Процессор принято называть кусочком кремния. Примерно как автомобиль можно назвать куском железа. Кремний служит основой большинства процессоров, но работающий чип появляется после множества операций с металлами, изоляторами и особо чистой химией. Сначала выращивают кристалл и нарезают пластины, затем формируют транзисторы и соединения, проверяют схемы и помещают годные кристаллы в корпуса.
На вопрос «из чего делают микрочипы» я отвечаю в двух частях. Одни материалы остаются в изделии, другие расходуются при производстве. Импортная зависимость может скрываться в обеих группах, а ещё в оборудовании и проектировании. Поэтому в новости об отечественном чипе я сначала ищу, какой участок цепочки освоило предприятие. Сборка готовых кристаллов и изготовление транзисторов требуют разных производств.
От кварца до пластины, на которой пока ничего нет
Фраза «процессоры делают из песка» сильно упрощает промышленность. Исходным сырьём служит подходящее по составу кварцевое сырьё, содержащее диоксид кремния. В электропечи углерод помогает отделить кремний от кислорода. Полученный технический кремний для микросхем ещё недостаточно чист.
Один из промышленных маршрутов включает превращение кремния в трихлорсилан. Соединение очищают перегонкой, после чего снова получают кремний высокой чистоты. Такая химическая петля удаляет примеси, способные изменить электрические свойства будущего прибора. Просто промыть песок или переплавить технический кремний недостаточно.
Затем поликристаллический кремний плавят и выращивают монокристалл. При распространённом методе Чохральского маленькую кристаллическую затравку погружают в расплав и медленно вытягивают с вращением. Кремний нарастает, продолжая упорядоченную атомную структуру затравки. Так получают цилиндрический слиток, который режут на тонкие круглые пластины.
Пластины шлифуют, удаляют повреждённый поверхностный слой, полируют и очищают. Иначе следующие операции дадут дефекты. Диаметр пластины, например 200 или 300 мм, определяет формат заготовки и оборудования. К обозначениям техпроцесса в нанометрах такой диаметр отношения не имеет.
Завод микросхем может покупать готовые пластины. Выпуск поликремния, выращивание слитков и подготовку пластин тогда обеспечивают другие предприятия. Собственного месторождения для выпуска процессоров недостаточно.
Дальше добавляются другие вещества. Конкретный состав зависит от назначения чипа и технологии фабрики.
| Материал | Зачем нужен | Остаётся в готовом чипе |
|---|---|---|
| Кремний, дозированные добавки бора или фосфора | Формируют области с нужными электрическими свойствами | Да |
| Диоксид кремния и другие диэлектрики | Изолируют участки схемы | Да, в предусмотренных конструкцией слоях |
| Медь, вольфрам, алюминий | Создают контакты, электроды и соединения | Да, состав зависит от технологии |
| Фоторезист и проявитель | Формируют временный рисунок для обработки | Обычно удаляются |
| Газы, кислоты, растворители, сверхчистая вода | Обеспечивают реакции и очистку | В основном расходуются, некоторые реагенты дают атомы для новых слоёв |
| Подложка корпуса, припои, полимеры, керамика | Подключают и защищают кристалл | Да, в разных сочетаниях |
Как на пластине появляются транзисторы и соединения
Транзисторы не расставляют пинцетом. Множество элементов формируют параллельно на одной пластине. В цифровой схеме транзистор работает как управляемый переключатель. Напряжение на затворе меняет проводимость канала между истоком и стоком. Фабрика должна создать геометрию и состав материалов, при которых переключатель работает предсказуемо.
На поверхности выращивают оксид или осаждают тонкие плёнки проводников и изоляторов. При химическом осаждении исходные вещества реагируют и оставляют материал на поверхности. При атомно-слоевом осаждении реагенты подают поочерёдно, точно управляя ростом плёнки. Нужны специальные установки и подходящие по чистоте соединения.
Поверхность покрывают фоторезистом, светочувствительным материалом. Жидкий состав обычно распределяют вращением пластины. После предусмотренной технологией подготовки литографическая установка переносит рисунок с фотошаблона на покрытие с помощью света.
Свет меняет химические свойства резиста. При проявлении часть покрытия растворяется, оставляя окна для дальнейшей обработки. У позитивного резиста удаляются освещённые области, у негативного сохраняются. Так фотолитография создаёт рисунок для следующей операции.
Сам литограф не вырезает транзисторы лазером. Материал через открытые участки удаляют травлением. Раствор или активные частицы плазмы убирают нужный слой, а защитное покрытие ограничивает воздействие. Инженеры контролируют глубину, форму стенок и избирательность процесса, чтобы не разрушить соседние материалы.
Для ввода дозированных примесей применяют, среди прочего, ионную имплантацию. Ускоренные ионы направляют в выбранные области кремния. Термообработка затем помогает восстановить кристаллическую решётку и электрически активировать примеси. Требование чистоты сохраняется. Случайные загрязнения мешают, а контролируемые добавки создают свойства прибора.
Нанесение слоёв, литографию, травление и очистку многократно повторяют. Каждый новый рисунок точно совмещают с предыдущими структурами. Современные транзисторы имеют сложную объёмную геометрию, поэтому образ плоского рисунка помогает понять лишь основу процесса.
Транзисторы связывают металлическими соединениями. Проводники располагают на уровнях, разделённых диэлектриками, и связывают вертикальными контактами. Медь часто применяют для проводников, вольфрам для контактных структур. Химико-механическая полировка убирает лишний материал и выравнивает поверхность между операциями.
На всём маршруте измеряют толщину плёнок, размеры элементов и дефекты. Пылинка или остатки реагента могут испортить схему. Чистые помещения, сверхчистая вода, фильтры и система подачи газов необходимы наравне с литографом.
