Современное производство процессоров иначе как произведением технологического искусства назвать просто язык не поворачивается. Когда начинаешь разбираться с тем какое количество в нем тонкостей и элегантных технологических решений, то просто взрывается мозг. Сегодня мы вам расскажем о двух важнейших этапах при производстве процессоров, а также объясним что общего между созданием процессоров и ковровыми бомбардировками, зачем нужно греть материалы сфокусированным лучом электронов и как получают металлический пар из самого тугоплавкого металла в мире.



Начнем, как обычно у нас принято, с основ. Как мы уже не раз говорили: транзистор — основа всех процессоров. Но сам по себе одиночный транзистор мало что может. В современных чипах их миллиарды!

Кроме того, все эти транзисторы надо друг с другом связать в правильной последовательности, то есть фактически проложить провода от одного транзистора к другому.

Только вдумайтесь, вам надо в правильной последовательности связать друг с другом миллиард крошечных транзисторов. К каждому транзистору надо подвести по три провода — сток, исток и затвор. Плюс ко всему сам транзистор — это сложный сендвич, в котором в правильной последовательности расположены полупроводники различных типов, изоляторы и металлические контакты.

Давайте просто представим, забыв о том, что транзисторы в тысячи раз меньше толщины человеческого волоса, что вы весь из себя такой Флэш и умеете делать, скажем 100 транзисторов в секунду! Знаете сколько времени у вас уйдет на создание одного чипа М1 от Apple? Пять лет! На создание всего лишь одного чипа! Для одного MacBook! Этот метод явно не подходит, надо думать что-то другое.

Тут то и приходит на помощь наша святая троица, а именно процессы Фотолитографии, Травления и Осаждения! Эти три типа процессов являются базой для создания всех современных процессоров. Да и не только процессоров: эти же процессы являются основой при создании экранов, будь то OLED или LCD, матриц фотокамер, различных модемов, датчиков и например МЕМСов.

Об одном из процесов мы уже вам рассказывали в нашем материале про Экстремальную Ультрафиолетовую литографию.



Литография позволяет нам получить нужный трехмерный рисунок на поверхности чипа.

Создание транзистора


Давайте представим, что создание транзистора — это как постройка дома. Вам необходимо сначала разметить землю, понять, где у вас будут коммуникации, где фундамент — это и есть литография.



Затем вы вызываете трактор, который приезжает и выкапывает для вас ровненькую траншею именно той геометрии, которую вы разметили — это и есть травление, то есть процесс удаления материала из только определенных областей. Чем глубже трактор копает — тем глубже получится траншея, так же и с травлением.



Ну и наконец-то заливка бетоном вашего фундамента — это осаждение. Получение в конце концов именно того фундамента, который изначально был нанесен с помощью литографии.





Комбинацией этих процессов и создается наш дом, мы размечаем участок, травим и осаждаем где надо и наш дом растет слой за слоем, так же и с транзисторами. В результате получаем сложную слоистую структуру из разных материалов. Только таких домов надо строить сотни миллиардов одновременно!



Травление


Давайте перейдем к травлению. Как мы можем убрать какой-то материал? Ведь трактором траншею в несколько нанометров не вырыть.

В целом, есть два вида травления — сухое и мокрое. При использовании мокрого травления наш материал помещается в специальную ванну или поливается сверху определенным раствором. Этот раствор химически реагирует и растворяет тот материал, который мы хотим убрать, это и удаляет материал с поверхности. Но у такого метода есть минусы, которые при создании маленьких транзисторов очень важны — жидкость затекает во все места, ведь это жидкость и травление происходит равномерно во все стороны, а не вертикально вниз, как мы хотим. Это называется подтрав под маску! Здесь маска закрывает на нашем чипе те участки, которые мы не хотим удалять, то есть травить!



Поэтому при производстве часто используют сухое травление. Для этого надо создать плазму! Как и в Экстремальной УФ-литографии нам нужно прибегнуть к помощи четвертого агрегатного состояния вещества! Только если там плазма нужна была для создания света с определенной длинной волны, то здесь она нужна совсем для другого.

Видите ли, плазма это не просто светящийся газ — она полна разных частиц, атомов, электронов, а также различных положительных и отрицательных ионов. Вот в этих ионах и кроется ключевая особенность. Ведь ионы мало того, что имеют какой-то заряд, так еще и очень реактивны, а это нам и нужно! Сейчас объясним…

Поскольку ионы имеют какой-то заряд, то мы можем их направить в нужное нам место, просто приложив к нужному нам месту противоположный заряд. То есть представим что наши ионы обладают положительным зарядом, мы к нашему чипу прикладываем отрицательное напряжение и ионы летят в него. Более того мы можем регулировать с какой силой ионы бьют по поверхности нашего будущего чипа! Подаем больше напряжения — ионы летят быстрее.

