Какие металлы используются в процессорах

Как делают микропроцессоры

Большие дела начинаются с малого. Это высказывание справедливо для многих вещей, но в этой статье пойдет речь об изготовлении микропроцессоров, которыми нашпигованы самые разные бытовые приборы, что вас окружают, от смартфонов и до холодильников.

Содержание

Подготовка сырья

Компьютерные чипы сложнейшей структуры, способные производить мгновенные вычисления, рождаются огромных тиглях из кварцевого стекла, наполненных до краев песком, прошедшим многоступенчатую очистку.

Прежде всего из песка, набранного в каком-нибудь карьере, получают «технический» кремний путем добавления в минерал углерода при высокой температуре. Получившийся в результате кремний при чистоте достигает 98%, но все еще совершенно не подходит для целей электронной промышленности и, чтобы стать «электронным кремнием», ему требуется дополнительная обработка хлором. В процессе каскада химических реакций с хлором, кремний буквально синтезируется заново, избавляясь от последних признаков примесей.

Только после этого тигель с чистейшим электронным кремнием помещают в герметичную печь, которая наполнена аргоном. Конечно, можно было бы откачать из нее воздух, но создать идеальный вакуум на земле очень сложно, если не невозможно, а с химической точки зрения аргон дает практически тот же эффект. Этот инертный газ замещает кислород, защищая состав от окисления, а сам никак не реагирует с кремнием в тигле.

Только после этого бывший песок разогревается до 1420 градусов Цельсия, что всего на 6 градусов выше его точки плавления. Для этого используется графитовый нагреватель. Выбор материала, как и в случае с кварцем тигля, обусловлен тем, что графит не реагирует с кремнием и, следовательно, не может загрязнить материал будущего процессора.

В нагретый тигель опускается тонкий затравочный кристалл кремния, размером и формой напоминающий карандаш. Он должен запустить процесс кристаллизации. Дальнейшее можно воспроизвести в домашних условиях с раствором соли, сахара, лимонной кислоты или, например, медного купороса. Остывающий раствор начинает кристаллизироваться вокруг затравочной точки, образуя идеальную молекулярную решетку. Так выращивают кристаллы соли, так растет и кремний.

Затравочный кристалл кремния постепенно поднимают из тигля, со скоростью примерно полтора миллиметра в минуту, и с ним из раствора поднимается растущий монокристалл. Рост кристалла происходит медленно и на один тигель уходит в среднем 26 часов, так что производство работает круглосуточно.

За это время образуется «буля» — цельный цилиндрический кристалл диаметром 300 миллиметров, длиной до 1-2 метров и весом около 100 килограммов. Если взглянуть на него под сильным увеличением, взгляду откроется строгая структура — идеальная кристаллическая решетка из атомов кремния, совершенно однородная по всему объему.

Кристалл настолько прочен, что его вес может выдержать нить диаметром всего 3 миллиметра. Так что, готовую заготовку для процессоров вытягивают из тигля за тот самый затравочный кристалл.

Однако с «буля» обращаются аккуратнее, чем с антикварной вазой, кристалл выдерживает огромные нагрузки на разрыв, но чрезвычайно хрупок.

После химического и рентгеноскопического исследования для проверки чистоты кристалла и правильности молекулярной решетки, заготовку помещают в установку для резки кремния. Она разделяет кристалл на пластины толщиной около 1 миллиметра при помощи проволочной пилы с алмазным напылением.

Конечно, не обходится без повреждений. Какой бы острой ни была пила, после нарезки, на поверхности пластин остаются микроскопические дефекты. Так что за нарезкой следует этап полировки.

Но даже после обработки в мощной шлифовальной машине пластины кремния ещё недостаточно гладкие, чтобы пустить их на производство микрочипов. Поэтому полировку повторяют снова и снова уже с использованием химических реагентов.

В результате получается поверхность, по сравнению с которой, зеркало напоминает крупную наждачную бумагу. Такая пластина без разрывов и микродефектов становится основой для миллионов микроэлектронных устройств, образующих микросхему. Очищенные от пыли, кремниевые диски, которые принято называть «вэйфер» или «вафля» в герметичных контейнерах отправляются в чистую комнату.

В чистой комнате

В 1958 году изобретателю интегральной микросхемы Джеку Кирби удалось совершить прорыв, разместить на своей схеме один транзистор. В наши дни число логических элементов микропроцессора перевалило за миллиард и продолжает удваиваться каждые два года в соответствие с законом Мура.

Работа с такими микроскопическими деталями ставит перед изготовителями чипов серьезный вызов, поскольку даже единственная пылинка может погубить будущее изделие. Поэтому цеха площадью в пару тысяч квадратных метров, полностью изолируют от внешнего мира, оснащают сложнейшими системами очистки и кондиционирования воздуха, делающими его 10000 раз чище, чем в хирургической палате.

Все специалисты, работающие в такой чистой комнате, не просто соблюдают стерильность, но и носят защитные костюмы из антистатических материалов, маски, перчатки. И все же, несмотря на все предосторожности, чтобы уменьшить риск брака, компании-производители процессоров стараются автоматизировать максимум операций, производимых в чистой комнате, возложив их на промышленных роботов.

Процесс изготовления процессоров поставлен на конвейер. Доставленная в герметичном боксе идеально ровная «вэйфер» проходит через 400-500 технологических операций и выходит из цеха только спустя несколько месяцев уже в виде готового микрочипа.

Создание из «вафли» микрочипа подразумевает построение сложнейшей технологической цепочки, описать которую в деталях нет никакой возможности из-за ограничений на объемы статьи. Даже если бы их не было, компании вроде Intel и AMD вовсе не спешат делиться секретами производства. В конструкторских отделах компаний проектируются сложнейшие трехмерные схемы взаимного расположения элементов процессора — топологии микросхем. Они представляют собой многоуровневое нагромождение элементов, которое разделяется на слои и послойно наносится на кремниевую подложку. Делать это вручную, конечно же невозможно, слишком тонкий процесс, слишком мелкие элементы, буквально нанометрового размера.

Процессоры Intel восьмого поколения, известные под обозначением Coffee Lake, усеяны 14 нанометровыми транзисторами, AMD анонсировала второе поколение процессоров AMD Ryzen, известное под кодовым названием Pinnacle Ridge построенных на 12 нанометровых элементах. Новейшие видеокарты NVIDIA с архитектурой ядер Volta также построены по 12 нанометровой технологии. Система на чипе Qualcomm Snapdragon 835 еще миниатюрнее — всего 10 нанометров. Постоянно уменьшать размеры функциональных элементов процессора и, следовательно, увеличивать его производительность, удается благодаря совершенствованию технологии под названием фотолитография.

В общих чертах этот процесс можно описать следующим образом:

Сначала пластина кремния покрывается основой — материалом, которой должен будет стать частью будущей схемы, затем поверх равномерным слоем наносится химический реагент, чувствительный к свету. Этот состав выполнит всю работу, но суть позже.

Прежде из корпоративных архивов извлекается хранимая в строжайшем секрете подробная схема процессора. Ее нижний слой представляют в виде негатива и переносят на фотошаблон —защитную пластину, действующую подобно трафарету. Она значительно больше чипа, так что проходящий сквозь нее свет фокусируют при помощи сложной системы линз, уменьшая проецируемое изображение до нужного размера.

В тех местах, где свет не достигает кремния, пластина остается нетронутой, в освещенных он инициирует реакцию в химическом реагенте, меняющую его свойства. Затем будущий процессор обработают еще одним составом, и эти участки растворятся, оставив только те области, что не подвергались воздействию. Они-то и образуют токопроводящие логические элементы процессора.

После на пластину нанесут слой диэлектрика и поверх добавят новые компоненты процессора, опять же, при помощи фотолитографии.

Некоторые слои нагреваются, на некоторые воздействуют ионизированные плазмы, а другие покрываются металлом. Каждый тип обработки изменяет свойства слоя и медленно создает часть головоломки, формирующей конкретную модель чипа. В результате получается своеобразный слоёный пирог, где у каждого слоя своя функциональность и они связаны между собой сложным образом по средствам «дорожек» из атомов меди, которую осаживают на кремниевую подложку из раствора сульфата меди, пропуская через него электрический ток.

Это завершающий этап обработки, после которого микрочипы проверяют на работоспособность. Несмотря на все меры предосторожности и многодневные усилия процент брака остается высок. Роботы выберут и вырежут из кремниевой пластины только 100% работоспособные чипы.

Они будут рассортированы по показателям энергоэффективности, токам, и максимальным рабочим частотам, получат различные обозначения и, в конечном счете, будут проданы по различной цене.

Последние штрихи

На пути к покупателям процессоры покидают чистую комнату и отправляются на сборочную линию, где готовую микросхему приклеивают на квадрат, называемый подложкой. Кристалл спаивается с ней в специальной печи при температуре 360 градусов Цельсия.

Затем чип накрывается крышкой. Она служит и для защиты все еще хрупкого кремния от повреждений и для отвода от него тепла. Вы наверняка хорошо ее себе представляете, именно к крышке будет прижиматься основание системы охлаждения, будь то кулер или теплообменник СВО (системы водяного охлаждения). Это не менее ответственный этап, чем предыдущий. Ведь от того, насколько хорошо крышка процессора отводит тепло от кристалла во многом зависит стабильность и скорость его работы, его будущая максимальная производительность.

Старые процессоры Intel буквально припаивались к теплораспределительным крышкам. Однако последние поколения фирменных чипов получают прокладку-термоинтерфейс между кристаллом и крышкой и охлаждаются хуже, что очень огорчает энтузиастов компьютерного железа, желающих выжать максимум из своих приобретений. Дошло до того, что они «скальпируют» процессоры — самостоятельно снимают с них теплораспределитель и заменяют термоинтерфейс на более эффективный. Но не будем отвлекаться на хитрости оверклокинга, поскольку процессор еще не готов.

Завершающий этап — создание электрических контактов, которые свяжут микропроцессор с материнской платой компьютера. Обычно для этого изготавливают оловянные цилиндрики, так называемые «ножки» процессора, которые сначала приклеиваются, а затем припаиваются к подложке, где для них заранее предусмотрены места. Для микрочипов с большим количеством связей вместо ножек иногда используют мелкие оловянные шарики, так как они крепче и надежнее, однако в последнее время от них стали отказываться в пользу простых контактных площадок.

Законченный микрочип промывают в растворе воды с растворителем, чтобы удалить лишний флюс и грязь, а затем проводят финальную проверку качества проделанной работы. Это могут быть как стресс-тесты производительности, как в чистой комнате, так и более суровые испытания. Так, чипы, предназначающиеся для работы в экстремальных условиях, например, в космической и военной отраслях, помещаются герметичные в корпуса из керамики и многократно тестируются при экстремальных температурах в вакуумных камерах.

Затем, в зависимости от назначения микропроцессора, он отправляется прямо в руки покупателей, а затем в сокеты материнских плат, или на другие заводы, где маленький кремниевый кристалл займет свое место на компьютерной плате видеокарты, космического спутника, умного холодильника, а может быть попадет в корпус смартфона.

От песка до процессора

Сложно в это поверить, но современный процессор является самым сложным готовым продуктом на Земле – а ведь, казалось бы, чего сложного в этом куске железа?

Как и обещал – подробный рассказ о том, как делают процессоры… начиная с песка. Все, что вы хотели знать, но боялись спросить )

Я уже рассказывал о том, «Где производят процессоры» и о том, какие «Трудности производства» на этом пути стоят. Сегодня речь пойдет непосредственно про само производство – «от и до».

Производство процессоров

Когда фабрика для производства процессоров по новой технологии построена, у нее есть 4 года на то, чтобы окупить вложенные средства (более $5млрд) и принести прибыль. Из несложных секретных расчетов получается, что фабрика должна производить не менее 100 работающих пластин в час.

Вкратце процесс изготовления процессора выглядит так: из расплавленного кремния на специальном оборудовании выращивают монокристалл цилиндрической формы. Получившийся слиток охлаждают и режут на «блины», поверхность которых тщательно выравнивают и полируют до зеркального блеска. Затем в «чистых комнатах» полупроводниковых заводов на кремниевых пластинах методами фотолитографии и травления создаются интегральные схемы. После повторной очистки пластин, специалисты лаборатории под микроскопом производят выборочное тестирование процессоров – если все «ОК», то готовые пластины разрезают на отдельные процессоры, которые позже заключают в корпуса.

