З чого зроблено мікросхеми. Устаткування для виробництва мікросхем. Технологія створення. Як влаштований кмоп-транзистор

Сучасний світ настільки комп'ютеризований, що наше життя практично не уявляється без існування електронних приладів, які супроводжують нас у всіх сферах нашого життя та діяльності.
А прогрес не стоїть на місці, а продовжується безперервно вдосконалюватися: пристрої зменшуються і стають потужнішими, ємнішими і продуктивнішими. В основі цього процесу знаходиться технологія виробництва мікросхем, що являє собою у спрощеному варіанті з'єднання декількох без корпусних діодів, тріодів, транзисторів, резисторів та інших активних електронних компонентів (іноді їх число в одній мікросхемі досягає декількох мільйонів), об'єднаних однією схемою.

Напівпровідникові кристали (кремній, германію, оксид гафнію, арсенід галію) є основою виробництва всіх мікросхем. На них виконуються всі елементні та міжелементні з'єднання. Найпоширенішим з них є кремній, оскільки він за своїми фізико-хімічними якостями найбільше підходить для цих цілей напівпровідником. Справа в тому, що напівпровідникові матеріали відносяться до класу з електричною провідністю між провідниками та ізоляторами. І можуть виступати в ролі провідників та діелектриків залежно від вмісту в них інших хімічних домішок.

Мікросхеми створюються шляхом послідовного створення різних шарів на тонкій напівпровідниковій пластині, які попередньо поліруються та доводяться механічними або хімічними способамидо дзеркального блиску. Поверхня її обов'язково має бути абсолютно гладкою на атомному рівні.

Відео-етапи виробництва мікросхеми:

При формуванні шарів, тому що малюнки наносяться на поверхню пластини настільки малі, тому матеріал формує згодом малюнок беруть в облогу відразу на всю поверхню, а потім видаляють непотрібне, використовуючи процес фотолітографії.

Фотолітографія є одним із головних етапів виробництва мікросхеми і чимось нагадує виробництво фотографії. На поверхню раніше нанесеного матеріалу також рівним шаром наноситься спеціальний світлочутливий матеріал (фоторезист), потім він висушується. Далі через спеціальний фотошаблон на поверхню шару проектується потрібний малюнок. Під впливом ультрафіолету окремі ділянки фоторезиста змінюють свої властивості – міцнішає, тому неопромінені ділянки згодом видаляються. Цей спосіб нанесення малюнка є настільки ефективним за своєю точністю, що ще використовуватиметься довгий час.

Далі слідує процес електричного з'єднання між транзисторами в мікросхемах, що об'єднують транзистори в окремі осередки, а осередки в окремі блоки. Межсоединения створюються кілька металевих шарів закінчених мікросхем. Як матеріали у виробництві шарів використовується переважно мідь, а особливо продуктивних схем використовується золото. Кількість шарів електричних з'єднань залежить від потужності і продуктивності створюваної мікросхеми - чим вона потужніша тим більше містить у собі цих шарів.

Таким чином виходить складна тривимірна структура електронної мікросхеми завтовшки кілька мікронів. Потім електронну схему покривають шаром діелектричного матеріалу завтовшки кілька десятків мікронів. У ньому лише відкривають лише контактні майданчики, через які згодом подаються в мікросхему живлення та електричні сигнали ззовні. Знизу кріпиться крем'яна пластина завтовшки сотні мікрон.

Після закінчення процесу виробництва кристали на пластині тестуються кожна окремо. Потім кожен чіп упаковується в свій корпус, за допомогою якого з'являється можливість підключення його до інших приладів. Безперечно тип упаковки залежить від призначення мікросхеми та способів її використання. Запаковані чіпи проходять основний етап стрес тесту: вплив температури, вологості, електрики. І вже за результатами тесту відбраковуються, сортуються та класифікуються за специфікаціями.

Важливим у процесі виробництва деталей мікрорівня, якими є мікросхеми, - це ідеальна чистота приміщень для виробництва. Тому для забезпечення ідеальної чистоти використовуються спеціально-обладнані приміщення, які в першу чергу є повністю герметичними, оснащені мікрофільтрами для очищення повітря, персонал, який працює в цих приміщеннях, має спецодяг, що перешкоджає проникненню туди якихось мікрочастинок. Крім того, в таких приміщеннях забезпечується певна вологість, температура повітря, будуються вони на фундаментах із захистом від вібрацій.

Відео - екскурсія на завод де виробляють мікросхеми:

назад

Уперед -

У вас є бізнес ідея? На нашому сайті Ви можете розрахувати її Рентабельність у режимі Онлайн!

