Ігнасіо Мартіль
Професор електроніки в Університеті Комплутенсе в Мадриді і член Королівського іспанського фізичного товариства
Інтегральна схема, яку в англосаксонській термінології називають «чіпом», є одним із пристроїв, який найбільше вплинув на наше повсякденне життя. Такі пристрої, як мобільний телефон, персональний комп'ютер, перегляд Інтернету, навіть сучасні автомобілі, були б немислимими без інтегральної схеми (ІС). Виготовлення одного з них - надзвичайно складна і делікатна процедура, в якій сходяться велика кількість процесів, різних матеріалів, правил дизайну тощо. Під мікроелектронною технологією, яка робить це можливим, слід розуміти сукупність правил проектування, матеріалів та технологічних процесів, які, застосовувані в певній послідовності, дозволяють отримати один із таких пристроїв. Залежно від конкретного застосування, до якого він повинен застосовуватися, кількість технологічних етапів, які необхідно виконати для його виготовлення, може значно перевищувати число 500.
У попередній статті я описав її витоки та подальший розвиток. У цьому я зосереджуся на описі вимог, яким має відповідати виробниче середовище, основних задіяних процесів та кінцевого результату: ІС.
1. Навколишнє середовище: чиста кімната"
Перше, що виділяється в процесі отримання ІС, - це вимога до чистоти навколишнього середовища, де вони виробляються, що вкрай обмежує. Це середовище називають "чистою кімнатою", а умови в ньому такі, що для порівняння операційна (місце надзвичайної асептики) виглядає як трясовина.
Для досягнення цих умов надзвичайно високої чистоти чисте приміщення повинно бути частково герметичним місцем, де повітря, що потрапляє в нього, попередньо фільтрується для усунення значної частини частинок пилу, які знаходяться у суспензії в звичайній атмосфері. Поряд із цим процесом фільтрації оператори, що відповідають за роботу та роботу всередині, повинні носити спеціальні костюми, що запобігають контакт людської шкіри з навколишнім середовищем, оскільки тіло постійно викидає мертві клітини шкіри, волосся тощо. Усі вони можуть забруднити виробниче середовище та зробити ІС нежиттєздатною.
На наступному малюнку показано схематичне та фактичне зображення чистої кімнати:
Чисті приміщення класифікуються за ступенем чистоти навколишнього середовища в різних класах, після чого йде число, яке вказує кількість частинок у суспензії в кожному кубічному метрі повітря; чим нижчий клас, тим менша кількість часток і, отже, вища чистота виробничого середовища [1]. У чистому приміщенні розташовані всі машини, необхідні для виготовлення мікросхеми, процес яких я опишу дуже схематично нижче.
2. Усередині чистої кімнати: процеси
Сукупність технологій, матеріалів, правил дизайну тощо. участь у виготовленні ІС надзвичайно складна. На малюнку представлена схема послідовності виготовлення одного такого пристрою:
Принципова схема різних фаз виробництва ІС, починаючи від проектування, закінчуючи виготовленням, інкапсуляцією та остаточним випробуванням. Всі процеси, що знаходяться в центральному прямокутнику зображення, виконуються всередині чистої кімнати
По суті, ІС - це пристрій, який включає в один шматок напівпровідника (який у переважній більшості комерційних ІС є кремній), званий пластиною, безліч елементів електронної схеми: резистори, конденсатори, транзистори різні типи, що з’єднують між собою метали, шари ізоляції між елементами тощо. Щоб визначити кожен із цих компонентів, а також їх взаємозв'язки, необхідно виконати ряд операцій, які, по суті, є наступними:
i) Допінг ("Імплантат")
Цей процес вибірково включає у пластину атоми елементів, відмінних від кремнію, що дозволяє регульовано змінювати її електричні властивості. Це здійснюється за допомогою іонних імплантаторів, машин, що генерують іони хімічних елементів, що підлягають включенню, прискорюючи їх до дуже високих енергій. Прискорені іони вбудовуються в кремній, встигаючи змінити його електричні властивості.
ii) Фотолітографія з визначенням компонентів (“Фотолітографія”)
Етимологічно "фотолітографія" означає травлення світлом (фотонами) на камені, тобто на напівпровідниковій пластині. Це один з найважливіших і найважливіших кроків у виробництві ІС. За допомогою фотолітографії на поверхню напівпровідника передаються геометричні візерунки, що дозволяють визначити складові елементи, їх взаємозв'язки та електричну ізоляцію між ними. Фотолітографічні процеси є вузьким місцем мікроелектронних технологій, і його вражаючий розвиток в значній мірі призвів до того, що розміри компонентів настільки дивно малі. На наступному зображенні я показую деякі деталі цього процесу:
iii) Процеси селективного захоронення (“Etch”)
Цей процес дозволяє контрольовано видаляти шари металів або ізолятори з небажаних ділянок у попередньо визначених зонах ІС.
iv) Ізоляція ("Діелектричне осадження")
Етап, через який наносяться дуже тонкі шари ізоляційних матеріалів, щоб уникнути небажаних взаємозв’язків між активними елементами ІС. Вирішальне значення має врахування того, наскільки надзвичайно закриті пристрої.
v) Взаємозв’язки (“Металізація”)
Це процес, подібний до попереднього, але його проводять із шарами провідних матеріалів для того, щоб з'єднати між собою різні елементи ІС. Процеси ізоляції та металізації вимагають методів плануризації (“Хіміко-механічна планаризація (КМП)”), оскільки існує кілька шарів взаємозв’язку, важливо гарантувати рівність наступних стадій, щоб не порушити наступні. Крім того, ці процеси, разом з допінгом та фотолітографією, повинні проводитися з різним нагріванням ("Темальний процес") в контрольованих атмосферах, щоб бути оптимальними.
vi) Інкапсуляція та остаточне випробування (“Упаковка” та “Тест”)
Нарешті, вже виготовлені мікросхеми випробовуються на пластині, окремо відокремлюються, інкапсулюються, перевіряються і готові до використання.
