Фотолітографія. Проблема вирішується за допомогою технології фотолітографії — процесу того, що виборчого труїть поверхневого шару з використанням захисного фотошаблону. Технологія побудована за принципом «світло-шаблон-фоторезист» і проходить таким чином: — На кремнієву підкладку наносять шар матеріалу, з якого потрібно сформувати малюнок. На нього наноситься фоторезист — шар полімерного світлочутливого матеріалу, що міняє свої физико-хімічні властивості при опромінюванні світлом. — Проводиться експонування (освітлення фотошару протягом точного встановленого проміжку часу) через фотошаблон — Видалення відпрацьованого фоторезисту. Потрібна структура малюється на фотошаблоні — як правило, це пластинка з оптичного скла, на яку фотографічним способом нанесені непрозорі області. Кожен такий шаблон містить один з шарів майбутнього процесора, тому він має бути дуже точним і практичним. Інший раз облягати ті або інші матеріали в потрібних місцях пластини просто неможливо, тому набагато простіше нанести матеріал відразу на всю поверхню, прибравши зайве з тих місць, де він не потрібний — на зображенні вище синім кольором показано нанесення фоторезисту. Пластина опромінюється потоком іонів (позитивно або негативно заряджених атомів), які в заданих місцях проникають під поверхню пластини і змінюють провідні властивості кремнію (зелені ділянки — це упроваджені чужорідні атоми). Як ізолювати області, що не вимагають подальшої обробки? Перед літографією на поверхню кремнієвої пластини (при високій температурі в спеціальній камері) наноситься захисна плівка діелектрика – як я вже розповідав, замість традиційного діоксиду кремнію компанія Intel почала використовувати High-K-діелектрик. Він товщий за діоксид кремнію, але в той же час у нього ті ж ємкісні властивості. Більш того, у зв'язку із збільшенням товщини зменшений струм витоку через діелектрик, а як слідство – стало можливим отримувати енергоефективніші процесори. Загалом, тут набагато складніше забезпечити рівномірність цієї плівки по всій поверхні пластини — у зв'язку з цим на виробництві застосовується високоточний температурний контроль. Так от. У тих місцях, які оброблятимуться домішками, захисна плівка не потрібна – її акуратно знімають за допомогою того, що труїть (видалення областей шаруючи для формування багатошарової структури з певними властивостями). А як зняти її не скрізь, а тільки в потрібних областях? Для цього поверх плівки необхідно нанести ще один шар фоторезисту – за рахунок відцентрової сили пластини, що обертається, він наноситься дуже тонким шаром. У фотографії світло проходило через негативну плівку, падало на поверхню фотопаперу і міняло її хімічні властивості. У фотолітографії принцип схожий: світло пропускається через фотошаблон на фоторезист, і в тих місцях, де він пройшов через маску, окремі ділянки фоторезисту міняють властивості. Через маски пропускається світлове випромінювання, яке фокусується на підкладці. Для точного фокусування необхідна спеціальна система лінз або дзеркал, здатна не просто зменшити, зображення, вирізане на масці, до розмірів чіпа, але і точно спроектувати його на заготівці. Надруковані пластини, як правило, в чотири рази менше, ніж самі маски. Весь відпрацьований фоторезист (що змінив свою розчинність під дією опромінювання) віддаляється спеціальним хімічним розчином – разом з ним розчиняється і частина підкладки під засвіченим фоторезистом. Частина підкладки, яка була закрита від світла маскою, не розчиниться. Вона утворює провідник або майбутній активний елемент – результатом такого підходу стають різні картини замикань на кожному шарі мікропроцесора. Власне кажучи, всі попередні кроки були потрібні для того, щоб створити в необхідних місцях напівпровідникові структури шляхом впровадження донорної (n-типу) або акцепторної (p-типу) домішки. Допустимо, нам