Без чого важко уявити існування сучасної людини? Звісно, ​​без сучасної техніки. Деякі речі так увійшли в наше життя, так набридли. Інтернет, телевізор, мікрохвильові печі, холодильники, пральні машини– без цього важко уявити сучасний світі, звісно, ​​себе у ньому.

Що робить практично всю сьогоднішню техніку по-справжньому корисною та потрібною?

Який винахід надав прогресу найширші можливості?

Одне з незамінних відкриттів людини - технологія виробництва мікросхем.

Завдяки їй сучасна технікамає такі невеликі розміри. Вона компактна та зручна.

Всі ми знаємо, що в будинку може вміститися безліч речей, що складаються з мікросхем. Багато хто з них міститься в кишені штанів і має незначну вагу.

Тернистий шлях

Щоб досягти результату та отримати мікросхему, вчені працювали довгі роки. Початкові схеми мали величезні за нинішніми мірками розміри, вони були більшими і важчими за холодильник, при якому сучасний холодильник не складається суцільно зі складних і заплутаних схем. Нічого подібного! У ньому є одна маленька, але перевершує за своєю корисністю старі та громіздкі. Відкриття справило фурор, давши поштовх подальшого розвиткунауки та техніки, прорив був зроблений. Устаткування виробництва мікросхем випущено.

Устаткування

Виробництво мікросхем є непростим завданням, але благо в людини є ті технології, які максимально спрощують завдання виробництва. Незважаючи на складність, щодня випускається безліч мікросхем по всьому світу. Вони постійно вдосконалюються, набувають нових особливостей і підвищених характеристик. Як з'являються ці маленькі, але розумні системи? У цьому допомагає обладнання для виробництва мікросхем, про яке, власне, йдеться далі.

Під час створення мікросхем використовуються системи електрохімічного осадження, камери відмивання, лабораторні окислювальні камери, системи електроосадження міді, фотолітографічне та інше технологічне обладнання.

Фотолітографічне обладнання є найдорожчим та найточнішим у машинобудуванні. Воно відповідає за створення зображень на кремнієвій підкладці для вироблення наміченої топології мікросхеми. На тонкий шар матеріалу наноситься фоторезист, який згодом піддається опроміненню фотошаблоном і оптичною системою. У процесі роботи устаткування відбувається зменшення розмірів елементів малюнка.

У системах позиціонування провідну роль відіграє лінійний електродвигун і лазерний інтерферометр, що часто мають зворотний зв'язок. Але, наприклад, у технології, розробленій московською лабораторією "Амфора", такий зв'язок відсутній. Це вітчизняне обладнання має більш точне переміщення та плавне повторення з обох боків, що унеможливлює люфт.

Спеціальні фільтри захищають маску від нагрівання, що походить від області глибокого ультрафіолету, переносячи температуру за 1000 градусів протягом довгих місяців роботи.

Низькоенергетичні іони освоюють у нанесенні на багатошарові покриття. Раніше цю роботу виконували виключно методом магнетронного розпилення.

Технологія виробництва мікросхем

Починається весь процес створення з підбору напівпровідникових кристалів. Найактуальнішим є кремній. Тонку напівпровідникову пластину начищають до дзеркального відображення в ній. Надалі обов'язковим етапом створення буде фотолітографія із застосуванням ультрафіолету при нанесенні малюнка. У цьому допомагає верстат виробництва мікросхем.

Що таке мікросхема? Це такий багатошаровий пиріжок із тонких кремнієвих пластин. На кожну з них нанесено певний малюнок. Цей малюнок і створюється на етапі фотолітографії. Пластини обережно поміщають у спеціальне обладнанняіз температурою понад 700 градусів. Після випалу їх промивають водою.

Процес створення багатошарової пластини триває до двох тижнів. Фотолітографію проводять багато разів аж до досягнення необхідного результату.

Створення мікросхем у Росії

Вітчизняні вчені у цій галузі також мають власні технології виробництва цифрових мікросхем. По всій країні працюють заводи відповідного профілю. На виході технічні характеристикимало чим поступаються конкурентам з інших країн. Віддають перевагу російським мікросхемам у кількох державах. Все завдяки зафіксованій ціні, яка менша, ніж у західних виробників.

Необхідні складові випуску якісних мікросхем

Мікросхеми створюються у приміщеннях, обладнаних системами, що контролюють чистоту повітря. На всьому етапі створення спеціальні фільтри збирають інформацію та обробляють повітря, тим самим роблячи його чистішим, ніж в операційних. Працівники з виробництва носять спеціальні захисні комбінезони, які часто обладнані системою внутрішньої подачі кисню.

