Výroba integrovaných obvodov. Technológia výroby mikroobvodov
Vlastnosťou polovodičových integrovaných obvodov je, že všetky prvky sa vyrábajú súčasne v jedinom technologickom cykle, ktorého jednotlivé operácie (oxidácia a leptanie, difúzia, epitaxia) sa vykonávajú v rovnakom prostredí.
Pri vytváraní aktívnych a pasívnych prvkov moderných integrovaných obvodov sa používajú tieto hlavné technologické operácie: oxidácia, leptanie, litografia, difúzia, iónové dopovanie, epitaxia, nanášanie a nanášanie filmu.
Oxidácia. Kremíkový plátok sa zahreje na 800 - -1200 °C a vystaví sa pôsobeniu kyslíka alebo nasýtenej vodnej pary. V takomto oxidačnom prostredí atómy na povrchu platne interagujú s kyslíkom a vytvárajú tenkú dielektrickú vrstvu. V počiatočných fázach výroby IC sa ako maska na selektívnu difúziu v oblastiach dosky nepokrytých touto vrstvou používa vrstva s hrúbkou 1-3 mikróny. Táto vrstva bráni difúzii nečistôt do polovodiča pod vrstvou, keďže koeficient difúzie nečistôt v oxide kremičitom je oveľa nižší ako v polovodiči. Dielektrický film sa používa aj ako dielektrikum pre hradlo MIS tranzistorov. V poslednej fáze výroby IC sa dielektrická vrstva používa na pasiváciu kryštálu: táto vrstva pokrývajúca celý povrch kryštálu chráni IC pred vplyvmi prostredia.
Modernejšia je anodická oxidácia kremíka, ktorá umožňuje výberom režimu anodickej oxidácie vytvoriť na povrchu kremíka dielektrický film takmer akejkoľvek hrúbky. Na rozdiel od tepelnej oxidácie ide o nízkoteplotný proces, ktorý eliminuje viacnásobné vysokoteplotné úpravy spojené s tepelnou oxidáciou počas vytvárania masky.
Leptanie prebieha v kyseline fluorovodíkovej, v ktorej sa táto vrstva rozpúšťa. V tých oblastiach platne, kde je potrebné vykonať difúziu, sa vo vrstve pomocou kyseliny fluorovodíkovej vyleptajú okienka požadovaných rozmerov.
Fotolitografia.(obr. 3.1) Okná na povrchu platne slúžiacej na difúziu sú aplikované fotolitografickou metódou. V tomto prípade na vrchu vrstvy; na dosku je nanesený fotorezistor, čo je tenký film fotosenzitívneho organického materiálu. Potom sa aplikuje fotomaska vo forme sklenenej kontaktnej masky, na ktorej je vzor pozostávajúci z priehľadných a nepriehľadných plôch. Cez masku je fotorezistor ožarovaný ultrafialovými lúčmi, v dôsledku čoho sa fotorezistor pôsobením vývojky neobjaví na ožiarených miestach. Na povrchu dosky tak zostáva vzor určitej konfigurácie a zodpovedajúcich rozmerov. Keď je platňa leptaná v kyseline fluorovodíkovej, aby sa odstránila vrstva, fotorezistor sa nerozpustí, preto sa okná otvárajú iba v oblastiach, ktoré nie sú pokryté exponovaným fotorezistorom. Prostredníctvom týchto okien sa uskutočňuje difúzia.
Ryža. 3.1. Schéma procesu vytvárania IC pomocou planárno-epitaxiálnej technológie: a - epitaxná štruktúra po narastení vrstvy oxidu kremičitého; b - platne s nanesenou vrstvou fotorezistu; c - diagram operácie zarovnania a expozície; d - doska po vyvinutí fotorezistu; e - doska po vyleptaní otvoru v oxide a odstránení fotorezistu; e - doska po procese difúzie a získaní p - n prechodov; g - doska po vyleptaní otvoru vo vrstve oxidu kremičitého na nanášanie kovových kontaktov; h - doska s tvarovanými štruktúrami integrovaných obvodov; 1 - tanier; 2 - epitaxná vrstva kremíka; 3 - vrstva oxidu kremičitého Si02; 4 - vrstva fotorezistu; 5 - fotomaska; 6 - otvor vo fotoreziste; 7 - otvor v oxide kremičitom; 8 - hranica p - n-križovatka; 9 - kovový kontakt.
Fotolitografia umožňuje vytvárať kresby s veľkosťou prvkov najmenej 2 mikróny. Táto veľkosť obmedzuje hustotu usporiadania prvkov na platniach.
Litografia s elektrónovým lúčom má vyššie rozlíšenie. Pri priamom vystavení polovodičovej doštičky elektrónovému lúču je možné vytvoriť pruhy 20-krát užšie ako pri fotolitografii, čím sa veľkosť prvkov zníži na 0,1 μm.
Difúzia nečistôt sa používa na dopovanie dosky, aby sa vytvorili p- a n-vrstvy, ktoré tvoria emitor, bázu, kolektor bipolárnych tranzistorov, kolektor, zdroj, kanál unipolárnych tranzistorov, odporové vrstvy, ako aj izolačné pn-prechody. . Na difúziu nečistôt sa platne zahrejú na 800-1250 °C a po ich povrchu sa vedie plyn obsahujúci nečistotu. Nečistota sa cez okná difunduje hlboko do plechu. Hĺbka difúznej vrstvy a jej odpor sú riadené zmenou režimu difúzie (teplota a doba difúzie).
Iónový doping. Namiesto difúzie sa na implantáciu nečistôt do polovodiča používa iónový doping. Na tento účel sa ióny nečistôt urýchľujú v urýchľovači na 80-300 keV a potom sú nasmerované na substrát, pričom tieto oblasti chránia maskou, ktorá by sa nemala dopovať. Zavedenie nečistôt v širokom rozsahu koncentrácií a možnosť presnejšieho riadenia dávkovania nečistôt umožňujú meniť parametre prvkov v požadovaných medziach. Preto sa namiesto difúzie čoraz viac využíva iónový doping, aj keď jeho zavedenie je spojené s dovybavením výroby IC drahými zariadeniami.
Pri výrobe polovodičových integrovaných obvodov a mnohých diskrétnych zariadení je potrebné vytvoriť vrstvy polovodiča rovnakého mena rovnomerne dotovaného v hrúbke na substráte a v niektorých prípadoch polovodič iného typu s inou zakázaným pásmom. Je to potrebné najmä na rozšírenie funkčnosti obvodov, zlepšenie ich parametrov napríklad vytvorením oblastí s vysokou vodivosťou skrytých pod takýmito vrstvami (skryté vrstvy).
Termín „epitaxia“, ktorý prvýkrát navrhol Royer, v súčasnosti odráža proces orientovaného rastu, v dôsledku ktorého výsledná nová fáza prirodzene pokračuje v kryštálovej mriežke existujúcej fázy substrátu s vytvorením určitej prechodovej vrstvy, ktorá podporuje koherentné prerastanie dvoch mriežok pozdĺž roviny substrátu s podobnou hustotou zloženia atómov. Po dokončení tvorby prechodovej vrstvy pokračuje epitaxný proces vytvorením vrstvy požadovanej hrúbky.
Epitaxná vrstva(ES) je monokryštalická vrstva nového
fázy pestované v dôsledku epitaxie na povrchu
monokryštalický substrát prísne definovaným spôsobom, ktorý
má silnú kryštalochemickú väzbu so substrátom a nemôže byť
oddelené od nej bez toho, aby sa zničila vrstva alebo povrch substrátu. ES
prakticky pokračuje kryštálová mriežka substrátu a
je orientovaný presne definovaným spôsobom vzhľadom na kryštalografickú rovinu, ktorá vystupuje na jeho povrchu.