потрібно зробити в кремнії область концентрації носіїв p-типу, тобто зону діркової провідності. Для цього пластину обробляють за допомогою пристрою, який називається імплантер, — іони бору з величезною енергією вистрілюються з високовольтного прискорювача і рівномірно розподіляються в незахищених зонах, утворених при фотолітографії. Там, де діелектрик був прибраний, іони проникають в шар незахищеного кремнію – інакше вони «застряють» в діелектриці. Після чергового процесу того, що труїть забираються залишки діелектрика, а на пластині залишаються зони, в яких локально є бор. Зрозуміло, що у сучасних процесорів може бути декілька таких шарів — у такому разі на малюнку, що вийшов, знову вирощується шар діелектрика і далі все йде по уторованій доріжці — ще один шар фоторезисту, процес фотолітографії (вже по новій масці), труїть, імплантація. ну ви зрозуміли. Характерний розмір транзистора зараз — 32 нм, а довжина хвилі, якою обробляється кремній, — це навіть не звичайне світло, а спеціальний ультрафіолетовий ексимерний лазер — 193 нм. Проте закони оптики не дозволяють вирішити два об'єкти, що знаходяться на відстані менше, ніж половина довжини хвилі. Відбувається це із-за дифракції світла. Як бути? Застосовувати різні хитрування — наприклад, окрім згаданих ексимерних лазерів, що світять далеко в ультрафіолетовому спектрі, в сучасній фотолітографії використовується багатошарова оптика з використанням спеціальних масок, що відображає, і спеціальний процес іммерсійної (погружної) фотолітографії. Логічні елементи, які утворилися в процесі фотолітографії, мають бути сполучені один з одним. Для цього пластини поміщають в розчин сульфату міді, в якому під дією електричного струму атоми металу «осідають» в «проходах», що залишилися, — в результаті цього гальванічного процесу утворюються провідні області, що створюють з'єднання між окремими частинами процесорної «логіки». Надлишки провідного покриття забираються поліровкою. Фініш Залишилося хитрим способом з'єднати «залишки» транзисторів — принцип і послідовність всіх цих з'єднань (шин) і називається процесорною архітектурою. Для кожного процесора ці з'єднання різні – хоч схеми і здаються абсолютно плоскими, в деяких випадках може використовуватися до 30 рівнів таких «проводів». Віддалено (при дуже великому збільшенні) все це схоже на футуристичну дорожню розв'язку – адже і хтось же ці клубки проектує! Коли обробка пластин завершена, пластини передаються з виробництва в монтажно-випробувальний цех. Там кристали проходять перші випробування, і ті, які проходять тест (а це переважна більшість), вирізуються з підкладки спеціальним пристроєм. На наступному етапі процесор упаковується в підкладку (на малюнку – процесор Intel Core i5, що складається з CPU і чіпа HD-графики). Підкладка, кристал і теплорозподільча кришка з'єднуються разом – саме цей продукт ми матимемо, кажучи слово «процесор». Зелена підкладка створює електричний і механічний інтерфейс (для електричного з'єднання кремнієвої мікросхеми з корпусом використовується золото), завдяки якому стане можливою установка процесора в сокет материнської плати, – по суті, це просто майданчик, на якому розведені контакти від маленького чіпа. Теплораспределітельная кришка є термоинтерфейсом, що охолоджує процесор під час роботи, – саме до цієї кришки примикатимуть система охолоджування, будь то радіатор кулера або здоровий водоблок. Сокет (роз'єм центрального процесора) — гніздовий або щілинний роз'єм, призначений для установки центрального процесора. Використання роз'єму замість прямого розпаювання процесора на материнській платі спрощує заміну процесора для модернізації або ремонту комп'ютера. Роз'єм може бути призначений для установки власне процесора або CPU-карти (наприклад, в Pegasos). Кожен роз'єм допускає установку тільки певного типу процесора