Виробництво мікросхем є прибутковим бізнесом. Хороші фахівці у цій галузі завжди затребувані. Практично вся електроніка функціонує з допомогою мікросхем. Ними оснащуються сучасні автомобілі. Космічні апарати не змогли б функціонувати без наявності в них мікросхем. Процес одержання регулярно удосконалюється, якість покращується, можливості розширюються, термін придатності зростає. Мікросхеми будуть актуальними протягом довгих десятків, а то й сотень років. Головне їх завдання - приносити користь на Землі та поза нею.

Як роблять мікросхеми

Щоб зрозуміти, у чому полягає основна відмінність між цими двома технологіями, необхідно зробити короткий екскурс у саму технологію виробництва сучасних процесорів чи інтегральних мікросхем.

Як відомо зі шкільного курсу фізики, у сучасній електроніці основними компонентами інтегральних мікросхем є напівпровідники p-типу та n-типу (залежно від типу провідності). Напівпровідник - це речовина, що за провідністю перевершує діелектрики, але поступається металам. Основою напівпровідників обох типів може служити кремній (Si), який у чистому вигляді(так званий власний напівпровідник) погано проводить електричний струм, проте додавання (впровадження) до кремнію певної домішки дозволяє радикально змінити його провідні властивості. Існує два типи домішки: донорна та акцепторна. Донорна домішка призводить до утворення напівпровідників n-типу c електронним типомпровідності, а акцепторна до утворення напівпровідників p-типу з дірковим типом провідності. Контакти p- і n-напівпровідників дозволяють формувати транзистори основні структурні елементи сучасних мікросхем. Такі транзистори, звані КМОП-транзисторами, можуть перебувати у двох основних станах: відкритому, коли вони проводять електричний струм, і замкненим при цьому вони електричний струм не проводять. Оскільки КМОП-транзистори є основними елементами сучасних мікросхем, поговоримо про них докладніше.

Як влаштований КМОП-транзистор

Найпростіший КМОП-транзистор n-типу має три електроди: витік, затвор і стік. Сам транзистор виконаний у напівпровіднику p-типу з дірковою провідністю, а в областях стоку та витоку формуються напівпровідники n-типів з електронною провідністю. Природно, що за рахунок дифузії дірок з p-області в n-область та зворотної дифузії електронів з n-області в p-область на межах переходів p-і n-областей формуються збіднені шари (шари, в яких відсутні основні носії зарядів). У звичайному стані, тобто коли до затвора не прикладається напруга, транзистор знаходиться в замкненому стані, тобто не здатний проводити струм від витоку до стоку. Ситуація не змінюється, навіть якщо прикласти напругу між стоком і витоком (при цьому ми не беремо до уваги струми витоку, викликані рухом під впливом неосновних носіїв заряду, що формуються електричних полів, тобто дірок для n-області і електронів для p-області).

Однак якщо до затвора додати позитивний потенціал (рис. 1), то ситуація докорінно зміниться. Під впливом електричного полязатвора дірки виштовхуються в глибину p-напівпровідника, а електрони, навпаки, втягуються в область під затвором, утворюючи збагачений електронами канал між витоком і стоком. Якщо прикласти до затвора позитивну напругу, ці електрони починають рухатися від початку до стоку. При цьому транзистор проводить струм, кажуть, що транзистор «відкривається». Якщо напруга з затвора знімається, електрони перестають втягуватися в область між витоком і стоком, канал, що проводить, руйнується і транзистор перестає пропускати струм, тобто «замикається». Таким чином, змінюючи напругу на затворі, можна відкривати або замикати транзистор, аналогічно тому, як можна вмикати або вимикати звичайний тумблер, керуючи проходженням струму ланцюгом. Саме тому транзистори іноді називають електронними перемикачами. Однак, на відміну від звичайних механічних перемикачів, КМОП-транзистори практично безінерційні і здатні переходити з відкритого в замкнений стан трильйони разів на секунду! Саме цією характеристикою, тобто здатністю миттєвого перемикання, і визначається, зрештою, швидкодія процесора, що складається з десятків мільйонів таких найпростіших транзисторів.

p align="justify"> Отже, сучасна інтегральна мікросхема складається з десятків мільйонів найпростіших КМОП-транзисторів. Зупинимося докладніше на процесі виготовлення мікросхем, перший етап якого отримання кремнієвих підкладок.

Крок 1. Вирощування болванок

Створення таких підкладок починається з вирощування циліндричного формою монокристалу кремнію. Надалі з таких монокристалічних заготовок (болванок) нарізають круглі пластини (wafers), товщина яких становить приблизно 1/40 дюйма, а діаметр 200 мм (8 дюймів) або 300 мм (12 дюймів). Це і є кремнієві підкладки, що служать для виробництва мікросхем.

