Если спросить, из чего сделан процессор, самый очевидный ответ будет: из кремния. Формально он верный, но примерно так же можно сказать, что автомобиль сделан из железа. Кремний действительно остается основой большинства процессоров и микросхем памяти, однако вокруг него приходится создавать сложную конструкцию из проводников, изоляторов и полупроводниковых областей. А для ее производства нужны фоторезисты, кислоты, специальные газы, металлы, сверхчистая вода и множество вспомогательных материалов.
Разберемся, откуда берется кремниевая пластина, зачем фабрике фоторезист, где внутри процессора находятся медь и гафний, почему литографу нужны олово и фторид кальция и почему наличие собственного кремния еще не означает возможность выпускать современные процессоры.
Кремний: основа чипа, но далеко не весь чип
Процесс начинается не с ведра песка, которое привозят на завод процессоров. Полупроводниковая фабрика получает уже готовые кремниевые пластины чрезвычайно высокой чистоты. Их производством занимается отдельная отрасль.
Исходный кремний проходит несколько стадий очистки и превращается в высокочистый поликристаллический материал. Затем из него выращивают монокристалл. Один из основных способов называется методом Чохральского: кремний плавят примерно при 1420 °C, в расплав опускают небольшой затравочный кристалл и медленно вытягивают его, одновременно вращая. В результате получается длинный цилиндрический монокристалл кремния.
Требования к чистоте здесь совсем не похожи на требования обычной металлургии. Производитель пластин SUMCO, например, указывает для исходного поликремния содержание металлических примесей не более нескольких частей на миллиард. Даже небольшое загрязнение способно изменить электрические характеристики будущих структур.
Кристалл разрезают на тонкие диски, края обрабатывают, поверхность шлифуют, травят, очищают и полируют. Для передовых логических микросхем широко применяются пластины диаметром 300 мм. Внешне такая пластина выглядит почти зеркальной, но именно на ней затем появятся сотни отдельных кристаллов процессоров.
Кремний удобен не только потому, что его много. Он обладает подходящими полупроводниковыми свойствами, а на его поверхности можно формировать стабильные изоляционные слои. Кроме того, за десятилетия вокруг кремниевой технологии появилась огромная промышленная инфраструктура.
При этом далеко не все полупроводниковые устройства кремниевые. В силовой электронике применяют карбид кремния, в высокочастотной технике встречаются арсенид и нитрид галлия. Но для обычных CPU, GPU и значительной части памяти кремний остается основной платформой.
Что еще находится внутри микрочипа
Современная микросхема состоит из множества слоев с разными электрическими свойствами. Одни проводят ток, другие его блокируют, третьи образуют активные области транзисторов. Набор материалов зависит от конкретного техпроцесса, поэтому универсального рецепта процессора не существует.
| Материал или группа | Для чего используется | Остается в готовом чипе |
|---|---|---|
| Кремний | Основа пластины и активных областей транзисторов | Да |
| Бор, фосфор и другие легирующие примеси | Меняют электрические свойства выбранных участков полупроводника | Да, в очень малых концентрациях |
| Диэлектрики на основе оксидов и других соединений | Изолируют элементы схемы друг от друга | Да |
| Материалы с высокой диэлектрической проницаемостью, например соединения гафния | Применяются в структурах затвора современных транзисторов | Да |
| Медь и другие проводящие материалы | Формируют электрические соединения между элементами | Да |
| Фоторезисты | Создают временный светочувствительный слой для переноса рисунка | Нет, после нужных операций удаляются |
| Технологические газы | Нужны для нанесения пленок, травления, легирования и очистки оборудования | Как отдельный слой обычно нет |
| Кислоты, щелочи и другие жидкие реагенты | Очищают поверхность, удаляют материалы и участвуют в технологических операциях | Нет |
| Материалы CMP | Используются при химико-механической планаризации поверхности | Нет |
Особенно интересны межсоединения. Транзисторы сами по себе бесполезны, пока их не связали в схему. Поэтому над активной частью кристалла формируется многоуровневая сеть металлических линий. В современных технологиях широко используются медные проводники в сочетании с диэлектриками с низкой диэлектрической проницаемостью, которые уменьшают паразитную емкость между соседними линиями.
В отдельных частях структуры могут применяться вольфрам, кобальт и другие металлы. Конкретный набор меняется от поколения к поколению. Уменьшение элементов заставляет инженеров постоянно искать материалы с меньшим сопротивлением, лучшей термостойкостью и более подходящими свойствами на нанометровом масштабе.
