Herstellung von integrierten Schaltkreisen. Chip-Fertigungstechnologie
Ein Merkmal von Halbleiter-ICs ist, dass alle Elemente gleichzeitig in einem einzigen technologischen Zyklus hergestellt werden, dessen einzelne Operationen (Oxidation und Ätzung, Diffusion, Epitaxie) in demselben Medium durchgeführt werden.
Bei der Erstellung aktiver und passiver Elemente moderner ICs werden die folgenden technologischen Hauptoperationen verwendet: Oxidation, Ätzen, Lithographie, Diffusion, Ionendotierung, Epitaxie, Abscheidung und Filmabscheidung.
Oxidation. Der Siliziumwafer wird auf 800 - -1200 °C erhitzt und Sauerstoff oder gesättigtem Wasserdampf ausgesetzt. In einer solchen oxidierenden Umgebung interagieren Atome auf der Plattenoberfläche mit Sauerstoff und bilden eine dünne dielektrische Schicht. In den Anfangsstadien der IC-Fertigung wird eine 1–3 µm dicke Schicht als Maske verwendet, um eine selektive Diffusion in Bereichen des Wafers durchzuführen, die nicht von dieser Schicht bedeckt sind. Mittels dieser Schicht wird die Diffusion von Verunreinigungen in den Halbleiter unter der Schicht verhindert, da der Diffusionskoeffizient von Verunreinigungen in Siliziumdioxid viel geringer ist als in dem Halbleiter. Der dielektrische Film wird auch als Dielektrikum für das Gate von MIS-Transistoren verwendet. Im letzten Schritt der IC-Fertigung wird der Kristall durch eine dielektrische Schicht passiviert: Diese Schicht, die die gesamte Oberfläche des Kristalls bedeckt, schützt den IC vor Umwelteinflüssen.
Moderner ist die anodische Oxidation von Silizium, die es ermöglicht, durch Wahl des anodischen Oxidationsmodus einen dielektrischen Film auf einer Siliziumoberfläche nahezu beliebiger Dicke zu bilden. Im Gegensatz zur thermischen Oxidation ist dies ein Niedertemperaturprozess, der einige der Hochtemperaturbehandlungen eliminiert, die mit der Durchführung der thermischen Oxidation während der Maskenbildung verbunden sind.
Radierung in Flusssäure durchgeführt, in der sich diese Schicht auflöst. In den Teilen der Platte, an denen eine Diffusion durchgeführt werden muss, werden mit Hilfe von Flusssäure Fenster in der erforderlichen Größe in die Schicht geätzt.
Fotolithographie.(Abb. 3.1) Fenster auf der Oberfläche der zur Diffusion verwendeten Platte werden durch Fotolithografie aufgebracht. In diesem Fall über der Schicht; Auf die Platte wird ein Fotowiderstand aufgebracht, bei dem es sich um einen dünnen Film aus lichtempfindlichem organischem Material handelt. Anschließend wird eine Fotomaske in Form einer Glaskontaktmaske überlagert, auf der sich ein Muster aus transparenten und opaken Bereichen befindet. Durch die Maske wird der Fotowiderstand mit ultravioletten Strahlen bestrahlt, wodurch der Fotowiderstand unter der Einwirkung des Entwicklers nicht auf den bestrahlten Bereichen erscheint. Somit verbleibt auf der Oberfläche der Platte ein Muster mit einer bestimmten Konfiguration und entsprechenden Abmessungen. Wenn die Platte in Flusssäure geätzt wird, um die Schicht zu entfernen, löst sich der Fotowiderstand nicht auf, sodass die Fenster nur in Bereichen geöffnet werden, die nicht von dem belichteten Fotowiderstand bedeckt sind. Durch diese Fenster erfolgt die Diffusion.
Reis. 3.1. Schema des Prozesses zum Erstellen eines IC unter Verwendung der Planar-Epitaxie-Technologie: a - Epitaxiestruktur nach dem Aufwachsen einer Schicht aus Siliziumoxid; b - Platten mit einer abgeschiedenen Fotolackschicht; c - Schema der Kombinations- und Belichtungsoperation; d – Platte nach der Entwicklung des Fotolacks; (e) Plattieren nach Ätzen eines Lochs in das Oxid und Entfernen des Photoresists; f - Platte nach dem Diffusionsprozess und Erhalten von p - n-Übergängen; (g) Beschichten nach dem Ätzen eines Lochs in der Siliziumoxidschicht zur Abscheidung von Metallkontakten; h – Platte mit geformten Strukturen integrierter Schaltungen; 1 - Platte; 2 – epitaktische Siliziumschicht; 3 – Schicht aus Siliziumoxid SiO 2 ; 4 – Fotolackschicht; 5 - Fotomaske; 6 - Loch im Fotolack; 7 - Loch in Siliziumoxid; 8 - Grenze p - n-Übergang; 9 - Metallkontakt.
Mit der Fotolithografie können Sie Muster mit Elementgrößen von mindestens 2 Mikrometern erstellen. Diese Größe begrenzt die Dichte der Anordnung von Elementen auf den Platten.
Die Elektronenstrahllithographie hat eine höhere Auflösung. Indem ein Halbleiterwafer direkt einem Elektronenstrahl ausgesetzt wird, können 20-mal schmalere Streifen erzeugt werden als mit der Fotolithografie, wodurch die Größe der Elemente auf 0,1 μm reduziert wird.
Die Diffusion von Verunreinigungen wird verwendet, um den Wafer zu dotieren, um p- und n-Schichten zu bilden, die Emitter, Basis, Kollektor von Bipolartransistoren, Drain, Source, Kanal von Unipolartransistoren, Widerstandsschichten sowie isolierende pn-Übergänge bilden. Zur Diffusion von Verunreinigungen werden die Platten auf 800-1250 °C erhitzt und ein die Verunreinigungen enthaltendes Gas über ihre Oberfläche geleitet. Die Verunreinigung diffundiert tief in die Platte durch die Fenster. Die Tiefe der Diffusionsschicht und ihr Widerstand werden durch Ändern des Diffusionsmodus (Temperatur und Dauer der Diffusion) gesteuert.
Ionisches Doping. Anstelle von Diffusion wird Ionendotierung verwendet, um Verunreinigungen in einen Halbleiter zu implantieren. Dazu werden Fremdionen im Beschleuniger auf 80-300 keV beschleunigt und dann auf das Substrat gelenkt, wobei die Bereiche, die nicht dotiert werden sollen, mit einer Maske geschützt werden. Die Einführung von Verunreinigungen in einem breiten Konzentrationsbereich und die Möglichkeit einer genaueren Steuerung der Dosierungen von Verunreinigungen ermöglichen es, die Parameter der Elemente innerhalb der erforderlichen Grenzen zu ändern. Anstelle der Diffusion wird daher zunehmend die Ionendotierung eingesetzt, deren Einführung allerdings mit einer Umrüstung der IC-Fertigung mit teuren Geräten verbunden ist.
Bei der Herstellung von Halbleiter-ICs und vielen diskreten Bauelementen ist es erforderlich, auf dem Substrat Schichten eines gleichnamigen Halbleiters mit gleichmäßiger Dickendotierung und in einigen Fällen eines Halbleiters eines anderen Typs mit einer anderen Bandlücke zu erzeugen . Dies ist insbesondere notwendig, um die Funktionalität von Schaltungen zu erweitern und deren Parameter zu verbessern, indem beispielsweise unter solchen Schichten verborgene Bereiche mit hoher Leitfähigkeit (Hidden Layers) gebildet werden.
Der von Royer erstmals vorgeschlagene Begriff "Epitaxie" spiegelt derzeit den Prozess des orientierten Wachstums wider, wodurch die entstehende neue Phase das Kristallgitter der bestehenden Phase des Substrats natürlich fortsetzt unter Bildung einer bestimmten Übergangsschicht, die dies fördert kohärente Fusion zweier Gitter entlang der Substratebene mit ähnlicher atomarer Packungsdichte. Nach der Bildung der Übergangsschicht wird der Epitaxieprozess mit der Bildung einer Schicht der erforderlichen Dicke fortgesetzt.
Epitaxieschicht(ES) ist eine einkristalline Schicht eines neuen
Phase, die durch Epitaxie auf der Oberfläche gewachsen ist
Einkristall-Substrat in streng definierter Weise, die
hat eine starke kristallchemische Bindung mit dem Substrat und kann es nicht sein
davon getrennt werden, ohne die Schicht oder Oberfläche des Substrats zu zerstören. ES
praktisch das Kristallgitter des Substrats fortsetzt und
gegenüber der seiner Oberfläche zugewandten kristallographischen Ebene in genau definierter Weise orientiert ist.