При формуванні пластин з монокристалів кремнію враховується та обставина, що для ідеальних кристалічних структур Фізичні властивостізначною мірою залежить від обраного напрями (властивість анізотропії). Наприклад, опір кремнієвої підкладки буде різним у поздовжньому та поперечному напрямках. Аналогічно, залежно від орієнтації кристалічних ґрат, кристал кремнію буде по-різному реагувати на будь-які зовнішні впливи, пов'язані з його подальшою обробкою (наприклад, травлення, напилення тощо). Тому пластина повинна бути вирізана з монокристалу таким чином, щоб орієнтація кристалічної решітки щодо поверхні була витримана в певному напрямку.

Як зазначалося, діаметр заготівлі монокристалу кремнію становить або 200, або 300 мм. Причому діаметр 300 мм це відносно нова технологія, про яку ми розповімо нижче. Зрозуміло, що на пластині такого діаметра може розміститися далеко не одна мікросхема, навіть якщо йдеться про процесор Intel Pentium 4. Дійсно, на одній подібній пластині-підкладці формується кілька десятків мікросхем (процесорів), але для простоти ми розглянемо лише процеси, що відбуваються на невеликій ділянці одного майбутнього мікропроцесора.

Крок 2. Нанесення захисної плівки діелектрика (SiO2)

Після формування кремнієвої підкладки настає етап створення найскладнішої напівпровідникової структури.

Для цього в кремній потрібно впровадити так звані донорну та акцепторну домішки. Однак виникає питання, як здійснити впровадження домішок за точно заданим малюнком-шаблоном? Для того щоб це стало можливим, ті області, куди не потрібно впроваджувати домішки, захищають спеціальною плівкою. діоксиду кремнію, Залишаючи оголеними тільки ті ділянки, які піддаються подальшій обробці (рис. 2). Процес формування такої захисної плівки потрібного малюнка складається з кількох етапів.

На першому етапі вся пластина кремнію покривається тонкою плівкою діоксиду кремнію (SiO2), який є дуже хорошим ізолятором і виконує функцію захисної плівки при подальшій обробці кристала кремнію. Пластини поміщають у камеру, де при високій температурі(від 900 до 1100 °С) і тиск відбувається дифузія кисню в поверхневі шари пластини, що призводить до окислення кремнію і до утворення поверхневої плівки діоксиду кремнію. Для того, щоб плівка діоксиду кремнію мала точно задану товщину і не містила дефектів, необхідно суворо підтримувати постійну температуру у всіх точках пластини в процесі окислення. Якщо плівкою з діоксиду кремнію повинна бути покрита не вся пластина, то попередньо на кремнієву підкладку наноситься маска Si3N4, що запобігає небажаному окисленню.

Крок 3. Нанесення фоторезистива

Після того, як кремнієва підкладка покриється захисною плівкою діоксиду кремнію, необхідно видалити цю плівку з тих місць, які будуть піддаватися подальшій обробці. Видалення плівки здійснюється за допомогою травлення, а для захисту інших областей від травлення поверхню пластини наноситься шар так званого фоторезиста. Терміном «фоторезисти» позначають світлочутливі та стійкі до дії агресивних факторів склади. Склади, що застосовуються, повинні володіти, з одного боку, певними фотографічними властивостями (під впливом ультрафіолетового світла ставати розчинними і вимиватися в процесі травлення), а з іншого резистивними, що дозволяють витримувати травлення в кислотах і лугах, нагрівання і т.д. Основне призначення фоторезистів створення захисного рельєфу потрібної конфігурації.

Процес нанесення фоторезиста та його подальше опромінення ультрафіолетом по заданому малюнку називається фотолітографією і включає такі основні операції: формування шару фоторезиста (обробка підкладки, нанесення, сушіння), формування захисного рельєфу (експонування, прояв, сушіння) та передача зображення на підкладку (травлення, напилення) і т.д.).

Перед нанесенням шару фоторезиста (мал. 3) на підкладку остання піддається попередньої обробки, внаслідок чого покращується її зчеплення із шаром фоторезиста. Для нанесення рівномірного шару фоторезисту використовується метод центрифугування. Підкладка поміщається на диск, що обертається (центрифуга), і під впливом відцентрових сил фоторезист розподіляється по поверхні підкладки практично рівномірним шаром. (Говорячи про практично рівномірний шар, враховують ту обставину, що під дією відцентрових сил товщина плівки, що утворюється, збільшується від центру до країв, однак такий спосіб нанесення фоторезиста дозволяє витримати коливання товщини шару в межах ±10%.)