Как из чистой пластины получается схема
Микросхему не вырезают из кремния каким-то сверхточным резцом. Ее строят слой за слоем, многократно повторяя несколько типов операций. Полный маршрут современного кристалла включает огромное количество отдельных технологических шагов.
- На поверхность наносят материал. Это может быть диэлектрик, проводящий слой или другая тонкая пленка. Используются разные методы осаждения, включая химическое и физическое осаждение из газовой фазы и атомно-слоевое осаждение.
- Пластину покрывают фоторезистом. Это светочувствительный материал, свойства которого меняются после облучения.
- Нужный рисунок переносят литографией. Свет проходит через систему формирования изображения и задает рисунок на фоторезисте. В передовых процессах применяют как DUV-литографию с глубоким ультрафиолетом, так и EUV с длиной волны 13,5 нм.
- Проявляют фоторезист. После обработки на поверхности остается временная маска, закрывающая одни участки и открывающая другие.
- Поверхность травят или обрабатывают. Открытый материал можно удалить плазмой или химическим способом. Так рисунок из фоторезиста переносится на расположенный ниже слой.
- Меняют свойства выбранных областей. Например, при ионной имплантации в материал вводят атомы примеси, чтобы получить области с нужной проводимостью.
- Удаляют временные материалы и выравнивают поверхность. На некоторых этапах используется химико-механическая планаризация, которая позволяет снова получить достаточно ровную поверхность для следующих слоев.
- Цикл повторяют. Постепенно возникают транзисторы, контакты и многоэтажная система межсоединений.
Отдельная операция может выглядеть довольно просто. Сложность появляется из-за количества повторений и требуемой точности. Каждый следующий рисунок должен совместиться с уже существующими структурами. Ошибка в несколько нанометров на критическом слое способна превратить часть кристаллов в брак.
Именно поэтому название техпроцесса вроде 2 нм не означает, что весь процессор состоит из деталей размером ровно два нанометра. Нанометрические обозначения сегодня описывают поколение технологии, а реальные размеры разных элементов отличаются. Подробнее этот вопрос разобран в материале о современных техпроцессах.
Фоторезист, линзы, зеркала и олово: скрытая сторона литографии
Фотолитографию часто описывают как печать схемы на кремнии. Аналогия удобная, но у такой печати очень необычные чернила и оптика.
Фоторезист образует на пластине тонкий светочувствительный слой. После экспонирования и проявления часть покрытия остается, а часть удаляется. Получившийся рисунок используют как временную маску для последующей обработки поверхности. Затем резист снимают, чтобы построить следующий слой.
Для DUV-литографии используются разные источники ультрафиолета. ArF-системы работают с излучением аргон-фторного эксимерного лазера с длиной волны 193 нм. Для оптики, рассчитанной на такое излучение, применяются специальные материалы. Например, высококачественный монокристаллический фторид кальция CaF2 используется в компонентах оптических систем для 193-нм литографии.
Но на этом экзотика только начинается. В иммерсионных ArF-сканерах пространство между последним элементом объектива и пластиной заполняют тонким слоем чрезвычайно чистой воды. За счет ее показателя преломления оптическая система получает более высокую числовую апертуру и может формировать более мелкие структуры, чем обычная сухая 193-нм литография.
В EUV все устроено иначе. Свет с длиной волны 13,5 нм практически невозможно провести через привычную систему линз, поскольку материалы его поглощают. Поэтому установка работает в вакууме и использует зеркала. Их отражающие покрытия состоят из множества чрезвычайно тонких слоев, в частности молибдена и кремния.
Сам источник света тоже необычен. Микроскопические капли расплавленного олова обстреливают мощными лазерными импульсами. Возникает горячая плазма, излучающая нужный диапазон EUV. Получается любопытная картина: чтобы изготовить кремниевый процессор, современной фабрике могут понадобиться не только кремний и металлы внутри самого кристалла, но также олово для источника излучения и сложнейшая зеркальная оптика для переноса рисунка.
Почему нельзя просто добыть кремний и начать делать процессоры
Кремний не является редким элементом, поэтому главный барьер микроэлектроники заключается не в поиске месторождения.