Hlavný fyzikálny jav ktorá prebieha v procese epitaxie, je kryštalizácia látky. Kryštalizáciou látky sa rozumie vznik jadier v pevnej fáze a ich rast. V závislosti od zloženia, z ktorého sa ES získava, sa rozlišujú tieto kryštalizačné mechanizmy:
Mechanizmus para - kryštál (P - K), keď k tvorbe tuhej fázy dochádza z parného alebo plynného skupenstva látky;
Mechanizmus para - kvapalina - kryštál (P - L - K), keď tvorba tuhej fázy z parného stavu prechádza cez štádium kvapalného stavu. Príkladom je kryštalizácia Ge na substráte Si, ak sa tento zahreje na teplotu presahujúcu teplotu topenia Ge;
Mechanizmus pevný - kryštál (T - K), keď je epitaxná vrstva vyrastená z elektrolytov alebo tavenín.
Striekanie a nanášanie filmov. Prvky polovodičových integrovaných obvodov sú vzájomne prepojené pomocou vodivého vzoru získaného naprašovaním kovového filmu. Za týmto účelom sa po vyleptaní okien pomocou fotolitografie na celý povrch dosky pod kontaktmi vo vákuu nastrieka hliníkový film. Striekaním sa vytvárajú aj metalizované plochy, ku ktorým vedie mikroobvod a termokompresným zváraním sú privarené tenké drôtiky spájajúce bezčipové tranzistory v hybridných IO. V poslednej dobe sa namiesto drôtených mostíkov používajú lúčové zvody, čo sú zlaté podlhovasté výstupky. Počas montáže hybridného integrovaného obvodu sú vývody lúčov zarovnané s kontaktnými plôškami na substráte a prispájkované k nim, pričom sa zahrievajú na teplotu, pri ktorej sa vytvára eutektické spojenie. Nakoniec sa naprašovaním a nanášaním vrstiev vyrábajú pasívne prvky v kombinovaných a hybridných integrovaných obvodoch vo forme hrubých a tenkých vrstiev. Integrovaná elektronika je dnes jedným z najrýchlejšie sa rozvíjajúcich odvetví moderného priemyslu. Jednou zo základných častí tejto vedy je obvodová mikroelektronika. V každej novej etape vývoja technológie výroby integrovaných obvodov (IC) sa vytvárajú zásadne nové metódy výroby štruktúr IC, ktoré odrážajú najnovšie výsledky vedy.
Mnohí sa pravdepodobne viac ako raz pýtali, prečo sú procesory, grafické karty a základné dosky, ktoré kupujeme v obchodoch, navrhnuté a vyrobené kdekoľvek, len nie v Rusku? Prečo je to tak, môžeme čerpať naozaj len ropu?
Koľko stojí začatie výroby mikroobvodu a prečo sa vzhľadom na prítomnosť 22nm tovární väčšina mikroobvodov na celom svete stále vyrába na „zastaraných“ 180-500nm zariadeniach?
Odpovede na tieto a mnohé ďalšie otázky pod strihom.
Ako funguje mikroelektronická výroba a koľko to všetko stojí?
Tranzistory na kremíkovej doštičke sa kreslia pomocou fotolitografie pomocou strojov nazývaných steppery alebo skenery. Stepper - nakreslí celý rám (až 26x33 mm), potom sa presunie do novej polohy. Skener - súčasne posúva masku a platňu tak, aby v každom okamihu nakreslila len jednu úzku "čiaru" v strede rámu, čím dochádza k aberáciám optický systém menej ovplyvňujú obraz.Hlavnými charakteristikami stepperov/skenerov sú vlnová dĺžka svetla, pri ktorej pracujú (na i-line ortuťových výbojkách - 365nm, potom na excimerových laseroch - 248nm a 193nm) a numerická apertúra objektívu. Čím kratšia je vlnová dĺžka a čím väčšia je apertúra, tým menšie detaily môže šošovka vykresliť podľa limitu difrakcie:
Napríklad pre jeden z najmodernejších skenerov ASML NXT 1950i s vlnovou dĺžkou 193nm a numerickou apertúrou 1,35 a k1 = 0,4 (bežná hodnota pre fotolitografiu bez „trikov“) získame teoretické rozlíšenie 57nm. Používanie trikov, ako sú fázové masky, viacnásobná expozícia, optická korekcia blízkosť, mimoosové osvetlenie, polarizácia svetla - získajte minimálne prvky do 22nm.
Ďalšími parametrami stepperov/skenerov sú produktivita (koľko dosiek za hodinu dokážu spracovať, až 220 dosiek) a chyba zarovnania (koľko nanometrov v kusoch prehliadne polohu dosky vzhľadom na danú pozíciu. Na moderných skeneroch - až do 3-5 nm).
Steppery / skenery vytlačia 4-5x zmenšený obraz takejto masky (sklenená platňa s mikroobvodovým vzorom, rozmer cca 15x15cm) na presne určené miesta.
Operácia tlače vzoru (s rôznymi maskami) sa musí opakovať od ~ 10 (pre najjednoduchšie a najstaršie mikroobvody) do ~ 40-krát, aby sa vytvorili všetky potrebné vrstvy na mikroobvode (začínajúc od samotných tranzistorov a končiac 2- 10 vrstiev kovových zlúčenín). Medzi operáciami fotolitografie prechádzajú platne rôznymi úpravami - zahrievajú sa v peci až na 1100 stupňov, leptajú v roztokoch a plazme. Na výstupe zostáva doštičku rozrezať na samostatné kryštály, otestovať ju a vložiť do puzdra.
"Chladnosť" technológie sa meria veľkosťou minimálneho ťahaného prvku (jednotlivé časti tranzistora, napríklad hradlo - môže byť menej alebo viac ako tento údaj - to znamená, že je to skôr ľubovoľná hodnota). Je jasné, že čím menšie sú tranzistory, tým rýchlejšie funguje mikroobvod a tým viac kryštálov sa zmestí na platňu (nie vždy je však potrebná maximálna rýchlosť).
Teraz začína pomalý a bolestivý prechod na EUV litografiu s vlnovou dĺžkou 13,5 nm a zrkadlovou optikou. EUV skenery sú stále drahšie a pomalšie ako bežné 193nm a v dosiahnuteľnom rozlíšení ich len začínajú prekonávať.
Koľko stojí výroba vášho procesora?
Čísla sú hrubé odhady, bez NDA nemôžu byť nikde presné.Softvérová licencia pre jedného pracovisko vývojár čipov - od 20 000 do 100 000 dolárov ročne a viac. Môžete, samozrejme, kradnúť, ale všetci okolo vás to sledujú.
Nasleduje výroba masiek. Nemali by mať žiadne poškodenie a ich výroba je veľmi drahá: od ~ 7 "000 $ za súpravu pre 1000nm mikroobvody, ~ 100" 000 $ za 180nm mikroobvody a až ~ 5 "000" 000 $ za 32nm mikroobvody. . Mikroobvod však s najväčšou pravdepodobnosťou nebude fungovať prvýkrát - a po zistení chyby bude musieť byť maska prerobená. Tento problém sa dá čiastočne prekonať umiestnením testovacích čipov od mnohých zákazníkov na jednu sadu masiek - potom každý dostane niekoľko testovacích čipov za 1 / 3–1 / 10 ceny celej sady masiek (toto sa nazýva Shuttle resp. MPW - multiprojektový plátok).