Уроки химии

Давайте рассмотрим весь процесс более подробно. Содержание кремния в земной коре составляет порядка 25-30% по массе, благодаря чему по распространённости этот элемент занимает второе место после кислорода. Песок, особенно кварцевый, имеет высокий процент содержания кремния в виде диоксида кремния (SiO₂) и в начале производственного процесса является базовым компонентом для создания полупроводников.

Первоначально берется SiO₂ в виде песка, который в дуговых печах (при температуре около 1800°C) восстанавливают коксом:

Получившийся в результате водород можно много где использовать, но самое главное то, что был получен «электронный» кремний, чистый-пречистый (99,9999999%). Чуть позже в расплав такого кремния опускается затравка («точка роста»), которая постепенно вытягивается из тигля. В результате образуется так называемая «буля» — монокристалл высотой со взрослого человека. Вес соответствующий — на производстве такая дуля весит порядка 100 кг.

Слиток шкурят «нулёвкой» 🙂 и режут алмазной пилой. На выходе – пластины (кодовое название «вафля») толщиной около 1 мм и диаметром 300 мм (

12 дюймов; именно такие используются для техпроцесса в 32нм с технологией HKMG, High-K/Metal Gate). Когда-то давно Intel использовала диски диаметром 50мм (2″), а в ближайшем будущем уже планируется переход на пластины с диаметром в 450мм – это оправдано как минимум с точки зрения снижения затрат на производство чипов. К слову об экономии — все эти кристаллы выращиваются вне Intel; для процессорного производства они закупаются в другом месте.

Каждую пластину полируют, делают идеально ровной, доводя ее поверхность до зеркального блеска.

Производство чипов состоит более чем из трёх сотен операций, в результате которых более 20 слоёв образуют сложную трёхмерную структуру – доступный на Хабре объем статьи не позволит рассказать вкратце даже о половине из этого списка 🙂 Поэтому совсем коротко и лишь о самых важных этапах.

Итак. В отшлифованные кремниевые пластины необходимо перенести структуру будущего процессора, то есть внедрить в определенные участки кремниевой пластины примеси, которые в итоге и образуют транзисторы. Как это сделать? Вообще, нанесение различных слоев на процессорную подложу это целая наука, ведь даже в теории такой процесс непрост (не говоря уже о практике, с учетом масштабов)… но ведь так приятно разобраться в сложном 😉 Ну или хотя бы попытаться разобраться.

Фотолитография

Нужная структура рисуется на фотошаблоне — как правило, это пластинка из оптического стекла, на которую фотографическим способом нанесены непрозрачные области. Каждый такой шаблон содержит один из слоев будущего процессора, поэтому он должен быть очень точным и практичным.

Иной раз осаждать те или иные материалы в нужных местах пластины просто невозможно, поэтому гораздо проще нанести материал сразу на всю поверхность, убрав лишнее из тех мест, где он не нужен — на изображении выше синим цветом показано нанесение фоторезиста.

Пластина облучается потоком ионов (положительно или отрицательно заряженных атомов), которые в заданных местах проникают под поверхность пластины и изменяют проводящие свойства кремния (зеленые участки — это внедренные чужеродные атомы).

Как изолировать области, не требующие последующей обработки? Перед литографией на поверхность кремниевой пластины (при высокой температуре в специальной камере) наносится защитная пленка диэлектрика – как я уже рассказывал, вместо традиционного диоксида кремния компания Intel стала использовать High-K-диэлектрик. Он толще диоксида кремния, но в то же время у него те же емкостные свойства. Более того, в связи с увеличением толщины уменьшен ток утечки через диэлектрик, а как следствие – стало возможным получать более энергоэффективные процессоры. В общем, тут гораздо сложнее обеспечить равномерность этой пленки по всей поверхности пластины — в связи с этим на производстве применяется высокоточный температурный контроль.

Так вот. В тех местах, которые будут обрабатываться примесями, защитная пленка не нужна – её аккуратно снимают при помощи травления (удаления областей слоя для формирования многослойной структуры с определенными свойствами). А как снять ее не везде, а только в нужных областях? Для этого поверх пленки необходимо нанести еще один слой фоторезиста – за счет центробежной силы вращающейся пластины, он наносится очень тонким слоем.

В фотографии свет проходил через негативную пленку, падал на поверхность фотобумаги и менял ее химические свойства. В фотолитографии принцип схожий: свет пропускается через фотошаблон на фоторезист, и в тех местах, где он прошел через маску, отдельные участки фоторезиста меняют свойства. Через маски пропускается световое излучение, которое фокусируется на подложке. Для точной фокусировки необходима специальная система линз или зеркал, способная не просто уменьшить, изображение, вырезанное на маске, до размеров чипа, но и точно спроецировать его на заготовке. Напечатанные пластины, как правило, в четыре раза меньше, чем сами маски.

Весь отработанный фоторезист (изменивший свою растворимость под действием облучения) удаляется специальным химическим раствором – вместе с ним растворяется и часть подложки под засвеченным фоторезистом. Часть подложки, которая была закрыта от света маской, не растворится. Она образует проводник или будущий активный элемент – результатом такого подхода становятся различные картины замыканий на каждом слое микропроцессора.

Собственно говоря, все предыдущие шаги были нужны для того, чтобы создать в необходимых местах полупроводниковые структуры путем внедрения донорной (n-типа) или акцепторной (p-типа) примеси. Допустим, нам нужно сделать в кремнии область концентрации носителей p-типа, то есть зону дырочной проводимости. Для этого пластину обрабатывают с помощью устройства, которое называется имплантер — ионы бора с огромной энергией выстреливаются из высоковольтного ускорителя и равномерно распределяются в незащищенных зонах, образованных при фотолитографии.

Там, где диэлектрик был убран, ионы проникают в слой незащищенного кремния – в противном случае они «застревают» в диэлектрике. После очередного процесса травления убираются остатки диэлектрика, а на пластине остаются зоны, в которых локально есть бор. Понятно, что у современных процессоров может быть несколько таких слоев — в таком случае на получившемся рисунке снова выращивается слой диэлектрика и далее все идет по протоптанной дорожке — еще один слой фоторезиста, процесс фотолитографии (уже по новой маске), травление, имплантация… ну вы поняли.

Характерный размер транзистора сейчас — 32 нм, а длина волны, которой обрабатывается кремний — это даже не обычный свет, а специальный ультрафиолетовый эксимерный лазер — 193 нм. Однако законы оптики не позволяют разрешить два объекта, находящиеся на расстоянии меньше, чем половина длины волны. Происходит это из-за дифракции света. Как быть? Применять различные ухищрения — например, кроме упомянутых эксимерных лазеров, светящих далеко в ультрафиолетовом спектре, в современной фотолитографии используется многослойная отражающая оптика с использованием специальных масок и специальный процесс иммерсионной (погружной) фотолитографии.

Логические элементы, которые образовались в процессе фотолитографии, должны быть соединены друг с другом. Для этого пластины помещают в раствор сульфата меди, в котором под действием электрического тока атомы металла «оседают» в оставшихся «проходах» — в результате этого гальванического процесса образуются проводящие области, создающие соединения между отдельными частями процессорной «логики». Излишки проводящего покрытия убираются полировкой.

Финишная прямая

Ура – самое сложное позади. Осталось хитрым способом соединить «остатки» транзисторов — принцип и последовательность всех этих соединений (шин) и называется процессорной архитектурой. Для каждого процессора эти соединения различны – хоть схемы и кажутся абсолютно плоскими, в некоторых случаях может использоваться до 30 уровней таких «проводов». Отдаленно (при очень большом увеличении) все это похоже на футуристическую дорожную развязку – и ведь кто-то же эти клубки проектирует!

Когда обработка пластин завершена, пластины передаются из производства в монтажно-испытательный цех. Там кристаллы проходят первые испытания, и те, которые проходят тест (а это подавляющее большинство), вырезаются из подложки специальным устройством.

На следующем этапе процессор упаковывается в подложку (на рисунке – процессор Intel Core i5, состоящий из CPU и чипа HD-графики).

Привет, сокет!

Подложка, кристалл и теплораспределительная крышка соединяются вместе – именно этот продукт мы будем иметь ввиду, говоря слово «процессор». Зеленая подложка создает электрический и механический интерфейс (для электрического соединения кремниевой микросхемы с корпусом используется золото), благодаря которому станет возможным установка процессора в сокет материнской платы – по сути, это просто площадка, на которой разведены контакты от маленького чипа. Теплораспределительная крышка является термоинтерфейсом, охлаждающим процессор во время работы – именно к этой крышке будут примыкать система охлаждения, будь то радиатор кулера или здоровый водоблок.

Сокет (разъём центрального процессора) — гнездовой или щелевой разъём, предназначенный для установки центрального процессора. Использование разъёма вместо прямого распаивания процессора на материнской плате упрощает замену процессора для модернизации или ремонта компьютера. Разъём может быть предназначен для установки собственно процессора или CPU-карты (например, в Pegasos). Каждый разъём допускает установку только определённого типа процессора или CPU-карты.

На завершающем этапе производства готовые процессоры проходят финальные испытания на предмет соответствия основным характеристикам – если все в порядке, то процессоры сортируются в нужном порядке в специальные лотки – в таком виде процессоры уйдут производителям или поступят в OEM-продажу. Еще какая-то партия пойдет на продажу в виде BOX-версий – в красивой коробке вместе со стоковой системой охлаждения.

The end

Теперь представьте себе, что компания анонсирует, например, 20 новых процессоров. Все они различны между собой – количество ядер, объемы кэша, поддерживаемые технологии… В каждой модели процессора используется определенное количество транзисторов (исчисляемое миллионами и даже миллиардами), свой принцип соединения элементов… И все это надо спроектировать и создать/автоматизировать – шаблоны, линзы, литографии, сотни параметров для каждого процесса, тестирование… И все это должно работать круглосуточно, сразу на нескольких фабриках… В результате чего должны появляться устройства, не имеющие права на ошибку в работе… А стоимость этих технологических шедевров должна быть в рамках приличия… Почти уверен в том, что вы, как и я, тоже не можете представить себе всего объема проделываемой работы, о которой я и постарался сегодня рассказать.

Ну и еще кое-что более удивительное. Представьте, что вы без пяти минут великий ученый — аккуратно сняли теплораспределительную крышку процессора и в огромный микроскоп смогли увидеть структуру процессора – все эти соединения, транзисторы… даже что-то на бумажке зарисовали, чтобы не забыть. Как думаете, легко ли изучить принципы работы процессора, располагая только этими данными и данными о том, какие задачи с помощью этого процессора можно решать? Мне кажется, примерно такая картина сейчас видна ученым, которые пытаются на подобном уровне изучить работу человеческого мозга. Только если верить стэнфордским микробиологам, в одном человеческом мозге находится больше «транзисторов», чем во всей мировой IT-инфраструктуре. Интересно, правда?

BONUS

Хватило сил дочитать до этого абзаца? ) Поздравляю – приятно, что я постарался не зря. Тогда предлагаю откинуться на спинку кресла и посмотреть всё описанное выше, но в виде более наглядного видеоролика – без него статья была бы не полной.

Эту статью я писал сам, пытаясь вникнуть в тонкости процесса процессоростроения. Я к тому, что в статье могут быть какие-то неточности или ошибки — если найдете что-то, дайте знать. А вообще, чтобы окончательно закрепить весь прочитанный материал и наглядно понять то, что было недопонято в моей статье, пройдите по этой ссылке. Теперь точно всё.

Успехов!

Как на самом деле производят процессоры

Чтобы создать сверхмощный процессор, достаточно простого.

Песок. В наших компьютерах в буквальном смысле песок, вернее — составляющий его кремний. Это основной элемент, благодаря которому в компьютерах всё работает. А вот как из песка получаются компьютеры.

Что такое процессор

Процессор — это небольшой чип внутри вашего компьютера или телефона, который производит все вычисления. Об основе вычислений мы уже писали — это транзисторы, которые собраны в сумматоры и другие функциональные блоки.

