходят через интенсивные стресс-тесты .
Всё начинается с подложек
Первый шаг в производстве процессоров выполняется в чистой комнате. Следует отметить, что это очень капиталоёмкое производство. На постройку современного завода со всем оборудованием может быть затрачено более 2-3 млрд. долларов. Только после полной наладки и тестирования оборудования завод может серийно выпускать процессоры.
В общем, процесс производства чипов состоит из ряда этапов обработки подложек. Сюда входит и создание самих подложек, которые в последствии будут разрезаны на отдельные кристаллы.
Производство подложек
Первый этап - выращивания монокристалла. Для этого затравочный кристалл внедряется в ванну с расплавленным кремнием, который находится чуть выше точки плавления поликристаллического кремния. Важно, чтобы кристаллы росли медленно приблизительно сутки, чтобы гарантировать правильное расположение атомов. Поликристаллический или аморфный кремний состоит из множества разномастных кристаллов, которые приведут к появлению нежелательных поверхностных структур с плохими электрическими свойствами.
Когда кремний будет расплавлен, его можно легировать с помощью других веществ, меняющих его электрические свойства. Весь процесс происходит в герметичном помещении со специальным воздушным составом, чтобы кремний не окислялся.
Монокристалл разрезается на "блины" с помощью кольцевой высоко - точной алмазной пилы, которая не создаёт крупных неровностей на поверхности подложек. При этом поверхность подложек всё равно не идеально плоская, поэтому необходимы дополнительные операции. Внешний вид монокристаллов можно увидеть на рисунке 1.
Рис. 1. Внешний вид монокристалла
Сначала с помощью вращающихся стальных пластин и абразивного материала оксида алюминия, снимается толстый слой с подложек (процесс называется притиркой). В результате устраняются неровности размером от 0,05 мм до, примерно, 0,002 мм (2 000 нм). Затем следует закруглить края каждой подложки, поскольку при острых кромках могут отслаиваться слои. Далее используется процесс травления, когда с помощью разных химикатов (плавиковая кислота, уксусная кислота, азотная кислота) поверхность сглаживается ещё примерно на 50 мкм. Физически поверхность не ухудшается, поскольку весь процесс полностью химический. Он позволяет удалить оставшиеся погрешности в структуре кристалла, в результате чего поверхность будет близка к идеалу.
Последний шаг - полировка, которая обеспечивает сглаживание поверхности до неровностей, максимум, 3 нм. Полировка осуществляется при помощи смеси гидроксида натрия и гранулированного диоксида кремния.
В настоящее время подложки для микропроцессоров имеют диаметр 300 или 450 мм, что позволяет производителям чипов получать с каждой из них множество процессоров. В целом, чем больше диаметр подложки, тем больше можно произвести чипов одинакового размера. 300-мм подложка, например, даёт более чем в два раза больше процессоров, чем 200-мм.
Легирование и диффузия
Легирование производится и с готовой подложкой, и во время процессов фотолитографии. Это даёт возможность изменять электрические свойства определённых областей и слоёв, а не всей структуры кристалла.
Добавление легирующего вещества может происходить при помощи диффузии. Атомы легирующего вещества заполняют свободное пространство внутри кристаллической решётки, между структурами кремния. В некоторых случаях можно легировать и существующую структуру. Диффузия осуществляется с помощью газов (азот и аргон) или с помощью твёрдых веществ или других источников легирующего вещества.
Создание маски
Для созданияучастков интегральной схемы, используется процесс фотолитографии. При этом нужно облучать не всю поверхность подложки, в таких случаях важно использовать так называемые маски, которые пропускают излучение высокой интенсивности только на определённые участки. Маски можно сравнить с чёрно-белым негативом. Интегральные схемы имеют множество слоёв (20 и больше), и для каждого из них требуется своя маска.
Структура из тонкой хромовой плёнки наносится на поверхность пластины из кварцевого стекла, чтобы создать шаблон. При этом дорогие инструменты, использующие поток электронов или лазер, прописывают необходимые данные интегральной схемы, в результате чего получается шаблон из хрома на поверхности кварцевой подложки. Следует отметить, что любое изменение интегральной схемы приводит к необходимости производства новых масок, поэтому весь процесс внесения правок очень дорогостоящий.