Každá vyrobená platňa stojí od 100-400 USD pre staré technológie pre 1000nm, ~ 1000 USD pre 180nm a až ~ 5000 USD pre tie najmodernejšie (okrem nanometrov ovplyvňuje aj zložitosť technológie - jednoduchá logika je lacnejšia, flash pamäť je drahšia, ale nie mnohokrát). Tu je tiež dôležité pamätať na veľkosť platní: najmodernejšie výrobné zariadenia dnes pracujú s platňami s priemerom 300 mm - sú asi dvakrát väčšie ako 200 mm platne (ktoré sa teraz používajú v Rusku v spoločnosti Mikron, Integral a v hmlistej budúcnosti na Angstrem-T), a ten je asi dvakrát väčší ako ešte starší 150 mm. tanier väčšia veľkosť vám umožňujú prijímať mikroobvody s nižšími nákladmi pre veľké objednávky, pretože počet pohybov na výrobu 100 platní je približne rovnaký, bez ohľadu na priemer (to je jeden z dôvodov plánovaného prechodu vyspelých odvetví na platne s priemerom 450 mm v roku 2018, podľa optimistických odhadov).
Povedzme, že chceme vyvinúť x86-kompatibilný procesor (alebo akýkoľvek iný relatívne zložitý mikroobvod) podľa viac-menej moderného komerčne dostupnú technológiu 28 / 32nm (hoci 22nm existuje, zatiaľ nie je možné zadávať komerčné objednávky - takže prístup k technológiám je niekedy ako láska: nemožno ich predať za peniaze). Vynechajme otázku nákladov na patenty, to je vo všeobecnosti veľmi smutná téma. Povedzme, že vývoj trvá 200 mýtických mužských rokov (to je vtedy, ak vyrábame skromný procesor, ktorý si nerobí nárok na prvé miesto).
Softvérové licencie - 50 000 $ * 100 = 5 miliónov $ (hrubý odhad, nie každý potrebuje licenciu).
Plat vývojára – povedzme 3 000 dolárov * 1,5 (dane) * 12 * 200 = 10,8 milióna dolárov
Spustenie testu na MPW - 2 * 1,5 milióna $
Výroba masiek pre sériová výroba 2 * 5 miliónov $ = 10 miliónov $ (2 - pretože bez ohľadu na to, ako veľmi sa snažíte, nebude to fungovať na prvýkrát)
Celkom - 28,8 milióna dolárov
Tomu sa hovorí Non-recurring engineering (NRE) – jednorazové náklady, ktoré nezávisia od objemu výroby a úspechu celej akcie.
Ak máme procesor s plochou 200mm2, platne využívajúce 32nm technológiu s priemerom 300mm stoja 5000 $, tak z platne dostaneme 70690/200 = 350 kryštálov (odhad zhora), z toho 300 dovolené pracovať. cena kryštálu je 16,6 USD, 20 USD po zabalení. Za koľko sa dá takýto procesor zatiaľ predať? 50 dolárov? 100 dolárov? Odstránime dane a obchodné marže ...
A teraz je na mieste otázka – koľko takýchto spracovateľov potrebujete predať, aby ste získali späť naše NRE, úroky z úverov, dane a tak ďalej? milión? 5 miliónov? A hlavná otázka- sú nejaké záruky, že sa týchto 5 miliónov procesorov predá, keďže konkurenciu nič nestojí vyrobiť o 5 miliónov viac ako ich hotový produkt?
Toto je taký pekelný biznis – obrovské kapitálové výdavky, obrovské riziká a prinajlepšom mierne zisky.
Čína - problém vyriešila po svojom, rozhodli sa dodávať počítače s vlastnými procesormi a Linux do všetkých škôl - a problém s objemami výroby bol vyriešený ().
Hlavnou otázkou pri vytváraní mikroobvodov teda nie je ako a kde vyrábať, ale ako vyvíjať a komu potom predať milióny kusov výsledného produktu?
Koľko stojí výstavba závodu?
Náklady na moderný závod sa blížia k 5 miliardám dolárov alebo viac. Táto suma sa získava, pretože náklady na licencie a niektoré ďalšie fixné náklady výrazne nezávisia od objemu výroby – a je výhodné mať veľké výrobné zariadenia, aby sa náklady „rozložili“ na veľký objem výroby. A každý moderný skener (ktorý v skutočnosti kreslí tieto 22-32nm časti) stojí 60-100 miliónov dolárov (vo veľkej továrni ich môže byť niekoľko desiatok). V princípe 5 miliárd nie je toľko peňazí v celoštátnom meradle. Ale prirodzene, nikto neminie 5 miliárd bez jasného plánu návratnosti investície. A tam je situácia nasledovná – napriek zložitosti odvetvia pracujú s viditeľnými ziskami len monopolisti (TSMC, Intel, Samsung a pár ďalších), zvyšok ledva vyžíva.Len sa mi nezmestilo do hlavy - ako je možné investovať miliardy a ledva ich odbiť? Ukázalo sa, že všetko je jednoduché - na celom svete je mikroelektronika najprísnejšie dotovaný priemysel - továrne neustále prosia o oslobodenie od daní, zvýhodnené pôžičky a dumping (v Číne zašli ešte ďalej - SMIC stavia továrne na verejné náklady a potom " spravuje“ ich – nazývajú to spätné zostavenie – prevádzka – prevod). Po vystúpení každého Nová technológia(45nm, 32nm ...) - prvé monopolné závody, ktoré ho vlastnia a znížili hlavný zisk, a tí, ktorí prídu o 2-5-10 rokov neskôr ako na začiatku, sú nútení pracovať prakticky za cenu. Tým pádom je tu extrémne ťažké zarobiť peniaze (bez monopolu a bez dotácií).
Zdá sa, že v Rusku to pochopili - a projekty veľkých mikroelektronických závodov zatiaľ odkladajú a budujú malé výroby - tak, že ak prídete o peniaze, nestačí ich stratiť. A to aj 3000 platní za mesiac vyrobených v Mikrone - to pokryje objem spotreby lístkov pre metropolitný a obranný priemysel (kryštál lístka na metro má rozmery 0,6x0,6mm, jeden 200mm plátok robí 87 000 lístkov na metro - ale o smutnom príbehu s lístkami vám o metre porozprávam v jednom z nasledujúcich článkov).
Na rozdiel od všeobecného presvedčenia neexistujú žiadne špeciálne obmedzenia na predaj zariadení pre mikroelektroniku do Ruska – na dodatok Jackson-Vanik je v USA každoročne uvalené prezidentské moratórium a stačí získať obvyklé vývozné povolenie. Samotní výrobcovia zariadení majú bytostný záujem zarobiť viac peňazí a sami kopú do vydávania povolení. Ale prirodzene, nikto nerobí nič bez peňazí. Takže za vaše peniaze - akýkoľvek rozmar.
Musíte však pamätať na to, že váš závod nezaručuje úplnú nezávislosť výroby a nie je lacnejší ako výroba v zahraničí: hlavnými nákladmi sú technológie / licencie a náklady na zakúpené vybavenie - a ak nemáte vlastné technológie a vybavenie a vsetko doviezt, potom to bude lacnejsie.nemoze. Veľa spotrebného materiálu je tiež potrebné dovážať. Samostatným boľavým bodom je výroba masiek, len veľmi veľké továrne môžu mať „svoju“ výrobu masiek.
Koľko nanometrov potrebujete, aby ste boli šťastní?