Если очень упрощённо — это сложная система кранов и труб, только вместо воды по ним течёт ток. Если правильным образом соединить эти трубы и краны, ток будет течь полезным для человека образом и получатся вычисления: сначала суммы, потом из сумм можно получить более сложные математические операции, потом числами можно закодировать текст, цвет, пиксели, графику, звук, 3D, игры, нейросети и что угодно ещё.

Кремний

Почти все процессоры, которые производятся в мире, делаются на кремниевой основе. Это связано с тем, что у кремния подходящая внутренняя атомная структура, которая позволяет делать микросхемы и процессоры практически любой конфигурации.

Самый доступный источник кремния — песок. Но кремний, который получается из песка, на самом первом этапе недостаточно чистый: в нём есть 0,5% примесей. Может показаться, что чистота 99,5% — это круто, но для процессоров нужна чистота уровня 99,9999999%. Такой кремний называется электронным, и его можно получить после цепочки определённых химических реакций.

Когда цепочка заканчивается и остаётся только чистый кремний, можно начинать выращивать кристалл.

Кристалл и подложка

Кристаллы — это такие твёрдые тела, в которых атомы и молекулы вещества находятся в строгом порядке. Проще говоря, атомы в кристалле расположены предсказуемым образом в любой точке. Это позволяет точно понимать, как будет вести себя это вещество при любом воздействии на него. Именно это свойство кристаллической решётки используют на производстве процессоров.

Самые распространённые кристаллы — соль, драгоценные камни, лёд и графит в карандаше.

Большой кристалл можно получить, если кремний расплавить, а затем опустить туда заранее подготовленный маленький кристалл. Он сформирует вокруг себя новый слой кристаллической решётки, получившийся слой сделает то же самое, и в результате мы получим один большой кристалл. На производстве он весит под сотню килограмм, но при этом очень хрупкий.

Готовый кристалл кремния.

После того, как кристалл готов, его нарезают специальной пилой на диски толщиной в миллиметр. При этом диаметр такого диска получается около 30 сантиметров — на нём будет создаваться сразу несколько десятков процессоров.

Каждую такую пластинку тщательно шлифуют, чтобы поверхность получилась идеально ровной. Если будут зазубрины или шероховатости, то на следующих этапах диск забракуют.

Готовые отполированные пластины кремния.

Печатаем транзисторы

Когда диски отполированы, на них можно формировать процессоры. Процесс очень похож на то, как раньше печатали чёрно-белые фотографии: брали плёнку, светили сверху лампой, а снизу клали фотобумагу. Там, куда попадал свет, бумага становилось тёмной, а те места, которые закрыло чёрное изображение на плёнке, оставались белыми.

С транзисторами всё то же самое: на диск наносят специальный слой, который при попадании света реагирует с молекулами диска и изменяет его свойства. После такого облучения в этих местах диск начинает проводить ток чуть иначе — сильнее или слабее.

Чтобы так поменять только нужные участки, на пути света помещают фильтр — прямо как плёнку в фотопечати, — который закрывает те места, где менять ничего не надо.

Потом получившийся слой покрывают тонким слоем диэлектрика — это вещество, которое не проводит ток, типа изоленты. Это нужно, чтобы слои процессора не взаимодействовали друг с другом. Процесс повторяется несколько десятков раз. В результате получаются миллионы мельчайших транзисторов, которые теперь нужно соединить между собой.

Соединяем всё вместе

То, как соединяются между собой транзисторы в процессоре, называется процессорной архитектурой. У каждого поколения и модификации процессоров своя архитектура. Все производители держат в секрете тонкости архитектуры, потому что от этого может зависеть скорость работы или стоимость производства.

Так как транзисторов много, а связей между ними нужно сделать немало, то поступают так: наносят токопроводящий слой, ставят фильтр и закрепляют проводники в нужном месте. Потом слой диэлектрика и снова токопроводящий слой. В результате выходит бутерброд из проводников, которые друг другу не мешают, а транзисторы получают нужные соединения.

Токопроводящие дорожки крупным планом. На фото они уже в несколько слоёв и не мешают друг другу.

В чём сложность

Современные процессоры производятся на нанометровом уровне, то есть размеры элементов измеряются нанометрами, это очень мало.

Если, например, во время печати очень толстый мальчик упадёт на пол в соседнем цехе, еле заметная ударная волна прокатится по перекрытиям завода и печатная форма немного сдвинется, а напечатанные таким образом транзисторы окажутся бракованными. Пылинка, попавшая на пластину во время печати — это, считай, загубленное ядро процессора.

Поэтому на заводах, где делают процессоры, соблюдаются жёсткие стандарты чистоты, все ходят в масках и костюмах, на всех воздуховодах стоят фильтры, а сами заводы находятся на сейсмических подушках, чтобы толчки земной коры не мешали производить процессоры.

Крышка и упаковка

Когда дорожки готовы, диск отправляют на тесты. Там смотрят на то, как работает каждый процессор, как он греется и сколько ему нужно энергии, заодно проверяют на брак.

В зависимости от результатов процессоры с одной пластины могут получить разную маркировку и продаваться по разной стоимости. Те процессоры, которые получились более удачными, становятся дорогими серверными продуктами. Те, где кто-то рядом чихнул или вздохнул, имеют некоторые несовершенства и дефекты, их могут отправить на потребительскую линию.

После тестов диск разрезают на готовые процессорные ядра.

Пластина со множеством одинаковых процессорных ядер. Робот вырезает ядра из готовой пластины.

После этого к ядру процессора добавляют контакты, чтобы можно было вставить его в материнскую плату, и накрывают крышкой. Чёрный или металлический прямоугольник, из которого торчат ножки, — это как раз крышка.

Крышка выполняет две функции: защищает сам кристалл от повреждений и отводит от него тепло во время работы. Дело в том, что миллионы транзисторов при работе нагреваются, и если процессор не остужать, то он перегреется и кристалл может испортиться. Чтобы такого не произошло, на крышку процессора ставят воздушные кулеры или делают водяное охлаждение.

Система на чипе

Чипы процессоров уже настолько маленькие, что под одной крышкой можно поместить какое-нибудь ещё устройство. Например, видеосистему — то, что обсчитывает картинку перед выводом на экран. Или устройство радиосвязи с антенной.

В какой-то момент на маленьком чипе площадью около 1 см 2 уже можно было поместить процессор, видео, модем и блютус, сделать всё нужное для поддержки памяти и периферии — в общем, система на чипе. Подключаете к этому хозяйству экран, нужное количество антенн, портов и кнопок, а главное — здоровенную батарею, и у вас готовый смартфон. По сути, все «мозги» вашего смартфона находятся на одном маленьком чипе, а 80% пространства за экраном занимает батарея.

Технологические процессы полупроводникового производства процессоров

1. Введение
2. Кремний – строительный элемент
2.1. Кремний и германий
2.2. Кристаллическая решетка кремния
2.2.1. Несовершенства и дефекты кристаллической решетки
2.2.1.1. Примеси
2.2.1.2. Дефекты
2.2.1.3. Дислокации
2.2.1.3.1. Линейные дислокации
2.2.1.3.2. Винтовые дислокации
2.2.2. Индексы Миллера
3. Технологические процессы производства
3.1. Технологический процесс и топологические нормы
3.2. Технологические процессы получения полупроводниковых пластин
3.2.1. Технологический процесс получения монокристаллического слитка кремния
3.2.2. Абразивные материалы
3.2.2.1. Механическая обработка свободным абразивом
3.2.2.2. Механическая обработка связанным абразивом
3.2.3. Технологический процесс резки монокристаллического слитка на полупроводниковые пластины
3.2.4. Технологический процесс резки полупроводниковых пластин на кристаллы
3.2.5. Качество поверхности полупроводниковых пластин
3.2.6. Технологический процесс обработки полупроводниковых пластин
3.2.6.1. Механическая обработка полупроводниковых пластин
3.2.6.1.1. Шлифовка полупроводниковых пластин
3.2.6.1.2. Полировка полупроводниковых пластин
3.2.6.2. Химическая обработка полупроводниковых пластин
3.2.6.2.1. Виды загрязнений полупроводниковых пластин
3.2.6.2.2. Отмывка полупроводниковых пластин
3.2.6.2.3. Требования к чистоте помещений

Изначально данный материал не планировался, и немалая его часть собиралась по-крупицам достаточно долгое время безо всяких целей. Все, что здесь описано, по-моему мнению, является достаточно важным даже для общего понимания технологических процессов в современном производстве интегральных микросхем. Все те вопросы которые возникали у автора, в итоге вылились в интенсивный поиск ответов на них. Таким образом, чтобы упорядочить почти всю схему производственного цикла и был написан этот материал (2 Часть, возможно, будет также написана). Вся информация собиралась из многочисленных источников, датированных большим временным разбросом, поэтому попрошу этот материал не оценивать слишком строго и не рассматривать его как полную и истинную картину какого-либо производства или фабрики, а воспринимать его как общие принципы. Поэтому я надеюсь, что этот материал будет интересен и полезен всем, кому интересны не только принципы действия различных процессоров, видеочипов и других интегральных микросхем, но и их структура, как и из чего они созданы.

Материал разбит на две большие части, первую – “Кремний – строительный элемент”, рассказывающий о главном исходном материале во всем производстве и вторую, основную – “Технологические процессы производства”, рассказывающей о цикле основных технологических этапов производства микросхем, от получения монокристаллических слитков кремния до завершающих этапов обработки кремниевых подложек (в данном материале – до подготовки подложек).

2. Кремний – строительный элемент

2.1. Кремний и германий

Полупроводниковые материалы по химическому составу можно разделить на две группы: простые и сложные. К простым относятся германий и кремний. В группу сложных полупроводниковых материалов входят химические соединения, обладающие полупроводниковыми свойствами и включающие в себя два, три и более элементов. Практическое применение для изготовления интегральных микросхем нашел только кремний.

Кремний – элемент IV группы периодической системы с атомным номером 14. После кислорода кремний – самый распространенный элемент в природе. Он составляет примерно четверть веса земной коры. Многочисленные соединения кремния (наиболее распространеным является диоксид кремния) входят в большинство горных пород и минералов. Песок и глина, образующие минеральную часть почвы, также представляют собой соединения кремния. Свободный диоксид кремния SiO2 встречается главным образом в виде минерала – кварца. В свободном состоянии кремний в природе не встречается. Кристаллизуется кремний в кубической пространственной решетке типа алмаза. Кристаллический кремний – темно-серое вещество, твердое и хрупкое с металлическим блеском, химически довольно инертное. При комнатной температуре химически устойчив, в воде не растворим. Плотность твердого кремния при комнатной температуре – 2.32 (г/см^3), жидкого (при температуре плавления) – 2.53 (г/см^3). Температура плавления кремния 1420 Градусов по Цельсию, кипит кремний при температуре 2477 Градусов по Цельсию и давлении 10^5 Па. Относительная диэлектрическая проницаемость 11.7, число атомов в 1 см^3 при 298 К равно 4.99*10^22, удельная теплоемкость при 298 К равна 0.75 (Дж/(г*С)), коэффициент теплопроводности 1.2 Вт/(см*С), подвижность электронов при 300 К почти в 3 раза выше подвижности дырок, концентрация собственных носителей 1.5*10^10 см^(-3).
Основными соединениями кремния, которые используются в полупроводниковом производстве, являются диоксид кремния, оксид кремния, тетрахлорид кремния, трихлорсилан и моносилан.

Германий принадлежит к IV группе периодической системы элементов, атомный номер 32, обладает характерным блеском. Температура плавления германия – 937 Градусов по Цельсию, плотность 5.35 (г/см^3) и 5.57 (г/см^3) соответственно, температура кипения германия при 10^5 Па равна 2700 Градусам по Цельсию. Германий тверд и хрупок, его механическая обработка затруднена. Химически устойчив на воздухе при комнатной температуре, не растворим в воде. При нагревании до 1500 Градусов по Цельсию германий не взаимодействует с кварцем (применяется с кварцевыми и графитовыми тиглями).
Содержание германия в земной коре составляет около 0.001%. Германий в ничтожных количествах (0.01 — 0.5%) содержится в цинковых рудах, угольной пыли, золе, саже и морской воде. Германий является рассеянным веществом в силикатах, сульфидных минералах, а также в минералах, представляющих собой сульфосоли. Так, содержание германия в бурых углях составляет до 100 грамм/тонну, около 10 г/т в цинковых рудах, а в иодно-колчеданных – от 1 до 10 г/т. В итоге, добыча германия является сложным технологическим процессом. В результате химической переработки исходного сырья получают тетрахлорид германия, который путем дальнейшего окисления переводят в диоксид германия GeO2 – порошок белого цвета. Диоксид германия затем восстанавливают в среде водорода до элементарного германия, который представляет собой порошок серого цвета и последующей термической обработки является монокристаллический германий в виде стержневидных слитков.

