Технoлогия изгoтовления микрoсхем
Производство микросхем один из самых сложных процессов так как же их делают?
Основой для создания чипа служат слитки кремниевых монокристаллов, которые разрезаются на пластины круглой формы. Кремний уникальный полупроводник, в зависимости от обработки он может проводить электричество либо послужить изоляционным материалом, это свойство идеально подходит для формирования на поверхности пластины миллионов крошечных транзисторов, диодов и других элементов необходимых для работы готового устройства.
Все начинается с кропотливой разработки микросхемы, сперва определяется последовательность выполнения операций, а также количество отдельных слоев чипа, что бы на пластине появился микро рисунок изготавливаются увеличенные шаблоны, позже изображение слой за слоем переносится на заготовку.
Поскольку размеры элементов невероятно малы то любая частица пыли может испортить работу всей команды производства и поэтому изготовление микросхем проходит в сверх стерильных помещениях в которых трудятся роботы, люди в защитных костюмах же только контролируют их работу.
Что бы создать пластину с кристаллами микросхем применяется до пятисот различных технологических операций, основной процесс изготовления фотолитография, сначала пластины с нанесённым технологическим слоем покрываются тонким слоем светочувствительного фоторезиста, затем на заготовку проецируется уменьшенное изображение с шаблона, фоторезист под воздействием ультрафиолета застывает и когда его не засвеченные участки смываются изображение остается подобно проявки фотографии, далее пластина подвергается различным операциям. На некоторые слои воздействуют ионизированной плазмой где необходимо используют ионную имплантацию, некоторые слои травятся в жидкостях.
Все операции требуют высокой точности и специального оборудования. На готовых кремниевых пластинах размещаются сотни крошечных кристаллов. Что бы проверить их работу используют специальные установки. Непригодные кристаллы маркируются краской и в дальнейшем процессе не учувствуют. Но система сохраняет их данные, что бы понять причину возникновения брака.
Затем пластину с кристаллами разрезают и годные кристаллы фиксируются с помощью клея на металлических рамках, затем каждый микроскопический вывод кристалла приваривается к отдельной площадки выводной рамки, после чего следует процесс герметизации. На получившиеся рамки с помощью пресс форм подается расплавленная пластмасса, после затвердевания она защищает кристалл от воздействия внешней среды.
Завершающий этап, это процесс вырубки микросхем из выводных рамок, финишное тестирование, маркировка и упаковка.
Стоимость производства микросхем.
Допустим фабрика производит КМОП логику, с максимальным объемом выпуска 100 000 пластин в год. На оборудование мы истратили. 75000000 рулей.
Расходы
Расходы на производстве делятся на два типа – постоянные, которые не зависят от объема производства и прямые (переменные) – которые напрямую зависят от объемов производства. Кроме того, некоторые (непрямые) затраты будут увеличиваться с объемом производства, но не пропорционально ему.
Прямые расходы
Кремниевые пластины. Самый очевидный компонент полупроводникового чипа, но его вклад в себестоимость довольно небольшой. 100 мм пластина стоит около 2000 рублей, 300 мм –4000 рублей. пластина вносит вклад в себестоимость около 1%.
Химикаты и газы. В современном техпроцессе содержится порядка 500 шагов. Некоторые из них требуют дорогостоящих химикатов (например резист для литографии или мишень для напыления металла), некоторые вообще не требуют химикатов. Рассчитать точное количество химикатов и их стоимость на каждую операцию довольно сложно, но если просто взять общие затраты на химикаты и разделить на количество операций и пластин, то расчеты существенно упрощаются. В таком случае на одну операцию над одной пластиной уйдет примерно 700 рублей химикатов. Таким образом, если у нас в техпроцессе 500 операций, то мы истратим на изготовление одной пластины 350000 рублей.
Маски (фотошаблоны). Если мы производим много продуктов и постоянно их меняем, то затраты на фотошаблоны будут существенными. Если же мы производим один продукт, то расходы на фотошаблоны не будут зависеть от объемов производства. Для простоты анализа предположим, что мы производим только один продукт и включим затраты на изготовление фотошаблонов в постоянные расходы.
Непрямые расходы
Электричество. На первый взгляд, это прямые затраты, но на самом деле потребление электричества не прямо пропорционально объему производства. Дело в том, что полупроводниковое оборудование находится постоянно во включенном состоянии, даже если простаивает. Делается это потому, что выход в рабочий режим может занимать довольно много времени. Например, в вакуумном оборудовании, широко используемом в полупроводниковом производстве, большая часть электроэнергии потребляется насосами, которые постоянно работают; печи поддерживают рабочую температуру, работают системы водяного охлаждения, вентиляции и кондиционирования чистых помещений и т.д. Таким образом, при увеличении объемов производства потребление электричества вырастет несущественно и так как его доля в себестоимости не такая большая, в первом приближении мы можем считать, что это постоянные расходы, которые не зависят от объемов производства.
Фонд оплаты труда. С увеличением объемов производства вам может потребоваться больше сотрудников, но связь не прямо пропорциональная. Во-первых, количество административных работников практически не изменится. Во-вторых, количество инженеров может возрасти, но незначительно. При работе фабрики 24/7 инженеры работают 8/5 и только некоторые дежурные покрывают выходные. При увеличении количества смен пропорционально вырастет количество операторов, но, во-первых, при высокой степени автоматизации производства много операторов не нужно, во-вторых, это относительно низкооплачиваемая категория сотрудников. Таким образом, при введении 4 смен на производстве вместо одной затраты на оплату труда вырастут процентов на 20 – 30.
Обслуживание и ремонт оборудования. Составляют в год где-то 5% от стоимости оборудования. Очень много постоянных регламентных работ, которые иногда зависят, иногда не зависят от объемов производства. =
Постоянные расходы
Сюда входит все остальное, что не зависит от объемов производства – амортизация оборудования, аренда земли, ремонт зданий, поддержание работоспособности офиса и т.д. и т.п. Отдельно остановимся на амортизации. Путь оборудование амортизируется за 5 лет. Тогда при общей стоимости оборудования в 75000000 млн мы должны включить в расходы 10000000 млн в год.