Крок 4. Літографія

Після нанесення та сушіння шару фоторезиста настає етап формування необхідного захисного рельєфу. Рельєф утворюється в результаті того, що під дією ультрафіолетового випромінювання, що потрапляє на певні ділянки шару фоторезиста, останній змінює властивості розчинності, наприклад освітлені ділянки перестають розчинятися в розчиннику, які видаляють ділянки шару, що не піддалися освітленню, або навпаки освітлені у. За способом утворення рельєфу фоторезисти ділять на негативні та позитивні. Негативні фоторезисти під впливом ультрафіолетового випромінювання утворюють захисні ділянки рельєфу. Позитивні фоторезисти, навпаки, під впливом ультрафіолетового випромінювання набувають властивості плинності і вимиваються розчинником. Відповідно, захисний шар утворюється в тих ділянках, які не піддаються ультрафіолетовому опроміненню.

Для засвічення потрібних ділянок шару фоторезиста використовується спеціальний шаблон-маска. Найчастіше для цієї мети застосовуються платівки із оптичного скла з отриманими фотографічним або іншим способом непрозорими елементами. Фактично такий шаблон містить малюнок одного з шарів майбутньої мікросхеми (всього таких шарів може бути кілька сотень). Оскільки цей шаблон є еталоном, він має бути виконаний з великою точністю. До того ж з урахуванням того, що по одному фотошаблону буде зроблено дуже багато фотопластин, він має бути міцним та стійким до пошкоджень. Звідси зрозуміло, що фотошаблон дуже дорога річ: залежно від складності мікросхеми він може коштувати десятки тисяч доларів.

Ультрафіолетове випромінювання, проходячи крізь такий шаблон (рис. 4), засвічує лише потрібні ділянки поверхні шару фоторезиста. Після опромінення фоторезист зазнає прояву, в результаті якого видаляються непотрібні ділянки шару. У цьому відкривається відповідна частина шару діоксиду кремнію.

Незважаючи на простоту фотолітографічного процесу, що здається, саме цей етап виробництва мікросхем є найбільш складним. Справа в тому, що відповідно до передбачення Мура кількість транзисторів на одній мікросхемі зростає експоненційно (подвоюється кожні два роки). Подібне зростання числа транзисторів можливе лише завдяки зменшенню їх розмірів, але саме зменшення і «впирається» у процес літографії. Для того, щоб зробити транзистори менше, необхідно зменшити геометричні розміри ліній, що наносяться на шар фоторезисту. Але всьому є межа сфокусувати лазерний промінь в точку виявляється не так просто. Справа в тому, що відповідно до законів хвильової оптики мінімальний розмір плями, в який фокусується лазерний промінь (насправді це не просто пляма, а дифракційна картина), визначається крім інших факторів та довжиною світлової хвилі. Розвиток літографічної технології з часу її винаходу на початку 70-х йшов у напрямку скорочення довжини світлової хвилі. Саме це дозволяло зменшувати розміри елементів інтегральної схеми. З середини 80-х фотолітографії стало використовуватися ультрафіолетове випромінювання, одержуване за допомогою лазера. Ідея проста: довжина хвилі ультрафіолетового випромінювання менша, ніж довжина хвилі світла видимого діапазону, отже, можливо отримати більш тонкі лінії на поверхні фоторезиста. Донедавна для літографії використовувалося глибоке ультрафіолетове випромінювання (Deep Ultra Violet, DUV) із довжиною хвилі 248 нм. Однак коли фотолітографія переступила межу 200 нм, виникли серйозні проблеми, які вперше поставили під сумнів можливість подальшого використання цієї технології. Наприклад, при довжині хвилі менше 200 мкм занадто багато світла поглинається світлочутливим шаром, тому ускладнюється та уповільнюється процес передачі шаблону схеми на процесор. Подібні проблеми спонукають дослідників та виробників шукати альтернативу традиційній літографічній технології.

Нова технологія літографії, що отримала назву ЕUV-літографії (Extreme UltraViolet - надтверде ультрафіолетове випромінювання), заснована на використанні ультрафіолетового випромінювання з довжиною хвилі 13 нм.

Перехід з DUV- на EUV-літографію забезпечує більш ніж 10-кратне зменшення довжини хвилі та перехід у діапазон, де вона можна порівняти з розмірами всього кількох десятків атомів.