Монокристаллический кремний занимает ведущее место среди других полупроводниковых материалов, так как он обладает рядом преимуществ. Уникальное сочетание подходящей для изготовления микросхем ширины зепрешенной зоны кремния (при 300 K равна 1.11 эВ, с ростом температуры уменьшается), отличные диэлектрические и технологические свойства и стабильность его окисла, большие природные запасы. Кремниевые микросхемы имеют малые обратные токи, работают при повышенных температурах, допускают более высокие удельные нагрузки, могут работать в области электрического пробоя p-n-перехода.
Максимальные рабочие температуры, при которых могут эксплуатироваться микросхемы из того или иного полупроводникового материала, зависят от их ширины запрещенной зоны. Для германия верхний предел рабочих температур равен 80 — 100 Градусам по Цельсию, для кремния 180 – 200 Градусам.

Эксплуатация при низких (отрицательных) температурах зависит от энергии ионизации легирующих примесей полупроводникового материала. В случае с электронной проводимостью при температуре абсолютного нуля у атомов легирующего вещества 5-й электрон, (не участвующий в образовании связи) движется в ослабленном поле с увеличенной орбитой, радиус которой превышает постоянную решетки кристалла. При температуре, отличной от 0 K, этим электронам сообщается энергия (энергия ионизации, равная для кремния 0.04-0.05 эВ), при которой они отрываются от атома легирующего вещества (сходят с этих орбит) и приобретают способность свободно перемещаться в кристалле, превращаясь в электроны проводимости, участвующие в образовании электрического тока. При нагревании кристалла в первую очередь будут возбуждаться именно эти электроны (примесных атомов) и их концентрация будет превосходить концентрацию собственных электронов (кремния, к примеру). При дырочной проводимости собственные электроны кристалла связываются с атомами примеси и теряют способность перемещаться в решетке кристалла, в итоге в проводимости не участвуют. Образованные в валентной зоне дырки (представляющие собой вакансии (незаполненные места) электронов) основного вещества (кристалла) и будут являться носителями заряда. Поэтому при сильном нагревании кристалла полупроводника (нагрев процессора при высокой нагрузке, например) вследствие все большего возбуждения собственных электронов, вступающих в проводимость вместе с примесными и итогового роста тока процессора возрастает и его энергопотребление (для компенсации этого эффекта производители процессоров и системных плат используют специальный механизм drooping (так называемый Vdroop), немного снижающий напряжение процессора под нагрузкой, чтобы он оставался в пределах электрических спецификаций (TDP).

Максимальные рабочие частоты определяются значениями подвижности электронов и дырок, а также диэлектрической проницаемостью материалов, из которых они выполнены.
Прежде чем рассматривать процессы получения монокристаллических слитков кремния и их резку на подложки, необходимо ознакомиться с рядом важных параметров и свойств, свойственных полупроводникам и с происходящими при их росте (росте монокристалла) явлениями. Получение кристаллов с нужными свойствами оказывает большое влияние на получаемые электрические характеристики микросхем, их воспроизводимость, на последующие технологические этапы обработки подложки и в итоге на процент выхода годной продукции.

2.2. Кристаллическая решетка кремния

Все кристаллы можно разделить по степени совершенства решетки на идеальные и реальные, а по составу – на стехиометрические и нестехиометрические.
Идеальные – это такие кристаллы, каждый атом которых находится в положении, характеризуемом минимумом потенциальной энергии, т.е. он расположен упорядоченно как по отношению к ближайшему соседнему атому, так и по отношению к атомам всего объема кристалла.
Стехиометричностью кристалла принято называть пропорциональность весового состава атомным весам в его химической формуле (идеальные кристаллы).
В отличие от идеальных кристаллов в реальных или дефектных кристаллах имеются нарушения кристаллической решетки или химические примеси. Здесь не все атомы решетки упорядоченно расположены по отношению к ближайшим и дальним соседям. Реальные кристаллы по своему составу могут быть стехиометрическими и нестехиометрическими. В реальных кристаллах могут быть такие несовершенства кристаллической решетки, как структурные дефекты, примесные атомы, дислокации. Уже начиная с начального этапа производства — выращивания слитка кремния, его совершенство и несовершенства начинают влиять на воспроизводимость параметров. Все последующие технологические процессы только усилят пагубность несовершенств кристаллической решетки (вплоть до брака). Об этих дефектах речь пойдет чуть позже.

При достаточном сближении частиц между ними возникают силы взаимодействия. Независимо от природы этих сил, общий характер их остается одинаковым – на относительно больших расстояниях возникают силы притяжения, быстро увеличивающиеся с уменьшением расстояния между частицами, на малых расстояниях возникают силы отталкивания, которые с уменьшением расстояния между частицами увеличиваются значительно быстрее, чем силы притяжения.
На определенном расстоянии (r) силы отталкивания уравновешивают силы притяжения и результирующая сила взаимодействия обращается в нуль, а энергия взаимодействия достигает минимального значения. Поэтому состояние частиц, сближенных на расстояние (r) является состоянием устойчивого равновесия, вследствие чего частицы, предоставленные сами себе, должны выстраиваться в строгом порядке на расстоянии (r) друг от друга, образуя тело с правильной внутренней структурой – кристалл. Такая структура будет сохраняться до тех пор, пока энергия связи остается выше энергии теплового движения частиц. Частицы как бы закреплены в положениях равновесия. Единственной доступной для них формой движения является беспорядочное колебание около положений равновесия.

Для описания правильной внутренней структуры кристаллов пользуются понятием кристаллической решетки. Различают трансляционные решетки Бравэ и решетки с базисом.
Решетка, построенная путем параллельного переноса (трансляции) какого-либо узла по трем направлениям, называется трансляционной решеткой или решеткой Бравэ.
Решетку можно представить в виде двух вставленных друг в друга решеток Бравэ, каждая из которых определяется трансляционными векторами. Смещение решеток друг относительно друга описывается дополнительным вектором, называемым базисным. Решетку общего типа называют решеткой с базисом. Ее можно построить с помощью тех же трансляций, что и каждую из составляющих решеток Бравэ, только при этом надо транслировать не один узел, а несколько узлов – базис, задаваемый совокупностью базисных векторов. (Решетка алмаза — решетка с базисом, на рисунке ниже)
Элементарная ячейка представляет собой наименьший объем кристаллического вещества в виде параллелепипеда, перемещая который вдоль трех независимых направлений можно получить весь кристалл. Во всех вершинах ячеек располагаются одинаковые атомы или группы атомов. Поэтому все вершины эквивалентны друг другу. Их называют узлами кристаллической решетки (положения равновесия, относительно которых происходят тепловые колебания частиц).
Для характеристики элементарной ячейки необходимо задать шесть величин: три ребра ячейки a, b, c и три угла между ними. Эти величины называются параметрами элементарной ячейки.
Постоянная решетки определяется как длина элементарной ячейки вдоль одной из осей.
Кристаллографические оси показывают направления кристалла и определяются ребрами элементарной ячейки.
Для достижения более полного выражения симметрии решетки элементарные ячейки строят таким образом, что они содержат частицы не только в вершинах, но и в других точках. Такие ячейки называются сложными. Наиболее распространенные решетки: простая кубическая, объемноцентрированная, гранецентрированная и базоцентрированная.
Существует 14 различных решеток Бравэ, которые в зависимости от степени симметрии делятся на 7 систем симметрии (сингоний): триклинная, моноклинная, ромбическая, тетрагональная, тригональная, гексагональная и кубическая.

Кристаллическая решетка типа алмаза и элементарная ячейка решетки
Кубическая пространственная решетка типа алмаза является наиболее важной, в которой кристаллизуется большинство полупроводниковых материалов (кремний, германий и др.). Основную роль в этой решетке играет наличие тетраэдрических связей – каждый атом имеет четыре ближайших соседей, связанных с ним валентными силами. Решетка типа алмаза представляет собой модификацию гранецентрированной кубической решетки и состоит из двух гранецентрированных решеток, сдвинутых одна относительно другой на 1/4 постоянной решетки.

2.2.1. Несовершенства и дефекты кристаллической решетки

Структуры реальных кристаллов показывают, что их внутреннее строение может существенно отличаться от строения идеальных кристаллов. Реальные кристаллы имеют мозаичную структуру – они построены из блоков правильного строения, расположенных, приблизительно, параллельно друг другу. Размеры блоков колеблются от 10^[-6] до 10^[-8] м, величина углов между ними от нескольких секунд до нескольких минут. Так как кристаллическая решетка в соприкасающихся блоках имеет различную ориентацию, то возникает переходной слой, в котором решетка постепенно переходит от одной ориентации к другой. Поэтому она в этом слое искажена по сравнению с решеткой идеального кристалла.

Еще большему искажению подвергается решетка у границ зерен поликристалла (твердое тело, состоящее из беспорядочно ориентированных монокристаллов.), так как ориентация зерен может отличаться друг от друга на десятки градусов. Границы блоков и зерен являются носителями избыточной свободной энергии, обусловливающей повышенную скорость протекания химических реакций, полиморфных превращений, диффузии и т.д. Они являются также эффективными центрами рассеяния носителей, определяющими значительную долю электрического сопротивления тела, не исчезающего при абсолютном нуле.

2.2.1.1. Примеси

Примеси, всегда и неизбежно присутствующие в твердых телах, являются наиболее важными и распространенными дефектами решетки. В зависимости от природы примесей они могут находиться в кристалле или в растворенном состоянии, или в виде включений. Процесс растворения состоит в том, что примесные атомы внедряются в промежутки между атомами кристалла или замещают часть этих атомов, размещаясь в узлах решетки. В первом случае твердый раствор называется раствором внедрения, во втором случае – раствором замещения. Так как чужеродные атомы по своей физической природе и размерам отличаются от атомов основного кристалла, то их присутствие вызывает искажение решетки кристалла.

Искажение кристаллической решетки в растворах земещения (слева) и в растворах внедрения (справа)
Примеси могут оказывать существенное влияние на химические, оптические, магнитные и механические свойства твердых тел. Технически чистый кремний имеет удельное сопротивление при комнатной температуре порядка 2000 Ом*м, содержание в нем примесей в количестве 10^(-9)% снижает удельное сопротивление до единиц Ом на метр. Технически чистый германий долгое время считался металлом, так как его удельное сопротивление было того же порядка, что и у металлов.

2.2.1.2. Дефекты

Распределение энергии между атомами твердого тела, как и между атомами газа и жидкости, является весьма неравномерным. При любой температуре в кристалле имеются атомы, энергия которых во много раз больше и атомы, энергия которых во много раз меньше среднего значения. Атомы, обладающие в данный момент достаточно высокой энергией, могут не только удалиться на значительное расстояние от положения равновесия, но и преодолеть потенциальный барьер, созданный соседними атомами и перейти в новое окружение, в новую ячейку. Такие атомы приобретают способность как бы “испаряться” из своих узлов и “конденсироваться” во внутренних полостях решетки – в междоузлиях. Этот процесс сопровождается возникновением вакансии и атома в междоузлии (дислоцированного атома). Такого рода дефекты решетки называются дефектами по Френкелю.

Дислоцированные атомы (диффузия происходит путем перехода его из одного междоузлия в другое) и вакансии (путем эстафетного заполнения ее соседними атомами) диффундируют в решетке. Помимо внутреннего испарения возможно полное или частичное испарение атомов с поверхности кристалла. При полном испарении атом покидает поверхность кристалла и переходит в пар, при частичном испарении атом переходит с поверхности в положение над поверхностью. В том и другом случае в поверхностном слое кристалла образуется вакансия. Путем замещения глубже лежащим атомом вакансия втягивается в глубь кристалла и диффундирует по его объему. Этим вакансиям уже нельзя сопоставить дислоцированные атомы, так как их образование не сопровождается одновременным внедрением атомов в междоузлии. Такого рода вакансии называются дефектами по Шоттки.
Такого рода дефекты оказывают большое влияние на многие процессы в кристаллах.