Это и есть та самая ковровая бомбардировка, ведь ионы наши относительно тяжелые и если подать достаточное напряжение, то они врезаются в поверхность материала как бомбы в землю, и просто разносят всю его поверхность! Это процесс, кстати, так и называется — ионная бомбардировка поверхности.



Это физическая составляющая процесса плазмохимического травления материала. Но есть и вторая — химическая.

Как я уже говорил, наши ионы очень активны и если правильно подобрать газ, из которого сделана наша плазма, то ионы будут химически реагировать с материалом чипа и просто образовывать новые соединения, которые будут просто улетать!

Например, при травлении Кремния или Нитрида Галлия, про которые мы вам недавно рассказывали, применяют плазму из гексафторида серы, в смеси с аргоном, или кислородом!

При этом, как и в случае с жидким травлением, те участки, которые мы хотим сохранить, мы можем покрыть специальной маской, которая останется нетронутой в процессе сухого травления, а открытые участки просто улетят!

Вот так путем игры с разными параметрами в процессе травления можно получать идеально гладкие, вертикальные отверстия абсолютно любой формы и глубины.

И более того травление можно осуществлять одновременно по всей поверхности огромной пластины кремния!

Осаждение


С траншеями для нашего дома, ой то есть транзистора, мы разобрались. Теперь надо в них залить наш фундамент, сделать стены и проложить коммуникации.

Для этого надо осадить различные материалы — это могут быть как металлы, например, медь для контактов транзистора или диэлектрики для изоляции в тех местах, где нам надо.

Ну или например нам надо осадить другой тип полупроводника на чип, как нам это нужно делать, например, в новых LTPO экранах, где используются транзисторы на основе поликристаллического кремния и соседний транзистор на основе оксида индия цинка и галлия!

В принципе, методов осаждения целая куча! Мы же расскажем вам о двух основных и начнем с самого взрывного.

Представьте, что вам надо нанести куда-то очень тонкий слой Вольфрама. Просто отрезать и приклеить точно не получится — я напоминаю что мы тут говорим контактах в несколько единиц нанометров. Как это сделать?



И тут, вы удивитесь, но принцип несильно отличается от того, когда вы наливаете холодное пиво в бокал в теплый летний день. Ведь на холодном бокале тут же начинают образовываться капельки воды: эти капельки — конденсат пара из воздуха. Вот с Вольфрамом надо сделать точно так же.

Но только тут есть одна проблема — если для того, чтобы образовался водяной пар нужно 100 градусов, то у вольфрама температура парообразования составляет почти 6000 градусов! Пока его так разогреешь, все вокруг уже расплавится. Как же его испарить вообще?

Для этого надо прибегнуть к так называемым электронно-лучевым технологиям, а по факту используют сфокусированный в одну точку луч электронов с очень большими энергиями!

А источником такого луча зачастую тоже является вольфрамовая нить, прям как в старых лампах накаливания, только тут она сильно толще. На эту нить подается ток, и она начинает во все стороны испускать электроны. Часть из них ускоряют до нескольких тысяч вольт и фокусируют в единую точку на поверхности того материала, который мы хотим испарить, в данном случае на Вольфраме.

Думали ли вы, что с помощью лампочки Ильича можно делать процессоры для современных iPhone?

Так вот эта точка может разогреваться до безумных температур! Таких высоких, что даже Вольфрам, который является самым тугоплавким металлом в мире, превращается в пар. Фактически локально формируется маленькую лужа Вольфрама и часть этой лужи и испаряют.

Этот пар летит и конденсируется на любой холодной поверхности, в частности на нашем чипе, где он осаждается, формируя необходимые нам контакты для наших транзисторов!



Но это опять же физические процесс, а есть и химические, когда, как в случае с травлением, на поверхности нашего материала, в нужных местах происходят специальные химические реакции.

Хорошим примером такого процесса является так называемое химическое осаждение из газовой фазы. Она активно применяется не только для производства процессоров, но и для создания органических светодиодов для гибких OLED-экранов!

Кстати, CVD — Chemical Vapor Deposition (химическое осаждение пара) — это один из методов выращивания искусственного алмаза, которые потом применяют, например, для алмазных резаков!