Фотолиграфия позволяет сформировать на кремниевой подложке -структуру. Процесс повторяется несколько раз, пока не будет создано множество слоёв. Слои могут включать в себя разные материалы, здесь также обеспечивается соединение микроскопическими проволочками. Перед началом процесса фотолитографии, производится очистка и нагрев подложки, чтобы удалить липкие частицы и воду. На следующем этапеподложка с помощью специального устройства покрывается диоксидом кремния. Далее на подложку наносится связывающий агент, который гарантирует, что фоторезистивный материал, который будет нанесён на следующем шаге, останется на подложке. Фоторезистивный материал наносится на середину подложки, которая потом начинает вращаться с большой скоростью, чтобы слой равномерно распределился по всей поверхности подложки. Затем подложка вновь нагревается. Процесс фотолитографии представлен на рисунке 2
Рис. 2. Процесс фотолитографии
Затем через маску обложка облучается квантовым лазером, жёстким ультрафиолетовым излучением, рентгеновским излучением, пучками электронов или ионов - могут использоваться все эти источники света или энергии. Пучки электронов применяются, главным образом, для создания масок, рентгеновские лучи и пучки ионов - для исследовательских целей, а в промышленном производстве сегодня доминируют жёсткое УФ-излучение и газовые лазеры.
Жёсткое УФ-излучение с длиной волны 13,5 нм облучает фоторезистивный материал, проходя через маску. Для необходимых результатов очень важны время проецирования и фокусировки. Плохая фокусировка приведёт к тому, что останутся лишние частицы фоторезистивного материала, поскольку некоторые отверстия в маске не будут облучены должным образом. Аналогичная ситуация получиться если время проецирования будет слишком маленьким. Тогда структура из фоторезистивного материала будет слишком широкой, участки под отверстиями будут недодержанными. Однако, чрезмерное время проецирования создаёт слишком большие участки под отверстиями и слишком узкую структуру из фоторезистивного материала. В этом и заключается сложность регулирования процесса производства. Неправильная регулировка приведёт к серьёзным отклонениям и в соединительных проводниках. Специальная шаговая проекционная установка производит перемещение подложки в нужном положении. После чего можно проецировать строчку или один участок, в большинстве случаяхсоответствующий одному кристаллу процессора. Дополнительные микроустановки могут вносить дополнительны изменения. К примеру отлаживать существующую технологию и оптимизировать техпроцесс. Микроустановки обычно работают над площадями меньше 1 кв. мм, в то время как обычные установки покрывают площади большего размера.
Существуют мокрый и сухой процессы травления, которыми обрабатываются участки диоксида кремния. Мокрые процессы используют химические соединения, а сухие процессы - газ. Отдельный процесс заключается и в удалении остатков фоторезистивного материала. Производители часто сочетают мокрое и сухое удаление, чтобы фоторезистивный материал был полностью удалён. Это важно, поскольку фоторезистивный материал органический, и если его не удалить, он может привести к появлению дефектов на подложке.
После травления и очистки можно приступать к осмотру подложки, что обычно и происходит на каждом важном этапе, или переводить подложку на новый цикл фотолитографии. Проверка подложек представлен на рисунке 3.
Рис. 3. Проверка подложек
Тестирование готовых подложек производят на установках зондового контроля, которые работают со всей подложкой. На контакты каждого кристалла накладываются контакты зонда, что позволяет проводить электрические тесты. С помощью программного обеспечения тестируются все функции каждого ядра. Процесс Разрезания подложки представленна рисунке 4.
Рис. 4. Процесс разрезания подложки
При помощи разрезания подложки получают отдельные ядра. В случае выявления дефектных кристаллов (содержащие ошибки) производится их, отделение от годных. Раньше повреждённые кристаллы физически маркировались, теперь в этом нет необходимости, вся информация хранится в единой базе данных.
Далее функциональное ядро необходимо поместить в процессорную упаковку, для чего используется клейкий материал. После этого нужно произвести проводные соединения, связывающие ножки упаковки и сам кристалл (рисунок 5). Для этого используются золотые, алюминиевые или медные соединения.
Рис. 5. Проводное соединение подложки
Большая часть современных процессоров используют пластиковую упаковку с теплораспределением . В частности ядро упаковывается в керамическую или пластиковую упаковку, это способствует предотвращению механических повреждений. Современные процессоры оснащаются распределителем тепла, устройства обеспечивающие отвод тепла и защиту кристалла (рисунок 6).
Рис. 6. Упаковка процессора
Последний этап - это тестирование процессора, что производится при повышенных температурах, в соответствии со спецификациями процессора. Процессор автоматически устанавливается в тестовый разъем, после чего происходит анализ всех необходимых функций.