Сложив все в кучу, увидим, что наши постоянные расходы составляют примерно 15000000 рублей в год и пусть они растут на 10% при введении одной дополнительной смены. Таким образом стоимость одной пластины будет складываться из прямых затрат на производство одной пластины + постоянные затраты на всю фабрику разделенные на количество пластин = 350000 рублей + 15000000 рублей/объем производства (таблица 2).
| Кол-во смен | Объем производства, пластин в год | Постоянные расходы, руб. | Себестоимость пластины, руб. |
| 1 | 25000 | 15000000 | 350600 |
| 2 | 50000 | 16500000 | 350300 |
| 3 | 75000 | 18000000 | 350240 |
| 4 | 100000 | 19500000 | 350195 |
Размер пластин
Чтобы узнать, сколько чипов будет на пластине нужно знать размер чипа и размер пластин. В интернете есть удобный калькулятор, который позволит быстро прикинуть, сколько чипов поместится на пластины разного размера. Для примера возьмем чипы разных размеров, «большой» Intel Sandy Bridge E 6C (435 мм2) и «маленький» Qualcomm Snapdragon 835 (72.3 мм2) и посмотрим, сколько их поместится на пластины разных размеров. Disclaimer: чипы взяты просто для примера размеров, последующий расчет себестоимости не имеет ничего общего с реальной себестоимостью данных продуктов (таблица 3).
| Размер пластины, мм | Кол-во чипов 435 мм^2 | Кол-во чипов 72.3 мм^2 |
| 100 | 9 | 69 |
| 150 | 24 | 180 |
| 200 | 52 | 345 |
| 300 | 127 | 836 |
Учитывая, что себестоимость изготовления одной пластины практически одинакова, из данной таблицы делаем два очень важных вывода:
1. Чем меньше чип, тем больше их на одной пластине, тем он дешевле. Следовательно, уменьшая размеры транзисторов мы можем либо уменьшить стоимость при той же функциональности (не меняя количество транзисторов чип будет меньше), либо увеличив количество транзисторов не меняя размер чипа мы получим увеличение производительности/функциональности при той же стоимости (тот же размер чипа). Становится понятной гонка за уменьшение размеров транзисторов (закон Мура): либо дешевле, либо выше производительность при той же стоимости.
2. Чем больше пластина, тем дешевле один чип. Стоит отметить, что оборудование для размеров пластин от 100 мм до 200 мм практически одно и то же, так что стоимость обработки одной пластины 100 мм, 150 мм и 200 мм будет одинаковой. Для 300 мм оборудование дороже, так что мы должны увеличить постоянные расходы (амортизация и обслуживание) для последующих расчетов. Примем это увеличение равным 50% от стоимости постоянных расходов.
Выход годных
Рис. 20 Пример выхода годных чипов у пластины. Черным обозначены дефектные чипы.
Выход годных влияет на себестоимость напрямую – чем больше выход годных на пластине, тем дешевле чип, так как стоимость пластины не меняется.
Но есть нюанс и он состоит в следующем: выход годных падает в основном из-за дефектов, у которых есть определенная вероятность возникновения на единицу площади полупроводниковой пластины. Очевидно, что у чипа большего размера вероятность поймать дефект и выйти из строя больше, чем у чипа меньшего размера. Таким образом, выход годных мелких чипов будет больше выхода годных крупных чипов при одинаковом количетсве дефектов на пластине.
Расчет себестоимости
В итоге мы имеем несколько главных факторов, влияющих на себестоимость чипа: объем производства, размер пластин, размер чипа выход годных.
Себестоимость чипа (в руб.) размером 72.3 мм2 с выходом годных 80% для фабрики, работающей с разной загрузкой и разным размером пластин (таблица 4).
| Кол-во смен | 100 мм | 150 мм | 200 мм | 300 мм |
| 1 | 5085 | 1970 | 1016 | 420 |
| 2 | 5075 | 1955 | 1010 | 415 |
| 3 | 5070 | 1950 | 1005 | 410 |
| 4 | 5060 | 1945 | 1000 | 405 |
Прейдя от 100 мм пластин к 300 мм и от одной смены к четырем себестоимость чипа уменьшилась в 20 раз!
Себестоимость чипов (в руб.) разного размера в зависимости от выхода годных на пластине 300 мм при полной загрузке фабрики (таблица 5).
| Выход годных | Чип 435 мм2 | Чип 72.3 мм2 |
| 60% | 5320 | 740 |
| 70% | 4215 | 590 |
| 80% | 4065 | 440 |
| 90% | 3475 | 300 |
| 100% | 2900 | 205 |
Пpименение АЦП
Аналогo-цифрoвое преoбразование испoльзуется везде, где требуется oбрабатывать, хранить или передавать сигнал в цифрoвой фoрме. AЦП являются сoставной частью систем сбора данных. Быстрые видео АЦП используются в ТВ-тюнерах. Медленные встрoенные 8, 10, 12 или 16-битные АЦП часто вхoдят в сoстав микроконтроллеров. Очень быстрые AЦП неoбходимы в цифровых осциллографах. Современные весы используют АЦП с разряднoстью до 24 бит, преобразующие сигнал непосредственно от тензoметрическогo датчика. AЦП входят в состав радиомодемов и других устрoйств радиoпередачи данных, где используются совместно с процессором ЦОС в качестве демодулятора. Сверхбыстрые АЦП используются в антенных системах базовых станций (в так называемых SMART-aнтеннах) и в антенных решётках РЛС.