При чем самое крутое, что все эти процессы, как осаждения, так и травления, можно проводить для нескольких пластин одновременно, на каждой из которых сотни, а то и тысячи процессоров! Если бы не эта возможность, то каждый процессор стоил бы просто баснословных денег!

Выводы




Конечно, здесь мы перечислили только самые базовые процессы, но даже они дают понимание о том, какие невероятные технологические решения стоят за производством того, чем мы пользуемся каждый день.

А ведь есть и другие потрясающие процессы на современных производствах. Например, атомно-слоевое осаждение, которое позволяет получить идеальные пленки с возможностью контроля толщины до одного атома, или процессы ионной имплантации.

Стоит также сказать, что для процессов, о которых мы сегодня вам рассказали, надо зачастую сначала  создавать очень глубокий вакуум в установках, иногда даже больше, чем в космосе, однако это тема для отдельного материала! В общем, вы поняли — нам есть что вам рассказать интересного! Мы готовим вам целую серию материалов.

Кстати, автор сценария этого ролика Глеб Янкевич со своими коллегами тоже занимается травлением. Если интересно, почитать их последнюю статью о травлении карбида кремния в Nature Scientific Reports.

Комментарии (20)


  1. amartology
    03.08.2021 18:01
    +4

    Тут то и приходит на помощь наша святая троица, а именно процессы Фотолитографии, Травления и Осаждения!
    Удачи с изготовлением чего бы то ни было без ионной имплантации)

    можно получать идеально гладкие, вертикальные отверстия абсолютно любой формы и глубины.
    Жаль, что технологи всего мира не в курсе и, бедные, мучаются с тем, чтобы как-то уменьшать конусность получающихся при травлении отверстий.

    Но необходимо признать, что в целом уровень материала радикально выше, чем у прошлой статьи. Молодцы, так держать.


    1. addewyd
      03.08.2021 18:32
      +2

      Ещё бы поменьше восклицательных знаков.


      1. amartology
        03.08.2021 18:38
        +1

        Это транскрипт видео, которое несколько другой жанр, чем нормальный текст из слов, поэтому придираться к придурковато-восторженному тону мне кажется не очень корректным)


        1. VT100
          03.08.2021 21:23

          Плюс всем! Я не великий технолог... но делать вольфрамовые межсоединения... ага, в шестуиуме или в М1.


          1. amartology
            04.08.2021 00:01
            +3

            Нуууу, контакты от легированных областей к первому металлу обычно действительно вольфрамовые — что и показано на картинках, вполне корректно.


            1. VT100
              04.08.2021 07:48

              Спасибо.


            1. COKPOWEHEU
              04.08.2021 12:28
              +1

              Разве контакты не вжигаемые? Честно говорю, не помню как в кремнии, а в соединениях вроде GaAs контакты вплавляются, причем там далеко не один металл. Вжигать титановый контакт? Да там вся структура развалится. Это уже к контактам разводку делают без особого нагрева. Но про вольфрам воспоминаний все равно нет. Мы подслой титана использовали.


              1. amartology
                04.08.2021 13:51
                +1

                Разве контакты не вжигаемые?
                Непосредственно омический контакт к полупроводнику делается при помощи силицида (обычно силицида кобальта) — там действительно сначала напыление металла, потом отжиг, чтобы получить силицид. А поверх силицида — вольфрамовые контакты.
                Почему именно вольфрамовые — не знаю, я не технолог. Но совершенно точно, что во всех типовых кремниевых техпроцессах они именно вольфрамовые.


                1. COKPOWEHEU
                  04.08.2021 14:45
                  +1

                  Но совершенно точно, что во всех типовых кремниевых техпроцессах они именно вольфрамовые.
                  Полистал пару статей в интернете — как минимум, титан и палладий в качестве подслоя тоже упомянуты.
                  И это логично, ведь кремниевая технология считается самой простой. А о какой простоте может идти речь, если нужно испарение мишени электронным пучком.


                1. DmitryVS
                  05.08.2021 23:12
                  +2

                  Контакты делают вольфрамовые из-за возможности получения очень хорошей конформности осаждаемого слоя. Другим металлом просто не получится заполнить контактное окно с нужным аспектным отношением. Горловина окна зарастёт раньше, чем сформируется тело пробки, получится здоровенная полость и брак по отсутствию контакта. Но под вольфрам обязательно нужен Ti/TiN лайнер для обеспечения адгезии вольфрама и предотвращения диффузии в кремний. Больше подробностей не скажу, это не мои процессы, надо консультироваться у профильных технологов.