Літографічна технологія, що зараз застосовується, дозволяє наносити шаблон з мінімальною шириною провідників 100 нм, в той час як EUV-літографія робить можливим друк ліній набагато меншої ширини до 30 нм. Керувати ультракоротким випромінюванням не так просто, як здається. Оскільки EUV-випромінювання добре поглинається склом, нова технологія передбачає використання серії з чотирьох спеціальних опуклих дзеркал, які зменшують і фокусують зображення, отримане після застосування маски (рис. 5, , ). Кожне таке дзеркало містить 80 окремих металевих шарів завтовшки приблизно 12 атомів.

Крок 5. Травлення

Після засвічування шару фоторезиста настає етап травлення (etching) для видалення плівки діоксиду кремнію (рис. 8).

Часто процес травлення асоціюється із кислотними ваннами. Такий спосіб травлення в кислоті добре знайомий радіоаматорам, які самостійно робили друковані плати. Для цього на фольгований текстоліт лаком, що виконує функцію захисного шару, наносять малюнок доріжок майбутньої плати, а потім опускають пластину у ванну з азотною кислотою. Непотрібні ділянки фольги нацьковуються, оголюючи чистий текстоліт. Цей спосіб має ряд недоліків, головний з яких - неможливість точно контролювати процес видалення шару, так як занадто багато факторів впливають на процес травлення: концентрація кислоти, температура, конвекція і т.д. Крім того, кислота взаємодіє з матеріалом у всіх напрямках і поступово проникає під край маски з фоторезиста, тобто руйнує збоку прикриті фоторезистом шари. Тому під час виробництва процесорів використовується сухий метод травлення, званий також плазмовим. Такий метод дозволяє точно контролювати процес травлення, а руйнування шару, що витравлюється, відбувається строго у вертикальному напрямку.

При використанні сухого травлення для видалення з поверхні пластини діоксиду кремнію застосовується іонізований газ (плазма), який вступає в реакцію з поверхнею діоксиду кремнію, у результаті утворюються леткі побічні продукти.

Після процедури травлення, тобто коли оголені потрібні області чистого кремнію, видаляється частина фотошару, що залишилася. Таким чином, на підкладці кремнієвої залишається малюнок, виконаний діоксидом кремнію.

Крок 6. Дифузія (іонна імплантація)

Нагадаємо, що попередній процес формування необхідного малюнка на кремнієвій підкладці був потрібний для того, щоб створити в потрібних місцях напівпровідникові структури шляхом впровадження донорної або акцепторної домішки. Процес впровадження домішок здійснюється за допомогою дифузії (рис. 9) рівномірного впровадження атомів домішки в кристалічну решітку кремнію. Для отримання напівпровідника n-типу зазвичай використовують сурму, миш'як чи фосфор. Для отримання напівпровідника p-типу як домішка використовують бір, галій або алюміній.

Для процесу дифузії легуючої домішки застосовується іонна імплантація. Процес імплантації полягає в тому, що іони потрібної домішки "вистрілюються" з високовольтного прискорювача і, володіючи достатньою енергією, проникають у поверхневі шари кремнію.

Отже, після закінчення етапу іонної імплантації необхідний шар напівпровідникової структури створено. Однак у мікропроцесорах таких шарів може бути кілька. Для створення чергового шару отриманому малюнку схеми вирощується додатковий тонкий шар діоксиду кремнію. Після цього наносяться шар полікристалічного кремнію та ще один шар фоторезиста. Ультрафіолетове випромінювання пропускається крізь другу маску та висвічує відповідний малюнок на фотошарі. Потім знову слідують етапи розчинення фотошару, травлення та іонної імплантації.

Крок 7. Напилення та осадження

Накладання нових шарів здійснюється кілька разів, при цьому для міжшарових з'єднань у шарах залишаються вікна, які заповнюються атомами металу; в результаті на кристалі створюються металеві смужки, які проводять області. Таким чином, у сучасних процесорах встановлюються зв'язки між шарами, що формують складну тривимірну схему. Процес вирощування та обробки всіх шарів триває кілька тижнів, а сам виробничий цикл складається з більш ніж 300 стадій. У результаті кремнієвої пластині формуються сотні ідентичних процесорів.

Щоб витримати дії, яким піддаються пластини в процесі нанесення шарів, кремнієві підкладки спочатку робляться досить товстими. Тому перш ніж розрізати пластину на окремі процесори, її товщину зменшують на 33% і видаляють забруднення зі зворотного боку. Потім на тильну сторону підкладки наносять шар спеціального матеріалу, що покращує кріплення кристала корпусу майбутнього процесора.

Крок 8. Заключний етап

Після закінчення циклу формування всі процесори ретельно тестуються. Потім із пластини-підкладки за допомогою спеціального пристрою вирізаються конкретні кристали, що вже пройшли перевірку (рис. 10).