Mnohým sa zdá - tu má Intel 22nm a my máme 90nm - ako beznádejne sme pozadu, dajte traktor ... Ale je tu aj druhá strana mince: pozrite sa napríklad na rovnakú základnú dosku: sú ich stovky polovodičových súčiastok - MOSFETy, budiče, výkonové mikroobvody, akékoľvek pomocné drobnosti - takmer na všetky stačí 1000nm technológia. Všetka priemyselná elektronika a mikroobvody pre vesmír a armádu sú takmer v 100% prípadov 180nm a hrubšie technológie. Najnovšie technológie sú teda potrebné len pre centrálne procesory (ktoré sú veľmi náročné / drahé kvôli vysokým rizikám a vysokým prahom pre vstup na trh) a rôzne "koristi" (iPhony atď.). Ak náhle vypukne vojna a Rusko stratí svoj dovoz, bude možné žiť bez „zhopogrékov“, ale bez priemyselnej, vesmírnej a vojenskej elektroniky – nie. Tie. v skutočnosti vidíme, že veci, ktoré sú pre krajinu kritické, sa robia v Rusku (alebo kupujú na budúce použitie), ak je to možné, a to, bez čoho sa bude dať žiť v núdzi - dovážame.Existujú aj ďalšie faktory - rovnaké náklady na masky. Ak potrebujeme vyrobiť jednoduchý mikroobvod, potom výroba masiek v hodnote 5 miliónov dolárov na jeho výrobu pri 32nm môže byť zisková, ak sa tento mikroobvod potom vyrába v počte desiatok a stoviek miliónov kópií. A ak potrebujeme iba 100 "000 mikroobvodov, je výhodnejšie ušetriť na maskách a vyrobiť mikroobvod pomocou "najhrubšej "technológie. Okrem toho má mikroobvod kontaktné podložky, ku ktorým sú pripojené mikroobvody - nie je kam znížiť a preto, ak je plocha mikroobvodu porovnateľná s plochou kontaktných plôšok - potom nemá zmysel vyrábať mikroobvod pomocou tenšej technológie (pokiaľ, samozrejme, "hrubé normy" nespĺňajú požiadavky pre rýchlosť a spotrebu energie).
Výsledkom je, že drvivá väčšina mikroobvodov na svete sa vyrába pomocou „hrubých“ technológií (350 – 500 nm a hrubších) a miliardy mikroobvodov vyvážaných z ruských tovární (aj keď hlavne vo forme dosiek) sú pomerne žiadané a sú predáva (tak, že v matkách dosky a mobilné telefóny majú naše mikroobvody a výkonové tranzistory - ale pod cudzími názvami).
A nakoniec, americký F-22 Raptor donedávna lietal na procesore Intel 960mx, vyvinutom v roku 1984, výroba v Spojených štátoch bola vtedy na štandardoch 1000-1500nm - nikto veľmi nebzukol o tom, že Američania nasadili spätnú elektroniku. lietadlá (aj keď v poriadku, trochu bzučali). Koniec koncov, hlavnou vecou nie sú nanometre, ale súlad konečného produktu s referenčnými podmienkami.
Zhrnutie
Trhová ekonomika elfov a mikroelektronická výroba sú zle kompatibilné veci. Čím viac budete kopať, tým menej uvidíte trh, tým viac dotácií, kartelových dohôd, patentových obmedzení a iných radostí „voľného trhu“. Biznis v tomto odvetví je jeden veľký bolesť hlavy, s obrovskými rizikami, neustálymi krízami z nadprodukcie a ziskami len od monopolistov.Nie je prekvapujúce, že v Rusku sa snažia mať malú, ale vlastnú produkciu, aby si udržali nezávislosť, aby stratili menej peňazí. O nejakom zisku na trhové podmienky sa netreba baviť.
No, nie všetky mikroobvody vyžadujú 22-32nm výrobu, prevažnú väčšinu mikroobvodov je výhodnejšie vyrábať na starších 180-500nm zariadeniach kvôli nákladom na masky a objemom výroby.
V ďalších článkoch budem hovoriť o vlastnostiach vesmírnej a vojenskej mikroelektroniky a o súčasnom stave mikroelektroniky v Rusku.
Strana 1
Technológia výroby mikroobvodov môže byť nielen rovnaká, ako je opísané vyššie. Na ich výrobu sa ako substrát používajú keramické alebo sklenené dosky. Spojenia medzi komponentmi obvodu gonkofilmu sa získajú nastriekaním zlatého alebo strieborného filmu na substrát vo vysokom vákuu; Na vytvorenie odporov sa používajú niklovo-chrómové alebo tantalové filmy.
Vlastnosti technológie výroby mikroobvodov tiež určujú špecifiká ich výkresov. Pri výrobe hybridného tenkovrstvového integrovaného obvodu sa vyvíja rozloženie viacvrstvových dosiek. Tieto výkresy znázorňujú umiestnenie a krov prvkov a ich spojenia.
V súčasnosti technológia výroby mikroobvodov dosiahla úroveň, ktorá umožňuje vytvárať veľké integrované obvody.
V závislosti od výrobnej technológie sa mikroobvody delia na polovodičové a filmové. Filmové schémy sa zase delia na tenkovrstvové a hrubovrstvové. Prvé sa získavajú metódami tepelného odparovania materiálov a katodickým naprašovaním, druhé - metódami sieťotlače a vypaľovaním špeciálnych pást do keramiky. Mikropásikové obvody sú typom tenkovrstvových mikroobvodov používaných v mikrovlnnej oblasti. Podľa stupňa zjednotenia a aplikácie v elektronických zariadeniach sú mikroobvody rozdelené na mikroobvody širokého a súkromného použitia.
S rozvojom technológie na výrobu mikroobvodov s vysoký stupeň integráciou a technológiou MOS bolo potrebné eliminovať prevádzku rozsiahleho sledovania pôvodnej mikroobvodovej fotomasky.
Doba cyklu príkazov mikroprocesora U808D je určená technológiou výroby mikroobvodov. Pri technológii p-MOS použitej v tomto prípade je maximálna doba cyklu 13 5 μs.
Povaha týchto spojení závisí od spôsobu izolácie a technológie výroby mikroobvodov. V menšej miere substrát ovplyvňuje parametre tranzistorov pri použití dielektrickej izolácie.
Technológia výroby mikroobvodov prvej skupiny sa nazýva klzák a technológia výroby mikroobvodov druhej skupiny sa nazýva planárno-epitaxiálna.
Zvyšovanie zložitosti integrovaných obvodov, sprísňovanie požiadaviek na ich spoľahlivosť, rozširovanie oblastí použitia s neustálym zvyšovaním rozsahov prevádzkových vplyvov si vyžadujú nielen zlepšenie konštrukcie a technológie výroby mikroobvodov, ale aj jasnú organizáciu jednotného prístupu k riešenie metodických otázok pri posudzovaní kvality a spoľahlivosti IC. V tomto prípade sa dôležité miesto venuje testovaniu integrovaných obvodov.
Holografická metóda získava čoraz širšie praktické uplatnenie pri riešení rôznych problémov, ako je rozpoznávanie vzorov, konštrukcia veľkokapacitných pamäťových blokov, vstup a výstup informácií, v technológii výroby mikroobvodov a mnoho ďalších.
Ak je známa technológia výroby mikroobvodov, vyberie sa fyzická štruktúra, vypočítajú sa pre ňu fyzikálne parametre a na základe týchto údajov sa vypočítajú parametre aktívnych a pasívnych prvkov. Ak existujúca technológia nespĺňa požiadavky navrhovaného mikroobvodu, najprv sa na základe elektrických parametrov aktívnych prvkov vypočíta fyzické štruktúry a potom určiť technologické režimy.
Zmeny na trhu s počítačmi boli vyvolané vznikom mikroobvodov, ktoré umožnili vytvárať minipočítače dostupné malým organizáciám. Tieto počítače boli dobre prijaté (a stále sa dobre predávajú), ale blížili sa ďalšie zmeny. Vývoj technológie na výrobu mikroobvodov viedol k vytvoreniu malých počítačov (mikropočítačov) vo výkone, ktorý je úplne porovnateľný s mini - alebo dokonca veľkými počítačmi, ale má tak nízku cenu, že sa stal dostupným nielen pre každého malého organizácii, ale aj jednotlivým používateľom. A keď sa tieto počítače začali predávať v naozaj masívnom množstve a vo veľkom množstve rôznych modelov, vznikla potreba vytvoriť vyvinutý softvér k dispozícii používateľovi v ktoromkoľvek obchode.
Boli ste niekedy v srdci polovodičového priemyslu – v továrni na čipy?