або CPU-карти. На завершуючому етапі виробництва готові процесори проходять фінальні випробування на предмет відповідності основним характеристикам – якщо все гаразд, то процесори сортуються в потрібному порядку в спеціальні лотки – у такому вигляді процесори підуть виробникам або поступлять в OEM-продаж. Ще якась партія піде на продаж у вигляді BOX-версій – в красивій коробці разом із стічною системою охолоджування. Тепер уявіть собі, що компанія анонсує, наприклад, 20 нових процесорів. Всі вони різні між собою – кількість ядер, об'єми кеша, підтримувані технології. У кожній моделі процесора використовується певна кількість транзисторів (обчислюване мільйонами і навіть мільярдами), свій принцип з'єднання елементів. І все це треба спроектувати і создать/автоматизировать – шаблони, лінзи, літографії, сотні параметрів для кожного процесу, тестування. І все це повинно працювати цілодобово, відразу на декількох фабриках. Внаслідок чого повинні з'являтися пристрої, що не мають права на помилку в роботі. А вартість цих технологічних шедеврів має бути в рамках пристойності. Майже упевнений в тому, що ви, як і я, теж не можете уявити собі всього об'єму роботи, що проробляється. Ну і ще дещо дивовижніше. Уявіть, що ви без п'яти хвилин великий учений — акуратно зняли теплорозподільчу кришку процесора і у величезний мікроскоп змогли побачити структуру процесора – всі ці з'єднання, транзистори. навіть щось на папірці замалювали, щоб не забути. Як думаєте, чи легко вивчити принципи роботи процесора, маючи в своєму розпорядженні тільки ці дані і дані про те, які завдання за допомогою цього процесора можна вирішувати? Мені здається, приблизно така картина зараз видно вченим, які намагаються на подібному рівні вивчити роботу людського мозку. Тільки якщо вірити стенфордським мікробіологам, в одному людському мозку знаходиться більше «транзисторів», чим у всій світовій IT-інфраструктурі.
Коли фабрика для виробництва процесорів за новою технологією побудована, у неї є 4 роки на те, щоб окупити вкладені засоби (більш $5млрд) і принести прибуток. З нескладних секретних розрахунків виходить, що фабрика повинна проводити не менше 100 працюючих пластин в годині Коротко процес виготовлення процесора виглядає так: з розплавленого кремнію на спеціальному устаткуванні вирощують монокристал циліндрової форми. Злиток, що вийшов, охолоджують і ріжуть на «млинці», поверхню яких ретельно вирівнюють і полірують до дзеркального блиску. Потім в «чистих кімнатах» напівпровідникових заводів на кремнієвих пластинах методами фотолітографії і труїть створюються інтегральні схеми. Після повторного очищення пластин, фахівці лабораторії під мікроскопом проводять вибіркове тестування процесорів – якщо все «ОК», то готові пластини розрізають на окремі процесори, які пізніше укладають в корпуси. Вміст кремнію в земній корі складає близько 25-30% по масі, завдяки чому по поширеності цей елемент займає друге місце після кисню. Пісок, особливо кварцевий, має високий відсоток змісту кремнію у вигляді діоксиду кремнію (SiO2) і на початку виробничого процесу є базовим компонентом для створення напівпровідників. Спочатку береться SiO2 у вигляді піску, який в дугових печах (при температурі біля 1800°C) відновлюють коксом: SiO2 + 2C = Si + 2CO Такий кремній носить назва «технічний» і має чистоту 98-99.9%. Для виробництва процесорів потрібна набагато чистіша сировина, звана «електронним кремнієм», — в такому повинно бути не більш за один чужорідний атом на мільярд атомів кремнію. Для очищення до такого рівня, кремній буквально «народжується наново». Шляхом хлорування технічного кремнію отримують тетрахлорид кремнію (SiCl4), який надалі перетвориться в трихлорсилан (SiHCl3): 3SiCl4 + 2H2 + Si - 4SiHCl3 Дані реакції з використанням рециклу побічних кремнійвмісних речовин, що утворюються, знижують