Кожен мікропроцесор вбудовується у захисний корпус, який також забезпечує електричне з'єднаннякристала мікропроцесора із зовнішніми пристроями. Тип корпусу залежить від типу та передбачуваного застосування мікропроцесора.

Після запечатування у корпус кожен мікропроцесор повторно тестується. Несправні процесори відбраковують, а справні піддають випробуванням навантаження. Потім процесори сортують залежно від їхньої поведінки при різних тактових частотах і напругах живлення.

Перспективні технології

Технологічний процес виробництва мікросхем (зокрема процесорів) розглянутий нами дуже спрощено. Але навіть такий поверхневий виклад дозволяє зрозуміти технологічні проблеми, з якими доводиться стикатися при зменшенні розмірів транзисторів.

Однак, перш ніж розглядати нові перспективні технології, відповімо на поставлене на самому початку статті питання: що таке проектна норма технологічного процесу і чим, власне, відрізняється проектна норма 130 нм від норми 180 нм? 130 нм або 180 нм – це характерне мінімальна відстаньміж двома сусідніми елементами одному шарі мікросхеми, тобто своєрідний крок сітки, до якої здійснюється прив'язка елементів мікросхеми. При цьому цілком очевидно, що чим менше цей характерний розмір, тим більше транзисторів можна розмістити на одній площі мікросхеми.

В даний час у виробництві процесорів Intel використовується 0,13-мікронний технологічний процес. За цією технологією виготовляють процесор Intel Pentium 4 з ядром Northwood, процесор Intel Pentium III з ядром Tualatin та процесор Intel Celeron. У разі застосування такого технологічного процесу корисна ширина транзистора каналу становить 60 нм, а товщина оксидного шару затвора не перевищує 1,5 нм. Загалом у процесорі Intel Pentium 4 розміщується 55 млн. транзисторів.

Поряд із збільшенням щільності розміщення транзисторів у кристалі процесора, 0,13-мікронна технологія, що прийшла на зміну 0,18-мікронною, має й інші нововведення. По-перше, тут використовуються мідні з'єднання між окремими транзисторами (0,18-мікронної технології з'єднання були алюмінієвими). По-друге, 0,13-мікронна технологія забезпечує більш низьке енергоспоживання. Для мобільної техніки, наприклад, це означає, що енергоспоживання мікропроцесорів стає менше, а час роботи від акумуляторної батареї більше.

Ну і останнє нововведення, яке було втілено при переході на 0,13-мікронний технологічний процес – це використання кремнієвих пластин (wafer) діаметром 300 мм. Нагадаємо, що до цього більшість процесорів та мікросхем виготовлялися на основі 200-міліметрових пластин.

Збільшення діаметра пластин дозволяє знизити собівартість кожного процесора та збільшити вихід продукції належної якості. Дійсно, площа пластини діаметром 300 мм в 2,25 рази більша за площу пластини діаметром 200 мм, відповідно і кількість процесорів, одержуваних з однієї пластини діаметром 300 мм, в два з лишком рази більше.

2003 року очікується впровадження нового технологічного процесу з ще меншою проектною нормою, а саме 90-нанометрового. Новий технологічний процес, за яким корпорація Intel вироблятиме велику частину своєї продукції, у тому числі процесори, набори мікросхем та комунікаційне обладнання, був розроблений на дослідному заводі D1C корпорації Intel з обробки 300-міліметрових пластин у м. Хіллсборо (шт. Орегон).

23 жовтня 2002 року корпорація Intel оголосила про відкриття нового виробництва вартістю 2 млрд. дол. у Ріо-Ранчо (шт. Нью-Мексико). На новому заводі, який отримав назву F11X, застосовуватиметься сучасна технологія, За якою будуть вироблятися процесори на 300-мм підкладках з використанням технологічного процесу з проектною нормою 0,13 мікрон. У 2003 році завод буде переведено на технологічний процес із проектною нормою 90 нм.

Крім того, корпорація Intel вже заявила про відновлення будівництва ще одного виробничого об'єкту на Fab 24 у Лейксліпі (Ірландія), який призначений для виготовлення напівпровідникових компонентів на 300-міліметрових підкладках кремнієвих з 90-нанометровою проектною нормою. Нове підприємство загальною площеюпонад 1 млн кв. футів із особливо чистими приміщеннями площею 160 тис. кв. футів передбачається ввести в дію у першій половині 2004 року, і на ньому працюватиме більше тисячі співробітників. Вартість об'єкту становить близько 2 млрд. дол.