Boli ste niekedy v srdci polovodičového priemyslu – v továrni na čipy? Každá takáto štruktúra je výtvor, ktorý dokáže zapôsobiť na každého, aj na nezasväteného človeka vo výrobných procesoch.
Tí, ktorí tam zavítali, mali pocit, že robia fantastickú cestu do futuristického mraveniska robotov alebo do samotného mikroobvodu. Tam, v sterilnej hale o veľkosti troch futbalových ihrísk, roboti a desiatky špecialistov, oblečení v skafandroch a ochranné prilby... A vysoko presné stroje na výrobu mikroobvodov sa „vznášajú“ na špeciálnych platformách, osvetlených žlto-oranžovým svetlom ...
Etapy výroby kryštálov mikroobvodov a fotolitografie
Integrované obvody sa vyrábajú na povrchu monokryštalického kremíka (používa sa kremík (Si), pretože je to najvhodnejší polovodič na tento účel. Polovodiče sú zase trieda materiálov, ktorých elektrická vodivosť je v strede medzi vodivosťou vodičov (hlavne kovov). ) a izolanty (dielektrika) .Kremík môže pôsobiť aj ako dielektrikum aj ako vodič - v závislosti od množstva a druhu nečistôt iných chemických prvkov v ňom prítomných. A táto vlastnosť je široko používaná pri výrobe mikroobvodov. Avšak, v ojedinelých prípadoch sa namiesto kremíka používajú aj iné materiály. Najmä Intel je schopný zaviesť bipolárne tranzistory s heteroprechodom (HBT) na kremík-germánium (SiGe) do svojej 90-nm procesnej technológie postupným vytváraním rôznych vrstiev na tenkom ( menej ako milimeter) okrúhly (do priemeru 30 cm) kremíkový plátok nazývaný substrát [Tenké plátky sú rezané z ťažkého dlhého valcového monokryštálového kremíkového predliatku, ktorý sa pestuje špeciálnym presným spôsobom. Potom sa platne vyleštia do zrkadlového lesku mechanickými a chemickými metódami. „Pracovná“ plocha (teda tá, na ktorej sa ďalej vytvára mikroobvod) platničky musí byť na atómovej úrovni hladká a dokonalá a musí mať veľmi presnú kryštalografickú orientáciu (podobne ako rôzne fazety diamantu pri brúsení, ale ešte dokonalejšie)]. Vrstvy sa vytvárajú prostredníctvom rôznych procesov s použitím chemikálií, plynov a svetla. Výroba moderných mikroprocesorov je zložitý proces, ktorý pozostáva z viac ako tristo krokov – viac ako dvadsať vrstiev je „vyšperkovaných“ navzájom prepojených, aby vytvorili obvod mikroprocesora s trojrozmernou štruktúrou. Presný počet vrstiev na waferi závisí od konkrétneho dizajnu procesora. Stovky identických mikroprocesorov sú vytvorené na jedinom kremíkovom substráte a v konečnej fáze sú rozrezané na samostatné pravouhlé kryštály - čipy.
Procesy vytvárania rôznych vrstiev a vzorov mikroobvodových prvkov na substráte sú celkom dômyselné (v skutočnosti ide o celú oblasť vedy), sú však založené na jednej jednoduchej myšlienke: pretože charakteristické rozmery vytváraného vzoru sú taká malá (napríklad vyrovnávacia bunka procesora na 90nm jadre Prescott je stokrát menšia ako červená krvinka (erytrocyt) a jeden z jej tranzistorov má veľkosť vírusu chrípky), že je jednoducho nemožné vyzrážať určité materiály na správnych miestach, ide im to jednoduchšie - materiál sa ihneď nanesie na celý povrch podkladu a následne sa opatrne odstráni z miest, kde to nie je potrebné. Používa sa na to proces fotolitografie.
Čo je to čistá miestnosť a prečo sa používajú v továrňach na výrobu polovodičov?
Kryštály mikroobvodov sa musia vyrábať kontrolovane a veľmi čistý vzduch... Keďže funkčné prvky (tranzistory, vodiče) na mikročipoch sú veľmi malé, akákoľvek cudzia častica (prach, dym alebo šupinky kože), ktorá sa dostane na platňu s budúcimi mikroobvodmi v medzistupňoch jej výroby, môže poškodiť celý kryštál. Čisté priestory sú klasifikované podľa veľkosti a množstva mikročastíc prítomných v jednotkovom objeme (kubická stopa, približne rovná jednej tridsatine kubického metra) vzduchu. Napríklad miestnosti triedy 1 používané v modernej výrobe sú asi tisíckrát čistejšie ako chirurgická operačná sála. Čistá miestnosť riadi čistotu vzduchu filtrovaním privádzaného vzduchu, odstraňovaním nečistôt z inštalácií, laminárnym pohybom vzduchu zo stropu na podlahu (približne za šesť sekúnd), reguláciou vlhkosti a teploty. Ľudia v „čistých miestnostiach“ nosia špeciálne skafandre, ktoré okrem iného zakrývajú celú vlasovú líniu (a v niektorých prípadoch dokonca aj vlastný dýchací systém). Aby sa eliminovali vibrácie, čisté priestory sú umiestnené na vlastných základoch odolných voči vibráciám.
Fotolitografia je neotrasiteľným základom pre výrobu mikroobvodov a v dohľadnej budúcnosti sa za ňu sotva nájde dôstojná náhrada. Preto má zmysel zvážiť to podrobnejšie. Napríklad potrebujeme vytvoriť vzor vo vrstve nejakého materiálu - oxidu kremičitého alebo kovu (to sú najbežnejšie operácie v modernej výrobe). V prvom rade sa na substráte tak či onak vytvorí tenká (zvyčajne tenšia ako jeden mikrón) a súvislá, bezchybná vrstva požadovaného materiálu. Potom sa na ňom vykoná fotolitografia. Na tento účel sa najprv na povrch platne nanesie tenká vrstva fotocitlivého materiálu, nazývaného fotorezist (Fotorezist sa nanáša z kvapalnej fázy, rovnomerne rozložená po povrchu platne otáčaním v odstredivke a vysuší sa kým nestvrdne). Potom sa platňa s fotorezistom umiestni do presnej inštalácie, kde sa potrebné plochy povrchu ožarujú ultrafialovým svetlom cez priehľadné otvory vo fotomaske (nazývanej aj fotomaska). Maska obsahuje zodpovedajúci (aplikovaný na povrch dosky) vzor, ktorý sa pre každú vrstvu vytvorí pri návrhu mikroobvodu. Vplyvom ultrafialového žiarenia menia ožiarené oblasti fotorezistu svoje vlastnosti tak, že je možné ich selektívne odstraňovať v určitých chemických reagentoch (Existuje negatívny a pozitívny fotorezist. preto sa jeho ožiarené oblasti odstránia. Podľa toho sa rozlišuje sa robí medzi pozitívnou a negatívnou fotolitografiou). Po odstránení fotorezistu zostanú otvorené iba tie oblasti povrchu platne, nad ktorými je potrebné vykonať požadovanú operáciu- napríklad odstráňte vrstvu dielektrika alebo kovu. Úspešne sa odstránia (tento postup sa nazýva leptanie - chemické alebo plazmovo-chemické), po ktorom môžu byť zvyšky fotorezistu úplne odstránené z povrchu dosky, čím sa vystaví vzor vytvorený vo vrstve požadovaného materiálu pre ďalšie akcie .