Всі описані процеси повинні бути повторені багато разів для виготовлення ІС. Щоб досягти функціонального пристрою із заздалегідь визначеними характеристиками як кінцевий результат, необхідно виконати попередній процес проектування для кожного з етапів виготовлення та масок, що використовуються у фотолітографічних процесах, що робить це можливим.
Дуже велика кількість компонентів, до складу яких входять діючі ІС, настільки велика, що для з’єднання транзисторів між собою необхідно визначити послідовні шари металізації разом із відповідними шарами ізоляції між ними, оскільки з одним шаром це було б неможливо правильно з'єднати всі з них. У передових технологіях кількість шарів або «поверхів» може досягати десяти. У наступному відео ви можете побачити відео, яке поступово відображає внутрішню частину одного з цих пристроїв:
Неважко уявити високі витрати на створення заводу, здатного здійснити це справжнє диво техніки. В даний час інвестиції у фабрику мікросхем значно перевищують 1000 мільйонів євро, а вартість кожного обладнання, необхідного для виконання кожного з етапів, описаних у попередньому розділі, може перевищувати мільйон євро.
Технічне обслуговування приміщень також є дуже дорогим (фільтри в чистому приміщенні, роздягальні, обслуговування обладнання з різними витратними матеріалами тощо). Окремо слід сказати про високу чистоту, яку повинні мати усі витратні матеріали, це є критичним аспектом при роботі з напівпровідниками, що логічно обертається більшими витратами. До цього слід додати витрати на робочу силу, також високі, враховуючи високу підготовку, яку повинні виконувати оператори. Вся ця панорама означає, що є дуже мало країн, де існують фабрики ІС. Насправді з початку 90-х років минулого століття концепція виробника "без заводу" ("безпроблемного") стала загальною, тобто галузями, які проектують повну ІС, але які доручають її реалізацію іншому виробник, який зазвичай встановлюється в якійсь країні на Далекому Сході через низькі витрати на робочу силу. Наприклад, у галузі мобільних телефонів це стосується іспанського виробника BQ.
3. Межі електронних технологій: кінець закону Мура?
Кінцевим результатом цієї дивовижної та надзвичайно складної комбінації технологій та процесів є, як уже зазначалося, IC. Найдосконаліші на даний момент продукти інтегруються в число транзисторів, що перевищує 1000 мільйонів. На малюнку зображено фотографію процесора Pentium 4, дуже відомого в першому десятилітті цього століття:
Зображення, отримане під мікроскопом високої роздільної здатності Pentium 4 Prescott, виготовлене гігантською компанією Intel. На мікросхемі на зображенні 125 мільйонів транзисторів у просторі 12 х 12 мм 2 .
З моменту свого винаходу еволюція розміру кожного транзистора та їх кількості, яку включає кожна мікросхема, дотримується того, що називається законом Мура, законом, який виконується з вражаючою точністю з 1965 року, коли Гордон Мур, засновників Intel проголошували її до недавнього часу. Однак останніми роками, здається, термін дії цього закону, здається, закінчується. На рисунку показано, що відбувається в ІС, коли кількість транзисторів досягає значення понад мільйон:
Закон Мура і швидкість обробки ІМС від початку до теперішнього часу
Графік вказує на те, що з 2005 року збільшення кількості транзисторів вже не перетворилося на збільшення швидкості мікросхеми; насправді приріст згаданої швидкості був у стагнації з того року. З іншого боку, скорочення транзисторів не зможе тривати нескінченно довго, тому кількість транзисторів на ІС також буде стагнувати через кілька років. Тоді виникає питання: які наслідки може мати цей застій?
"Дорожня карта" виробничої галузі ІС (Міжнародна технологічна дорожня карта для напівпровідників) нещодавно визначила план досліджень та розробок, який вперше з моменту свого створення не зосереджений на законі Мура. До цих пір процес, на якому слідували заводи ІС, був таким: спочатку ІС був розроблений, а потім задумався, де і як його використовувати. Відтепер великі виробники дотримуватимуться зворотної стратегії, яка в середині відома як "Більше, ніж Мур". По суті, він складається із зосередження уваги на основних додатках ІС (смартфонів, суперкомп’ютерів та обробки даних, пов’язаних із хмарною хмарою та великими даними), а потім проектування ІС, здатних відповідати встановленим вимогам.
У будь-якому випадку, застій у швидкості процесу не буде означати зменшення продуктивності та потужностей ІС. Щось подібне сталося з еволюцією моторних транспортних засобів; Автомобілі, які кружляли по дорогах 70-х і 80-х років (Seat 1430, Renault 12 та ін.), Досягали максимальних швидкостей, подібних до нинішніх Seat León або Renault Megane, але останні є абсолютно різними транспортними засобами, як за задумом, так і за технології безпеки, виробництво тощо. Щось подібне відбудеться із ІС найближчим часом.
[1] Рекомендую читачеві, якого цікавить це питання, прочитати цю статтю.