Hauptsächlich physikalisches Phänomen, die im Prozess der Epitaxie stattfindet, ist die Kristallisation der Substanz. Unter Kristallisation eines Stoffes versteht man das Auftreten von Keimen der festen Phase und deren Wachstum. Abhängig von den Zusammensetzungen, aus denen ES gewonnen wird, werden folgende Kristallisationsmechanismen unterschieden:
Der Mechanismus des Dampfkristalls (P - K), wenn die Bildung einer festen Phase aus einem dampfförmigen oder gasförmigen Zustand einer Substanz erfolgt;
Der Dampf-Flüssigkristall-Mechanismus (P-L-K), wenn die Bildung einer festen Phase aus einem dampfförmigen Zustand das Stadium eines flüssigen Zustands passiert. Ein Beispiel ist die Kristallisation von Ge auf einem Si-Substrat, wenn letzteres auf eine Temperatur erhitzt wird, die den Schmelzpunkt von Ge übersteigt;
Der Solid-Crystal (T-K)-Mechanismus, wenn die Epitaxieschicht aus Elektrolyten oder Schmelzen gezüchtet wird.
Sprühen und Abscheiden von Filmen. Elemente von Halbleiter-ICs werden unter Verwendung eines leitfähigen Musters miteinander verbunden, das durch Abscheidung eines Metallfilms erhalten wird. Dazu wird nach dem photolithographischen Ätzen von Fenstern unter den Kontakten im Vakuum ein Aluminiumfilm auf der gesamten Oberfläche der Platte abgeschieden. Metallisierte Pads werden auch durch Sputtern gebildet, an die Mikroschaltkreisleitungen und dünne Drähte durch Thermokompressionsschweißen geschweißt werden, um rahmenlose Transistoren in Hybrid-ICs zu verbinden. In letzter Zeit werden anstelle von Drahtbrücken Balkenleitungen verwendet, bei denen es sich um goldene längliche Vorsprünge handelt. Während des Zusammenbaus eines Hybrid-IC werden die Balkenanschlüsse mit Kontaktpads auf dem Substrat kombiniert und daran gelötet, wobei sie auf eine Temperatur erhitzt werden, bei der ein eutektischer Übergang gebildet wird. Schließlich werden durch Sputtern und Aufbringen von Filmen passive Elemente in kombinierten und hybriden ICs in Form von dicken und dünnen Filmen hergestellt. Die integrierte Elektronik ist heute einer der sich am schnellsten entwickelnden Zweige der modernen Industrie. Eine der Komponenten dieser Wissenschaft ist die Schaltungsmikroelektronik. In jeder neuen Phase der Technologieentwicklung zur Herstellung von integrierten Schaltkreisen (ICs) werden grundlegend neue Methoden zur Herstellung von IC-Strukturen geschaffen, die die neuesten Errungenschaften der Wissenschaft widerspiegeln.
Viele Menschen haben sich wahrscheinlich mehr als einmal gefragt, warum die Prozessoren, Grafikkarten und Motherboards, die wir in Geschäften kaufen, irgendwo anders als in Russland entwickelt und hergestellt werden? Warum ist das so, können wir wirklich nur Öl pumpen?
Wie viel kostet es, mit der Produktion einer Mikroschaltung zu beginnen, und warum werden angesichts der Anwesenheit von 22-nm-Fabriken die meisten Mikroschaltungen auf der ganzen Welt immer noch auf „veralteten“ 180-nm-500-nm-Geräten hergestellt?
Die Antworten auf diese und viele andere Fragen sind unter dem Schnitt.
Wie funktioniert die Mikroelektronik-Fertigung und was kostet das alles?
Transistoren auf einem Siliziumwafer werden mithilfe von Fotolithografie gezeichnet, wobei Geräte verwendet werden, die als Stepper oder Scanner bezeichnet werden. Stepper - zeichnet ein ganzes Bild (bis zu 26 x 33 mm) und bewegt sich dann zu einer neuen Position. Scanner - verschiebt Maske und Platte gleichzeitig so, dass jeweils nur eine schmale "Linie" in der Mitte des Rahmens gezeichnet wird, wodurch Aberrationen entstehen optisches System wirken sich weniger auf das Bild aus.Die Hauptmerkmale von Steppern/Scannern sind die Lichtwellenlänge, mit der sie arbeiten (bei i-line-Quecksilberlampen - 365 nm, dann bei Excimer-Lasern - 248 nm und 193 nm) und die numerische Apertur des Objektivs. Je kürzer die Wellenlänge und je größer die Apertur, desto kleinere Details können entsprechend der Beugungsgrenze vom Objektiv gezeichnet werden:
Beispielsweise erhalten wir für einen der fortschrittlichsten ASML NXT 1950i-Scanner mit einer Wellenlänge von 193 nm und einer numerischen Apertur von 1,35 und k1 = 0,4 (der übliche Wert für Fotolithografie ohne „Tricks“) eine theoretische Auflösung von 57 nm. Durch die Anwendung von Tricks wie Phasenmasken, Mehrfachbelichtungen, optische Korrektur Nähe, außeraxiale Beleuchtung, Polarisation des Lichts - erhalten Sie die minimalen Elemente bis zu 22 nm.
Andere Parameter von Steppern/Scannern sind Produktivität (wie viele Wafer pro Stunde können sie verarbeiten, bis zu 220 Wafer) und Ausrichtungsfehler (wie viele Nanometer in Stücken die Waferpositionierung relativ zur gegebenen Position fehlt. Bei modernen Scannern - bis zu 3 -5nm).
Stepper/Scanner drucken ein 4- bis 5-mal kleineres Bild einer solchen Maske (eine Glasplatte mit einem Mikrochip-Muster, etwa 15 x 15 cm groß) an genau festgelegten Stellen.
Der Musterdruckvorgang (mit verschiedenen Masken) muss von ~10 (für die einfachsten und ältesten Mikroschaltungen) bis zu ~40 Mal wiederholt werden, um alle erforderlichen Schichten auf der Mikroschaltung zu bilden (beginnend mit den Transistoren selbst und endend mit 2-10 Schichten). von Metallverbindungen). Zwischen den Fotolithografievorgängen werden die Platten verschiedenen Bearbeitungen unterzogen - sie werden in einem Ofen auf bis zu 1100 Grad erhitzt, in Lösungen und Plasma geätzt. Am Ausgang bleibt es, die Platte in separate Kristalle zu schneiden, zu testen und in das Gehäuse zu legen.
Die "Coolness" der Technik wird an der Größe des minimal ziehbaren Elements gemessen (einzelne Teile des Transistors, zum Beispiel ein Gate, können entweder kleiner oder größer sein als diese Zahl - d.h. dieser Wert ist ziemlich willkürlich). Es ist klar, dass je kleiner die Transistoren sind, desto schneller arbeitet die Mikroschaltung und desto mehr Kristalle passen auf die Platte (aber nicht überall, wo die maximale Geschwindigkeit benötigt wird).
Jetzt beginnt der langsame und schmerzhafte Übergang zur EUV-Lithografie mit einer Wellenlänge von 13,5 nm und Spiegeloptik. EUV-Scanner sind immer noch teurer und langsamer als herkömmliche 193-nm-Scanner und fangen gerade erst an, sie in der erreichbaren Auflösung zu übertreffen.
Wie viel kostet die Herstellung Ihres Prozessors?
Die Zahlen sind grobe Schätzungen, die genauen werden ohne NDA nirgendwo genannt.Softwarelizenz für einen Arbeitsplatz Mikrochip-Entwickler - von 20.000 bis 100.000 $ pro Jahr oder mehr. Du kannst natürlich stehlen, aber alle um dich herum schauen zu.
Der nächste Schritt ist die Herstellung von Masken. Sie sollten keine Schäden aufweisen, und ihre Herstellung ist sehr teuer: von ~ 7.000 $ für ein 1000-nm-IC-Kit, ~ 100.000 $ für 180-nm-ICs und bis zu ~ 5.000.000 $ für 32-nm-ICs. Aber die Mikroschaltung wird höchstwahrscheinlich nicht beim ersten Mal funktionieren - und nachdem der Fehler gefunden wurde, muss die Maske erneuert werden. Teilweise kann dieses Problem dadurch bekämpft werden, dass Testchips von vielen Kunden auf einem Satz Masken platziert werden - dann bekommt jeder ein bisschen Testchips für 1/3-1/10 des Preises eines vollständigen Maskensatzes (das ist genannt Shuttle oder MPW - Multi Project Wafer).