АЦП встрoены в бoльшую часть сoвременной звукoзаписывающей аппаратуры, поскольку обработка звука делается, как правилo, на кoмпьютерах; даже при испoльзовании аналoговой записи АЦП необхoдим для перевода сигнала в PCM-поток, который будет записан на кoмпакт-диск. Сoвременные АЦП, используемые в звукозаписи, могут рабoтать на частoтах дискретизации до 192 кГц. Мнoгие люди, занятые в этoй oбласти, считают, чтo данный пoказатель избыточен и используется из чисто маркетинговых соoбражений (oб этом свидетельствует теoрема Кoтельникова-Шеннона). Можно сказать, что звуковой анaлоговый сигнал не сoдержит столькo инфoрмации, сколькo может быть сохраненоo в цифрoвом сигнале при такoй высокой частoте дискретизации, и зачастую для Hi-Fi-аудиoтехники испoльзуется часoота дискретизации 44,1 кГц (стaндартная для кoмпакт-дисков) или 48 кГц (типична для представления звука в кoмпьютерах). Однакo ширoкая пoлоса упрoщает и удешевляет реaлизацию антиалиaсинговых фильтров, позволяя делать их с меньшим числом звеньев или с меньшей крутизной в пoлосе заграждения, чтo пoложительно сказывается на фазовой характеристике фильтра в пoлосе прoпускания. АЦП для звукoзаписи, испoльзуемые в кoмпьютерах, бывают внутренние и внешние.
Зaключение
В ходе выполнения данной работы по изучению АЦП были выполнены cледующие задачи.
Мы рассмотрели с какими сигналами работает аналогово цифровая техника, как эти сигналы получаются в ходе преобразования, а также рассмотрели виды АЦП которые выполняют эти преобразования.
Был проведен подробный обзор микросхемы AЦП, рассмотрели ее параметры, функциональную схему, и схему включения.
Провели расчет себестоимости производства микросхемы, и узнали о процессе производства микросхем.
Рассмотрели где применяют AЦП.
В заключение хочется сказать, чтo АЦП очень важны поскольку подавляющее большинство сигналов окружающего мира имеет аналоговую природу, сигналы, предназначенные для цифровой обработки, должны быть конвертированы с помощью AЦП.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Основы производства микросхем: технологии, типы и перспективы развития
В данной статье мы рассмотрим основные принципы и технологии производства микросхем, их типы и особенности, а также преимущества и недостатки современных технологий и перспективы их развития.
Основы производства микросхем: технологии, типы и перспективы развития обновлено: 27 ноября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру
Помощь в написании работы
Введение
В современном мире микросхемы являются неотъемлемой частью электронных устройств, от компьютеров до мобильных телефонов. Они играют ключевую роль в обработке информации и выполнении различных функций. Технология производства микросхем является сложным и точным процессом, который требует высокой степени мастерства и специализированного оборудования. В данной статье мы рассмотрим основные принципы и этапы технологического процесса производства микросхем, а также рассмотрим различные типы микросхем и их особенности. Также мы рассмотрим современные технологии производства микросхем, их преимущества и недостатки, а также перспективы развития данной отрасли.
Нужна помощь в написании работы?
Мы — биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Основные принципы технологии производства микросхем
Технология производства микросхем – это сложный и многокомпонентный процесс, который включает в себя несколько основных принципов. Рассмотрим их подробнее:
Чистота и контроль окружающей среды
Одним из основных принципов технологии производства микросхем является поддержание высокой степени чистоты и контроля окружающей среды. Это необходимо для предотвращения попадания пыли, загрязнений и других частиц на поверхность микросхемы, которые могут негативно повлиять на ее работу. Для этого используются специальные чистые комнаты с контролируемым уровнем чистоты и температуры.
Литография
Литография – это процесс нанесения тонкого слоя фоточувствительного материала на поверхность микросхемы и последующего его освещения с помощью ультрафиолетового света через маску. Это позволяет создавать микросхемы с очень малыми размерами и высокой точностью. Литография является одной из ключевых технологий в производстве микросхем.
Диффузия и ионная имплантация
Диффузия и ионная имплантация – это процессы, которые позволяют внедрять различные примеси в материал микросхемы для создания нужных электрических свойств. Диффузия осуществляется путем нагрева микросхемы в присутствии примесей, которые проникают в материал. Ионная имплантация, в свою очередь, осуществляется путем внедрения ионов примесей в материал микросхемы с помощью ускорителя частиц.
Металлизация
Металлизация – это процесс нанесения металлического слоя на поверхность микросхемы для создания электрических контактов и проводников. Металлический слой обычно состоит из алюминия или его сплавов. Металлизация позволяет соединять различные элементы микросхемы и создавать электрические цепи.
Тестирование и контроль качества
После завершения процесса производства микросхемы проводится ее тестирование и контроль качества. Это включает в себя проверку работоспособности микросхемы, ее электрических характеристик и соответствие заданным параметрам. Тестирование и контроль качества позволяют выявить и исправить возможные дефекты и несоответствия в производстве микросхемы.
Таким образом, основные принципы технологии производства микросхем включают поддержание чистоты и контроля окружающей среды, использование литографии для создания малых размеров, диффузии и ионной имплантации для внедрения примесей, металлизацию для создания электрических контактов и проводников, а также тестирование и контроль качества для обеспечения работоспособности и соответствия микросхемы заданным параметрам.
Технологический процесс производства микросхем
Технологический процесс производства микросхем – это последовательность операций, которые необходимо выполнить для создания функциональной и работоспособной микросхемы. Этот процесс включает в себя несколько основных этапов.
Чистка и подготовка подложки
Первым шагом в производстве микросхемы является чистка и подготовка подложки. Подложка – это основа, на которую будут нанесены все слои и элементы микросхемы. Подложка обычно изготавливается из кремния или других полупроводниковых материалов. Чистка подложки включает удаление загрязнений и окислов с ее поверхности, чтобы обеспечить хорошую адгезию между слоями.
Литография
После подготовки подложки следует этап литографии. Литография – это процесс создания маски, которая определяет форму и расположение элементов микросхемы. Маска наносится на поверхность подложки, а затем производится экспозиция и фотохимическая обработка, чтобы передать образ маски на подложку. Этот процесс позволяет создавать очень малые размеры и высокую плотность элементов на микросхеме.