Производство микросхем — весьма непростое дело, и закрытость этого рынка диктуется в первую очередь особенностями главенствующей в наши дни технологии фотолитографии. Микроскопические электронные схемы проецируются на кремниевую пластину через фотошаблоны, стоимость каждого из которых может достигать $200 000. А между тем для изготовления одного чипа требуется не меньше 50 таких масок. Добавьте к этому стоимость «проб и ошибок» при разработке новых моделей, и вы поймете, что производить процессоры могут только очень большие компании очень большими тиражами.
А что делать научным лабораториям и высокотехнологичным стартапам, которым необходимы нестандартные схемы? Как быть военным, для которых закупать процессоры у «вероятного противника» — мягко говоря, не комильфо?
Мы побывали на российском производственном участке голландской компании Mapper, благодаря которой изготовление микросхем может перестать быть уделом небожителей и превратится в занятие для простых смертных. Ну или почти простых. Здесь, на территории Технополиса «Москва» при финансовой поддержке корпорации «Роснано» производится ключевой компонент технологии Mapper — электронно-оптическая система.
Однако прежде чем разбираться в нюансах безмасочной литографии Mapper, стоит вспомнить основы обычной фотолитографии.
Неповоротливый свет
На современном процессоре Intel Core i7 может располагаться около 2 млрд транзисторов (в зависимости от модели), размер каждого из которых — 14 нм. В погоне за вычислительной мощностью производители ежегодно уменьшают размеры транзисторов и увеличивают их число. Вероятным технологическим пределом в этой гонке можно считать 5 нм: на таких расстояниях начинают проявляться квантовые эффекты, из-за которых электроны в соседних ячейках могут вести себя непредсказуемо.
Чтобы нанести на кремниевую пластину микроскопические полупроводниковые структуры, используют процесс, похожий на работу с фотоувеличителем. Разве что цель у него обратная — сделать изображение как можно меньше. Пластину (или защитную пленку) покрывают фоторезистом — полимерным фоточувствительным материалом, который меняет свои свойства при облучении светом. Требуемый рисунок чипа экспонируют на фоторезист через маску и собирающую линзу. Напечатанные пластины, как правило, в четыре раза меньше, чем маски.
Такие вещества, как кремний или германий, имеют по четыре электрона на внешнем энергетическом уровне. Они образуют красивые кристаллы, похожие на металл. Но, в отличие от металла, они не проводят электрический ток: все их электроны задействованы в мощных ковалентных связях и не могут двигаться. Однако все меняется, если добавить к ним немного донорной примеси из вещества с пятью электронами на внешнем уровне (фосфора или мышьяка). Четыре электрона вступают в связь с кремнием, а один остается свободным. Кремний с донорной примесью (n-типа) — неплохой проводник. Если добавить к кремнию акцепторную примесь из вещества с тремя электронами на внешнем уровне (бор, индий), аналогичным образом образуются «дырки», виртуальный аналог положительного заряда. В таком случае речь идет о полупроводнике p-типа.
Соединив проводники p- и n-типа, мы получим диод — полупроводниковый прибор, пропускающий ток только в одном направлении. Комбинация p-n-p или n-p-n дает нам транзистор — через него ток протекает только в том случае, если на центральный проводник подается определенное напряжение.
Свои коррективы в этот процесс вносит дифракция света: луч, проходя через отверстия маски, немного преломляется, и вместо одной точки экспонируется серия концентрических кругов, как от брошенного в омут камня. К счастью, дифракция находится в обратной зависимости от длины волны, чем и пользуются инженеры, применяя свет ультрафиолетового диапазона с длиной волны 195 нм. Почему не еще меньше? Просто более короткая волна не будет преломляться собирающей линзой, лучи будут проходить насквозь, не фокусируясь. Увеличить собирающую способность линзы тоже нельзя — не позволит сферическая аберрация: каждый луч будет проходить оптическую ось в своей точке, нарушая фокусировку.
Максимальная ширина контура, которую можно отобразить с помощью фотолитографии, — 70 нм. Чипы с более высоким разрешением печатают в несколько приемов: наносят 70-нанометровые контуры, протравливают схему, а затем экспонируют следующую часть через новую маску.
Сейчас в разработке находится технология фотолитографии в глубоком ультрафиолете, с применением света с экстремальной длиной волны около 13,5 нм. Технология предполагает использование вакуума и многослойных зеркал с отражением на основе межслойной интерференции. Маска тоже будет не просвечивающим, а отражающим элементом. Зеркала лишены явления преломления, поэтому могут работать со светом любой длины волны. Но пока это лишь концепция, которую, возможно, станут применять в будущем.