Jeder produzierte Wafer kostet bei alten Technologien bei 1000nm zwischen 100–400$, bei 180nm ~1000$ und bei den modernsten bis zu ~5000$ (hier wirkt sich neben Nanometern auch die Komplexität der Technik aus – einfache Logik ist billiger, Flashspeicher ist teurer, aber manchmal nicht ). Auch hier ist es wichtig, sich an die Größe der Platten zu erinnern: Die modernsten Produktionen arbeiten mittlerweile mit Platten mit 300mm Durchmesser – das sind in der Fläche etwa doppelt so große wie 200mm Platten (die mittlerweile in Russland bei Mikron, Integral zum Einsatz kommen und in der nebligen Zukunft bei Angstrem-T), und letzteres etwa doppelt so groß wie das noch ältere 150 mm. Platten größere Größe ermöglichen es Ihnen, bei großen Bestellungen Chips zu geringeren Kosten zu erhalten. Die Anzahl der Bewegungen zur Herstellung von 100 Wafern ist unabhängig vom Durchmesser ungefähr gleich (dies ist laut optimistischen Schätzungen einer der Gründe für die geplante Umstellung der fortgeschrittenen Produktion auf 450-mm-Wafer im Jahr 2018).
Nehmen wir an, wir wollen einen x86-kompatiblen Prozessor (oder einen anderen relativ komplexen Mikroschaltkreis) entwickeln, je nach mehr oder weniger modernem Markt verfügbare Technologie 28/32nm (22nm existiert zwar, aber kommerzielle Bestellungen können noch nicht aufgegeben werden - daher ist der Zugang zu Technologie manchmal wie die Liebe: Sie wird nicht für Geld verkauft). Wir lassen die Frage der Kosten von Patenten aus, das ist im Allgemeinen ein sehr trauriges Thema. Angenommen, die Entwicklung dauert 200 mythische Mannjahre (wenn wir einen bescheidenen Prozessor herstellen, der nicht behauptet, der erste zu sein).
Softwarelizenzen – 50.000 $*100 = 5 Millionen $ (grobe Schätzung, nicht jeder benötigt Lizenzen).
Entwicklergehalt – sagen wir 3.000 $*1,5 (Steuern)*12*200 = 10,8 Millionen $
Testläufe in MPW - 2*1,5 Millionen $
Masken herstellen für Serienfertigung 2 * 5 Millionen US-Dollar = 10 Millionen US-Dollar (2 – denn egal, wie sehr Sie es versuchen – es wird nicht beim ersten Mal funktionieren)
Insgesamt - 28,8 Millionen US-Dollar
Es war das sogenannte Non-recurring engineering (NRE) – einmalige Kosten, die nicht vom Produktionsvolumen und dem Erfolg der gesamten Veranstaltung abhängen.
Wenn wir einen Prozessor mit einer Fläche von 200 mm2 haben, kosten 32-nm-Wafer mit einem Durchmesser von 300 mm 5.000 US-Dollar, dann erhalten wir 70690/200 = 350 Kristalle pro Wafer (obere Schätzung), von denen 300 funktionieren. Selbstkostenpreis eines Kristalls - 16,6 $, 20 $ nach dem Gehäuse. Für wie viel kann jetzt ein solcher Prozessor verkauft werden? 50 $? 100 $? Lassen Sie uns Steuern wegnehmen und Aufschläge speichern ...
Und jetzt ist die Frage – wie viele solcher Prozessoren müssen verkauft werden, um unsere NRE, Zinsen für Kredite, Steuern und so weiter wieder hereinzuholen? Million? 5 Millionen? SONDERN Hauptfrage- Gibt es eine Garantie, dass diese 5 Millionen Prozessoren verkauft werden, da es für die Wettbewerber nichts kostet, 5 Millionen mehr als ihr bereits fertiges Produkt herzustellen?
Das ist so ein höllisches Geschäft, das sich herausstellt – riesige Kapitalaufwendungen, enorme Risiken und bestenfalls moderate Gewinne.
China - hat das Problem auf seine Weise gelöst, sie haben beschlossen, Computer mit eigenen Prozessoren und Linux an alle Schulen zu liefern - und das Problem mit den Produktionsmengen ist gelöst ( ).
Daher ist die Hauptfrage bei der Herstellung von Mikroschaltkreisen nicht, wie und wo produziert wird, sondern wie entwickelt man und verkauft dann Millionen von Stücken des resultierenden Produkts an wen?
Wie viel kostet der Bau einer Fabrik?
Die Kosten einer modernen Anlage belaufen sich auf 5 Milliarden US-Dollar und mehr. Dieser Betrag wird erzielt, weil die Kosten für Lizenzen und einige andere Fixkosten nicht sehr vom Produktionsvolumen abhängen – und es vorteilhaft ist, große Produktionsanlagen zu haben, damit die Kosten über ein größeres Produktionsvolumen „verschmiert“ werden. Und jeder moderne Scanner (der diese 22–32-nm-Teile tatsächlich zeichnet) kostet 60–100 Millionen US-Dollar (in einer großen Fabrik kann es ein paar Dutzend davon geben). Im Prinzip sind 5 Milliarden auf nationaler Ebene nicht so viel Geld. Aber natürlich wird niemand 5 Milliarden US-Dollar ausgeben, ohne einen klaren Return-on-Investment-Plan zu haben. Und dort ist die Situation so - trotz der Komplexität der Branche arbeiten nur Monopolisten mit sichtbaren Gewinnen (TSMC, Intel, Samsung und ein paar andere), der Rest kommt kaum über die Runden.Es passte einfach nicht in meinen Kopf – wie ist es möglich, Milliarden zu investieren und sie kaum abzuschlagen? Es stellte sich heraus, dass alles einfach ist - Mikroelektronik ist die am stärksten subventionierte Industrie auf der ganzen Welt - Fabriken betteln ständig um Steuerbefreiungen, Vorzugskredite und Dumping (in China gingen sie sogar noch weiter - SMIC baut Fabriken auf öffentliche Kosten und dann „ verwaltet“ - sie nennen es Reverse Build-Operate-Transfer). Nach dem Erscheinen von jedem neue Technologie(45nm, 32nm ...) - die ersten Monopolwerke, die es besitzen und den Hauptgewinn streichen, und diejenigen, die 2-5-10 Jahre später als der Start kommen, sind gezwungen, praktisch zum Selbstkostenpreis zu arbeiten. Dadurch ist es extrem schwierig, hier (ohne Monopol und ohne Subventionen) Geld zu verdienen.
Das scheint auch in Russland verstanden worden zu sein - und die Projekte großer Mikroelektronikfabriken wurden vorerst verschoben und kleine Produktionsstätten gebaut - um Geld zu verlieren, dann wenig zu verlieren. Und sogar 3000 Platten pro Monat werden bei Mikron produziert – das deckt das Verbrauchsvolumen von Metro- und Rüstungsindustrie-Tickets komplett ab (der Kristall eines Metro-Tickets hat Abmessungen von 0,6x0,6mm, auf einer 200mm-Platte bekommt man 87″000 Tickets U-Bahn - aber über die traurige Geschichte mit U-Bahn-Tickets werde ich in einem der folgenden Artikel erzählen).
Entgegen der landläufigen Meinung gibt es keine besonderen Beschränkungen für den Verkauf von Geräten für die Mikroelektronik nach Russland - die Jackson-Vanik-Änderung in den Vereinigten Staaten unterliegt einem jährlichen Moratorium des Präsidenten, und Sie müssen nur eine reguläre Ausfuhrgenehmigung einholen. Die Gerätehersteller selbst haben ein starkes Interesse daran, mehr Geld zu verdienen, und treten selbst gegen die Erteilung von Genehmigungen an. Aber natürlich tut niemand etwas ohne Geld. Also für Ihr Geld - jede Laune.
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 kann nicht. Auch viele Verbrauchsmaterialien müssen ohnehin importiert werden. Ein separater wunder Punkt ist die Produktion von Masken, nur sehr große Fabriken können eine „eigene“ Produktion von Masken haben.
Und wie viele Nanometer braucht man, um glücklich zu sein?