Диффузия и ионная имплантация
После литографии следует этап диффузии и ионной имплантации. Диффузия – это процесс внедрения примесей в подложку, чтобы изменить ее электрические свойства. Ионная имплантация – это процесс внедрения ионов в подложку с помощью ускорения ионов в электрическом поле. Эти процессы позволяют создавать различные слои с разными электрическими свойствами на микросхеме.
Металлизация
После диффузии и ионной имплантации следует этап металлизации. Металлизация – это процесс нанесения металлических слоев на микросхему для создания электрических контактов и проводников. Металлические слои обычно наносятся с помощью методов испарения или осаждения металла из газовой фазы. Этот этап позволяет соединить различные элементы микросхемы и создать электрические пути для передачи сигналов.
Тестирование и контроль качества
Последним этапом технологического процесса производства микросхем является тестирование и контроль качества. На этом этапе микросхема проверяется на работоспособность и соответствие заданным параметрам. Различные тесты, такие как проверка электрических характеристик, проверка стабильности и надежности, контроль размеров и формы элементов, проводятся для обеспечения высокого качества и надежности микросхемы.
Таким образом, технологический процесс производства микросхем включает несколько основных этапов, начиная с подготовки подложки и заканчивая тестированием и контролем качества. Каждый этап выполняется с использованием специальных методов и оборудования, чтобы обеспечить создание функциональной и надежной микросхемы.
Типы микросхем и их особенности
Логические микросхемы
Логические микросхемы предназначены для выполнения логических операций, таких как И, ИЛИ, НЕ, Исключающее ИЛИ и других. Они состоят из комбинаций транзисторов и других элементов, которые обеспечивают выполнение заданных логических функций. Логические микросхемы широко используются в цифровой электронике, включая компьютеры, микроконтроллеры и другие устройства.
Аналоговые микросхемы
Аналоговые микросхемы предназначены для обработки аналоговых сигналов, таких как звук, изображение, температура и другие физические величины. Они обеспечивают усиление, фильтрацию, смешение и другие операции над аналоговыми сигналами. Аналоговые микросхемы широко используются в аудио- и видеоустройствах, медицинской технике, автомобильной промышленности и других областях.
Память
Микросхемы памяти используются для хранения и чтения данных. Они могут быть разделены на две основные категории: оперативная память (ОЗУ) и постоянная память (ПЗУ). ОЗУ используется для временного хранения данных, которые могут быть быстро доступными для процессора. ПЗУ используется для хранения постоянных данных, которые сохраняются даже при отключении питания. Микросхемы памяти широко используются в компьютерах, мобильных устройствах, цифровых камерах и других устройствах, где требуется хранение данных.
Усилители
Микросхемы усилителей используются для усиления сигналов, таких как звуковые, радиочастотные и другие сигналы. Они обеспечивают усиление сигнала до требуемого уровня, чтобы он мог быть обработан или передан на другие устройства. Микросхемы усилителей широко используются в аудио- и видеоустройствах, радиосвязи, телекоммуникациях и других областях.
Сенсорные микросхемы
Сенсорные микросхемы используются для обнаружения и измерения физических величин, таких как свет, звук, температура, давление и другие. Они преобразуют физические величины в электрические сигналы, которые могут быть обработаны и использованы другими устройствами. Сенсорные микросхемы широко используются в автомобильной промышленности, медицинской технике, бытовой электронике и других областях.
Каждый тип микросхем имеет свои особенности и применение в различных областях техники и технологии. Понимание этих особенностей поможет в выборе и использовании подходящих микросхем для конкретных задач и проектов.
Современные технологии производства микросхем
Современные технологии производства микросхем являются сложными и точными процессами, которые требуют специализированного оборудования и высокой степени автоматизации. Вот некоторые из основных технологий, используемых в современном производстве микросхем:
Литография
Литография – это процесс нанесения тонкого слоя фоточувствительного материала на поверхность кремниевой подложки микросхемы. Затем на этот слой наносится маска с изображением, которое нужно создать на микросхеме. После экспозиции и проявления фоточувствительного слоя, полученное изображение переносится на подложку. Этот процесс повторяется несколько раз для создания сложных структур и проводников на микросхеме.
Этапы осаждения и травления
После литографии на подложку наносятся различные слои материалов, таких как металлы, полупроводники и изоляторы. Эти слои создают проводники, транзисторы и другие элементы микросхемы. Затем происходит этап травления, при котором лишний материал удаляется, оставляя только нужные структуры.
Ионная имплантация
Ионная имплантация – это процесс внедрения ионов в материал микросхемы для изменения его электрических свойств. Этот процесс используется для создания различных типов транзисторов и других полупроводниковых элементов на микросхеме.
Металлизация
Металлизация – это процесс нанесения металлического слоя на микросхему для создания проводников и контактов между элементами. Металлический слой обычно состоит из алюминия или меди.
Тестирование и сборка
После завершения всех этапов производства микросхемы проходят тестирование, чтобы убедиться в их работоспособности. Затем микросхемы собираются в корпуса и готовы к использованию в различных устройствах.
Современные технологии производства микросхем позволяют создавать микросхемы с высокой плотностью компонентов, высокой скоростью работы и низким энергопотреблением. Это открывает новые возможности для разработки более мощных и эффективных электронных устройств.
Преимущества и недостатки технологий производства микросхем
Преимущества:
1. Миниатюризация: Технологии производства микросхем позволяют создавать очень маленькие и компактные устройства. Это позволяет уменьшить размер и вес электронных устройств, делая их более портативными и удобными в использовании.
2. Высокая плотность компонентов: Микросхемы могут содержать огромное количество компонентов, таких как транзисторы, резисторы и конденсаторы, на очень маленькой площади. Это позволяет создавать более сложные и функциональные устройства.
3. Высокая скорость работы: Микросхемы, произведенные с использованием современных технологий, обладают высокой скоростью работы. Это позволяет устройствам быстро обрабатывать информацию и выполнять сложные вычисления.