Чипы на пластине проверяют контактными зондами, подавая сигналы и измеряя ответ. Затем пластину разделяют. При сборке корпуса кристалл закрепляют, соединяют с внешними контактами тонкими проводниками или микроконтактами и защищают. Готовое изделие снова тестируют.
Сложное корпусирование объединяет несколько кристаллов, например вычислительные блоки и память. Нужны собственные технологии соединений и отвода тепла. Считать такую работу простой упаковкой несправедливо, однако изготовление транзисторов остаётся отдельной задачей.
Почему российский материал может зависеть от импортного сырья
В публичном пересказе презентации МНТЦ МИЭТ на форуме «Микроэлектроника» долю отечественных материалов оценили в 84%, а сырьё и исходные компоненты для 90% материалов назвали импортными. Такие оценки не описывают процентный состав российского процессора.
Речь о перечне специальных материалов для радиоэлектроники, где большую часть позиций занимает пассивная электроника. Доля наименований не равна доле закупок по массе, стоимости или значимости. Представители центра также отделяли рассматриваемые материалы от химических веществ. Переносить цифры на все фоторезисты, газы и реагенты фабрик или считать статистикой всей отрасли нельзя.
Механизм зависимости покажу на условном примере фоторезиста, отдельно от приведённых процентов. Предприятие разрабатывает рецептуру, готовит, очищает и проверяет состав внутри страны, но покупает часть исходных компонентов за рубежом. Материал выпускает местный завод, однако прекращение поставок компонента способно остановить работу.
Очистка и приготовление состава могут требовать серьёзных компетенций. Я не приравниваю такое производство к переклеиванию этикеток. Освоенный этап имеет ценность, но происхождение материала и способность работать без прежнего поставщика сырья характеризуют разные стороны производства.
Замена поставщика требует испытаний. Материал с похожим названием может отличаться примесями, количеством частиц и поведением в процессе. Новый резист способен потребовать других режимов экспонирования и проявления. Совместимость проверяют на фабрике, оценивая свойства чипов и долю годной продукции.
Выход годных показывает долю кристаллов, соответствующих требованиям. Восемьдесят подходящих кристаллов из ста дают 80%. Снижение показателя при прочих равных увеличивает затраты на пригодный чип. Поэтому удачный лабораторный образец материала ещё не доказывает готовность к серийному выпуску.
Фабрике также нужны установки осаждения и травления, печи, измерительные комплексы, насосы и системы очистки. Машины требуют обслуживания и запасных частей. Местное сырьё не решает проблему отсутствующей запчасти, как собственный литограф не заменяет подходящий фоторезист.
Ещё раньше начинается проектирование. Архитектура набора команд определяет доступные программам операции. Микроархитектура описывает, как разработчик организовал их выполнение, вычислительные блоки и память. Открытый набор команд RISC-V позволяет строить совместимые процессоры, но не предоставляет готовое ядро, фабрику или химические материалы.
В системах автоматизированного проектирования, или САПР, схему готовят под выбранную фабрику. Используют PDK, комплект моделей компонентов и технологических правил, включая допустимые размеры элементов. Пример доступен в открытой документации процесса SKY130. Другая фабричная технология требует адаптировать проект и повторить проверки.
Поэтому я оцениваю сообщения об отечественной микроэлектронике по четырём вопросам.
- Что освоили Проектирование, подготовку пластин, выпуск кристаллов, корпусирование или отдельный материал.
- Что покупают извне Сырьё, заготовки, оборудование, запасные части, программы или блоки схемы.
- Что выпускают серийно Есть ли стабильные партии с подтверждёнными параметрами.
- Как переживут перебой Есть ли проверенный запасной поставщик и возможность обслуживать оборудование.
Для многих датчиков, контроллеров и схем питания отработанные технологии практичнее самых передовых. Но простая схема тоже требует качественных материалов и стабильных поставок.
Что ещё спрашивают о производстве микрочипов
Чем микрочип отличается от процессора?
Микрочипом обычно называют микросхему. Процессор выполняет команды и обрабатывает данные. Память, усилитель и контроллер питания тоже могут быть микрочипами, хотя решают другие задачи.
Почему пластины круглые, а чипы прямоугольные?
Пластины нарезают из цилиндрического монокристалла. Прямоугольные схемы удобно размещать рядами и разделять по прямым линиям. Часть площади у края пластины при такой раскладке теряется.
Правда ли, что в процессоре на 3 нм все детали размером 3 нм?
Нет. Название обозначает поколение технологии. Проводники, контакты и части транзисторов имеют разные размеры. Связь между геометрией и обозначением техпроцесса разобрана в материале про нанометры в процессорах.
Для любой микросхемы нужен EUV-литограф?
Нет. EUV применяют для особенно мелких структур на передовых процессах. Многие микросхемы выпускают другими методами литографии. Даже внутри одного передового чипа требования к слоям различаются, поэтому фабрика использует установки разных классов.
Сколько времени занимает производство процессора?
Для сложных микросхем производственный маршрут может занимать месяцы. Срок зависит от операций, загрузки оборудования и проверок. Разработка проекта и освоение новой технологии требуют дополнительного времени.
Можно ли разработать собственный чип без своей фабрики?
Да. Разработчик готовит проект под технологию контрактной фабрики и заказывает изготовление. Собственная разработка при такой модели вполне реальна, а производственная зависимость от подрядчика сохраняется.
Я советую оценивать импортозамещение по освоенным операциям и оставшимся зависимостям. Очистка вещества, выпуск пластин и корпусирование укрепляют производство. Но список освоенных позиций мало говорит об устойчивости без анализа всей цепочки. Остановить фабрику способен один недоступный материал или узел оборудования.