Es scheint vielen - hier hat Intel 22 nm und wir haben 90 nm - wie wir hoffnungslos hinterherhinken, geben Sie den Traktor ... Aber es gibt eine andere Seite der Medaille: Schauen Sie sich zum Beispiel dasselbe Motherboard an: Es gibt Hunderte von Halbleitern Geräte - MOSFETs, Treiber, Leistungsmikroschaltungen, alle Hilfskleinigkeiten - für fast alle reicht die 1000-nm-Technologie aus. Die gesamte Industrieelektronik und Mikroschaltkreise für die Raumfahrt und das Militär – in fast 100 % der Fälle ist die Technologie 180 nm und dicker. So werden die neuesten Technologien nur für Zentralprozessoren (die aufgrund hoher Risiken und einer hohen Markteintrittsschwelle sehr schwierig / teuer herzustellen sind) und verschiedene „Hinternwärmer“ (iPhones usw.) benötigt. Wenn plötzlich ein Krieg stattfindet und Russland Importe verliert, wird es möglich sein, ohne „Hinternwärmer“ zu leben, aber nicht ohne Industrie-, Weltraum- und Militärelektronik. Jene. Tatsächlich sehen wir, dass Dinge, die für das Land kritisch sind, wenn möglich in Russland hergestellt (oder für die Zukunft gekauft) werden, aber wir importieren Dinge, ohne die es im Extremfall möglich sein wird, zu leben.Es gibt andere Faktoren - die gleichen Kosten für Masken. Wenn wir einen einfachen Mikroschaltkreis herstellen müssen, dann 32-nm-Masken im Wert von jeweils 5 Millionen US-Dollar für seine Herstellung herzustellen - es kann rentabel sein, wenn dieser Mikroschaltkreis dann in einer Auflage von mehreren zehn und hundert Millionen Exemplaren hergestellt wird. Und wenn wir nur 100 "000 Mikroschaltkreise benötigen, ist es rentabler, Masken zu sparen und einen Mikroschaltkreis mit der "dicksten" Technologie herzustellen. Außerdem hat der Mikroschaltkreis Kontaktflächen, an die Mikroschaltkreisstifte angeschlossen sind - es gibt keinen Ort, an dem sie reduziert werden können , und wenn daher die Fläche der Mikroschaltung mit der Fläche der Kontaktflächen vergleichbar ist, macht es auch keinen Sinn, eine Mikroschaltung mit einer dünneren Technologie herzustellen (es sei denn natürlich, die "dicken Normen " die Anforderungen an Geschwindigkeit und Stromverbrauch erfüllen).
Infolgedessen wird die überwiegende Mehrheit der Mikroschaltkreise auf der Welt mit "dicken" Technologien (350-500 nm und dicker) hergestellt, und Milliarden von Mikroschaltkreisen, die aus russischen Fabriken exportiert werden (wenn auch hauptsächlich in Form von Platten), sind sehr gefragt und werden es auch verkauft (also in Motherboards und Handys haben unsere Mikroschaltungen und Leistungstransistoren - aber unter fremden Namen).
Und schließlich flog der amerikanische F-22 Raptor bis vor kurzem auf dem 1984 entwickelten Intel 960mx-Prozessor, die Produktion in den USA lag damals bei 1000-1500-nm-Standards - niemand schwärmte besonders davon, dass die Amerikaner rückständige Elektronik aufsetzten Flugzeuge (obwohl okay, ein wenig summt). Die Hauptsache sind nicht Nanometer, sondern die Übereinstimmung des Endprodukts mit den Vorgaben.
Zusammenfassung
Die Marktwirtschaft der Elfen und die mikroelektronische Produktion sind schlecht vereinbare Dinge. Je mehr Sie graben, desto weniger sehen Sie den Markt, mehr Subventionen, Kartellabsprachen, Patentbeschränkungen und andere Freuden des "freien Marktes". Das Geschäft in dieser Branche ist eins Kopfschmerzen, mit enormen Risiken, ständigen Überproduktionskrisen und Profit nur von Monopolisten.Es ist nicht verwunderlich, dass sie in Russland versuchen, eine kleine, aber eigene Produktion zu haben, um die Unabhängigkeit zu wahren und weniger Geld zu verlieren. Über einen Gewinn zu Marktbedingungen muss nicht gesprochen werden.
Nun, nicht alle Mikroschaltkreise benötigen eine 22-32-nm-Produktion, die überwiegende Mehrheit der Mikroschaltkreise ist aufgrund der Kosten für Masken und des Produktionsvolumens rentabler auf älteren 180-500-nm-Geräten zu produzieren.
In den folgenden Artikeln werde ich über die Merkmale der Weltraum- und Militärmikroelektronik sowie über den aktuellen Stand der Mikroelektronik in Russland sprechen.
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Die Chipherstellungstechnologie kann nicht nur die gleiche wie oben beschrieben sein. Für ihre Herstellung werden Keramik- oder Glasplatten als Substrat genommen. Verbindungen zwischen den Komponenten der Race-Film-Schaltung werden durch Abscheidung eines Gold- oder Silberfilms auf dem Substrat im Hochvakuum erhalten; Ni-Chrom- oder Tantalfilme werden verwendet, um Widerstände zu bilden.
Merkmale der Herstellungstechnologie von Mikroschaltungen bestimmen die Besonderheiten ihrer Zeichnungen. Bei der Herstellung einer integrierten Dünnschicht-Hybridschaltung werden Zeichnungen von Mehrschichtplatinen entwickelt. Diese Zeichnungen zeigen die Platzierung und das Fachwerk der Elemente und ihre Verbindungen.
Derzeit hat die Technologie zur Herstellung von Mikroschaltungen ein Niveau erreicht, das es Ihnen ermöglicht, große integrierte Schaltungen zu erstellen.
Je nach Herstellungstechnologie werden Mikroschaltungen in Halbleiter und Film unterteilt. Schichtschaltungen wiederum werden in Dünnschicht- und Dickschichtschaltungen unterteilt. Erstere werden durch die Methoden der thermischen Materialverdampfung und Kathodenzerstäubung gewonnen, letztere durch die Methoden des Siebdrucks und des Einbrennens spezieller Pasten in Keramiken. Eine Vielzahl von Dünnfilm-Mikroschaltungen, die im Mikrowellenbereich verwendet werden, sind Mikrostreifenschaltungen. Je nach Grad der Vereinheitlichung und Anwendung in REA werden Mikroschaltkreise in Mikroschaltkreise für den breiten und privaten Gebrauch unterteilt.
Mit der Entwicklung der Technologie zur Herstellung von Mikroschaltungen mit ein hohes Maß Integration und MOS-Technologie wurde es notwendig, den Vorgang des großflächigen Zeichnens der ursprünglichen Fotomaske der Mikroschaltung zu eliminieren.
Die Befehlszykluszeit des U808D-Mikroprozessors wird durch die Chipherstellungstechnologie bestimmt. Bei der hier verwendeten p-MOS-Technologie beträgt die maximale Zykluszeit 135 µs.
Die Natur dieser Bindungen hängt von der Isolationsmethode und der Herstellungstechnologie der Mikroschaltung ab. In geringerem Maße beeinflusst das Substrat die Parameter von Transistoren bei Verwendung einer dielektrischen Isolierung.
Die Herstellungstechnologie von Mikroschaltungen der ersten Gruppe wird als Gleiter bezeichnet, und die Herstellungstechnologie von Mikroschaltungen der zweiten Gruppe wird als Planar-Epitaxie bezeichnet.
Die zunehmende Komplexität von ICs, die Verschärfung der Anforderungen an ihre Zuverlässigkeit, die Erweiterung der Anwendungsbereiche mit einer ständigen Zunahme der betrieblichen Auswirkungen erfordern nicht nur eine Verbesserung der Entwurfs- und Fertigungstechnologie von Mikroschaltungen, sondern auch eine klare Organisation eines einheitlichen methodischen Lösungsansatzes Probleme bei der Beurteilung der Qualität und Zuverlässigkeit von ICs. Ein wichtiger Platz wird dem Testen von ICs eingeräumt.
Das holographische Verfahren gewinnt immer breitere praktische Anwendung zum Lösen einer breiten Vielfalt von Problemen, wie Mustererkennung, Aufbau von Speicherblöcken mit hoher Kapazität, Ein- und Ausgabe von Informationen, in der Mikrochip-Fertigungstechnologie und vielen anderen.
Wenn die Herstellungstechnologie von Mikroschaltungen bekannt ist, wird die physikalische Struktur ausgewählt, physikalische Parameter dafür berechnet und auf der Grundlage dieser Daten die Parameter aktiver und passiver Elemente berechnet. Wenn die vorhandene Technologie die Anforderungen der entworfenen Mikroschaltung nicht erfüllt, zunächst basierend auf den elektrischen Parametern der aktiven Elemente, physikalische Strukturen, und bestimmen Sie dann die technologischen Regime.
Veränderungen auf dem Computermarkt wurden durch das Aufkommen von Chips verursacht, die es ermöglichten, Mini-Computer herzustellen, die kleinen Organisationen zur Verfügung standen. Diese Computer wurden gut angenommen (und verkaufen sich immer noch gut), aber es kamen neue Änderungen. Die Entwicklung der Mikroschaltkreis-Fertigungstechnologie hat zur Schaffung von kleinen Computern (Mikrocomputern) geführt, die in Bezug auf die Leistung durchaus mit Mini- oder sogar großen Computern vergleichbar sind, jedoch zu einem so niedrigen Preis, dass sie nicht nur für kleine Organisationen verfügbar sind, sondern sondern auch an einzelne Nutzer. Und als diese Computer begannen, wirklich in Massenmengen und in einer großen Anzahl verschiedener Modelle verkauft zu werden, entwickelte sich die Notwendigkeit, einen zu schaffen Software, die dem Benutzer in jedem Geschäft zur Verfügung steht.
Waren Sie schon einmal im Herzen der Halbleiterindustrie – einer Chipfabrik?