4. Низкое энергопотребление: Современные технологии производства микросхем позволяют создавать устройства с низким энергопотреблением. Это позволяет продлить время работы устройств от батарей и снизить затраты на электроэнергию.
Недостатки:
1. Сложность производства: Технологии производства микросхем требуют высокой точности и специализированного оборудования. Это делает процесс производства сложным и дорогостоящим.
2. Возможность дефектов: В процессе производства микросхем могут возникать дефекты, такие как микротрещины или неправильное соединение компонентов. Это может привести к неработоспособности микросхемы или снижению ее производительности.
3. Ограничения в масштабируемости: Существуют ограничения в масштабируемости технологий производства микросхем. С увеличением количества компонентов на микросхеме возникают проблемы с тепловым распределением и электромагнитными помехами.
4. Экологические проблемы: Процесс производства микросхем может быть вредным для окружающей среды из-за использования определенных химических веществ и высокого энергопотребления.
Несмотря на некоторые недостатки, технологии производства микросхем играют важную роль в развитии современной электроники и позволяют создавать все более мощные и эффективные устройства.
Перспективы развития технологий производства микросхем
Технологии производства микросхем постоянно развиваются и совершенствуются, чтобы удовлетворить растущие требования к электронным устройствам. Вот некоторые перспективы развития технологий производства микросхем:
Уменьшение размеров микросхем
Одной из основных тенденций в развитии технологий производства микросхем является постоянное уменьшение их размеров. Это позволяет увеличить плотность компонентов на микросхеме и создавать более компактные и энергоэффективные устройства. С каждым новым поколением технологий производства микросхем удается уменьшить размеры компонентов и проводников, что открывает новые возможности для создания более мощных и функциональных устройств.
Использование новых материалов
Для достижения еще большей плотности компонентов и улучшения электрических характеристик микросхем, исследуются и применяются новые материалы. Например, вместо традиционного кремния могут использоваться материалы на основе графена или других двумерных материалов. Это позволяет создавать микросхемы с более высокой производительностью и энергоэффективностью.
Развитие трехмерной интеграции
Трехмерная интеграция – это технология, которая позволяет объединять несколько слоев микросхем в одном корпусе. Это позволяет увеличить плотность компонентов и сократить размеры устройств. Трехмерная интеграция также позволяет улучшить электрические характеристики и снизить энергопотребление устройств.
Развитие нанотехнологий
Нанотехнологии – это область, связанная с созданием и управлением структурами и устройствами на нанометровом уровне. В области производства микросхем нанотехнологии могут быть использованы для создания компонентов с уникальными свойствами, такими как квантовые точки или нанотрубки. Это открывает новые возможности для создания более эффективных и функциональных микросхем.
Развитие технологий производства на основе органических материалов
Органические материалы, такие как полимеры, могут быть использованы в производстве микросхем для создания гибких и недорогих устройств. Технологии производства на основе органических материалов позволяют создавать микросхемы с большой площадью и низкой стоимостью производства. Это открывает новые возможности для развития гибких дисплеев, солнечных батарей и других электронных устройств.
В целом, развитие технологий производства микросхем направлено на увеличение плотности компонентов, повышение производительности и энергоэффективности устройств, а также на создание новых типов устройств с уникальными свойствами.
Таблица по теме “Технологии производства микросхем”
- Высокая скорость работы
- Низкое энергопотребление
- Малые размеры
- Сложность производства
- Высокая стоимость
- Ограниченная мощность
- Высокая мощность
- Широкий диапазон рабочих температур
- Низкое влияние шума
- Большие размеры
- Высокое энергопотребление
- Сложность производства
- Малые размеры
- Высокая надежность
- Низкое энергопотребление
- Высокая стоимость производства
- Ограниченная мощность
- Сложность ремонта
Заключение
Технология производства микросхем является важной и неотъемлемой частью современной электроники. Она позволяет создавать компактные и мощные устройства, которые используются во многих сферах жизни. Основные принципы технологии производства микросхем включают в себя процессы литографии, диффузии, ионной имплантации и другие. Современные технологии производства микросхем постоянно развиваются, что позволяет увеличивать плотность интеграции и повышать производительность устройств. Однако, у этих технологий есть и недостатки, такие как высокая стоимость и сложность процесса производства. В будущем можно ожидать дальнейшего развития технологий производства микросхем и создания более эффективных и мощных устройств.
Основы производства микросхем: технологии, типы и перспективы развития обновлено: 27 ноября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру
ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»
Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Резанов Е.В., Максимова М.Г.
Статья посвящена современным химическим методам, используемым при решении проблем производства полупроводниковых устройств, исследованиям материалов, используемых при изготовлении интегральных микросхем, а также перспективности их использования.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Резанов Е.В., Максимова М.Г.
Монолитные интегральные схемы СВЧ: взгляд изнутри
Перспективные направления полупроводниковой наноэлектроники
Перспективы создания и развития кремниевой интегральной фотоники с оптической связью на 1. 5 мкм
КНС-технология — важнейший ресурс экстремальной электроники
Применение технологии атомно-слоевого осаждения оксида гафния в производстве элементов электронной компонентной базы
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Текст научной работы на тему «ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ»
Вестник магистратуры. 2018. № 4-3(79)
Е.В. Резанов, М.Г. Максимова
ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Статья посвящена современным химическим методам, используемым при решении проблем производства полупроводниковых устройств, исследованиям материалов, используемых при изготовлении интегральных микросхем, а также перспективности их использования.
Ключевые слова: полупроводник, транзистор, эпитаксия, чип, кван-товоразмерные эффекты, кремний, автоэпитаксия, хемоэпитаксия, гетероэпитаксия.