2.2.1.3. Дислокации

Важными несовершенствами решетки являются дислокации. Различают линейные (краевые) и винтовые (спиральные) дислокации.
Дислокации в кристаллах могут возникать в процессе их роста, в результате накопления в решетке вакансий, при протекании в кристалле пластической деформации.

2.2.1.3.1.Линейные дислокации

Предположим, что в кристалле по плоскости ABCD произведен сдвиг в направлении вектора b на участке AHED. Граница HE, отделяющая область AHED, в которой произошло скольжение, от области HBCE, которая не охвачена еще скольжением и представляет собой линейную дислокацию. Вектор b называется вектором сдвига. Он характеризует степень развития скольжения в области AHED.

Незавершенный сдвиг, приводящий к образованию линейной дислокации (а) и расположение атомов в плоскости, перпендикулярной линейной дислокации (б)
Дислокация занимает область, в которой атомы смещены из положений равновесия (ограничена окружностью). На рисунке (б) показано расположение атомов в плоскости, перпендикулярной дислокации. В результате сдвига, произошедшего на участке AHED, в верхней части решетки оказывается на одну атомную плоскость (плоскость 0М) больше, чем в нижней части решетки. Вследствие этого атомный ряд 1, лежащий над плоскостью сдвига, содержит на один атом больше, чем ряд 2, расположенный под этой плоскостью. Поэтому расстояние между атомами верхнего ряда у точки 0 (центр дислокации) будет меньше нормального (решетка сжата), а расстояние между атомами нижнего ряда у точки 0 будет больше нормального (решетка растянута). По мере перемещения от центра дислокации вправо и влево, вверх и вниз искажение решетки постепенно уменьшается и на некотором расстоянии от точки 0 в кристалле восстанавливается нормальное расположение атомов. В направлении же, перпендикулярном плоскости чертежа, дислокация может проходить через весь кристалл или значительную его часть. Таким образом, характерным для линейной дислокации является наличие “лишней” атомной плоскости (экстраплоскость) в части решетки кристалла.

2.2.1.3.2.Винтовые дислокации

Предположим, что в кристалле произведен незавершенный сдвиг в направлении вектора b на площади ABCD, как показано на следующем рисунке.

а – сдвиг, приводящий к образованию винтовой дислокации
б – расположение атомов вокруг винтовой дислокации
в – атомная картина сдвига, приводящего к винтовой дислокации (перемещение атома a к атомам b, c, d, e и т.д.)

AD – граница распространения сдвига. Белыми кружками показаны атомы атомной плоскости, расположенной непосредственно над плоскостью скольжения, черными кружками – атомы атомной плоскости, расположенной под плоскостью скольжения. В недеформированной части кристалла, лежащей левее границы AD, атомы этих плоскостей располагаются друг над другом, поэтому черные кружки совмещены с белыми. В правой части кристалла, где произошел сдвиг на одно атомное расстояние, т.е. в области, лежащей правее EH, атомы плоскостей располагаются также друг над другом. В узкой же полосе AHED атомы верхней плоскости смещены относительно атомов нижней плоскости и тем сильнее, чем дальше они отстоят от границы AD (ось дислокации). Это смещение вызывает локальное искажение решетки – винтовую дислокацию.

2.2.2. Индексы Миллера

Все кристаллические вещества обладают анизотропностью, т.е. свойства кристаллов изменяются в зависимости от кристаллографического направления. Поэтому при использовании кристаллических материалов в различных технологических процессах необходимо задать ориентацию той или иной кристаллографической плоскости. Для задания нужных плоскостей используют индексы Миллера.
Индексы узлов. Положение любого узла решетки относительно выбранного начала координат определяется заданием 3-х координат: x, y, z. Эти координаты выражают так: x=ma, y=nb, z=pc, где a, b, c – параметры решетки; m, n, p – целые числа. Если за единицы измерения длин принять параметры решетки, то координатами узла будут просто числа m, n, p. Эти числа называются индексами узла [[mnp]].
Индексы направления. Для описания направления в кристалле выбирается прямая, проходящая через начало координат. Ее направление определяется индексами [[mnp]] первого узла, через который она проходит. Поэтому индексы узла являются одновременно и индексами направления [mnp]. Индексы направления представляют собой три наименьших числа, характеризующих положение ближайшего узла, лежащего на данном направлении.
Индексы плоскости. Положение плоскости определяется заданием трех отрезков A, B, C, которые она отсекает на осях решетки. Отрезки A, B, C выражают в осевых единицах и записывают величины, обратные этим отрезкам: 1/A, 1/B/, 1/C. Полученные дроби приводят к общему знаменателю (D). Целые числа h=D/A, k=D/B, l=D/C и являются индексами плоскости (hkl).

а – индексы узлов и направлений в решетке
б – индексы основных направлений в кубической решетке
в – индексы основных плоскостей в кубической решетке

3.Технологические процессы производства

Вот мы и подошли к самому интересному, к технологическим процессам производства. Многое, что было изложено выше, будет часто встречаться по ходу изложения материала, поэтому те, кто поленился хотя бы бегло прочитать малокартиночный 2 рункт – разворачивайтесь, пригодится.

3.1.Технологический процесс и топологические нормы

Производственный процесс – совокупность действий рабочих и орудий производства, в результате которых исходные материалы, полуфабрикаты и компоненты превращаются в готовую продукцию, соответствующую своему назначению.
Технологический процесс (маршрут, техпроцесс) – часть производственного процесса, непосредственного связанная с последовательным изменением состояния предмета труда с превращением его в готовую продукцию.
Применительно к данной тематике – последовательность технологических операций обработки полупроводниковых пластин, применяемых для изготовления данного типа микросхем.

Процесс формирования микросхемы состоит из большого числа различных по своей физико-химической природе операций. Все операции необходимы, чтобы обеспечить создание прецизионных по составу и геометрическим размерам областей в кремнии, на основе которых формируются отдельные элементы, а также диэлектрических и металлических пленок, используемых для объединения отдельных элементов в микросхему. Все операции технологического процесса сильно связаны между собой. Большинство технологических операций многократно повторяются в общем цикле (в совокупности около 1500 раз), поэтому весь процесс получения сложных микросхем весьма продолжительный.
Основными факторами, влияющими на результаты производственного процесса (выход годных микросхем, уровень их рабочих характеристик) являются суммарная плотность дефектов, приходящихся на единицу поверхности пластины (подложки) в процессе проведения всех технологических операций и количество фотолитографических операций (как самых ответственных). Для большинства производственных процессов плотность дефектов примерно одинакова, так как полупроводниковые пластины во многих случаях закупаются производителями микросхем у сторонних фабрик, производящих их с регламентированными стандартами (в том числе и количеством дефектов). Поэтому определяющим фактором результатов технологического процесса является фотолитография (несколько десятков операций фотолитографии).

Достаточно часто при чтении обзоров про разгон различных процессоров (в основном) многим приходится слышать о воспроизводимости результатов одинаковых образцов – в основном итоговые результаты имеют весьма малый разброс (одного степпинга и при не столь большом разбросе во временном промежутке (дате производства) в отлаженности технологического процесса), но все же его имеют. Отчего это происходит? В связи с очень высокой сложностью технологических маршрутов в процессе производства микросхемы подвергаются воздействию чрезвычайно большого числа факторов (сотни), причем степень их влияния различна, а совместное действие приводит к разбросу электрофизических параметров.

Для осуществления полного технологического маршрута производства определенного конструктивно-технологического исполнения микросхем выпускаются комплекты оборудования (производители: Applied Materials, ASML, Tokyo Electron, KLA-Tencor, Nikon, Canon, Hitachi и другие), в которые входят технологические установки, приборы и устройства, обеспечивающие все без исключения группы технологических процессов (программно-управляемое технологическое оборудование, роботы и роботехнические системы и др.). Фабрики, оснащенные таким оборудование, являются очень гибкими, имеющими возможность переналаживаться, перестраиваться для производства различных, но однородных по свойствам и назначению изделий.
Дефекты при фотолитографии крайне опасны и сильно влияют на процент годных микросхем, но в тех случаях, когда итоговые (получившиеся) размеры части логики (тополигии) схемы меньше минимального, принятого в качестве стандартной нормы (топологические нормы) при проектировании элементов микросхемы, могут вызвать выход ее из строя под нагрузкой.

Так как в данном материале рассматривается лишь вопрос получения полупроводниковых подложек, не будут рассматриваться процессы фотолитографии и наращивания слоев из-за своей обширности и сложности и, возможно, являются темой для еще одной статьи. Но вкратце рассказать или дать определения, что такое структура, топология микросхемы и ее топологические нормы, думаю, необходимо.
Фотолитография – процесс образования на поверхности подложки с помощью светочувствительных материалов (фоторезист) локальных защитных участков пленки (микроизображение), рельеф которых повторяет рисунок топологии микросхемы и последующего переноса этого микроизображения на подложку. Фотолитография является основным технологическим процессом при производстве микросхем.

Конструкция полупроводниковой микросхемы полностью определяется ее физической структурой – совокупностью слоев в кристалле, отличающихся материалом и электрофизическими свойствами.
Топология микросхемы – форма, размеры, относительное расположение отдельных областей и характер межсоединений по поверхности кристалла.

Если посмотреть на этот кристалл сверху (в плане), это и будет топологией. А вид поперечного сечения кристалла – структурой.
Кому интересно, могут перейти по ссылкам и ознакомиться вкратце с общим циклом производства процессоров.
Как изготавливаются процессоры Intel: история в картинках
Производство современных процессоров. Технологический экскурс
Когда в процессе фотолитографии облучаются не защищенные участки слоя фоторезиста, после его частичного стравливания с подложки образуется рисунок с определенными линейными размерами участков элементов. Величина этих размеров определяется топологической нормой – областью минимально воспроизводимого (без смыканий и других дефектов) планарного размера (например, 45 нм).

Эти нормы определяются разрешающей способностью литографического проекционного оборудования, с помощью которого и происходит облучение фоторезиста нужным рисунком. Таким образом, размеры определяются полученными размерами в слое фоторезиста, которые далее будут перенесены в подложку. Разрешающая способность фоторезиста определяется числом линий равной толщины, которые могут быть получены без слияния на какой-то определенной величине площади поверхности (1 мм). Размеры таких линий определяются топологическими нормами. Поэтому, такие понятия, как технологический процесс и технологические (топологические, производственные) нормы различны.

3.2.Технологические процессы получения полупроводниковых пластин

Итак, теперь мы рассмотрим, как же превращается “обычный” кремний в столь блестящие полупроводниковые подложки, на которых и будут размещены миллиарды транзисторов.

3.2.1.Технологический процесс получения монокристаллического слитка кремния

Для начала выясним, что такое монокристаллы и поликристаллы.
Кристаллические тела могут быть монокристаллическими и поликристаллическими.
Монокристалл – отдельный однородный кристалл, имеющий во всем объеме единую кристаллическую решетку и зависимость физических свойств от направления (анизотропия).
К монокристаллам относятся природные кристаллы – кварц, алмаз, турмалин.
Поликристалл – твердое тело, состоящее из беспорядочно ориентированных монокристаллов.

Для изготовления микросхем требуются полупроводниковые материалы в виде пластин, вырезанных из монокристаллических слитков, имеющих форму стержня круглого сечения, получаемые путем вытягивания из расплавов с помощью затравки. Рассмотрим, как это происходит.

Производство начинают с нагревания необожженного поликристаллического кремния до 1420 Градусов по Цельсию в специальной герметичной печи, очищенной от воздуха инертным газом – аргоном.

Затем получившийся расплавленный кремний раскручивается в тигле, а затравочный кристалл кремния, размером и формой напоминающий карандаш, охлаждаемый холодильником, погружается в него, вращаясь в противоположном направлении.