собівартість і усувають екологічні проблеми: 2SiHCl3 - SiH2Cl2 + SiCl4 2SiH2Cl2 - SiH3Cl + SiHCl3 2SiH3Cl - SiH4 + SiH2Cl2 SiH4 - Si + 2H2 Отриманий «електронний» кремній, чистий-пречистий (99,9999999%). Трохи пізніше в розплав такого кремнію опускається приманка («точка зростання»), яка поступово витягується з тигля. В результаті утворюється так звана «буля» — монокристал висотою з дорослої людини. Вага відповідна — на виробництві така дуля важить близько 100 кг Злиток шліфують «нульовкою» :) і ріжуть діамантовою пилою. На виході – пластини (кодова назва «вафля») завтовшки близько 1 мм і діаметром 300 мм (~12 дюймів; саме такі використовуються для техпроцесу в 32нм з технологією HKMG, High-K/Metal Gate).
Колись давно Intel використовувала диски діаметром 50мм (2"), а в найближчому майбутньому вже планується перехід на пластини з діаметром в 450мм – це виправдано як мінімум з погляду зниження витрат на виробництво чіпів. До слова про економію — всі ці кристали вирощуються зовні Intel; для процесорного виробництва вони купуються у іншому місці. Кожну пластину полірують, роблять ідеально рівною, доводячи її поверхню до дзеркального блиску. Виробництво чіпів складається більш ніж з трьох сотень операцій, в результаті яких більше 20 шарів утворюють складну тривимірну структуру, – доступний на Хабре об'єм статті не дозволить розповісти коротко навіть про половину з цього списку :) Тому зовсім коротко і лише про найважливіші етапи. Отже. У відшліфовані кремнієві пластини необхідно перенести структуру майбутнього процесора, тобто упровадити в певні ділянки кремнієвої пластини домішки, які у результаті і утворюють транзистори. Як це зробити? Взагалі, нанесення різних шарів на процесорну підкладу це ціла наука, адже навіть в теорії такий процес непростий (не говорячи вже про практику, з урахуванням масштабів). але ж так приємно знатися на складному ;) Ну або хоч би спробувати розібратися. Фотолітографія Проблема вирішується за допомогою технології фотолітографії — процесу того, що виборчого труїть поверхневого шару з використанням захисного фотошаблону. Технологія побудована за принципом «світло-шаблон-фоторезист» і проходить таким чином: — На кремнієву підкладку наносять шар матеріалу, з якого потрібно сформувати малюнок. На нього наноситься фоторезист — шар полімерного світлочутливого матеріалу, що міняє свої физико-хімічні властивості при опромінюванні світлом. — Проводиться експонування (освітлення фотошару протягом точного встановленого проміжку часу) через фотошаблон — Видалення відпрацьованого фоторезисту. Потрібна структура малюється на фотошаблоні — як правило, це пластинка з оптичного скла, на яку фотографічним способом нанесені непрозорі області. Кожен такий шаблон містить один з шарів майбутнього процесора, тому він має бути дуже точним і практичним. Інший раз облягати ті або інші матеріали в потрібних місцях пластини просто неможливо, тому набагато простіше нанести матеріал відразу на всю поверхню, прибравши зайве з тих місць, де він не потрібний — на зображенні вище синім кольором показано нанесення фоторезисту. Пластина опромінюється потоком іонів (позитивно або негативно заряджених атомів), які в заданих місцях проникають під поверхню пластини і змінюють провідні властивості кремнію (зелені ділянки — це упроваджені чужорідні атоми). Як ізолювати області, що не вимагають подальшої обробки? Перед літографією на поверхню кремнієвої пластини (при високій температурі в спеціальній камері) наноситься захисна плівка діелектрика – як я вже розповідав, замість традиційного діоксиду кремнію компанія Intel почала використовувати High-K-діелектрик. Він товщий за діоксид кремнію, але в той же час у нього ті ж ємкісні властивості. Більш того, у зв'язку із збільшенням товщини зменшений струм витоку через діелектрик, а як слідство – стало можливим