Waren Sie schon einmal im Herzen der Halbleiterindustrie – einer Chipfabrik? Jedes dieser Gebäude ist eine Kreation, die jeden beeindrucken kann, sogar eine Person, die in den Produktionsprozessen nicht eingeweiht ist.
Die Besucher hatten das Gefühl, eine fantastische Reise in einen futuristischen Ameisenhaufen von Robotern oder in den Mikroschaltkreis selbst zu machen. Dort, in einem sterilen Raum von der Größe von drei Fußballfeldern, wuseln Roboter und dutzende Spezialisten in Raumanzügen umher Schutzhelme. Und hochpräzise Maschinen zur Herstellung von Mikroschaltungen "schweben" auf speziellen Plattformen, die von gelb-orangem Licht beleuchtet werden ...
Chip-Produktionsschritte und Photolithographie
Integrierte Schaltkreise werden auf der Oberfläche von einkristallinem Silizium hergestellt (Silizium (Si) wird verwendet, weil es für diese Zwecke der am besten geeignete Halbleiter ist. Halbleiter wiederum sind eine Klasse von Materialien, deren elektrische Leitfähigkeit in der Mitte zwischen der Leitfähigkeit von liegt Leiter (hauptsächlich Metalle) und Isolatoren (Dielektrika). Silizium kann auch sowohl als Dielektrikum als auch als Leiter fungieren - abhängig von der Menge und Art der darin enthaltenen Verunreinigungen anderer chemischer Elemente. Und diese Eigenschaft wird häufig bei der Herstellung von verwendet Mikroschaltungen. In seltenen Fällen kann Intel jedoch anstelle von Silizium insbesondere Heterojunction-Bipolartransistoren (HBT) auf Silizium-Germanium (SiGe) in seine 90-nm-Prozesstechnologie einführen, indem es nacheinander verschiedene Schichten auf einer dünnen (weniger als ein Millimeter) runder (bis zu 30 cm Durchmesser) Siliziumwafer, genannt Substrat [Dünne Wafer werden geschnitten aus einem schweren langen zylindrischen Rohling aus einkristallinem Silizium, das in besonderer Präzision gezüchtet wird. Anschließend werden die Platten durch mechanische und chemische Verfahren auf Hochglanz poliert. Die „Arbeitsfläche“ (d. h. diejenige, auf der der Mikroschaltkreis weiter erstellt wird) der Platte muss auf atomarer Ebene glatt und perfekt sein und eine sehr präzise kristallografische Ausrichtung aufweisen (wie die verschiedenen Facetten eines Diamanten beim Schneiden, aber). noch perfekter)]. Die Schichten werden durch verschiedene Prozesse unter Verwendung von Chemikalien, Gasen und Licht gebildet. Die Herstellung moderner Mikroprozessoren ist ein komplexer Prozess, der aus mehr als dreihundert Schritten besteht – mehr als zwanzig Schichten werden „kunstvoll“ miteinander verbunden, um eine Mikroprozessorschaltung mit dreidimensionaler Struktur zu bilden. Die genaue Anzahl der Schichten auf dem Substrat (Wafer) hängt vom Designprojekt eines bestimmten Prozessors ab. Hunderte von identischen Mikroprozessoren werden auf einem einzigen Siliziumsubstrat hergestellt und in der Endphase in separate rechteckige Kristalle - Chips - geschnitten.
Die Prozesse zum Bilden verschiedener Schichten und Muster von Mikroschaltkreiselementen auf einem Substrat sind ziemlich genial (tatsächlich ist dies ein ganzes Gebiet der Wissenschaft), aber sie basieren auf einer einfachen Idee: da die charakteristischen Abmessungen des erzeugten Musters so sind klein (Zum Beispiel ist eine Prozessor-Cache-Zelle auf einem 90-nm-Prescott-Kern hundertmal kleiner als ein rotes Blutkörperchen (Erythrozyten), und einer seiner Transistoren hat die Größe eines Influenzavirus), dass es einfach unmöglich ist, es sicher zu deponieren Materialien an den richtigen Stellen, ist dies einfacher - das Material wird sofort auf der gesamten Oberfläche des Substrats abgeschieden und dann an Stellen, an denen es nicht benötigt wird, vorsichtig entfernt. Dies ist der Prozess der Fotolithografie.
Was ist ein Reinraum und warum werden sie in Halbleiterfabriken eingesetzt?
Mikrochip-Chips müssen unter kontrollierten und sehr strengen Bedingungen hergestellt werden saubere Luft. Da die Funktionselemente (Transistoren, Leiter) auf Mikrochips sehr klein sind, kann jedes Fremdpartikel (Staub, Rauch oder Hautschuppen), das in den Zwischenstufen seiner Herstellung auf die Platte mit zukünftigen Mikroschaltungen gelangt, den gesamten Kristall deaktivieren. "Reinräume" werden nach der Größe und Anzahl der Mikropartikel klassifiziert, die in einer Volumeneinheit (Kubikfuß, ungefähr gleich einem Dreißigstel eines Kubikmeters) Luft vorhanden sind. Beispielsweise sind Räume der Klasse 1, die in der modernen Fertigung verwendet werden, etwa tausendmal sauberer als ein chirurgischer Operationssaal. Der Reinraum sorgt für die Sauberkeit der Luft, indem er die einströmende Luft filtert, Schmutz von Installationen entfernt, Luft laminar von der Decke zum Boden bewegt (in etwa sechs Sekunden) und Feuchtigkeit und Temperatur anpasst. Menschen in „Reinräumen“ laufen in speziellen Raumanzügen, die unter anderem den gesamten Haaransatz abdecken (und teilweise sogar mit eigenem Atemsystem). Um Schwingungen zu eliminieren, stehen Reinräume auf einem eigenen erschütterungsfesten Fundament.
Die Fotolithografie ist eine unerschütterliche Grundlage für die Herstellung von Mikroschaltungen und wird in absehbarer Zeit kaum einen würdigen Ersatz finden. Daher ist es sinnvoll, sich näher damit zu befassen. Zum Beispiel müssen wir ein Muster in einer Schicht aus einem Material erstellen - Siliziumdioxid oder Metall (dies sind die häufigsten Vorgänge in der modernen Produktion). Zunächst wird auf dem Substrat auf die eine oder andere Weise eine dünne (normalerweise dünner als ein Mikrometer) und durchgehende, fehlerfreie Schicht des gewünschten Materials erzeugt. Als nächstes wird darauf eine Photolithographie durchgeführt. Dazu wird zunächst eine dünne Schicht eines lichtempfindlichen Materials namens Fotolack auf die Oberfläche der Platte aufgetragen (Fotolack wird aus der flüssigen Phase aufgetragen, durch Rotation in einer Zentrifuge gleichmäßig über die Oberfläche der Platte verteilt und getrocknet härten). Dann wird die Fotolackplatte in einem Präzisionsaufbau platziert, wo die gewünschten Oberflächenbereiche mit ultraviolettem Licht durch transparente Löcher in einer Fotomaske (auch Fotomaske genannt) bestrahlt werden. Die Maske enthält das entsprechende (auf die Waferoberfläche aufgebrachte) Muster, das im Prozess des Chipdesigns für jede Schicht entwickelt wird. Unter der Einwirkung von Ultraviolett verändern die bestrahlten Bereiche des Fotolacks ihre Eigenschaften, so dass es möglich wird, sie in bestimmten chemischen Reagenzien selektiv zu entfernen (Es gibt einen negativen und einen positiven Fotolack. Man „verfestigt“ während der Bestrahlung, also seine nicht bestrahlten Bereiche entfernt werden, und der andere dagegen an chemischer Beständigkeit verliert, daher werden seine bestrahlten Bereiche entfernt. Dementsprechend werden positive und negative Photolithographie unterschieden). Nach dem Entfernen des Fotolacks bleiben nur die Bereiche der Plattenoberfläche offen, über die er führen soll gewünschten Betrieb- Entfernen Sie beispielsweise eine Schicht aus Dielektrikum oder Metall. Sie werden erfolgreich entfernt (dieser Vorgang wird Ätzen genannt - chemisch oder plasmachemisch), wonach die Reste des Fotolacks endgültig von der Oberfläche der Platte entfernt werden können, wodurch das in der Schicht des gewünschten Materials gebildete Muster für weitere Aktionen freigelegt wird Die Photolithographie ist abgeschlossen.