Кремний устойчив на воздухе при нагревании его до 900 Градусов по Цельсию, выше этой температуры кремний начинает интенсивно окисляться с образованием диоксида кремния. Расплавленный кремний обладает высокой химической активностью, поэтому подбор для него контейнерного и тигельного материалов вызывает определенные трудности. Наиболее чистые материалы, из которых изготовляют тигли (кварц и графит), при высоких температурах взаимодействуют с кремнием.
Пока расплавленный монокристаллический кремний остывает, затравочный кристалл медленно извлекают, увлекая за собой монокристалл полупроводникового материала. Растет монокристалл на затравке со скоростью до 80 мм/ч. Расплав смачивает затравку и удерживается на ней силами поверхностного натяжения. В результате получается сплошной кремниевый кристалл нужной длины и диаметром (в настоящее время) 300 мм. Отсутствие прямого контакта растущего монокристалла с тиглем и возможность изменения его геометрической формы позволяют получать практически бездислокационные монокристаллы.

Кремний легируют акцепторными или донорными примесями до определенного заданного уровня для управления его свойствами — создания электронного или дырочного типа электропроводности. Например, для получения кремния с электропроводностью n-типа (электронная) его легируют фосфором, мышьяком, сурьмой, для получения электропроводности p-типа (дырочная) легируют бором, алюминием. Плотность дислокаций для всех групп кремния различна и лежит в пределах от 10^2 до 10^4 см^(-2). Разброс удельного сопротивления не превышает 35% по объему слитка и 20% по торцу слитка. Содержание кислорода в монокристаллическом кремнии в зависимости от электропроводности (n/p-типа) не превышает единиц 10^17 (ат/см^3 или см^(-3)).

Монокристалл после охлаждения калибруют по диаметру до заданного размера (300 мм) с точностью +/- 1 мм. Затем проводится травление его поверхности на глубину 0.3 — 0.5 мм и ориентация по заданному кристаллографическому направлению (для кремния обычно по оси [111] и [100]), чтобы получить после резки пластины, ориентированные строго в заданной плоскости. Правильная ориентация пластин обеспечивает высокую воспроизводимость электрофизических параметров создаваемых на пластине микросхем.

После химического и рентгеноскопического анализа для проверки степени его чистоты и молекулярной ориентации он загружается в установку для резки кремния на пластины (подложки).

3.2.2. Абразивные материалы

Для механической обработки полупроводниковых материалов не могут быть использованы обычные токарные, фрезерные, строгальные и сверлильные станки. Это связано с высокой хрупкостью полупроводниковых материалов. Поэтому основным способом их механической обработки является обработка с использованием абразивов как в связанном состоянии (алмазные диски и шлифовальники), так и в свободном (абразивные суспензии и алмазные пасты).

Абразивным может быть любой природный или искусственный материал, зерна которого обладают определенными свойствами: твердостью, абразивной способностью, механической и химической стойкостью. Главной особенностью абразивных материалов является их высокая твердость по сравнению с другими материалами. На использовании различия в твердости полупроводниковых и абразивных материалов построены все процессы механической обработки полупроводниковых материалов.
Под твердостью понимают способность абразивного материала сопротивляться вдавливанию в него другого материала, не получая остаточных деформаций. По шкале Мооса самому твердому материалу, алмазу, соответствует 10-й класс, корунду – 9-й, топазу – 8-й, кварцу – 7-й и т.д.
Под абразивной способностью понимают возможность с помощью одного материала обрабатывать другой или группу различных материалов. Абразивная способность алмаза – 1, карбида бора – 0.6, карбида кремния – 0.5, монокорунд – 0.25, электрокорунд – 0.15 и т.д.
Под механической стойкостью понимают способность абразивного материала выдерживать механические нагрузки и не разрушаться при механической обработке полупроводниковых материалов.
Под химической стойкостью понимают способность абразивных материалов не изменять своих механических свойств в растворах щелочей, кислот, воде и органических растворителях.
В производстве применяют следующие виды основных абразивных материалов: алмаз (самый твердый из известных минералов, его микротвердость 9.8*10^10 (Н/м^2), используются искусственные алмазы, полученные из графита, обработанного под большим давлением и при высокой температуре), карбид кремния (химическое соединение кремния с углеродом, твердость по шкале Мооса 9.2, микротвердость – 3.4*10^10 (Н/м^2)), карбид бора (химическое соединение бора с углеродом, твердость равна 9.7, микротвердость – 4.8*10^10 (Н/м^2)), электрокорунд (кристаллический оксид алюминия, микротвердость (1.8-2.4)*10^10 (Н/м^2), твердость – 9), оксид хрома (порошок, получаемый восстановлением двухромовокислого аммония серой) и аэросил (чистый диоксид кремния).
Все абразивные материалы отличаются размером зерен и подразделяются на четыре группы: шлифзерно, шлифпорошки, микропорошки, тонкие микропорошки.

Физическая сущность механизма разрушения хрупкого полупроводникового материала при обработке свободным абразивом заключается в следующем. Частицы абразивного материала, вдавливаясь в поверхность обрабатываемого полупроводникового материала, вызывают образование в ней микротрещин. Эти микротрещины в процессе обработки увеличиваются и распространяются вглубь от поверхности. Дальнейшая обработка приводит к созданию сети трещин, которые, смыкаясь, вызывают сколы отдельных участков полупроводникового материала. Отколовшиеся части удаляют с поверхности исходного образца. Таким образом происходит послойное удаление материала и осуществляется механическая обработка исходного образца.
Зарождение микротрещин при абразивной обработке происходит в местах скопления дислокаций и других дефектов кристаллической решетки. Особое значение имеют краевые (линейные) дислокации. В месте расположения краевой дислокации наиболее вероятно возникновение микротрещин.

Обработка полупроводниковых материалов свободным абразивом проводится с использованием различных абразивных суспензий, составной частью которых яляется жидкость. Наличие жидкости способствует процессу механической обработки полупроводниковых материалов, так как абразивный порошок находится в жидкости во взвешенном состоянии и равномерно распределяется в ней.
Наличие жидкости при обработке дает возможность более равномерного распределения абразивных зерен по всей обрабатываемой поверхности исходного образца. Жидкость переносит новую порцию абразивных зерен, поступающих из дозатора и выносит из зоны обработки разрушенные частицы обрабатываемого материала. Смоченные абразивной суспензией обрабатываемые поверхности не подвергаются перегреву, который может привести к ухудшению качества механической обработки. Если жидкость вляется не чистая вода, а щелочные или кислотные растворы, то такая жидкость при абразивной обработке оказывает химическое воздействие на обрабатываемый материал. Кроме того, жидкость способна проникать в имеющиеся на поверхности полупроводникового материала микротрещины и способствовать откалыванию от его поверхности отдельных частиц за счет расклинивающего действия сил поверхностного натяжения (поглощение влаги различными материалами связано с тем, что межмолекулярные промежутки в материалах в сотни раз превосходят размеры молекул воды (около 3*10^(-10) м) и способность воды смачивать поверхность и проникать в поры материалов и микротрещины в зоне спаев разнородных материалов увеличивается с повышением температуры, при ее повышении от +20 до +80 Градусов вязкость воды уменьшается в 3 раза, величина поверхностного натяжения более чем в 2 раза, коэффициент самодиффузии при этом также увеличивается более чем в 2 раза).

Физическая сущность процесса механической обработки связанным абразивом несколько отличается от обработки свободным абразивом. При обработке связанным абразивом к разрушению под действием нормальной силы, направленной перпендикулярно поверхности (случай обработки свободным абразивом), добавляется разрушение обрабатываемого материала за счет срезания микровыступов поверхности закрепленным зерном абразива под действием сдвигающей силы, направленной вдоль поверхности пластины.

При обработке свободным абразивом ударное усилие направлено внутрь обрабатываемого полупроводникового материала и абразивные зерна вызывают сильное разрушение поверхностного слоя. При обработке связанным абразивом основная часть усилий направлена не внутрь образца, а вдоль его поверхности, что вызывает меньшую глубину разрушения исходного материала при той же толщине удаленного слоя. Жидкость при обработке связанным абразивом используется лишь для охлаждения режущего инструмента и обрабатываемого полупроводникового метариала.

3.2.3. Технологический процесс резки монокристаллического слитка на полупроводниковые пластины

Процесс включает в себя разрезание монокристаллического слитка на тонкие (около миллиметра) плоскопараллельные пластины.
Рассмотрим два способа резки слитка на пластины: резка диском с алмазной внутренней кромкой и резку проволокой с применением абразива.

Сущность метода резки алмазным диском с внутренней режущей кромкой состоит в следующем. На шпиндель станка крепят алмазный диск и с помощью специальных растягивающих болтов регулируют его радиальное натяжение. Внутрь полого шпинделя помещают держатель с приклеенным к нему полупроводниковым слитком. Перед началом весь слиток находится внутри шпинделя, а торцовая его часть немного выступает за кромку плоскости алмазного диска. При включении станка шпиндель с закрепленным на нем алмазным диском (его стойкость зависит от режимов резки, рода обрабатываемого материала и качества крепления диска на шпинделе – натяжение, биение, вибрация) начинает вращаться. Если держатель со слитком перемещать в горизонтальном (или вертикальном) направлении, то в определенный момент слиток коснется своей боковой поверхностью кромки алмазного диска и начинается процесс резки. При полном отрезании пластины от слитка держатель отводится в исходное первоначальное положение и выдвигается из шпинделя на длину, равную толщине отрезаемой пластины. После этого процесс повторяется.

Каждое алмазное зерно, закрепленное на кромке металлического диска, представляет собой микрорезец, который скалывает микрочастицы с обрабатываемой поверхности полупроводникового материала. Процесс резания идет при большой частоте вращения шпинделя (3000 — 5000 об/мин). При частотах вращения менее 3000 об/мин производительность процесса резки резко снижается, при частотах более 5000 об/мин возрастают вибрации станка, которые вызывают биение диска, что приводит к снижению чистоты обработки поверхности пластин и резкому увеличению расхода полупроводникового материала. При резке происходит выделение большого количества теплоты в месте соприкосновения алмазной кромки диска с поверхностью полупроводникового материала. Поэтому в течение всего процесса резки в область контакта диск-слиток непрерывно подают охлаждающую жидкость.

1 – шпиндель
2 – диск с алмазной кромкой
3 – слиток
4 – держатель слитка
5 – отрезанная пластина
6 — сборник

Режим резки выбирают, исходя из конкретных условий: вида полупроводникового материала, диаметра, толщины отрезаемой пластины, требований по классу и чистоте обработки, точности геометрических размеров и требований по плоскостности и плоскопараллельности пластины. На процесс резки существенное влияние оказывает скорость подачи слитка (сила прижатия к алмазному диску). При малых скоростях подачи слитка производительность резки слишком мала. С увеличением скорости подачи производительность повышается, а точность обработки снижается за счет прогибания диска. Отрезаемая пластина будет иметь искривленную поверхность. При малой толщине пластины это может привести к ее разлому в процессе резки (более низкая скорость подачи для тонких и более высокая – для толстых пластин). На скорость подачи существенное влияние оказывает твердость обрабатываемого материала.

Качество процесса резки в сильной степени зависит от применяемой охлаждающей жидкости и ее расхода (2-4 л/мин). Процесс изнашивания рабочей поверхности алмазного диска характеризуется тремя периодами: выкрашивание из связки отдельных непрочно закрепленных алмазных зерен; округление вершин и расщепление алмазных зерен, а также частичное скалывание отдельных зерен по плоскости спайности; увеличение усталостных явлений в основе диска, зерне, связке. Тепловые явления, возникающие при резке слитка на пластины, оказывают существенное влияние на качество резки – увеличивается толщина нарушенного слоя, создаются остаточные напряжения и микронеровности, структурные изменения поверхности полупроводникового материала и алмазного диска.

Резка проволокой с применением абразива имеет две разновидности. В одном случае проволока наматывается на ролики, укрепленные на специальной вилке, которая приводится в возвратно-поступательное движение кривошипно-шатунным механизмом. Проволока, совершая возвратно-поступательное движение с вилкой, медленно перематывается. Перемотка необходима для равномерного износа проволоки по всей рабочей длине.
В другом случае резка происходит по принципу перемотки проволоки с одного ролика на другой с большой скоростью. Разрезаемый слиток подводят к движущейся проволоке до соприкосновения и устанавливают определенную скорость подачи слитка. В процессе перемотки происходит резка пластин на кристаллы.