Pri výrobe moderných mikroprocesorov je potrebné vykonávať fotolitografické operácie až 20–25-krát – zakaždým na novej vrstve. Celkovo to trvá niekoľko týždňov! V niektorých prípadoch ide o vrstvy izolačných materiálov, ktoré slúžia ako hradlové dielektrikum pre tranzistory alebo pasivačné (izolačné) vrstvy medzi tranzistormi a vodičmi. V iných je to tvorba vodivých polysilikónových hradel tranzistorov a kovových vodičov spájajúcich tranzistory (Pre jednoduchosť sa niektoré operácie niekedy kombinujú - napr. tzv. fotolitografia súčasným vytvorením vzoru hradlového dielektrika a tenkého polysilikónového hradla). Po tretie, ide o tvorbu selektívne dotovaných oblastí (hlavne drenáže a zdroje tranzistorov) a dotovanie povrchových plôch monokryštálovej kremíkovej doštičky ionizovanými atómami rôznych chemických prvkov (s cieľom vytvoriť n- alebo p- typ polovodičových oblastí v kremíku) sa nevykonáva cez okná vo fotorezise (je na to príliš nestabilný) a cez vzor v dostatočne hrubej vrstve naneseného dielektrika (napríklad rovnakého oxidu kremičitého). Potom sa dielektrikum odstráni spolu s fotorezistom.
Niekedy sa používa aj taká zaujímavá metóda ako výbušná fotolitografia. To znamená, že sa najprv vytvorí vzor (vyleptajú sa okienka vo fotorezise alebo dočasná dielektrická vrstva), potom sa na povrch dosky nanesie súvislá vrstva nového materiálu (napríklad kovu) a nakoniec sa doštička sa vloží do činidla, ktoré odstráni zvyšky fotorezistu alebo dočasného dielektrika. Výsledkom je, že odstránená vrstva „vybuchne“ zvnútra, vezme so sebou kúsky posledného naneseného kovu a v predtým „otvorených“ oblastiach (oknách) kov zostal a vytvoril funkčný vzor, ktorý sme potrebovali (vodiče alebo brány ). A to je len špička ľadovca nazývaná mikroelektronická technológia, ktorá je založená na princípe fotolitografie.
Na povrchu kremíkového plátku, ktorý je v skutočnosti elektronickým obvodom, sa tak vytvorí zložitá trojrozmerná štruktúra s hrúbkou niekoľkých mikrónov. Vrch obvodu je pokrytý silnou (mikrónovou) vrstvou pasivačného dielektrika, ktorá chráni tenkú štruktúru pred vonkajšími vplyvmi. Otvára len okienka pre veľké, desiatky mikrónov bočné, štvorcové kovové kontaktné plôšky, cez ktoré sa zvonku do obvodu privádzajú napájacie napätia a elektrické signály. A zospodu je mechanickou základňou mikroobvodu kremíkový plátok hrubý stovky mikrónov. Teoreticky by sa takáto schéma dala vyrobiť veľmi tenká (10–30 µm) a v prípade potreby dokonca „zrolovať do trubice“ bez straty funkčnosti. A podobná práca prebieha už nejaký čas v samostatných smeroch, hoci tradičné kryštály mikroobvodov (čipy) stále zostávajú „neohýbané“.
Po dokončení technologických postupov sa každý z kryštálov na doštičke otestuje (viac o tom v ďalšom článku) a následne sa oblátka pomocou diamantovej píly rozreže na jednotlivé kryštály (obdĺžnikové triesky) (Pred rezaním na kryštály je potrebné hr. wafer v moderných mikroprocesoroch sa zníži asi o tretinu na To umožňuje ich umiestnenie v kompaktnejších krytoch. Cieľom leštenia zadnej strany je tiež odstrániť cudzí materiál a potom vytvoriť elektrické a adhézne kontakty so substrátom, keď sú zapuzdrené.) Potom je každý čip zabalený do vlastného puzdra, čo umožňuje jeho pripojenie k iným zariadeniam. Typ balenia závisí od typu mikroobvodu a spôsobu jeho použitia. Nakoniec sú všetky zabalené čipy opäť testované (nepoužiteľné sú vyradené, dobré prechádzajú špeciálnymi záťažovými testami pri rôznych teplotách a vlhkosti, ako aj testom elektrostatického výboja), triedené podľa charakteristík a zhody s určitými špecifikáciami a expedované k zákazníkovi.
Technológia Intel Copy Exactly
Väčšina výrobcov čipov má vo výskumných a vývojových laboratóriách iné vybavenie a procesy ako v továrňach. hotové výrobky... A pri prechode výroby z experimentálnej do sériovej výroby často dochádza k závažným oneskoreniam spojeným s tým, že nové zariadenia vyžadujú výrazné úpravy a prispôsobenie technologických procesov, aby sa dosiahlo vysoké percento výťažnosti produktov, ktoré sa predtým v laboratóriách dosahovali. To nielen oneskoruje masovú výrobu, ale vedie aj k zmenám stoviek parametrov procesu a dokonca aj finálnych produktov. To isté platí, ak sa proces odladený v jednej továrni prenesie do inej s novým zariadením.
Aby sa predišlo možným nákladom, spoločnosť Intel Corporation, ktorá má už viac ako tucet tovární na výrobu polovodičov, pred niekoľkými rokmi zaviedla technológiu Copy Exactly, ktorej podstatou je, že keď sa technológia výroby produktu z laboratória do továrne alebo medzi rôznymi továrne je prenesená, úplná do najmenšieho detailu, opakovanie (duplikácia) všetkého, čo je spojené s touto procesnou technológiou. Za týmto účelom sa do vývoja produktov podieľajú najmä manažéri z tovární. A pri prenose technológie sa kopíruje doslova všetko – nielen vstupné a výstupné parametre procesov (viac ako 500!), ale aj ich priebeh, vybavenie a parametre jej nastavení, dodávatelia surovín pre technické procesy, potrubný systém, či už ide o elektrickú sieť, distribútorov a odberateľov. čisté priestory a dokonca aj metódy školenia personálu.
Táto inovatívna technika prenosu technológií sa ukázala ako veľmi úspešná. Dnes umožňuje továrňam dosiahnuť plnú kapacitu takmer okamžite po spustení – v priebehu niekoľkých týždňov. Okrem toho technológia Copy Exactly poskytuje továrňam jednej korporácie veľkú flexibilitu: plechy sa začínajú v jednom závode a plechy bez kompromisov v kvalite a výťažnosti môžu byť dokončené v inom. A v prípade havárie alebo reorganizácie jednej z fabrík jej biznis „vychytia“ iné a biznis prakticky neutrpí. Túto technológiu oceňujú aj konkurenti – napríklad AMD a IBM – aj keď momentálne nie je medzi nimi použiteľná, pretože ich technologické cesty sú mierne odlišné.
Polovodičové továrne
Čipový priemysel sa teraz chýli ku koncu s jednou z tých revolúcií, ktoré raz za desaťročie pretvoria toto odvetvie. Výrobcovia prechádzajú zo substrátov s priemerom 200 mm na substráty s priemerom 300 mm (pozri fotografiu vpravo), v dôsledku čoho je možné výrazne znížiť náklady na výrobu mikroobvodov a tým aj všetkých elektronických zariadení. polovodičové výrobky. Faktom je, že substrát s priemerom 300 mm poskytuje 225-percentné zvýšenie plochy kremíkového plátku a 240-percentné zvýšenie efektívnej výťažnosti čipu z každého substrátu. Okrem toho sa výrazne zlepšuje environmentálna výkonnosť výroby, ktorá si vyžaduje menšiu spotrebu chemikálií a energie na spracovateľa a vytvára menej odpadu. V porovnaní s továrňou bežiacou na 200 mm substrátoch Intel tvrdí, že nová továreň vyžaruje o 48 % menej VOC, používa o 42 % menej ultračistej vody a asi o 40 % menej energie. Náklady na prácu sa znížia o 50 %.