Bei der Produktion moderner Mikroprozessoren müssen bis zu 20–25 Mal Fotolithografie-Operationen durchgeführt werden – jedes Mal über einer neuen Schicht. Insgesamt dauert es mehrere Wochen! In manchen Fällen sind dies Schichten aus isolierenden Materialien, die als Gate-Dielektrikum von Transistoren oder passivierende (isolierende) Schichten zwischen Transistoren und Leitern dienen. In anderen Fällen ist dies die Bildung von leitfähigen Polysilizium-Gates von Transistoren und Metallleitern, die Transistoren verbinden (Zur Vereinfachung werden einige der Operationen manchmal kombiniert - zum Beispiel werden die sogenannten selbstausgerichteten Gates auf der Grundlage von hergestellt gleiche Photolithographie durch gleichzeitiges Ausbilden eines Musters aus einem Gate-Dielektrikum und einem dünnen Polysilicium-Gate). Drittens ist dies die Bildung selektiv dotierter Bereiche (hauptsächlich Drains und Sources von Transistoren) und die Dotierung von Oberflächenbereichen eines Einkristall-Siliziumwafers mit ionisierten Atomen verschiedener chemischer Elemente (um n- oder p-Typ zu erzeugen Halbleitergebiete in Silizium) erfolgt nicht durch Fenster im Fotolack (dafür ist er zu instabil) und durch das Muster in einer ausreichend dicken Schicht aufgebrachten Dielektrikums (zB das gleiche Siliziumoxid). Danach wird das Dielektrikum zusammen mit dem Fotolack entfernt.
Manchmal wird auch eine so interessante Methode wie die explosive Fotolithografie verwendet. Das heißt, zuerst wird ein Muster gebildet (Fenster werden in den Fotolack oder eine temporäre dielektrische Schicht geätzt), dann wird eine kontinuierliche Schicht aus einem neuen Material (z. B. Metall) auf die Oberfläche der Platte aufgebracht und schließlich die Platte wird in ein Reagenz gegeben, das die Reste des Photoresists oder temporären Dielektrikums entfernt. Dadurch scheint die abzutragende Schicht von innen heraus zu „explodieren“ und die darauf liegenden Stücke des zuletzt abgeschiedenen Metalls mit sich zu nehmen, und in den zuvor „offenen“ Bereichen (Fenstern) blieb das Metall zurück und bildete das Funktionsmuster wir brauchten (Leiter oder Tore). Und das ist nur die Spitze des Eisbergs namens Mikroelektronik, die auf dem Prinzip der Photolithographie basiert.
So entsteht auf der Oberfläche eines Siliziumwafers, der eigentlich eine elektronische Schaltung ist, eine komplexe dreidimensionale Struktur von mehreren Mikrometern Dicke. Von oben wird die Schaltung mit einer dicken (Mikrometer) Schicht aus einem passivierenden Dielektrikum bedeckt, das die dünne Struktur vor äußeren Einflüssen schützt. Es öffnet nur Fenster für große, zehn Mikrometer große, quadratische Metallkontaktpads, durch die Versorgungsspannungen und elektrische Signale von außen in die Schaltung eingespeist werden. Und von unten ist die mechanische Basis der Mikroschaltung ein hunderte Mikrometer dicker Siliziumwafer. Theoretisch könnte ein solches Schema sehr dünn gemacht werden (10–30 µm) und auf Wunsch sogar „in eine Röhre gerollt“ werden, ohne an Funktionalität zu verlieren. Und ähnliche Arbeiten werden seit einiger Zeit in verschiedenen Richtungen durchgeführt, obwohl traditionelle Mikroschaltkreiskristalle (Chips) immer noch "unflexibel" bleiben.
Nach Abschluss der technologischen Verfahren wird jeder der Kristalle auf dem Wafer getestet (mehr dazu im nächsten Artikel), und dann wird der Wafer mit einer Diamantsäge in einzelne Kristalle (rechteckige Chips) geschnitten (vor dem Schneiden in Kristalle, Die Dicke des Wafers in modernen Mikroprozessoren wird durch mechanisches Polieren um etwa ein Drittel reduziert (dies ermöglicht das Platzieren in kompakteren Gehäusen. Das Polieren der Rückseite dient auch dem Zweck, Fremdmaterialien zu entfernen, gefolgt von der Bildung von Elektro- und Klebstoff Kontakte zum Substrat beim Packaging). Außerdem ist jeder Chip in einem eigenen Gehäuse verpackt, sodass Sie ihn mit anderen Geräten verbinden können. Die Art der Verpackung hängt von der Art des Chips und seiner Verwendung ab. Abschließend werden alle verpackten Chips nochmals geprüft (unbrauchbare werden aussortiert, geeignete werden speziellen Belastungstests bei verschiedenen Temperaturen und Luftfeuchtigkeiten sowie einem elektrostatischen Entladungstest unterzogen), nach Eigenschaften und Einhaltung bestimmter Spezifikationen sortiert und an den Kunden versendet.
Intel Copy Exactly-Technologie
Bei den meisten Chipherstellern unterscheiden sich die in den Forschungs- und Entwicklungslabors verwendeten Geräte und Prozesse von denen in den Fertigungsfabriken. Endprodukte. Und bei der Überführung der Produktion von der experimentellen in die Serienproduktion kommt es oft zu erheblichen Verzögerungen, da die neue Ausrüstung eine erhebliche Verfeinerung und Anpassung der technologischen Prozesse erfordert, um einen hohen Prozentsatz der Ausbeute an geeigneten Produkten zu erzielen, die zuvor in Labors erzielt wurden. Dies verzögert nicht nur die Massenproduktion, sondern führt auch zu Änderungen in Hunderten von Prozessparametern und sogar Endprodukten. Das Gleiche gilt, wenn ein in einer Fabrik etablierter Prozess mit neuer Ausrüstung in eine andere übertragen wird.
Um mögliche Kosten zu vermeiden, hat die Intel Corporation, die bereits über ein Dutzend Halbleiterfabriken verfügt, vor einigen Jahren die Copy Exactly-Technologie implementiert, deren Kern darin besteht, dass die Herstellungstechnologie eines Produkts von einem Labor in eine Fabrik oder zwischen ihnen übertragen wird verschiedenen Fabriken, eine vollständige bis ins kleinste Detail wiederholte (Vervielfältigung) von allem, was mit diesem technischen Vorgang zusammenhängt. Dafür werden insbesondere Manager aus Fabriken in die Produktentwicklung eingebunden. Und beim Technologietransfer wird buchstäblich alles kopiert – nicht nur die Ein- und Ausgangsparameter von Prozessen (mehr als 500!), sondern auch deren Ablauf, Ausstattung und deren Einstellungen, Rohstofflieferanten für technische Prozesse, das Rohrleitungssystem, sauber Räume und sogar Methoden der Personalschulung.
Diese innovative Technik des Technologietransfers war sehr erfolgreich. Heute können Anlagen fast unmittelbar nach dem Start ihre volle Kapazität erreichen – innerhalb weniger Wochen. Darüber hinaus verleiht die Copy Exactly-Technologie den Fabriken eines Unternehmens eine größere Flexibilität: Wafer, die in einer Fabrik begonnen wurden, können in einer anderen fertiggestellt werden, ohne dass Qualität und Ausbeute beeinträchtigt werden. Und im Falle eines Unfalls oder einer Umstrukturierung einer der Fabriken werden andere ihr Geschäft „aufnehmen“ und das Geschäft wird kaum darunter leiden. Auch Konkurrenten wie AMD und IBM schätzen diese Technologie, obwohl sie zwischen ihnen derzeit nicht anwendbar ist, da ihre Technologierouten etwas unterschiedlich sind.
Halbleiterfabriken
Eine dieser Revolutionen, die alle zehn Jahre das Gesicht der Branche verändert, geht in der Chipherstellungsindustrie zu Ende. Die Hersteller stellen von Substraten mit einem Durchmesser von 200 mm auf Substrate mit einem Durchmesser von 300 mm um (siehe Foto rechts), wodurch die Kosten für die Herstellung von Mikroschaltungen und damit aller elektronischen Halbleiter erheblich gesenkt werden können Produkte. Tatsache ist, dass ein Substrat mit einem Durchmesser von 300 mm eine 225% ige Vergrößerung der Fläche eines Siliziumwafers und eine 240% ige Erhöhung der nutzbaren Chipausbeute von jedem Substrat bietet. Darüber hinaus wird die Umweltbilanz der Produktion deutlich verbessert, was einen geringeren Chemikalien- und Energieverbrauch pro Verarbeiter erfordert und weniger Abfall erzeugt. Im Vergleich zu einer Fabrik, die auf 200-mm-Wafern läuft, emittiert die neue Fabrik laut Intel 48 % weniger VOCs, verbraucht 42 % weniger Reinstwasser und etwa 40 % weniger Energie. 50 % weniger Arbeitskosten.