На проволоку непрерывно подается абразивная суспензия. Взаимодействие абразивных зерен с полупроводниковым материалом приводит к появлению микротрещин и выколок в последнем и послойному удалению обрабатываемого материала.
При малых скоростях подачи полупроводникового материала происходит незначительное его разрушение. Для резки полупроводниковых слитков обычно используют проволоку из вольфрама, стали, никеля, нихрома. Диаметр проволоки 0.05 — 0.15 мм, ширина реза равна 0.08 — 0.2 мм.

3.2.4.Технологический процесс резки полупроводниковых пластин на кристаллы

Эта операция, хотя и размещена сразу за процессом резки слитка на полупроводниковые пластины, в общем цикле обработки пластин она проводится на последнем этапе, непосредственно перед процессом сборки.

Способов резки слитка на кристаллы достаточно много (резка алмазным диском с внешней режущей кромкой, резка проволокой с применением абразива, резка с использованием ультразвуковых установок, алмазное скрайбирование с последующим разламыванием, лазерное скрайбирование с последующим разламыванием, электронно-лучевое с последующим разламыванием). Использование каждого из способов резки пластин на кристаллы диктуется требованиями к конкретному типу микросхем и технологии его изготовления.

Резка алмазным диском с внешней режущей кромкой несколько отличается от рассмотренной резки слитка на пластины. Отличие состоит в конструкции алмазного диска (для резки кремниевых пластин обычно применяют резцы с алмазным наконечником, имеющим форму четырехгранной пирамиды с острой вершиной), у которого режущая алмазная кромка нанесена на его периферийную часть. Конструкция такого диска не может быть использована для резки слитка на пластины из-за малой жесткости конструкции, не позволяющей получать глубокие резы без нарушения качества обработки. Однако для разрезания пластин на кристаллы, когда глубина реза не превышает 1 мм, успешно используют алмазные диски с внешней режущей кромкой. Иногда используют не единичные диски, а наборы дисков с расстоянием между ними, равным размеру отрезаемого кристалла. Толщину диска выбирают равной 0.1 мм (100 мкм) и, соответственно, итоговая ширина реза равна 0.2 мм. Разброс кристаллов по геометрическим размерам не превышает +/- 0.03 мм (30 мкм). При резке слитка на кристаллы при помощи проволоки ширина реза меньше 0.1 мм.

Алмазное скрайбирование заключается в том, что на поверхности полупроводниковой пластины алмазным резцом наносят риски (шириной 10 – 20 мкм, глубиной 5 – 10 мкм, нагрузка на резце 1.2 – 1.4 Н) в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Вокруг нанесенной риски на поверхности пластины возникают механически напряжения, ослабляющие материал в локальных областях. При приложении к пластине изгибающего усилия она разламывается вдоль нанесенных рисок. Устройство для разламывания состоит из линзы со сферической поверхностью и резиновой мембраны. Пластину располагают на резиновой мембране рисками вниз, а сверху к пластине подводят сферическую поверхность линзы. При определенном давлении воздуха на резиновую мембрану происходит прижатие пластины к сферической поверхности линзы и разламывание пластины на кристаллы квадратной формы (для различных размеров кристаллов требуется определенной кривизны линзы).

Электронно-лучевое скрайбирование проводят остросфокусированным электронным лучом. Электронный луч, обладая достаточной энергией, производит микрорасплавление локального участка поверхности пластины. Процесс нагрева и охлаждения локальных областей (бороздок) пластины происходит в течение короткого промежутка времени, что вызывает возникновение термомеханических напряжений в области созданных электронным лучом бороздок. При последующем приложении к пластине изгибающего усилия пластина раскалывается на кристаллы. Либо при достаточной мощности луча проводят сквозную резку пластины за счет расплавления и последующего испарения локальной области пластины.

При лазерном скрайбировании резка на поверхности пластины образуется не механическим, а электрофизическим способом путем нагрева и испарения узкой полосы пластины (25 – 40 мкм). Данный метод позволяет проводить резку и скрайбирование пластин с любым покрытием и на любую глубину.

Размеры риски, зона термического влияния лазерного луча определяются скоростью перемещения пластины относительно лазерного луча, мощностью, частотой и длительностью импульса лазерного излучения, размером сфокусированного луча.

Резка пластины на кристаллы осуществляется по специальным разделительным дорожкам между топологией каждого кристалла (полосы яркого свечения). Износ резца диска возрастает при резке диоксида кремния и других защитных слоев, поэтому предусматривают эту дорожку, максимально свободную от таких пленок.

3.2.5.Качество поверхности полупроводниковых пластин

Полученные после разрезания слитка полупроводниковые пластины (подложки) обладают рядом нарушений, к которым относятся наличие механически нарушенного слоя, неплоскостность и неплоскопараллельность сторон, изгиб и большой разброс по толщине. Глубина механически нарушенного слоя является основной характеристикой качества обработки полупроводниковых пластин. Этот слой распространяется от обработанной поверхности в глубь объема полупроводникового материала. Наибольшая глубина залегания нарушенного слоя образуется при резке слитка на пластины, процессы шлифовки и полировки приводят к уменьшению глубины залегания этого слоя.

Качество поверхности полупроводниковых пластин оценивается с геометрической и физической точек зрения. С геометрической точки зрения качество определяется неровностями, выступами и впадинами реальной поверхности, с физической – отклонением свойств верхних слоев материала от свойств материала сердцевины. Если рассматривать реальную необработанную подложку в разрезе, то можно выделить рельефный слой, который определяет геометрические отклонения от идеального поверхностного слоя; трещиноватый слой, в котором нарушена целостность поверхности; пластически деформированный слой; напряженный, упругодеформированный слой.

H – высота дефектного слоя, величина его определяется способом обработки. Чем грубее обработка, тем дефектный слой больше. К причинам появления дефектного слоя следует отнести упругие, пластические деформации и деформации разрушения, которые имеют место в процессе обработки, нагрев поверхностного слоя, химические явления, которые имеют место в зоне обработки: окисление, образование других химических соединений.
Макронеровности – единичные, неповторяющиеся отклонения поверхности (конусность, непараллельность, овальность). Волнистость – периодически повторяющиеся выступы и впадины на поверхности. Микронеровности – выступы и впадины на небольших участках поверхности.

Слой материала, подлежащего удалению в процессе последующей обработки пластины называется припуском (равным H) на обработку. Минимальное значение припуска должно обеспечивать удаление микронеровностей и дефектного слоя, получаемого при предшествующей обработке. В процессе обработки полупроводниковой подложки для получения нужного качества поверхности (чистоты) припуск удаляется не сразу, а постепенно – в несколько этапов. При этом предварительный припуск должен быть как можно большим, чтобы удалить дефектный слой H, но после предварительной обработки появляется новый дефектный слой, только меньшего размера.

3.2.6.Технологический процесс обработки полупроводниковых пластин

Отрезанные полупроводниковые пластины загружают в установки для шлифовки и полировки.

3.2.6.1.Механическая обработка полупроводниковых пластин

3.2.6.1.1.Шлифовка полупроводниковых пластин

Для получения хороших результатов шлифовку проводят в чистых, свободных от пыли помещениях и под защитными кожухами с избыточным давлением воздуха, все установки для проведения процессов шлифовки разделены по виду обработки и типу используемого абразива, а все материалы (шлифовальники, абразивные порошки) рассортированы и хранятся в отдельных герметичных скафандрах.

Под процессом шлифовки понимают обработку полупроводниковых пластин на твердых доводочных дисках-шлифовальниках абразивными микропорошками. Шлифовальники обычно изготовляют из чугуна, стекла, стали, меди или латуни. Зернистость микропорошков для шлифования пластин выбирают от нескольких микрон до менее 0.1 микрона.

По технологическим признакам шлифовку подразделяют на предварительную (с более крупным порошком) и окончательную (с более мелким порошком), по конструктивным признакам – на одностороннюю и двустороннюю, по виду используемого материала – на шлифовку свободным и связанным абразивом.
Цель предварительной шлифовки – быстро выровнять плоскости пластин и удалить припуск. Режимы проведения этого процесса отличаются более высокими частотой вращения шлифовальников и давлениями абразивного микропорошка на поверхность пластины. Окончательная шлифовка характеризуется более мягкими режимами обработки. Целью окончательной шлифовки является дальнейшее улучшение геометрических параметров и качества поверхности обрабатываемых пластин.

При шлифовке полупроводниковые пластины располагают так, чтобы они соприкасались с поверхностью шлифовальника. При вращении шлифовальника поверхность шлифовальника и пластин плотно прилегают друг к другу. В зону шлифования подают абразивную суспензию, что создает определенное давление, которое приводит к выкалыванию микрочастиц полупроводникового материала. Шлифованная поверхность обрабатываемых пластин имеет матовую фактуру и состоит из большого числа кратерообразных выколок. Размеры этих выколок находятся в прямой зависимости от размера зерен абразива, давления на них шлифовальника и скорости шлифовки.
Шлифовку свободным абразивом выполняют с использованием различных суспензий и паст. В процессе обработки зерна абразива находятся в свободном состоянии, т.е. не связаны жестко друг с другом. Абразивная суспензия создает тонкую прослойку между шлифовальником и обрабатываемой пластиной, в которой абразивные зерна свободно перетекаются. Шлифовка связанным абразивом существенно отличается как по физическому принципу удаления материала в процессе обработки, так и по кинематике процесса. Шлифовку связанным абразивом выполняют на станках с жесткими осями, особенностью которых является неизменность положения осей вращения шлифовальника и обрабатывамых пластин. Конструкция шлифовального круга представляет собой металлический диск с нанесенным на его поверхность алмазным слоем. Алмазные зерна прочно соединены с поверхностью шлифовального диска специальной крепящей связкой.

Шпиндель шлифовального круга, вращаясь с частотой 15000 – 18000 об/мин, приходит в контакт с поверхностью пластин. Алмазные зерна шлифовальника, ударяясь с высокой скоростью о пластины, снимают с поверхности полупроводникового материала микростружку. Обработанная этим способом полупроводниковая пластина имеет специфический рисунок поверхности, который предстваляет собой сетку из множества пересекающихся рисок. Процесс шлифовки свзанным абразивом характеризуется выделением большого количества теплоты. Поэтому для предотвращения перегрева шлифовальника и пластин в зону шлифования подают охлаждающую жидкость. Точность обработки связанным абразивом зависит в первую очередь от настройки станка и жесткости крепления его элементов. Погрешности геометрических размеров и форм обрабатываемых пластин возникают вследствие непараллельности осей шпинделя шлифовального круга и предметной головки станка (где размещают подложки).

3.2.6.1.2.Полировка полупроводниковых пластин

Для улучшения качества обработки поверхности полупроводниковых пластин и уменьшения глубины механически нарушенного слоя проводят процесс полировки. Процесс полировки отличается от процесса шлифовки технологическим режимом, размером зерна и видом абразива, а также материалом полировальщика. Обработка происходит с использованием свободного абразива. Процесс полировки проводят на мягких полировальниках, которые представляеют собой жесткие диски, обтянутые мягким материалом. В качестве абразива используют микропорошки синтетического алмаза, оксида алюминия, оксида хрома, диоксида кремния. Полировочный материал должен удерживать частицы абразивного материала в процессе обработки пластин.

Процесс полировки пластин может происходить в несколько этапов. Для начала применяют микропорошки с более крупной зернистостью. На последующих этапах, после проведения операции очищения от следов предыдущей обработки, меняют материал полировальника и используют более мелкие микропорошки. Нагрузка на полупроводниковые пластины несколько увеличивается. Водная суспензия в течение всего процесса полировки тщательно перемешивается. Последний этап полировки имеет большое значение. Он дает возможность удалить фон частиц с поверхности пластин, возникающий на первых этапах полировки и значительно уменьшить глубину механически нарушенного слоя.

Так же могут применяться химико-механические способы полировки, которые отличаются высокой химической активностью по отношению к обрабатываемому полупроводниковому материалу.

3.2.6.2.Химическая обработка полупроводниковых пластин

Получение чистой поверхности полупроводниковых подложек связано с требованием недопустимости каких-либо загрязнений поверхности пластин, так как электрические параметры микросхем существенно зависят от степени совершенства поверхности, качества обработки и геометрической формы обработанных пластин и эти несовершенства неблагоприятно сказываются на последующих технологических процессах, создающих в подложке топологию будущей микросхемы. Несовершенства кристаллической решетки приповерхностного слоя пластины, образовавшегося после шлифовки и полировки с использованием абразивных микропорошков, все еще сохраняются (с близкой к идеальной поверхностью), поскольку все предыдущие технологические операции основываются на механической обработке поверхности пластин. Удаление с поверхности подложки остаточного механически нарушенного слоя необходимо для получения атомарно совершенной структуры поверхностного слоя, поэтому следующим технологическим процессом является химическая обработка пластин.