У 90-нанометровому процесі застосовується низка передових технологій. Це і найменші в світі серійно виготовляються КМОП-транзистори з довжиною затвора 50 нм (рис. 11), що забезпечує зростання продуктивності при одночасному зниженні енергоспоживання, і найтонший оксидний шар затвора серед усіх транзисторів, що коли-небудь вироблялися, всього 1, (Мал. 12), або менше 5 атомарних шарів, і перша в галузі реалізація високоефективної технології напруженого кремнію.

З перелічених характеристик коментарів потребує, мабуть, лише поняття «напруженого кремнію» (рис. 13). У такому кремнії відстань між атомами більша, ніж у звичайному напівпровіднику. Це, у свою чергу, забезпечує вільніше протікання струму, аналогічно тому, як на дорозі з ширшими смугами руху вільніше і швидше рухається транспорт.

Через війну всіх нововведень на 10-20% поліпшуються робочі характеристики транзисторів, зі збільшенням витрат за виробництво лише на 2%.

Крім того, у 90-нанометровому технологічному процесі використовується сім шарів у мікросхемі (рис. 14), що на один шар більше, ніж у 130-нанометровому технологічному процесі, а також мідні сполуки.

Всі ці особливості у поєднанні з 300-міліметровими кремнієвими підкладками забезпечують корпорації Intel виграш у продуктивності, обсягах виробництва та собівартості. У виграші виявляються і споживачі, оскільки новий технологічний процес Intel дозволяє продовжити розвиток галузі відповідно до закону Мура, знову і знову підвищуючи продуктивність процесорів.

У цій статті ми поговоримо про мікросхеми, які типи бувають як влаштовані і де використовуються. Взагалі, в сучасній електронній техніці важко знайти пристрій, в якому не використовувалися б мікросхеми. Навіть найдешевші китайські іграшки залучають різні планарні, залиті компаундом чіпи, на які покладено функцію управління. Причому з кожним роком вони стають все більш складними всередині, але більш простими в експлуатації та меншими за розмірами, зовні. Можна сміливо сказати, що йде стала еволюція мікросхем.

Мікросхема є електронним пристроєм або його частиною здатною виконувати те чи інше завдання. Якби потрібно вирішити таке завдання, яке вирішують багато мікросхем, на дискретних елементах, на транзисторах, то пристрій, замість маленького прямокутника розмірами 1 сантиметр на 5 сантиметрів, займало б цілу шафу, і було б набагато менш надійним. Адже так виглядали обчислювальні машини ще півсотні років тому!

Електронна шафа керування - фото

Звичайно, для роботи мікросхеми недостатньо просто подати харчування на неї, необхідний ще так званий обважування”, тобто ті допоміжні деталі на платі, разом із якими мікросхема зможе виконувати свою функцію.

Обважування мікросхеми - малюнок

На малюнку вище червоним виділено саму мікросхему всі інші деталі - це її " обважування”. Дуже часто мікросхеми при роботі нагріваються, це можуть бути мікросхеми стабілізаторів, мікропроцесорів та інших пристроїв. У такому разі, щоб мікросхема не згоріла, її потрібно прикріпити на радіатор. Мікросхеми, які при роботі повинні нагріватися, проектуються відразу зі спеціальною тепловідвідною пластиною - поверхнею, що зазвичай знаходиться зі зворотного боку мікросхеми, яка повинна щільно прилягати до радіатора.

Але в з'єднанні навіть у ретельно відшліфованих радіатора і пластини все одно будуть мікроскопічні зазори, в результаті яких тепло від мікросхеми буде менш ефективно передаватися радіатору. Для того, щоб заповнити ці зазори застосовують теплопровідну пасту. Ті самі, які ми наносимо на процесор комп'ютера, перед тим як закріпити на ньому зверху радіатор. Одна з найбільш широко застосовуваних паст, це КПТ-8.

Підсилювачі на мікросхемах можна спаяти буквально за 1-2 вечори, і вони починають працювати відразу, не потребуючи складного настроювання та високої кваліфікації настроюючого. Окремо хочу сказати про мікросхеми автомобільних підсилювачів, з обважування там іноді буває буквально 4-5 деталей. Щоб зібрати такий підсилювач, за певної акуратності, не потрібна навіть друкована плата (хоча вона бажана) і можна зібрати все навісним монтажем, прямо на висновках мікросхеми.

Правда, такий підсилювач після збирання краще відразу помістити в корпус, тому що така конструкція ненадійна, і у разі випадкового замикання проводів можна легко спалити мікросхему. Тому рекомендую всім початківцям нехай витратити трохи більше часу, але зробити друковану плату.

Регульовані блоки живлення на мікросхемах - стабілізаторах навіть простіші у виготовленні, ніж аналогічні на транзисторах. Подивіться, скільки деталей замінює найпростіша мікросхема LM317: