кремниевые пластины что это

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.

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

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.

Источник

Особенности перехода с 300 мм на 450 мм кремниевые пластины

Кое-кто из читателей вероятно знает, что переход на новый стандарт сулит немалое снижение стоимости чипов. При таком преимуществе использования более крупных пластин, причины затягивания перехода на новый стандарт кажутся не очевидными. Даже может показаться, что всё это не более чем глобальный заговор корпораций, стремящийся остановить прогресс для получения сверхприбылей, тогда как всего то и нужно, что купить новые станки. «Это же так просто!»- подумает обыватель.

Предлагаю снять шапочку из фольги и разобраться в проблемах, возникающих при масштабировании, и технических деталях производства кремниевых пластин. В этом материале перечислены лишь некоторые из них.

Инвестиции и окупаемость

Для начала разберёмся, зачем же вся эта канитель с увеличением размера пластин? Дело в том, что при увеличении пластины стоимость каждого чипа падает. Расчёты показывают, что при переходе с нынешних 300 мм на 450 мм в конечном итоге даст экономию около 30%. Приблизительно так же как произошло при переходе с 200 на 300 мм пластины.

Снижение цены производства чипа на 30% это действительно существенно. Но с пометкой, что это произойдёт далеко не сразу, так как первоначально стоимость новых пластин будет значительно выше. Стоимость кв. см 450 мм подложки сравняется с текущей ценой кв. см 300 мм подложки не раньше 2025. А на начало использования будет в 4-5 раз дороже.

Затраты на инвестиции по оценкам могут дойти до 60 миллиардов долларов, и поэтому крупнейшим производителям воле-неволей приходится объединять свои усилия для перехода на новый стандарт. Окупаемость столь крупных инвестиций дело около 8 лет. По крайней мере R&D перехода с 200 на 300 мм пластины окупились приблизительно за такой срок.

Ну и где же тут экономия? Ответ не так прост.

Площадь кремниевой подложки увеличивается в целых 2.25 раза. Кроме того можно разместить даже больше чипов, так как в окружность с большим радиусом прямоугольники вписываются с большей эффективностью. Говоря по-простому, если рисовать круг квадратиками, то круг будет тем «круглее», чем он больше или квадратики меньше.

Возьмём к примеру ядро Tahiti XT с площадью 352 мм2, стоящего в основе видеокарт HD 7970. При условии что чипы квадратные, на 300 мм подложке удастся разместить около 160 чипов, а на 450 мм подложке уже 386 (см. рисунок ниже). Что в 2.41 раза больше. Разумеется прибавка будет варьироваться в зависимости от размеров чипа.

Из этого следует, что фабрика производственной мощностью 40-45 тыс. пластин способна выпустить столько же чипов, что и 300 мм фабрика мощностью 100 тыс. пластин. И как раз этот момент позволяет экономить! 450 мм фабрика на 40 тыс. пластин обойдётся на 25% дешевле, чем 300 мм фабрика на 100 тыс. пластин. Экономия происходит во многом за счёт литографического оборудования, стоимость которого не увеличится соизмеримо мощности, как было отмечено выше.

Но есть нюанс. При прочих перечисленных факторах увеличивающих стоимость производства, нынешняя стоимость литографического оборудования не скомпенсировала бы затраты, если бы оставалась неизменной. К счастью стоимость оборудования для каждого более продвинутого тех. процесса растёт, а с ней и выгода от перехода на больший диаметр пластин.

Технические трудности

Вес кристалла

Вес выращенного кристалла увеличивается в 3 раза, до одной тонны. Возникает проблема при вертикальном подвешивании кристалла за узкое горлышко, толщиной в несколько мм, при процессе выращивания. Затравочный кристалл сам по себе не сможет выдержать вес 450 мм кристалла. Нужен дополнительный способ поддержания кристалла.

Время выращивания

Любая внешняя вибрация (например землетрясение) способна вызвать изменение в пространственной решётке кристалла. Если такое происходит, кристалл приходится полностью переплавить и выращивание начинается с самого начала. Это отнимает значительное количество времени (до месяца) и тем самым увеличивает стоимость производства.

Так последствия землетрясения в Японии в 2011 году снизили мировой выпуск монокристаллов кремния на 24.5%. По сути выращиваемые кристаллы превратились в мусор. На перезапуск производства ушло больше месяца.

Кварцевые тигли

Кварцевые тигли для плавки поликристаллического кремния должны быть большими и должны выдерживать вдвое больше времени, требуемое для производства, чем используемые для выращивания 300 мм кристаллов.
Если для выращивания 300 мм кристаллов используются тигли размером 81,3 см, то для 450 мм кристаллов необходимы тигли диаметром до 111 см. Чтобы выдерживать такое длительное время выращивания, качество тиглей также должно быть улучшено.

Охлаждение

Время на охлаждение может увеличиться до 4х раз.

Тепловое прошлое, во время производства кристалла, влияет на количество, размер и распределение дефектов в виде примесей. В отличие от смещений, такие дефекты обычно присутствуют. И хотя они не обязательно приводят к отбраковке кристалла, зато могут сказаться на работоспособности конечных чипов. Поэтому нужно точно контролировать процесс, чтобы минимизировать их появление. Из-за громадных размеров 450 мм кристалла, охлаждаться он будет медленнее, что подвергает его большему перепаду температур и влияет на появление дефектов. Для этого необходим инновационный процесс охлаждения.

Заключение

Суммируя, переход на 450 мм пластины это необходимость скомпенсировать всё увеличивающуюся стоимость литографического оборудования. Садиться на этот поезд очень дорого, но не сесть вовсе, значит поставить себя в невыгодное положение относительно конкурентов в долгосрочной перспективе. Помимо этого важно знать оптимальный момент для посадки.

Так что производителей можно легко понять, особенно принимая во внимание возможные риски, которые могут возникнуть на столь длительном отрезке времени. Это может быть всё, начиная с глобальных экономических проблем, заканчивая тем, что могут появиться более перспективные технологии ещё до того, как инвестиции окупятся.

Да, кстати, если вы ещё не поняли, для нас, потребителей, переход не отразится в снижении стоимости процессоров, GPU и памяти. По крайней мере не в этом десятилетии.

Источник

Кремниевые пластины как основа для фотоэлементов

Кремниевые пластины (англ. Oblate) — это тонкие пластинки, напиленные из кремниевых блоков — слитков, и которые затем в процессе обработки превратились в кристаллические фотоэлементы.

Кремниевые пластины, используемые в солнечной энергетике, имеют толщину примерно от 0,18 до 0,25 мм (от 180 до 250 мкм, µm) и размер от 15 до 20 сантиметров.

Они получают форму квадрата, когда их вырезают из кубовидных поликристаллических слитков; или псевдо-квадрата, когда из выпиливают из монокристаллических колонн особо высокого качества.

Кремниевые пластины также используются и в микроэлектронике — они служат в качестве основы для производства компьютерных чипов (смотри рисунок выше).

Выпиливание пластин из слитков кремния является лишь первым шагом в производственном процессе от исходного кремния до солнечной батареи — но это очень важный шаг. Кремниевые пластины являются физической основой фотоэлементов — поэтому качество пластин оказывает решающее значение на качество фотоэлементов. Для этого при производстве кремниевых пластин очень тщательно следят за тем, чтобы даже в слитке кремний был высокого качества. Поликристаллические слитки отливаются методом блочного литья прямоугольными блоками. Производитель контролирует процесс плавления и охлаждения для того, чтобы избежать возникновения термических напряжений в материале.

А монокристаллические колонны медленно вытягиваются из расплава с помощью затравочного кристалла (метод Чохральского). Именно таким способом создается монокристаллический кремний самого высокого качества.

Что лучше – пилить или вытягивать?

Большая часть кремниевых пластин производится сегодня с помощью проволочной распилки. Сначала производители зажимают разделенные на части поликристаллические слитки — или целые колонны монокристаллического кремния — в фрезерно-отрезной станок. Там при помощи проволоки толщиной примерно 100-140 микрон нарезаются тонкие пластины толщиной от 180 до 250 микрон. Сила резки проволоки усилена сверхтвердыми частицами карбида кремния или алмаза. В качестве смазки используется масло или гликоль.

Но несмотря на это, от трети до половины кремния теряется в процессе резки в виде опилок. Сегодня современные методы переработки позволяют повторно переработать большую часть этого материала.

Альтернативный метод: Сравнительно высокие потери при резке и, в частности, относительно высокая толщина кремниевых пластин — особенно по сравнению с лишь несколькими микронами тонкослойных фотоэлементов — поощряют развитие альтернативных методов производства.

Некоторые производители пытались вытянуть кремниевую пластину прямо из расплава кремния (в том числе компании Schott и Evergreen Solar). Другие полагаются на новые технологии резки, такие как лазерная резка или резка на полоски («интеллектуальная резка»). Но с коммерческой точки зрения ни один из этих методов не прижился.

Кремниевые пластины в производстве фотоэлементов

Полученные в описанном выше процессе пластины являются исходным материалом для производства фотоэлементов. Как правило, кремниевые пластины уже целенаправленно обогащены посторонними атомами, т.е. легированы. Что придает им необходимые электрические свойства, и теперь они готовы к постепенному превращению в кристаллический фотоэлемент.

Важнейшими этапами этого процесса являются:

=>травление — при травлении устраняются примеси и поверхностные повреждения кристаллической структуры пластины

=>текстурирование гидроксидом калия — при этом создается шероховатость поверхности пластины для лучшего поглощения света

=>диффузия фосфора в кремний — для формирования области пространственного заряда (p-n перехода) пластина получает дополнительное n-легирование

=>осаждение из паровой фазы — антиотражающий слой из нитрида кремния осаждается из паровой фазы для оптимизации использования солнечного света

=>трафаретна печать — печать электрических контактов на передней и задней сторонах, с которых снимается произведенная солнечная электроэнергия

После этого шага фотоэлемент готов для установки в солнечную батарею. И уже в ней бывшая кремниевая пластина вместе с 30-100 себе подобными занимается непосредственным превращением солнечного света в электроэнергию.

Источник