Полупроводниковые интегральные микросхемы — узлы электронных схем на небольшой плоской основе (чипе) из полупроводникового материала, обычно кремния. Интеграция большого количества транзисторов в небольшой чип привело к тому что микросхемы стали на порядок меньше, дешевле и быстрее чем те, которые были созданы на ранних этапах развития этой промышленности из дискретных электронных компонентов. Возможность массового производства и высокая надежность обеспечили быстрое внедрение стандартизированных конструкций вместо дискретных транзисторов. Характерной особенностью полупроводникового производства является быстрое повышение степени интеграции — плотности размещения элементов на кристалле. В 1965 году основатель корпорации Intel, Гордон Мур в процессе выступления на одной из презентаций обнаружил интересную закономерность — появление новых микросхем происходит примерно каждые 2 года, при этом количество транзисторов удваивается. Впоследствии этот вывод стал называться Законом Мура. Мур сделал заключение — при сохранении такой тенденции мощность устройств будет расти за короткий промежуток времени экспоненциально. (Рис.1)
Рис. 1. Зависимость количества транзисторов на кристалле интегральной микросхемы от времени
© Резанов Е.В., Максимова М.Г., 2018.
Вестник магистратуры. 2018. № 4-3(79)
Обратите внимание, что вертикальная ось — логарифмическая шкала, таким образом, если проложить прямую используя метод интерполяции — можно увидеть, что количество транзисторов удваивается примерно каждые 2 года.
Если кристаллы содержали на начальных этапах развития промышленности 2000-3000 транзисторов, то современные чипы Apple вмещают от 3,5 млрд до 4,5 млрд. и более. Сверхбольшие интегральные микросхемы (СБИС) содержат свыше 20 млрд элементов на кристалле. Предполагается, что к 2020 году -количество элементов на кристалле достигнет 30 млрд.
Полупроводниковая промышленность столкнулась с большим количеством проблем, которые невозможно решить окончательно до сих пор, одной из таких проблем являются квантоворазмерные эффекты, они накладывают значительные ограничения полупроводниковое производство. При создании и отделении кристалла потенциальными барьерами возникают дискретные уровни квантования. К примеру, типичным примером квантово-размерного эффекта может служить широко применяемая ранее -двойная гетероструктура AlGaAs/GaAs/AlGaAs с двумерным электронным газом, где электроны которые находятся в слое GaAs ограничены высокими потенциальными барьерами AlGaAs, то есть для электронов формируется яма потенциальной энергии, описываемая как дно зоны проводимости, малого размера (обычно порядка 10 нм) и в подобной структуре возникают дискретные уровни, которые соответствуют движению электронов поперёк слоя GaAs. Эти уровни сильно сдвигают энергию зоны проводимости.
На сегодняшний день, именно кремний используется как основной материал в полупроводниковой промышленности из-за двух его важных свойств. Во-первых, кремний имеет такую шириной запрещенной зоны, при которой максимальна энергоэффективность, во-вторых, оксид кремния может служить изолирующим материалом, защищающим транзисторы от утечек тока. Соответственно, при дальнейшем уменьшении толщины транзистора и проявляются квантоворазмерные эффекты — возникает ток утечки, который вызван туннелированием зарядов через диэлектрик, и именно это является основным препятствием полупроводниковой промышленности на пути к дальнейшей миниатюризации микросхем.
Американские ученые разработали новый способ миниатюризации транзисторов из кремния при помощи диселенидов гафния и циркония. Выяснилось, если уменьшить толщину слоя до трех атомов, они продолжают сохранять относительно хорошую ширину запрещенной зоны, что отличает их от кремния, также оксиды гафния и циркония являются более эффективными изолятороми, в сравнении с оксидом кремния. Учеными было создано несколько прототипов подобных транзисторов. Несмотря на то, что основную роль в них сыграли именно новые материалы, исследователям пришлось применить кремниевые подложки, а также оксид кремния как «буферный слой», который помог «сгладить» разницу между кристаллическим строением диселинидов и самого кремния. [2]
На данный момент ведется интенсивная разработка методов «обхода» ограничений, которые накладываются квантоворазмерными эффектами. Наиболее широко применяются следующие методики наращивания структур с помощью эпитаксии:
Автоэпитаксия — это процесс ориентированного наращивания кристаллического вещества, однородного по своей структуре вместе с подложкой, которая отличается от нее содержанием примесей.
Гетероэпитаксия — принципиально аналогичный процесс, при котором вещество отличается по химическому составу от подложки.
Хемоэпитаксия — в результате этого наращивания материала происходит образование новой фазы в результате взаимодействия вещества подложки с веществом из внешней среды. Полученный слой отличается по составу от вещества подложки и от вещества, поступающего на ее поверхность. [1]
В настоящее время ведутся многочисленные исследования в попытке уменьшить транзистор, но очевидно, из-за перечисленных выше ограничений, атомарной структуры вещества и ограничения скорости света — данный закон действовать перестанет.
1. Ivor Brodie; Julius J. Muray The Physics of Microfabrication. Springer Science & Business Media, 2013.
2. Michal J. Mleczko; Chaofan Zhang; Hye Ryoung Lee; Hsueh-Hui Kuo; Blanka Magyari-Köpe; Robert G. Moore; Zhi-Xun Shen; Ian R. Fisher; Yoshio Nishi and Eric Pop HfSe2 and ZrSe2: Two-dimensional semiconductors with native high-K oxides, Research article, 2017.
РЕЗАНОВ ЕВГЕНИЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ — магистр направления подготовки «Химия», Рязанского государственного университета С.А. Есенина, Россия.
МАКСИМОВА МАРИНА ГЕННАДЬЕВНА — кандидат химических наук, доцент кафедры химии, Рязанского государственного университета С.А. Есенина, Россия.
Как делают микропроцессоры. Польский химик, голландские монополисты и закон Мура
Современные микропроцессоры поражают своей сложностью. Наверное, это высочайшие технологические достижения человеческой цивилизации на сегодняшний день, наряду с программированием ДНК и автомобилями Tesla, которые после заказа через интернет сами приезжают к вашему дому.
Удивляясь красоте какой-нибудь микросхемы, невольно думаешь: как же это сделано? Давайте посмотрим на каждый шаг в производственном процессе.
Метод Чохральского
Жизнь микросхемы начинается с песка. Песок почти полностью состоит из кварца, а это основная форма диоксида кремния, SiO2. Сам кремний — второй по распространённости элемент в земной коре.
Чтобы получить из кварца чистый кремний, песок смешают с коксом (каменный уголь) и раскаляют в доменной печи до 1800 °C. Так удаляется кислород. Метод называется карботермическое восстановление.
Доменная печь с кварцем и коксом
В результате получаются блоки кремния поликристаллической структуры, так называемый технический кремний.
Чистота полученного кремния достигает 99,9%, но его необходимо очистить, чтобы получить поликристаллический кремний. Тут применяют разные методы. Самые популярные — хлорирование, фторирование и вытравливание примесей на межкристаллитных границах. Техпроцессы очистки кремния постоянно совершенствуются.
Затем из поликристаллического кремния выращивают монокристаллический кремний — это кремний электронного качества с чистотой 99,9999% (1 атом примесей на миллион атомов кремния). Кристаллы выращивают методом Чохральского, то есть введением затравки в расплав, а затем вытягиванием кристалла вверх. Метод назван в честь польского химика Яна Чохральского.
Метод Чохральского, Иллюстрация: Д. Ильин
Поэтому монокристаллический кремний представляет собой красивые цилиндрические слитки — их ведь вытягивали из расплава под воздействием земной гравитации.
Монокристаллический кремний электронного качества, нижняя часть слитка
Из этих цилиндрических слитков нарезают кремниевые пластины диаметром 100, 150, 200 или 300 мм. Многие задаются вопросом, почему у пластин круглая форма, ведь это нерациональный расход материала при нарезке на прямоугольные микросхемы. Причина именно в том, что кристаллы выращивают методом Чохральского, вынимая вверх.
Чем больше диаметр кремниевой пластины — тем эффективнее расходуется материал. Пластины доставляют на полупроводниковую фабрику, где начинается самое интересное.
Заводы
В мире всего четыре компании, способные производить продвинутые микросхемы топового уровня: Samsung, GlobalFoundries, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) и Intel.
В других странах производство микроэлектроники отстаёт от лидеров на годы или десятилетия. Причина в том, что строительство современного завода — дорогостоящее мероприятие (около $10-12 млрд), а прогресс идёт так быстро, что этот завод устареет через несколько лет. Поэтому позволить себе такие инвестиции могут только компании с прибылью в десятки миллиардов долларов в год.
Кто получает такую прибыль? Тот, кто продаёт товаров на сотни миллиардов долларов. Это мировой лидер в производстве смартфонов и оперативной памяти Samsung, а также мировой лидер в производстве десктопных и серверных процессоров Intel. Ещё две компании GlobalFoundries и TSMC работают по контрактам в секторе B2B.
Столь высокая стоимость современного завода микроэлектроники объясняется высокой стоимостью оборудования, которая обусловлена чрезвычайной сложностью процесса.
Бор и фосфор
В кристалле кремния у каждого атома по 4 электрона — и каждая из четырёх сторон образует связь с соседним атомом в квадратной кристаллической решётке. Свободных электронов нет. Значит, кристалл не проводит электрический ток при комнатной температуре.
Чтобы запустить свободные электроны, нужно заменить некоторые атомы кремния на атомы других элементов с 3 или 5 электронами на внешней орбите. Для этого идеально подходят соседние с кремнием элементы по таблице Менделеева — бор (3 электрона) и фосфор (5). Их подмешивают к кремнию, и эти атомы встают в его кристаллическую решётку. Но в ней только четыре связи. Соответственно, или одной связи не хватает, или освобождается свободный электрон. Заряд такого атома + или −. Так бор и фосфор в решётке кремния создают два слоя полупроводников с зарядами противоположного знака. «Дырочный» слой p- (positive) с бором и недостающим электроном — сток. А «электронный» слой n- (negative) с фосфором и лишними электронами — исток. Они покрыты изолятором из оксида кремния.
Конструкция полевого транзистора MOSFET с управляющим p-n-переходом
Транзистор — минимальный элемент и основной компонент интегральной схемы. В зависимости от напряжения в затворе из поликристаллического кремния ток или потечёт с истока, или нет. Это соответствует логическому 0 и 1.
Вот как выглядит p-n-переход в транзисторе на атомарном уровне при изменении напряжения в затворе:
Из таких транзисторов состоят все логические элементы, а из них инженеры составляют конструкцию микропроцессора.
Микроархитектура
Современные микросхемы состоят из миллиардов транзисторов, соединённых в сложные конструкции: ячейки памяти, микроконтроллеры, криптографические модули и так далее. Все они располагаются на микросхеме в соответствии с планом инженера-микросхемотехника.
AMD Athlon XP 3000+ из каталога siliconpr0n
Инженеры используют специальное ПО для проектирования микросхем. Таких программ огромное множество, в том числе и бесплатных, среди них нет единого стандарта.
В этом ПО выполняется симуляция электрических и физических свойств микросхемы и отдельных цепей, а также тестируется их функциональность.
Проектированием занимаются целые отделы из сотен инженеров, ведь на современных микросхемах огромное количество элементов. У процессоров производства TSMC (AMD) по 7-нм техпроцессу 113,9 млн транзисторов на мм². Intel поставила амбициозную цель достичь плотности 100 млн транзисторов на мм² уже на техпроцессе 10 нм, почти как 7 нм у TSMC. Цель оказалась слишком амбициозной — с этим и связана позорная задержка с внедрением 10 нм.
Все слои микросхемы объединяются в итоговый проект — blueprint, который по электронной почте отправляют на завод в Китае или Тайване.
Фотодело
Из полученных файлов на заводе делают фотомаски — шаблоны для печати микросхем. Они похожи на плёночные негативы, из которых на фотоувеличителе печатаются фотографии. Но если в фотографии эта техника осталась в прошлом, то в производстве микроэлектроники она сохранилась до сих пор.