Как сегодня делают процессоры
Идеально отполированную круглую кремниевую пластину диаметром 30 см покрывают тонким слоем фоторезиста. Равномерно распределить фоторезист помогает центробежная сила.
Будущая схема экспонируется на фоторезист через маску. Этот процесс повторяется многократно, потому что из одной пластины получается множество чипов.
Та часть фоторезиста, которая подверглась ультрафиолетовому излучению, становится растворимой и с легкостью удаляется с помощью химикатов.
Участки кремниевой пластины, не защищенные фоторезистом, подвергаются химическому травлению. На их месте образуются углубления.
На пластину вновь наносят слой фоторезиста. На этот раз с помощью экспонирования обнажают те участки, которые подвергнутся ионной бомбардировке.
Под воздействием электрического поля ионы примесей разгоняются до скоростей более 300 000 км/ч и проникают в кремний, придавая ему свойства полупроводника.
После удаления остатков фоторезиста на пластине остаются готовые транзисторы. Сверху наносят слой диэлектрика, в котором по все той же технологии протравливают отверстия под контакты.
Пластину помещают в раствор сульфата меди, и с помощью электролиза на нее наносят проводящий слой. Затем весь слой снимают шлифовкой, а контакты в отверстиях остаются.
Контакты соединяются многоэтажной сетью из металлических «проводов». Количество «этажей» может достигать 20, а общая схема проводников называется архитектурой процессора.
Только теперь пластину распиливают на множество отдельных чипов. Каждый «кристалл» тестируют и лишь затем устанавливают на плату с контактами и накрывают серебряной крышкой-радиатором.
13 000 телевизоров
Альтернативой фотолитографии считают электролитографию, когда экспонируют не светом, а электронами, и не фото-, а электрорезист. Электронный пучок легко фокусируется в точку минимального размера, вплоть до 1 нм. Технология напоминает электронно-лучевую трубку телевизора: сфокусированный поток электронов отклоняется управляющими катушками, рисуя изображение на кремниевой пластине.
До последнего времени эта технология не могла конкурировать с традиционным методом из-за низкой скорости. Чтобы электрорезист среагировал на облучение, он должен принять определенное количество электронов на единицу площади, поэтому один луч может экспонировать в лучшем случае 1 см2/ч. Это приемлемо для единичных заказов от лабораторий, однако неприменимо в промышленности.
К сожалению, решить проблему, увеличив энергию луча, невозможно: одноименные заряды отталкиваются, поэтому при увеличении тока пучок электронов становится шире. Зато можно увеличить количество лучей, экспонируя несколько зон одновременно. И если несколько — это 13 000, как в технологии Mapper, то, согласно расчетам, можно печатать уже десять полноценных чипов в час.
Конечно, объединить в одном устройстве 13 000 электронно-лучевых трубок было бы невозможно. В случае Mapper излучение из источника направляется на коллиматорную линзу, которая формирует широкий параллельный пучок электронов. На его пути встает апертурная матрица, которая превращает его в 13 000 отдельных лучей. Лучи проходят через матрицу бланкеров — кремниевую пластину с 13 000 отверстий. Около каждого из них располагается отклоняющий электрод. Если на него подается ток, электроны «промахиваются» мимо своего отверстия, и один из 13 000 лучей выключается.
Пройдя бланкеры, лучи направляются к матрице дефлекторов, каждый из которых может отклонять свой луч на пару микронов вправо или влево относительно движения пластины (так что Mapper все же напоминает 13 000 кинескопов). Наконец, каждый луч дополнительно фокусируется собственной микролинзой, после чего направляется к электрорезисту. На сегодняшний день технология Mapper прошла тестирование во французском научно-исследовательском институте микроэлектроники CEA-Leti и в компании TSMC, которая производит микропроцессоры для ведущих игроков рынка (в том числе и для Apple iPhone 6S). Ключевые компоненты системы, включая кремниевые электронные линзы, производятся на московском заводе.
Технология Mapper обещает новые перспективы не только исследовательским лабораториям и мелкосерийным (в том числе военным) производствам, но и крупным игрокам. В настоящее время для тестирования прототипов новых процессоров приходится изготавливать точно такие же фотошаблоны, как для массового производства. Возможность относительно быстрого прототипирования схем обещает не только снизить стоимость разработки, но и ускорить прогресс в этой области. Что в конечном счете на руку массовому потребителю электроники, то есть всем нам.