Moderné „300-mm“ továrne sú gigantické priemyselné podniky v hodnote asi 2 miliárd dolárov a rozlohe viac ako stotisíc metrov štvorcových... Len máloktorá zo súčasných spoločností vyrábajúcich čipy (pozri dvadsiatku najlepších v rámčeku na strane 34) si môže dovoliť investovať do takých drahých tovární. Na výstavbu a ďalšiu prevádzku takýchto podnikov je skutočne potrebné dosiahnuť úroveň ročného obratu najmenej 6 miliárd dolárov na továreň. Je obvyklé nazývať takéto továrne „zlievareň“ - jeden z prekladov tohto výrazu do ruštiny znamená „zlieváreň“. Názov stelesňuje kolosálny priemyselný rozsah: proces výroby šperkov z high-tech mikroprocesorových prvkov je zaradený do priemyselného prúdu, ktorého rozsah je porovnateľný iba s rozsahom výroby obrovských hutníckych dielní. V roku 2000, keď predaj čipov rástol, malo iba desať spoločností na svete tržby presahujúce 6 miliárd dolárov. Zo „starej gardy“ dnes vlastné prevádzkové továrne na výrobu čipov na 300 mm substrátoch vlastnia len Intel, IBM, Infineon, AMD, Texas Instruments a Samsung. Iné vytvárajú a riadia spoločne zoskupenia ako Motorola – Philips – STMicroelectronics – Taiwan Semiconductor. Taiwan je nesporným lídrom v plánoch na výstavbu nových tovární. Už v roku 2001 ostrov vyprodukoval pätinu celkovej svetovej produkcie substrátov a do roku 2010 môže tento podiel dosiahnuť 40 %. Čína, Malajzia a Singapur šliapu na päty Taiwanu – plánujú postaviť 15 tovární, z ktorých päť bude fungovať na 300 mm platniach.
Intel má štyri takéto továrne fungujúce v priemyselnom meradle: F11X v Rio Rancho v Novom Mexiku, dve D1C a D1D v Hillsboro v Oregone a nedávno uvedenú Fab 24 v Leixlip, Írsko. ... Všetky dokážu vyrábať procesory pomocou 90nm technológie; piaty, Fab 12 v Chandleri v Arizone, pre 65nm proces, bude do roku 2005 upgradovaný na 300mm doštičky. A napríklad AMD plánuje uviesť do prevádzky prvú 300 mm Fab 36 továreň až v r ďalší rok, pozrite si prehľad na www.terralab.ru/system/33692. Odborníci sa domnievajú, že existujúce továrne s 200 mm substrátmi budú schopné zostať „nad vodou“ až do roku 2005, potom už nebudú schopné odolávať cenovej konkurencii s 300 mm procesom. Do roku 2005 sa budú čipy vyrábať pomocou 65 nm technológie a do mikroprocesorov bude integrovaná miliarda tranzistorov! Čipy budú také malé, že sa dajú vložiť Mobilné telefóny s hlasovým vytáčaním v pere.
Prečo sú továrne na výrobu mikroobvodov také drahé (až 5 miliárd dolárov)? Najväčšie výkony majú polovodičové továrne náročné úlohy medzi všetkými fabrikami na svete. Používajú len špecializované materiály, skrutky, konštrukčné prvky, vybavenie atď. Okrem toho napríklad továrne Intelu sú takmer dvojnásobné oproti priemernej veľkosti podobných tovární na svete. Samotná budova stojí asi 25 % z celkových nákladov továrne a ešte desať rokov po výstavbe zostáva štruktúrou vhodnou na riešenie naj moderné výzvy... Zariadenia (inštalácie na fotolitografiu, nanášanie v plynnej fáze, iónová implantácia) a stroje na podlahe stoja zvyšných 75 %.
Na zabezpečenie odolnosti základov a inštalácií voči vibráciám sa vykonávajú dodatočné merania. Aj keď je továreň navonok jedna budova, v skutočnosti ide o niekoľko budov oddelených od seba malými (do 10 cm) medzerami a každá budova má svoj vlastný základ. To pomáha tlmiť rôzne vibrácie – oboje z externých zdrojov(vozidlá, vlaky) a vlastné vibrácie zariadenia.
Zaujímavé fakty o prvom 300 mm Fab 11X od Intelu
Integrovaný (mikro) obvod (IC, IC, m / c, anglicky Integrated circuit, IC, microcircuit), čip, mikročip (anglický mikročip, kremíkový čip, čip) - tenká platňa, odštiepená, odrezaná od niečoho - - pôvodne termín sa vzťahuje na dosku kryštálov čipu) - mikroelektronické zariadenie - elektronický obvod ľubovoľnej zložitosti, vyrobený na polovodičovom kryštáli (alebo filme) a umiestnený v nerozoberateľnom puzdre.
Často sa integrovaný obvod (IC) chápe ako kryštál alebo film s elektronickým obvodom a mikroobvod (MC) je integrovaný obvod uzavretý v obale. Zároveň výraz „čipové komponenty“ znamená „komponenty na povrchovú montáž“, na rozdiel od komponentov na tradičné spájkovanie cez otvory na doske. Preto je správnejšie povedať „čipový mikroobvod“, čo znamená mikroobvod na povrchovú montáž. Pre rok 2009 sa väčšina mikroobvodov vyrába v baleniach pre povrchovú montáž.
Moderné integrované obvody určené pre povrchovú montáž
Sovietske a zahraničné digitálne mikroobvody
Technológia výroby polovodičových súčiastok a integrovaných obvodov
Technológia výroby polovodičov je v súčasnosti založená na takých zložitých procesoch presného spracovania ako je foto a elektrónová litografia, oxidácia, iónovo-plazmové naprašovanie, iónová implantácia, difúzia, termokompresia atď. čistota a dokonalosť štruktúry. Na vykonávanie väčšiny technologických operácií sa používajú zariadenia, ktoré sú jedinečné svojimi vlastnosťami: opticko-mechanické, tepelné, iónové lúče. Procesy sa vykonávajú v špeciálnych bezprašných priestoroch so špecifikovanou vlhkosťou a teplotou.
Technologická cesta
Technologická cesta je sled technologických operácií na spracovanie polovodičových doštičiek používaných na výrobu tohto typu DPS alebo IO. Dokument obsahujúci popis trasy je mapa trasy. Umožňuje vám posúdiť pohyb vyrobeného zariadenia pre všetky operácie, označuje vybavenie, materiály, pracovné normy a ovládacie prvky. Vykonávanie každej technologickej operácie "je regulované prevádzkovou kartou, ktorá obsahuje popis operácie s uvedením technologických režimov výroby konštrukcie alebo zariadenia a technologického zariadenia. Technologické postupy výroby rôznych DPS a IO sú rôznorodé. Množstvo všeobecných technologických operácií a je možné rozlíšiť ich približne identickú sekvenciu Typická cesta výroby plenárneho PCB alebo IMS je určená sekvenciou niekoľkých základných operácií.
1. Príprava tanierov. Počiatočné polovodičové doštičky - epitaxné štruktúry, napríklad typu nn +, alebo monokryštalické substráty s elektrickou vodivosťou typu n alebo p, získané ako polotovar od výrobcu, sa podrobia čisteniu, umývaniu, leptaniu, aby odstráňte z povrchu platne nečistôt a prachových častíc. Vrstva s elektrickou vodivosťou typu n v epitaxnej n-n + - štruktúre bude tvoriť kolektorovú oblasť v budúcich tranzistoroch (obr. 1.1, a).
2. Vytvorenie topologického výkresu. Aby sa v epitaxnej štruktúre vytvorili oblasti s elektrickou vodivosťou typu p, je potrebné zabezpečiť lokálnu difúziu cez okná - otvory v ochrannej maske. Tieto okná sú dimenzované pomocou procesu fotolitografie. Antidifúzna maska je film oxidu kremičitého. Jeho pestovanie je nevyhnutnou etapou v rovinnom procese. Film oxidu kremičitého 7 Si02 s hrúbkou 0,3-1,0 μm spoľahlivo chráni štruktúru pred účinkami mnohých vonkajšie faktory a difúziu nečistôt. Na film sa nanesie vrstva fotorezistu - fotoemulzia, exponuje sa ultrafialovému svetlu cez fotomasku obsahujúcu veľa rovnakých obrázkov báz tranzistorov s danou konfiguráciou a rozmermi. Exponované oblasti fotorezistu sa exponujú a exponovaný film Si02 sa odstráni. Okno otvorené pre základnú difúziu je znázornené na obr. 1.1, b.