Фотомаска
Вот как выглядит современный «фотоувеличитель», а именно, степпер компании ASML для фотолитографии в глубоком ультрафиолете (EUV).
Иллюстрация: ASML
Машина весом 180 тонн размером с автобус продаётся по цене около $170 млн. Это самое сложное и дорогое оборудование на современном заводе микроэлектроники. Компоненты для такого степпера производят около 5000 поставщиков со всего мира: линзы Carl Zeiss (Германия), роботизированные манипуляторы VDL (Нидерланды), лазеры Cymer (США, куплена ASML в 2013 году).
Фиолетовым цветом показан маршрут световых импульсов от источника к прибору подсветки, затем к фотомаске с топологией кристалла — и через проекционную оптику на кремниевую пластину.
Пластины из монокристаллического кремния, полученного на первом этапе нашего процесса, помещаются в этот степпер, и здесь засвечиваются через фотомаску, распечатанную из файлов с проектного бюро. Это завершение всего технологического цикла.
Засветка кремниевой пластины
Засветка пластины лазером EUV — тоже весьма нетривиальный процесс. Вот описание и видео из журнала IEEE Spectrum: «Внутри самой современной EUV-машины каждую секунду 50 тыс. капель расплавленного олова падают через камеру в её основании. Пара высокоэнергетических лазеров на углекислом газе ударяет по каждой капле, создавая плазму, которая, в свою очередь, испускает свет нужной длины волны. Первый импульс преобразует каплю олова в туманную форму блина, так что второй импульс, который является более мощным и следует за ним всего через 3 микросекунды, взрывает олово в плазму, которая светится на длине волны 13,5 нанометров. Затем свет собирается, фокусируется и отражается от узорчатой маски, чтобы проецировать узор на кремниевую пластину». Для 7-нм процессоров используется литография в экстремальном ультрафиолете с длиной волны 13,5 нм.
Настоящая фантастика. Неудивительно, что степпер для EUV по самому современному техпроцессу в мире умеет делать только одна голландская компания ASML, которая сейчас является фактически монополистом в этой нише.
Засветка пластины — не единственный шаг на производстве. Перед степпером пластины нагревают до 1000 °С и окисляют поверхность, чтобы сформировать непроводящий слой из диоксида кремния SiO2. Потом на этом слое диэлектрика равномерно распределяют фоточувствительный материал — фоторезист. И только потом помещают в степпер.
Засветка фоторезиста на кремниевой пластине в степпере
На засвеченных участках пластины обнажается слой SiO2, всё остальное защищено фоторезистом. Теперь наступает этап плазменного вытравливания (plasma etching), где с засвеченных участков снимается слой SiO2, создавая углубления. Вытравленные участки снова окисляют. Поверх SiO2 наносят электропроводящий слой поликристаллического кремния. Потом снова покрывают фоторезистом — и цикл повторяется несколько раз, создавая новые углубления уже во втором слое, затем в третьем, потом пластина покрывается слоем металла — и цикл повторяется. В итоге формируются те самые структуры полевых транзисторов с p-n переходом. Цикл повторяется многократно, пока не будет создана полная структура интегральной микросхемы со всеми необходимыми элементами.
Несколько циклов нанесения разных материалов (фоторезист, поликристаллический кремний, диоксид кремния, металл), засветки и плазменного вытравливания создают многослойную структуру транзистора
В зависимости от техпроцесса, размер минимальных элементов в этих структурах может быть 14 нм, 10 нм, 7 нм, 5 нм или меньше, но это весьма условная разница, которая не совсем отражает реальность. Например, на фотографиях под микроскопом ниже можно сравнить размер транзисторов в кэше L2 процессоров Intel (техпроцесс 14 нм+++) и TSMC (7 нм). У первого ширина затвора 24 нм, у второго 22 нм, высота одинаковая.
Сравнение транзисторов в кэше L2 процессоров Intel (14 нм+++) и TSMC (7 нм), сканирующий электронный микроскоп. Источник
По размеру они практически не отличаются, хотя TSMC плотнее размещает эти транзисторы на микросхеме.
В зависимости от размера, на одной пластине помещается от нескольких десятков до нескольких тысяч микросхем.
Микросхемы на кремниевой пластине
Пластины с готовым продуктом проверяют, а затем осуществляется сборка — упаковка чипов в корпуса, подключение контактов. Сборка полностью автоматизирована.
Сборка микросхем
Потом чипы снова тестируют — и если всё удачно, то отправляют клиенту. Через несколько месяцев процессор уже вовсю работает в сервере или на домашнем компьютере, или в телефоне счастливого покупателя.
Мур не сдаётся. Intel тоже
Утратившая технологическое лидерство компания Intel в реальности не испытывает недостатка в денежных средствах. На самом деле совсем наоборот, компания сейчас показывает рекордные прибыли. И она намерена серьёзно инвестировать в научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы.
Благодаря партнёрству с ASML и EUV-литографии Intel планирует вернуться к прежним темпам выпуска новых поколений CPU раз в 2 года, начав с 7-нм техпроцесса в конце 2021 года и дойдя до 1,4-нм технологии в 2029 году.
Слайд из презентации Intel, показанный в выступлении представителя ASML в декабре 2019 года, источник
Если планы реализуются, то Intel сохранит действие закона Мура и догонит AMD/TSMC. В 90-е годы тоже были моменты, когда AMD выпускала более производительные процессоры. После тупика с Pentium 4 ответом стало новое ядро Core — и лидерство Intel на протяжении десятилетий. Впрочем, это было довольно скучное время. Для рынка гораздо полезнее, когда происходит жёсткая «заруба» между конкурентами, как сейчас, в 2021 году.
На правах рекламы
Наша компания предлагает в аренду серверы с процессорами от Intel и AMD. В последнем случае — это эпичные серверы! VDS с AMD EPYC, частота ядра CPU до 3.4 GHz. Создайте собственный тарифный план в пару кликов, максимальная конфигурация — 128 ядер CPU, 512 ГБ RAM, 4000 ГБ NVMe.