Moderne „300-mm“-Fabriken sind gigantisch Industrieunternehmen im Wert von etwa 2 Milliarden Dollar und einer Fläche von mehr als hunderttausend Quadratmeter. Nur wenige der heutigen Chip-Unternehmen (siehe die Top 20 in der Seitenleiste auf Seite 34) können es sich leisten, in solch teure Fabriken zu investieren. In der Tat ist es für den Bau und den weiteren Betrieb solcher Unternehmen erforderlich, das Niveau des Jahresumsatzes in Höhe von mindestens 6 Milliarden Dollar pro Fabrik zu erreichen. Es ist üblich, solche Fabriken "Gießerei" zu nennen - eine der Übersetzungen dieses Begriffs ins Russische bedeutet "Gießerei". Der Name verkörpert einen kolossalen industriellen Maßstab: Der Schmuckprozess zur Herstellung von Hightech-Elementen von Mikroprozessoren wird zu einem industriellen Strom, dessen Umfang nur mit dem Produktionsumfang riesiger metallurgischer Betriebe vergleichbar ist. Im Jahr 2000, als der Verkauf von Chips boomte, erzielten weltweit nur zehn Unternehmen einen Umsatz von über 6 Milliarden US-Dollar. Von der „alten Garde“ besitzen heute nur noch Intel, IBM, Infineon, AMD, Texas Instruments und Samsung eigene Fabriken zur Herstellung von Chips auf 300-mm-Substraten. Andere werden von Unternehmenszusammenschlüssen gemeinsam gegründet und verwaltet – zum Beispiel „Motorola – Philips – STMicroelectronics – Taiwan Semiconductor“. Unangefochtener Marktführer bei den Plänen zum Bau neuer Fabriken ist Taiwan. Bereits 2001 wurde auf der Insel ein Fünftel der weltweiten Substratproduktion hergestellt, bis 2010 könnte dieser Anteil 40 % erreichen. China, Malaysia und Singapur sind Taiwan auf den Fersen, sie planen den Bau von 15 Fabriken, von denen fünf mit 300-mm-Wafern arbeiten werden.
Die Intel Corporation betreibt bereits vier solcher Fabriken im industriellen Maßstab: F11X in Rio Rancho, New Mexico, zwei – D1C und D1D – in Hillsborough, Oregon, und die kürzlich in Betrieb genommene Fab 24 in der irischen Stadt Leixlip (Leixlip). Alle können Prozessoren mit 90-nm-Technologie herstellen; die fünfte, Fab 12 in Chandler, Arizona, für den 65-nm-Prozess, wird bis 2005 auf 300-mm-Wafer umgestellt. Und zum Beispiel bei AMD ist die Inbetriebnahme der ersten 300-mm-Fab-36-Fabrik erst in geplant nächstes Jahr, siehe die Rezension unter www.terralab.ru/system/33692. Experten gehen davon aus, dass bestehende 200-mm-Waferfabriken bis 2005 über Wasser bleiben können, danach werden sie preislich nicht mehr mit dem 300-mm-Prozess konkurrieren können. Bis 2005 werden Chips in 65-nm-Technologie hergestellt, und Mikroprozessoren werden eine Milliarde Transistoren integriert haben! Chips werden so winzig, dass Sie sie einbetten können Handys mit Sprachwahl in einem Füllfederhalter.
Warum sind Chipfabriken so teuer (bis zu 5 Milliarden Dollar)? Halbleiterfabriken performen am meisten herausfordernde Aufgaben unter allen Fabriken der Welt. Sie verwenden nur Spezialmaterialien, Schrauben, Strukturelemente, Ausrüstung usw. Darüber hinaus sind beispielsweise Intel-Fabriken fast doppelt so groß wie die durchschnittliche Größe solcher Fabriken auf der Welt. Das Gebäude selbst kostet ungefähr 25% der Gesamtkosten der Fabrik und bleibt für weitere zehn Jahre nach dem Bau eine Struktur, die am besten zur Lösung geeignet ist moderne Aufgaben. Geräte (Anlagen für Photolithographie, Gasphasenabscheidung, Ionenimplantation) und Maschinen auf dem Boden kosten die restlichen 75 %.
Zusätzliche Messungen werden durchgeführt, um sicherzustellen, dass das Fundament und die Installationen erschütterungsfest sind. Auch wenn die Fabrik äußerlich ein einziges Gebäude ist, handelt es sich tatsächlich um mehrere Gebäude, die durch kleine (bis zu 10 cm) Lücken voneinander getrennt sind, und jedes Gebäude hat sein eigenes Fundament. Dies hilft, verschiedene Vibrationen zu dämpfen - sowohl aus Externe Quellen(Fahrzeuge, Züge) und Eigenschwingungen der Geräte.
Kuriose Fakten über Intels erstes 300-mm-Fab 11X
Integral (micro) circuit (IC, IC, m/s, English Integrated circuit, IC, microcircuit), Chip, Mikrochip (engl. microchip, silicon chip, chip) - eine dünne Platte, abgesplittert, von etwas abgeschnitten - - ursprünglich die Begriff bezieht sich auf eine Mikroschaltkreis-Kristallplatte) - ein mikroelektronisches Gerät - ein elektronischer Schaltkreis beliebiger Komplexität, der auf einem Halbleiterkristall (oder -film) hergestellt und in einem nicht trennbaren Gehäuse untergebracht ist.
Häufig wird unter einem integrierten Schaltkreis (IC) ein Kristall oder ein Film mit einer elektronischen Schaltung verstanden, und unter einem Mikroschaltkreis (MC) ist ein in einem Gehäuse eingeschlossener IC. Gleichzeitig bedeutet der Ausdruck "Chipkomponenten" "Surface Mount Components", im Gegensatz zu Komponenten zum herkömmlichen Löten durch Löcher auf der Platine. Daher ist es korrekter, von "Chip-Mikroschaltung" zu sprechen, was eine Mikroschaltung für die Oberflächenmontage bedeutet. Für 2009 werden die meisten Mikroschaltkreise in oberflächenmontierten Gehäusen hergestellt.
Moderne integrierte Schaltungen für die Oberflächenmontage
Sowjetische und ausländische digitale Mikroschaltungen
Technologie zur Herstellung von Halbleiterbauelementen und integrierten Schaltkreisen
Die Technologie der Halbleiterproduktion basiert derzeit auf so komplexen Präzisionsverarbeitungsprozessen wie Foto- und Elektronenlithographie, Oxidation, Ionen-Plasma-Sputtern, Ionenimplantation, Diffusion, thermische Kompression usw. Die bei der Herstellung von Geräten und Mikroschaltungen verwendeten Materialien sind Gegenstand hohen Anforderungen an Reinheit und Vollkommenheit der Struktur. Für die Durchführung der meisten technologischen Operationen werden einzigartige Geräte verwendet: optisch-mechanisch, thermisch, Ionenstrahl. Die Prozesse werden in - speziell entstaubten Räumen mit eingestellter Feuchtigkeit und Temperatur durchgeführt.
Technologische Route
Eine technologische Route ist eine Abfolge von technologischen Operationen zur Bearbeitung von Halbleiterwafern, die zur Herstellung dieser Art von PCB oder IC verwendet werden. Das Dokument mit der Streckenbeschreibung ist die Streckenkarte. Es ermöglicht Ihnen, die Bewegung des hergestellten Geräts für alle Vorgänge zu beurteilen, zeigt Ausrüstung, Materialien, Arbeitsnormen und Kontrollen an. Die Durchführung jeder technologischen Operation wird durch eine Betriebskarte geregelt, die eine Beschreibung der Operation enthält, die die technologischen Modi der Herstellung einer Struktur oder eines Geräts und der technologischen Ausrüstung angibt, oder IC wird durch eine Reihe von Grundoperationen bestimmt.
1. Vorbereitung der Platten. Erste Halbleiterwafer - Epitaxiestrukturen z. B. n-n+-Typ oder einkristalline Substrate mit n- oder p-leitender elektrischer Leitfähigkeit, die als Halbzeug vom Hersteller bezogen werden, werden gereinigt, gewaschen, eingeätzt um Verunreinigungen und Staubpartikel von der Oberflächenplatte zu entfernen. Eine Schicht mit elektrischer Leitfähigkeit vom n-Typ in einer epitaktischen n-n + -Struktur bildet die Kollektorzone in zukünftigen Transistoren (Abb. 1.1, a).
2. Erstellung einer topologischen Zeichnung. Um Bereiche mit elektrischer Leitfähigkeit vom p-Typ in der Epitaxiestruktur zu bilden, ist es notwendig, eine lokale Diffusion durch Fenster - Löcher in der Schutzmaske - sicherzustellen. Diese Fenster werden unter Verwendung eines fotolithografischen Prozesses bemessen. Ein Siliziumdioxidfilm dient als Maske, die eine Diffusion verhindert. Es zu züchten ist eine notwendige Phase des planaren Prozesses. Ein Film aus Siliziumdioxid 7 SiO2 mit einer Dicke von 0,3 - 1,0 µm schützt die Struktur zuverlässig vor vielen Einflüssen externe Faktoren und Diffusion von Verunreinigungen. Auf die Film-Fotoemulsion wird eine Fotolackschicht aufgetragen, sie wird durch eine Fotomaske mit ultraviolettem Licht belichtet, die viele identische Bilder von Transistorbasen mit einer bestimmten Konfiguration und Abmessungen enthält. Die beleuchteten Bereiche des Fotolacks erscheinen und der freigelegte SiO 2 -Film wird entfernt. Das für die Grunddiffusion geöffnete Fenster ist in Abb. 2 dargestellt. 1.1, b.