                  1. COKPOWEHEU
                    06.08.2021 11:27
                    +1

                    Я так понял, там наоборот, вольфрам служит ограничителем диффузии всякой активной гадости вроде индия, который с большинством других металлов образует хрупкие интерметаллиды.
                    На счет заполнения контактного окна — если там прямой клин, то никакого «горла» нет, если обратный, то с чего ему зарастать. Это ведь напыление, летят атомы, да потом по поверхности бегают немножко. Край маски для них гораздо менее энергетически выгоден, чем плоскость.
                    Правда, опять же, именно с кремниевой технологией я дела не имел, только с гетероструктурами на основе GaAs с довольно крупной литографией.


                    1. DmitryVS
                      06.08.2021 12:23
                      +1

                      Я так понял, там наоборот, вольфрам служит ограничителем диффузии всякой активной гадости

                      Нет. Вольфрам и есть основной конструктивный материал контактных окон.

                      На счет заполнения контактного окна — если там прямой клин, то никакого «горла» нет

                      Это зависит, в первую очередь, от степени конформности процесса осаждения и аспектного отношения контактного окна. Процесс W CVD из гексафторида вольфрама имеет очень хорошую конформность. А вот с Al PVD так не выйдет. Посмотрите вот эту статью, например. Обратите внимание на картинку №7. Из этой статьи хабра-авторы как раз картинку выдернули, кстати, но дальше первой картинки читать не стали, к сожалению.

                      Вот, для примера, SEM снимок типичного контактного окна к активной области. Отмечено само окно и слои лайнера. Обратите внимание на аспектное отношение (это отношение глубины к ширине).


                      1. COKPOWEHEU
                        06.08.2021 15:22
                        +1

                        Процесс W CVD из гексафторида вольфрама
                        А, понял. Мы-то все термическим распылением наносили, там окно зарасти не может.
                        Нет. Вольфрам и есть основной конструктивный материал контактных окон.
                        Ну ладно. Видимо, в кремниевой технологии принято так.


                      1. DmitryVS
                        06.08.2021 16:22
                        +2

                        Мы-то все термическим распылением наносили, там окно зарасти не может.

                        Вы напрасно так категорично думаете. Я же не зря писал про аспектное отношение. Очень может зарасти и при PVD процессе. Вот, нагуглил более-менее подходящую иллюстрацию из статьи (см. DOI: 10.1063/1.1937476), это PVD:

                        Видите, из-за чего получаются войды? Статья, вообще-то про барьерные слои, но легко представить, что получится, если попробовать полностью заполнить окно. Всё очень сильно зависит и от требуемой геометрии, и от конкретного типа реактора, а их не два условных PVD и CVD, а достаточно много разновидностей каждого процесса и разных поколений. То, что в одной технологии делается легко и непринуждённо, в другой технологии может и не получиться на том же оборудовании или вообще не получится с тем же типом процесса. Не зря же под новые технологии меняется не только оборудование ФЛ, но и существенная часть всех остальных установок.


                      1. VT100
                        07.08.2021 16:17
                        +1

                        На связи BarsMonster:


                        1886VE10… These bright cilinders — are tungsten via's left after metalization etch. This is an image from electron microprobing — sample is being bombarded by electron beam and X-Ray spectra is analyzed.

                        https://zeptobars.com/en/read/open-microchip-asic-what-inside-II-msp430-pic-z80


                      1. DmitryVS
                        07.08.2021 20:30

                        Занятный опыт, конечно. Только, для изучения технологии такой вандализм не пригоден, к сожалению. А что вы хотели этим сказать? У меня то нет сомнений, как мы делали контакты и переходные окна на этой схеме ;)


                      1. VT100
                        07.08.2021 21:36

                        Я думал — алюминий или медь прямо на P+/N+ области напыляются. А там — "много гитик".
                        А для топологии относительно простых устройств — можно и так.


                      1. amartology
                        08.08.2021 09:37

                        Я думал — алюминий или медь прямо на P+/N+ области напыляются.
                        Никогда и ни за что. Особенно медь. Там в каждом маленьком кусочке всегда множество деталей, потому что нужно обеспечить адгезию, отсутствие ненужной диффузии, равномерность и качество слоев и т.д… и т.п.
                        Картинки, которые показывают широкой публике — это несколько процентов того, как оно выглядит на самом деле.