Для производства микросхем требуется не просто вещество нужного химического состава, а материал с контролируемой чистотой, структурой, размером частиц, влажностью и другими параметрами. Критичны и стабильность характеристик от партии к партии, и чистота упаковки, и система доставки вещества непосредственно к оборудованию.
То же относится к газам и жидким реагентам. На фабрике используются соединения для осаждения пленок, плазменного травления, очистки камер и других процессов. Примесь, совершенно несущественная для большинства промышленных применений, в микроэлектронике может создать дефект на пластине.
Свой отдельный технологический мир существует вокруг фотошаблонов, фоторезистов, полировочных суспензий, оптических материалов и компонентов оборудования. Поэтому фраза «материал производится внутри страны» еще не обязательно означает полную независимость цепочки. Для его выпуска могут требоваться зарубежные прекурсоры, исходные химикаты, высокочистое сырье или оборудование.
Есть и другая важная граница. Материалы сами по себе не заменяют литографы, установки травления и осаждения, метрологию, проектирование техпроцесса и контроль дефектов. Современная фабрика представляет собой связанную систему, где свойства химии, оборудования и самой структуры микросхемы подбираются друг под друга.
Поэтому полупроводниковая промышленность сложна именно цепочкой зависимостей. Нужен не один главный ресурс, а одновременно пластины, специальные химикаты, оптика, фотошаблоны, газы, оборудование, измерительные системы и технологии, позволяющие всему этому работать с воспроизводимой точностью.
После фабрики чип все еще не готов
Когда формирование схем на пластине закончено, на ней находятся множество отдельных кристаллов. Их проверяют, пластину разделяют, а исправные кристаллы отправляют на сборку.
Здесь появляется еще один набор материалов. Кристалл нужно закрепить, обеспечить электрические контакты, защитить от механических повреждений и помочь отводить тепло. В зависимости от конструкции используются органические подложки, металлы, припои, полимерные компаунды, материалы для подзаливки и другие компоненты.
В современных процессорах упаковка становится особенно сложной из-за чиплетов, многокристальных конструкций и трехмерного размещения компонентов. Поэтому граница между самим чипом и его корпусом постепенно становится менее очевидной. Этому этапу посвящен отдельный разбор упаковки микрочипов.
В результате знакомый квадратный процессор действительно начинается с кремниевой пластины, но свести его производство к кремнию невозможно. Внутри остаются полупроводники, металлы и диэлектрики, а по пути через фабрику пластина встречается с десятками типов технологических материалов. Многие из них исчезают еще до того, как готовый кристалл покинет производство.
Вопросы и ответы
Из чего делают микрочипы?
Основой большинства процессоров и микросхем памяти служит монокристаллический кремний. Внутри чипа также находятся проводящие и изолирующие материалы, легирующие примеси и различные металлические соединения. Для самого производства дополнительно нужны фоторезисты, технологические газы, реагенты и полировочные материалы.
Правда ли, что процессоры делают из песка?
Это сильное упрощение. Кремний получают из сырья, содержащего диоксид кремния, но фабрика процессоров не работает с обычным песком. Для пластин требуется специально произведенный и глубоко очищенный поликремний, из которого выращивают монокристалл.
Что такое кремниевая пластина?
Это тонкий диск монокристаллического кремния с очень чистой и ровной поверхностью. На одной пластине одновременно формируют множество будущих микросхем, которые после обработки разделяют на отдельные кристаллы.
Зачем при производстве чипов нужен фоторезист?
Фоторезист создает временный светочувствительный слой. Литографическая установка формирует на нем рисунок, после чего открытые и закрытые участки позволяют избирательно обрабатывать расположенный ниже материал.
Какие металлы есть внутри процессора?
Набор зависит от техпроцесса. В межсоединениях широко используется медь, а в отдельных элементах и технологических слоях могут применяться вольфрам, кобальт и другие металлы. Состав современных структур различается у производителей и поколений технологий.
Все ли микрочипы делают из кремния?
Нет. Кремний доминирует в процессорах, памяти и многих других интегральных схемах, но существуют устройства на карбиде кремния, нитриде галлия, арсениде галлия и других полупроводниковых материалах.
Почему стране недостаточно производить собственный кремний для выпуска процессоров?
Потому что производство микросхем зависит от целой технологической цепочки. Нужны пластины необходимой чистоты, фоторезисты, газы, химические реагенты, фотошаблоны, литографическое и другое оборудование, метрология, технологии упаковки и стабильное производство всех компонентов с заданными параметрами.