Но прежде чем рассматривать этот завершающий этап в общем цикле подготовки подложек, рассмотрим, какие виды загрязнений могут образоваться на полупроводниковых подложках вследствие механической обработки, а также за счет адсорбции различных веществ из технологических сред, рассмотрим весьма ответственный процесс отмывки подложек и требования, предъявляемые к чистоте производственных помещений ввиду того, что химическая обработка не допускает каких-либо видов загрязнений.

3.2.6.2.1.Виды загрязнений полупроводниковых пластин

Все виды загрязнений можно классифицировать по двум признакам: их физико-химическим свойствам (органические, неорганические, солевые, ионные, механические и др.) и характеру их взаимодействия (физически и химически адсорбированные) с полупроводниковыми материалами, на которых они находятся.

К физически адсорбированным загрязнениям относятся все виды механических частиц (пыль, волокна, абразив, металлические включения), а также все виды органических материалов, связанные с поверхностью подложки силами физической адсорбции. Удаление органических (полярные (синтетические вещества, смолы), неполярные (минеральные масла, вазелин, нефтяные парафины, воск)) загрязнений требует более сложного процесса отмывки, так как при нагревании они разлагаются и выделяют газообразные вещества (кислород, оксид и диоксид углерода, пары воды и др.), ухудшающие последующие технологические процессы.

К химически адсорбированным загрязнениям относятся различные виды оксидных и сульфидных пленок на поверхности пластин, катионы и анионы химических веществ. Таким образом, для полной очистки подложки от загрязнений используют ряд последовательных операций, каждая из которых удаляет несколько видов загрязнений, а какие это операции – рассмотрим далее.

3.2.6.2.2.Отмывка полупроводниковых пластин

На всем протяжении процесса создания необходимых слоев на поверхности подложки, последняя регулярно проходит очистку от продуктов зевершенных последовательных технологических операций, чтобы можно было приступить к следующим. Эта операция состоит из двух этапов – обезжиривание подложек в органических растворителях и промывка в особо чистой воде.

Обезжиривание подложек проводят для удаления органических физических загрязнений. Для отмывки подложек часто используют различные смеси растворителей, которые позволяют проводить отмывку полярных и неполярных органических загрязнений. Например, фреон-хлористый метилен, фреон-изопропиловый спирт, фреон-ацетон и др. Процесс обезжиривания в органических растворителях в сильной степени зависит от режима его проведения (температуры, длительности и скорости смены отработанного растворителя). Часто для интенсификации процесса и улучшения качества применяют ультразвуковые ванны.
Полупроводниковые пластины загружают в кассеты, которые последовательно опускают в несколько ванн с растворителем или смесью растворителей. Происходит удаление наиболее грубых жировых загрязнений, снимаются оставшиеся при первой обработке участки жировых покрытий и окончательная отмывка подложек. Весьма эффективным методом является обработка пластин в парах кипящих расворителей – пары растворителя более эффективно взаимодействуют с загрязнениями и растворяют их.

В процессе обезжиривания происходит взаимодействие расворителя с различными видами загрязнений и в результате десорбции молекулы этих загрязнений переходят с поверхности полупроводниковой подложки в приповерхностный слой растворителя, а молекулы растворителя оседают на поверхности подложки. Происходит замещение адсорбированных молекул загрязнений молекулами растворителя. Таким образом, в процессе обезжиривания на поверхности подложки создаются слои растворителя, которые необходимо удалить. Остатки расворителя и частиц продуктов удаляют промывкой в особо чистой (деионизованной, удельное сопротивление которой 1-20 МОм*см (идеально чистой воды равно 25 МОм)) воде.

3.2.6.2.3.Требования к чистоте помещений

На протяжении всего технологического процесса обрабатываемые пластины находятся в контакте с той или иной средой. Технологической средой называется характеризуемая строго определенными параметрами воздушная, газовая или другая среда, наличие которой является обязательным условием для проведения заданной технологической операции. Наибольшее влияние на технологические процессы оказывают следующие параметры воздушной среды: температура, влажность, запыленность и содержание газов и паров. Производство делится на ряд технологических участков, занимающих отдельные помещения.

Колебания температуры изменяют линейные размеры оснастки и обрабатываемых объектов, скорости химических реакций, скорости испарения применяемых материалов, параметры структур и готовых микросхем. Влажная среда нежелательна при проведении практически всех технологических операций. Адсорбируясь на различных поверхностях, влага и растворенные в ней вещества приводят к образованию нежелательных соединений. Влажность воздуха производственных помещений поддерживают на минимальном уровне. В связи с субмикронными размерами элементов и зазоров между ними присутствие в воздушной среде механических частиц может существенно ухудшить качество и снизить процент выхода годных микрочипов. Механические частицы могут приводить к разрывам проводящих дорожек, коротким замыканиям элементов, образованию сквозных пор, проколов.

Из-за всех этих причин фабрики микроэлектронной промышленности строят вдали от крупных промышленных городов, в зеленых зонах, при строительстве применяют специальные износостойкие материалы, легко очищаемые и не загрязняющие воздушную среду. Давление внутри зданий несколько превышает атмосферное во избежание проникновения наружного воздуха.

Чистая комната представляет собой помещения (1 класс), в которых производятся технологические операции, требующие особой чистоты и тщательного поддержания температуро-влажностных параметров воздушной среды, а также строгого соблюдения норм технологической гигиены.

Свет в чистой комнате жёлтый. Причина в том, что использование процессов фотолитографии означает, что поверхность подложки чувствительна к свету, особенно к ультрафиолету (длина волны спектра УФ излучения равна (10 – 380) нм (диапазон частот (8*10^14 – 3*10^16) Гц), к слову, УФ-излучение весьма эффективно поглощает обычное стекло, точнее, оксид железа, входящий в его состав). Обычное белое освещение сразу бы испортило поверхность подложки, поэтому его нужно жёстко контролировать, чтобы частота волн света не взаимодействовала со светочувствительным покрытием подложек.

В чистых комнатах важно обеспечить и определенную величину, и направление вектора скорости кондиционированного перемещения воздуха. В чистых комнатах запыленность обеспечивается присутствием не больше 100 частиц размером более 0,5 микрон (имеются частицы размерами от сотых до нескольких десятых долей микрона). Некоторые участки требуют воздушной среды более чистой, чем в помещениях. Чистота воздушной среды в производственных помещениях находится на столь высоком уровне, что источником загрязнений становится обслуживающий персонал (кожа человека и одежда). Число частиц различного размера, выделяемых человеком и его одеждой в минуту, может изменяться от 100 000 (человек сидит или стоит неподвижно), до 10 000 000 (ходьба со скоростью 9 км/ч). Поэтому работы в чистых комнатах ведутся в специальной рабочей одежде, изготовленной из материалов с минимальным пылевыделением. Прежде чем попасть в чистое помещение, работники проходят через промежуточные помещения.

Чтобы избежать загрязнения пластин, они комплектуются в сложные унифицированные контейнеры фронтального открытия. Они защищают обрабатываемые пластины от воздушной среды помещения и перемещаются по специальным линиям внутри помещений.

Но вернемся к химической обработке пластин. Процесс химической обработки полупроводниковых пластин состоит в растворении их повехностного слоя под действием травителей (могут использоваться и другие, “сухие” (не требующие жидких травителей) методы, используемые в других процессах). Данный процесс является гетерогенным, так как взаимодействие полупроводникового материала с травителем осуществляется на границе раздела двух сред: твердой (подложка) и жидкой (травитель). Факт наличия механически нарушенного слоя объясняет различие в скорости его травления с идеально ровной поверхность – скорость травления первого значительно выше. Это объясняется наличием в механически нарушенном слое большого количества структурных нарушений, которые увеличивают эффективную площадь взаимодействия полупроводникового материала с травителем, что приводит к возрастанию скорости травления. За счет разницы в концентрации травителя у выступов и впадин на поверхности, происходит более быстрое растворение выступов (в различных частях подложки выделяется неодинаковое количество теплоты, приводящее к локальному перегреву отдельных участков и увеличению скорости растворения полупроводникового материала), это приводит к сглаживанию поверхности пластины. Периферийные области подложки (краевые части) находятся не в одинаковых термодинамических условиях и подвергаются более интенсивному травлению, поэтому подложка и травитель находятся в постоянном вращении и перемешивании соответственно. Атомы, расположенные вблизи линии дислокации, обладают повышенным по сравнению с ненарушенной частью кристалла химическим потенциалом, поэтому растворение и испарение кристалла начинаются с линий дислокаций. Для различных полупроводниковых материалов и кристаллографических направлений скорости травления (энергия, необходимая для высвобождения атома из кристаллической решетки, неодинакова) существенно различаются, поэтому используют различные составы травителей. На поверхности кремниевой подложки всегда имеется тонкий слой оксидной пленки (порядка 30 Ангстрем (3 нм)), налагающий некоторые ограничения на используемые травители.

Так что же в итоге мы имеем после этих многочисленных и, казалось бы, не столь ответственных технологических процессов по получению подложки с зеркально чистой поверхностью? И зачем все таки необходима столь совершенная структура поверхности подложки?

А имеем мы пластину диаметром 300 мм и толщиной 775 мкм, полностью готовую к последующим, еще более трудоемким и ответственным процессам наращивания слоев, фотолитографии, создающие те самые кристаллы процессоров, видеочипов, памяти, мостов и огромного числа иных микросхем (в том числе и силовые преобразовательные элементы).

Последующие эпитаксиальные слои, осажденные на поверхности подложки (создающие структуру и топологию микросхемы), будут сохранять морфологию (структуру) полученной подложки. Рост монокристаллического слоя состоит из зарождения центров кристаллизации, присоединения атомов к этим центрам, бокового роста и соединения отдельных плоских образований в единое целое. В процессе нарастания слоя образующаяся фаза (наращиваемый слой совместно с подложкой) закономерно продолжает кристаллическую структуру имеющейся фазы (исходной подложки) с помощью образования переходного эпитаксиального слоя (таких слоев больше 20 у современных процессоров). Переходный слой способствует когерентному срастанию двух решеток по плоскостям и направлениям со сходной плотностью упаковки атомов, через него передается основная информация о кристаллической структуре подложки в нарастающий слой. Ориентированно нарастающие кристаллические слои могут быть как однотипного по структуре с подложкой вещества (отличающиеся от нее только содержанием легирующих примесей), так и отличающегося по составу от вещества подложки и происходящего при их кристаллохимическом взаимодействии (слои металлизации, например).

Граница раздела обладает повышенной плотностью дислокаций и напряжений. При воспроизведении морфологии подложки дислокации, имевшиеся в подложке, перерастают в эпитаксиальный слой. Если при росте слоя какой-либо атом выдвигается из своего слоя, то он служит исходной точкой развития дефекта. Форма этих дефектов (дефектов упаковки) зависит от кристаллографической ориентации эпитаксиального слоя. Плотность дислокаций в слое обычно превышает их плотность в подложке. Это обусловлено тем, что область вблизи раздела подложка-эпитаксиальный слой характеризуется наличием примесей, загрязнений и поверхностных дефектов, влияющих на совершенство растущего слоя и служащих источником образования дислокаций. Плотность дислокаций возрастает в направлении от поверхности эпитаксиального слоя к границе раздела слоя с подложкой. Механические напряжения могут возникать при значительном различии в содержании легирующей примеси в подложке и растущем слое. Из-за различия в параметрах решеток подложки и слоя возникают напряжения и структура изгибается (изгиб возрастает при увеличении толщины слоя).

Структурные дефекты элементов
Теперь должно быть понятно, как же все таки важно получение совершенной и бездислокационной поверхности полупроводниковых подложек.
Ну а процесс фотолитографии – тема отдельной статьи, весьма и весьма обширной.

Благодарю за внимание всех тех, кто ознакомился с данным материалом и надеюсь, он был кому-то полезен и интересен.