    1. DmitryVS
      06.08.2021 00:42
      +1

      Удачи с изготовлением чего бы то ни было без ионной имплантации)

      Если чего бы то ни было, то пожалуй что "да без базара", диффузию из слоя фосфор/боросиликатных стекол ещё не отменили :) Для субмикрона, конечно, опа. А вот без операций очистки действительно ничего не взлетит, хотя про них никто никогда не рассказывает...

      Жаль, что технологи всего мира не в курсе и, бедные, мучаются с тем, чтобы как-то уменьшать конусность получающихся при травлении отверстий.

      Ну, тут такое дело, конусность иногда и специально задают на нужном уровне, для правильного заполнения. Но в целом, есть такое. Хотя, как говорится, "есть способы". Хоть всю пластину насквозь, есть такая штука как бош-процесс. По принципу, это циклическое травление-пассивация боковой стенки. Можно "выгрызать по-частям" отверстия ну просто с очень неприличным аспектным отношением. Но они будут не "идеально гладкие", конечно.

      Но необходимо признать, что в целом уровень материала радикально выше, чем у прошлой статьи.

      Да ну нафиг, полно ляпов. Погнали:

      Литография позволяет нам получить нужный трехмерный рисунок на поверхности чипа.

      Трёхмерный рисунок в слое ФР? "Я должен это видеть!" Кстати, уже бывает, но это вообще не про планарную технологию.

      Ну и наконец-то заливка бетоном вашего фундамента — это осаждение. Получение в конце концов именно того фундамента, который изначально был нанесен с помощью литографии.

      Эм, хм. Неудачный пример. Осаждение покрывает всю пластину. Это как вытряхивать бетон из миксеров с вертолёта на стройплощадку. Для формирования "фундамента" как раз потребуется либо ФЛ после осаждения, либо ФЛ до осаждения и химико-механическая полировка (CMP) после, если дамасский процесс делаем.

      В целом, есть два вида травления — сухое и мокрое.

      Я вот знаю технолога, которая за "мокрое травление" может и сказать пару ласковых про автора. Жидкостное травление.

      жидкость затекает во все места, ведь это жидкость и травление происходит равномерно во все стороны, а не вертикально вниз, как мы хотим. Это называется подтрав под маску!

      Это называется изотропный процесс. А подтрав под маску - так называется результат. "Вертикально вниз" - это анизотропный процесс. ПХТ тоже может быть изотропным, так между прочим, а степень изотропности может быть даже управляемой. Если в создании материала участвовал технолог по ПХТ, то приведённое описание весьма странно...

      При этом, как и в случае с жидким травлением, те участки, которые мы хотим сохранить, мы можем покрыть специальной маской, которая останется нетронутой в процессе сухого травления, а открытые участки просто улетят!

      Вау! Мечта ПХТ'шника, бесконечная селективность к маске! Это же круче чем IDKFA. Пойду расскажу, у кого консультации брать, а то коллеги всё волнуются, хватит им резиста или не хватит. Оказывается ваще не проблема. Ну перепутали рабочий слой и маску, не вычитали, не разобрались и кинули текст как есть. Так сойдёт.

      медь для контактов транзистора

      Ы-ыыы! Тут уже все должны пасть ниц. Медь - быстродиффундирующая примесь, делать из неё контакты к транзисторам это как бы сказать... ну, не очень круто. Медь на производстве вообще любят убирать в отдельный участок. По началу, так вообще в отдельную изолированную чистую комнату выводили и даже меняли перчатки после каждой передачи контейнеров с "медными" пластинами. Потом немного убрали степень паранойи, но всё равно медные перекрёстные загрязнения могут в прямом смысле убить всё производство фаба. Поэтому с медью - очень осторожно и по специальному протоколу.

      И ещё, даётся описание PVD процесса осаждения вольфрама, я даже специально посмотрел свои записи, от 0.5 мкм, как минимум, используется CVD процесс.

      При чем самое крутое, что все эти процессы, как осаждения, так и травления, можно проводить для нескольких пластин одновременно,

      Можно, но не нужно. Все промышленные установки травления и PVD на субмикроне для индивидуальной обработки пластин. Невозможно обеспечить достаточную равномерность по пластине и по партии в реакторах групповой обработки. CVD есть индивидуальные и в виде вертикальных групповых печек.

      PS: Стал ли уровень материала выше? Не думаю... Так, для детского сада сойдёт. Уровень: "я взял Ардуину и три китайских модуля..."


  1. VT100
    06.08.2021 20:32

    Каменты — огонь! Может — на них автор и рассчитывал?