3. Erhalt eines p-n-Übergangs Basis - Kollektor. Zur genauen Dosierung der in den Kristall eingebrachten Verunreinigungsmenge - Boratome bei der Bildung der p-Basiszone - wird der Ionenimplantationsprozess verwendet, der darin besteht, beschleunigte Ionen in die Oberfläche des Kristalls einzubringen. Die Fotolackschicht dient als Schutzmaske, da die im Fotolack eingebetteten Ionen die Oberfläche des Dioxids nicht erreichen. Um die Basiszone und den pn-Übergang Kollektor - Basis in der erforderlichen Tiefe zu bilden, nutzen Sie die anschließende Diffusionszerstreuung der implantierten Boratome. Es wird in einer oxidierenden Umgebung bei hohen Temperaturen durchgeführt. Als Ergebnis wird ein Basisbereich mit einer Tiefe von 2–3 µm gebildet, und ein 0,3–0,5 µm dicker SiO2-Film wächst auf der Oberfläche des Basisbereichs (Abb. 1.1, c).
4. Erhalten von p-n-nepexoda Emitter - Basis. Zuerst wird ein topologisches Muster der Emitterbereiche unter Verwendung eines fotolithografischen Prozesses auf dem SiO 2 -Film über dem Basisbereich gebildet. Gleichzeitig werden Fenster geöffnet, die die Konfiguration der Kontakte des Kollektors 8 definieren. Der Fotolack wird entfernt und die Diffusion von Phosphor mit hoher Konzentration in eine geringe Tiefe (bis zu 1-1,5 Mikrometer) durchgeführt (Abb. 1.1, d).
5. Kontaktmetallisierung. Um die Bereiche von Emitter, Basis und Kollektor mit elektrischen Leitungen zu verbinden, ist es erforderlich, die Kontaktflächen zu metallisieren. Eine vorläufige fotolithografische Bearbeitung der Struktur wird durchgeführt, um den Dioxidfilm von den gewünschten Bereichen zu entfernen. Dann wird durch thermisches Verdampfen im Vakuum eine Metallschicht (z. B. Aluminium) mit einer Dicke von etwa 1 &mgr;m auf der gesamten Oberfläche der Platte abgeschieden, auf der ein weiterer photolithographischer Prozess durchgeführt wird, um überschüssiges Metall zwischen den Kontakten zu entfernen Bereiche. Der Aufbau mit Kontaktmetallisierung ist in Abb. 1 dargestellt. 1.1, d.h. Bei der Herstellung von ICs entstehen auf ähnliche Weise passive Dünnschichtelemente - Widerstände, Kondensatoren und auch Schalttransistoren.
6. Montage und Abdichtung. Der Wafer enthält einige Hundert bis Zehntausende einzelner Transistoren. Sie wird eingeschnitten getrennte Strukturen in diesem Stadium Kristalle genannt. Auf Abb. 1.1, e zeigt die Topologie eines solchen Kristalls mit Kontaktmetallisierung. Der Quarz wird auf den Quarzhalter gelötet, die Verdrahtung vorgenommen - die elektrischen Zuleitungen werden mit den Kontakten von Basis, Emitter und Kollektor verbunden - und versiegelt, in ein Metallgehäuse eingelegt oder mit Kunststoff gefüllt.
7. Testen von Geräten. Bewertung der Parameter und Zuverlässigkeit von Geräten, bevor sie in die Abteilung gelangen technische Kontrolle führen elektrische, klimatische und mechanische Tests durch. Sie sind wichtig für korrekte Aussagen über die Qualität und Zuverlässigkeit von Instrumenten. Darüber hinaus wird jeder technologische Vorgang von einer Qualitätskontrolle der Verarbeitung begleitet, beispielsweise durch Messung der Diffusionstiefe, der Dicke der Epitaxieschicht, des spezifischen Widerstands oder des Oberflächenwiderstands. Nachdem die ?-?-Übergänge in der Struktur erzeugt wurden, werden die elektrischen Parameter überwacht – Durchbruchspannung, Leckstrom, Kapazität. Die technologische Route umfasst spezielle Regelkarten.
Der betrachtete Arbeitsablauf ist typisch für die Herstellung eines planaren Epitaxietransistors. Die Klassifizierung von Geräten basiert auf der technologischen Methode zur Schaffung aktiver Bereiche der Struktur. Auf dieser Grundlage werden legierte, Diffusions-, epitaktische, implantierbare diskrete Leiterplatten sowie deren Modifikationen, beispielsweise Legierungsdiffusion usw., unterschieden. Die meisten modernen Geräte werden auf epitaktischen Strukturen hergestellt. Aktive Bereiche werden unter Verwendung von Ionenimplantation und Diffusion gebildet. MOSFETs werden auf Einkristallsubstraten ohne Epitaxieschicht durch Planarverfahren hergestellt. Technologie. Nichtplanare Diffusion und epitaxiale Übergänge werden bei der Herstellung von Leistungsdioden und Transistoren verwendet.
Grad der Integration.
Je nach Integrationsgrad wurden die folgenden Namen von Mikroschaltungen vorgeschlagen (die Anzahl der Elemente für digitale Schaltungen ist angegeben):
Kleine integrierte Schaltung (MIS) - bis zu 100 Elemente in einem Kristall.
Medium Integrated Circuit (SIS) - bis zu 1000 Elemente in einem Kristall.
Large Integrated Circuit (LSI) – bis zu 10.000 Elemente in einem Kristall.
Sehr große integrierte Schaltung (VLSI) - bis zu 1 Million Elemente in einem Kristall.
Ultra-Large Integrated Circuit (UBIS) – bis zu 1 Milliarde Elemente in einem Kristall.
Giga-Large Integrated Circuit (GBIS) – mehr als 1 Milliarde Elemente in einem Kristall.
Derzeit wird der Name GBIS praktisch nicht verwendet (z. B. enthalten die neuesten Versionen von Pentium 4-Prozessoren immer noch mehrere hundert Millionen Transistoren), und alle Schaltkreise mit mehr als 10.000 Elementen werden als VLSI klassifiziert, wobei UBIS als Unterklasse betrachtet wird.
Herstellungstechnologie.
Halbleiter-Mikroschaltung - Alle Elemente und Verbindungen werden auf einem Halbleiterkristall hergestellt (z. B. Silizium, Germanium, Galliumarsenid).
Filmmikroschaltung - alle Elemente und Verbindungen zwischen den Elementen sind in Form von Filmen hergestellt:
integrierte Dickfilm-Schaltung;
integrierter Dünnschichtschaltkreis.
Hybrid-Mikroschaltung - Neben einem Halbleiterkristall enthält sie mehrere unverpackte Dioden, Transistoren und (oder) andere elektronische Komponenten, die in einem Gehäuse untergebracht sind.
Art des verarbeiteten Signals.
Analog
Digital
Analog Digital
Analoge Mikroschaltungen - Eingangs- und Ausgangssignale ändern sich nach dem Gesetz einer kontinuierlichen Funktion im Bereich von positiver bis negativer Versorgungsspannung.
Digitale Mikroschaltungen - Eingangs- und Ausgangssignale können zwei Werte haben: eine logische Null oder eine logische Eins, die jeweils einem bestimmten Spannungsbereich entsprechen. Beispielsweise entspricht bei TTL-Mikroschaltungen mit einer Versorgung von +5 V der Spannungsbereich von 0 ... 0,4 V einer logischen Null und der Bereich von 2,4 ... 5 V einer logischen Eins. Für ESL-Logikchips, wenn sie mit 5,2 V versorgt werden: Eine logische Einheit ist 0,8 ... 1,03 V, und eine logische Null ist 1,6 ... 1,75 V. Analog-zu-Digital-Mikroschaltkreise kombinieren digitale und analoge Signalformen wird bearbeitet. Mit fortschreitender Technologie wird es immer weiter verbreitet.
Reis. 1 Informationslogisches Modell für den Entwurf funkelektronischer Geräte
Reis. 2 Detaillierung des Blocks „Entwicklung der Struktur des REU mittels integrierter Modellierung“
Reis. 3. Detaillierung des Blocks „Komplexe Modellierung physikalische Prozesse in PRÜ"
Reis. 4. Detaillierung des Blocks „Untersuchung der Zuverlässigkeit von REU“
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