3. Získanie pn-kružnice základňa - kolektor. Na presné dávkovanie množstva nečistoty vnesenej do kryštálu - atómov bóru pri vytváraní oblasti p-báz - sa využíva proces iónovej implantácie, ktorý spočíva vo vnesení urýchlených iónov do povrchu kryštálu. Vrstva fotorezistu slúži ako ochranná maska, pretože ióny vnorené do fotorezistu sa nedostanú na povrch oxidu. Na vytvorenie základnej oblasti a p-p-spojky kolektor-báza v požadovanej hĺbke sa používa následná difúzna destilácia zabudovaných atómov bóru. Vykonáva sa v oxidačnom prostredí pri vysokých teplotách. V dôsledku toho sa vytvorí základná oblasť s hĺbkou 2 až 3 μm a na povrchu základnej oblasti narastie film Si02 s hrúbkou 0,3 až 0,5 μm (obrázok 1.1, c).
4. Získanie žiariča p-n-nepexoda - základ. Najprv sa vytvorí topologický vzor oblastí žiariča pomocou procesu fotolitografie cez film Si02 nad základnou oblasťou. Súčasne sa otvoria okná, ktoré definujú konfiguráciu kontaktov kolektora 8. Fotorezist sa odstráni a uskutoční sa difúzia fosforu s vysokou koncentráciou do malej hĺbky (do 1-1,5 mikrónu) (obrázok 1.1, d).
5. Kontaktná metalizácia. Pre napojenie na oblasti žiariča, základne a kolektora elektrických prívodov je potrebné pokovovať kontaktné plochy. Predbežne sa vykonáva fotolitografické spracovanie štruktúry na odstránenie filmu oxidu z požadovaných oblastí. Potom sa pomocou tepelného odparovania vo vákuu na celý povrch dosky nastrieka vrstva kovu (napríklad hliníka) s hrúbkou asi 1 μm, cez ktorú sa uskutoční ďalší proces fotolitografie na odstránenie prebytočného kovu medzi kontaktmi. oblasti. Štruktúra kontaktnej metalizácie je znázornená na obr. 1.1, d.Pri výrobe IO sa rovnakým spôsobom vytvárajú tenkovrstvové pasívne prvky - odpory, kondenzátory a spínajú sa aj tranzistory.
6. Montáž a tesnenie. Doska obsahuje niekoľko stoviek až desaťtisíce jednotlivých tranzistorov. Je narezaný na samostatné štruktúry v tomto štádiu nazývané kryštály. Na obr. 1.1, f znázorňuje topológiu takéhoto kryštálu s kontaktnou metalizáciou. Kryštál sa prispájkuje na držiak kryštálu, prevedie sa elektroinštalácia - pripojenie elektrických vodičov ku kontaktom základne, žiariča a kolektora - a utesní sa umiestnením do kovového puzdra alebo vyplnením plastom.
7. Testovanie zariadení. Posúdiť parametre a spoľahlivosť zariadení pred ich vstupom na oddelenie technická kontrola vykonávať elektrické, klimatické a mechanické skúšky. Sú nevyhnutné pre správne informácie o kvalite a spoľahlivosti zariadení. Každá technologická operácia je navyše sprevádzaná kontrolou kvality spracovania, napríklad meraním hĺbky difúzie, hrúbky epitaxnej vrstvy, rezistivity či povrchového odporu. Po vytvorení spojov v konštrukcii sa sledujú elektrické parametre - prierazné napätie, zvodový prúd, kapacita. Súčasťou technologickej trasy sú špeciálne regulačné diagramy.
Uvažovaná postupnosť operácií je typická pre výrobu planárno-epitaxiálneho tranzistora. Klasifikácia zariadení je založená na technologickej metóde vytvárania aktívnych oblastí štruktúry. Na tomto základe sa rozlišujú zliatinové, difúzne, epitaxné, implantačné diskrétne PCB, ako aj ich modifikácie, napríklad zliatinové difúzne atď. Väčšina moderných zariadení sa vyrába na epitaxných štruktúrach. Aktívne oblasti sa vytvárajú pomocou iónovej implantácie a difúzie. MOS tranzistory sú vyrábané na monokryštálových substrátoch bez epitaxnej vrstvy planárnymi metódami. technológie. Neplanárne difúzne a epitaxné spojenia sa používajú pri výrobe výkonových diód a tranzistorov.
Stupeň integrácie.
V závislosti od stupňa integrácie (je uvedený počet prvkov pre digitálne obvody) boli navrhnuté nasledujúce názvy mikroobvodov:
Malý integrovaný obvod (MIS) - až 100 prvkov na čip.
Medium Integrated Circuit (SIC) - až 1000 prvkov na čip.
Veľký integrovaný obvod (LSI) - až 10 000 prvkov na čip.
Ultra-veľký integrovaný obvod (VLSI) - až 1 milión prvkov na čip.
Ultra-veľký integrovaný obvod (UBIS) – až 1 miliarda prvkov na čip.
Gigabajtový rozsiahly integrovaný obvod (GBIS) – viac ako 1 miliarda prvkov v čipe.
V súčasnosti sa názov GBIS prakticky nepoužíva (napr. posledné verzie procesorov Pentium 4 stále obsahujú niekoľko stoviek miliónov tranzistorov) a všetky obvody s počtom prvkov nad 10 000 sú klasifikované ako VLSI, pričom UBIS je jeho podtriedou. .
Technológia výroby.
Polovodičový mikroobvod - všetky prvky a medziprvkové spojenia sú vyrobené na jednom polovodičovom kryštáli (napríklad kremík, germánium, arzenid gália).
Filmový mikroobvod - všetky prvky a medziprvkové spojenia sú vyrobené vo forme filmov:
· Hrubovrstvový integrovaný obvod;
· Tenkovrstvový integrovaný obvod.
Hybridný mikroobvod - okrem polovodičového kryštálu obsahuje niekoľko nerozbalených diód, tranzistorov a (alebo) iných elektronických súčiastok umiestnených v jednom balení.
Typ spracovávaného signálu.
Analógové
digitálny
Analógovo-digitálny
Analógové mikroobvody - vstupné a výstupné signály sa menia podľa zákona spojitej funkcie v rozsahu od kladného po záporné napájacie napätie.
Digitálne mikroobvody - vstupné a výstupné signály môžu mať dve hodnoty: logickú nulu alebo logickú jednotku, z ktorých každá zodpovedá určitému rozsahu napätia. Napríklad pre mikroobvody TTL s napájaním +5 V rozsah napätia 0 ... 0,4 V zodpovedá logickej nule a rozsah 2,4 ... 5 V zodpovedá logickej jednotke. Pre logické mikroobvody ECL s napájaním 5,2 V: logická jednotka je 0,8 ... 1,03 V a logická nula je 1,6 ... 1,75 V. Analógovo-digitálne mikroobvody kombinujú formy digitálneho a analógového spracovania signálu . Ako technológia napreduje, stáva sa čoraz rozšírenejším.
Ryža. 1 Informačno-logický model pre návrh rádioelektronických zariadení
Ryža. 2 Detail bloku "Vývoj štruktúry REU pomocou komplexného modelovania"
Ryža. 3. Detail bloku "Komplexné modelovanie fyzikálnych procesov v PRUE"
Ryža. 4. Spresnenie bloku "Výskum spoľahlivosti REU"
Vyhľadávanie
Môžeme vás informovať o nových článkoch,