отримувати енергоефективніші процесори. Загалом, тут набагато складніше забезпечити рівномірність цієї плівки по всій поверхні пластини — у зв'язку з цим на виробництві застосовується високоточний температурний контроль. Так от. У тих місцях, які оброблятимуться домішками, захисна плівка не потрібна – її акуратно знімають за допомогою того, що труїть (видалення областей шаруючи для формування багатошарової структури з певними властивостями). А як зняти її не скрізь, а тільки в потрібних областях? Для цього поверх плівки необхідно нанести ще один шар фоторезисту – за рахунок відцентрової сили пластини, що обертається, він наноситься дуже тонким шаром. У фотографії світло проходило через негативну плівку, падало на поверхню фотопаперу і міняло її хімічні властивості. У фотолітографії принцип схожий: світло пропускається через фотошаблон на фоторезист, і в тих місцях, де він пройшов через маску, окремі ділянки фоторезисту міняють властивості. Через маски пропускається світлове випромінювання, яке фокусується на підкладці. Для точного фокусування необхідна спеціальна система лінз або дзеркал, здатна не просто зменшити, зображення, вирізане на масці, до розмірів чіпа, але і точно спроектувати його на заготівці. Надруковані пластини, як правило, в чотири рази менше, ніж самі маски. Весь відпрацьований фоторезист (що змінив свою розчинність під дією опромінювання) віддаляється спеціальним хімічним розчином – разом з ним розчиняється і частина підкладки під засвіченим фоторезистом. Частина підкладки, яка була закрита від світла маскою, не розчиниться. Вона утворює провідник або майбутній активний елемент – результатом такого підходу стають різні картини замикань на кожному шарі мікропроцесора. Власне кажучи, всі попередні кроки були потрібні для того, щоб створити в необхідних місцях напівпровідникові структури шляхом впровадження донорної (n-типу) або акцепторної (p-типу) домішки. Допустимо, нам потрібно зробити в кремнії область концентрації носіїв p-типу, тобто зону діркової провідності. Для цього пластину обробляють за допомогою пристрою, який називається імплантер, — іони бору з величезною енергією вистрілюються з високовольтного прискорювача і рівномірно розподіляються в незахищених зонах, утворених при фотолітографії. Там, де діелектрик був прибраний, іони проникають в шар незахищеного кремнію – інакше вони «застряють» в діелектриці. Після чергового процесу того, що труїть забираються залишки діелектрика, а на пластині залишаються зони, в яких локально є бор. Зрозуміло, що у сучасних процесорів може бути декілька таких шарів — у такому разі на малюнку, що вийшов, знову вирощується шар діелектрика і далі все йде по уторованій доріжці — ще один шар фоторезисту, процес фотолітографії (вже по новій масці), труїть, імплантація. ну ви зрозуміли. Характерний розмір транзистора зараз — 32 нм, а довжина хвилі, якою обробляється кремній, — це навіть не звичайне світло, а спеціальний ультрафіолетовий ексимерний лазер — 193 нм. Проте закони оптики не дозволяють вирішити два об'єкти, що знаходяться на відстані менше, ніж половина довжини хвилі. Відбувається це із-за дифракції світла. Як бути? Застосовувати різні хитрування — наприклад, окрім згаданих ексимерних лазерів, що світять далеко в ультрафіолетовому спектрі, в сучасній фотолітографії використовується багатошарова оптика з використанням спеціальних масок, що відображає, і спеціальний процес іммерсійної (погружної) фотолітографії. Логічні елементи, які утворилися в процесі фотолітографії, мають бути сполучені один з одним. Для цього пластини поміщають в розчин сульфату міді, в якому під дією електричного струму атоми металу «осідають» в «проходах», що залишилися, — в результаті цього гальванічного процесу утворюються провідні області, що створюють з'єднання між окремими частинами процесорної «логіки». Надлишки провідного покриття забираються поліровкою. Фініш Залишилося хитрим способом з'єднати «залишки» транзисторів — принцип і послідовність всіх цих з'єднань (шин) і називається процесорною архітектурою. Для кожного процесора ці з'єднання різні – хоч схеми і здаються абсолютно плоскими, в деяких випадках може використовуватися до 30 рівнів таких «проводів». Віддалено (при дуже великому збільшенні) все це схоже на футуристичну дорожню розв'язку – адже і хтось же ці клубки проектує! Коли обробка пластин завершена, пластини передаються з виробництва в монтажно-випробувальний цех. Там кристали проходять перші випробування, і ті, які проходять тест (а це переважна більшість), вирізуються з підкладки спеціальним пристроєм. На наступному етапі процесор упаковується в підкладку (на малюнку – процесор Intel Core i5, що складається з CPU і чіпа HD-графики). Підкладка, кристал і теплорозподільча кришка з'єднуються разом – саме цей продукт ми матимемо, кажучи слово «процесор». Зелена підкладка створює електричний і механічний інтерфейс (для електричного з'єднання кремнієвої мікросхеми з корпусом використовується золото), завдяки якому стане можливою установка процесора в сокет материнської плати, – по суті, це просто майданчик, на якому розведені контакти від маленького чіпа. Теплораспределітельная кришка є термоинтерфейсом, що охолоджує процесор під час роботи, – саме до цієї кришки примикатимуть система охолоджування, будь то радіатор кулера або здоровий водоблок. Сокет (роз'єм центрального процесора) — гніздовий або щілинний роз'єм, призначений для установки центрального процесора. Використання роз'єму замість прямого розпаювання процесора на материнській платі спрощує заміну процесора для модернізації або ремонту комп'ютера. Роз'єм може бути призначений для установки власне процесора або CPU-карти (наприклад, в Pegasos). Кожен роз'єм допускає установку тільки певного типу процесора або CPU-карти. На завершуючому етапі виробництва готові процесори проходять фінальні випробування на предмет відповідності основним характеристикам – якщо все гаразд, то процесори сортуються в потрібному порядку в спеціальні лотки – у такому вигляді процесори підуть виробникам або поступлять в OEM-продаж. Ще якась партія піде на продаж у вигляді BOX-версій – в красивій коробці разом із стічною системою охолоджування. Тепер уявіть собі, що компанія анонсує, наприклад, 20 нових процесорів. Всі вони різні між собою – кількість ядер, об'єми кеша, підтримувані технології. У кожній моделі процесора використовується певна кількість транзисторів (обчислюване мільйонами і навіть мільярдами), свій принцип з'єднання елементів. І все це треба спроектувати і создать/автоматизировать – шаблони, лінзи, літографії, сотні параметрів для кожного процесу, тестування. І все це повинно працювати цілодобово, відразу на декількох фабриках. Внаслідок чого повинні з'являтися пристрої, що не мають права на помилку в роботі. А вартість цих технологічних шедеврів має бути в рамках пристойності. Майже упевнений в тому, що ви, як і я, теж не можете уявити собі всього об'єму роботи, що проробляється. Ну і ще дещо дивовижніше. Уявіть, що ви без п'яти хвилин великий учений — акуратно зняли теплорозподільчу кришку процесора і у величезний мікроскоп змогли побачити структуру процесора – всі ці з'єднання, транзистори. навіть щось на папірці замалювали, щоб не забути. Як думаєте, чи легко вивчити принципи роботи процесора, маючи в своєму розпорядженні тільки ці дані і дані про те, які завдання за допомогою цього процесора можна вирішувати? Мені здається, приблизно така картина зараз видно вченим, які намагаються на подібному рівні вивчити роботу людського мозку. Тільки якщо вірити стенфордським мікробіологам, в одному людському мозку знаходиться більше «транзисторів», чим у всій світовій IT-інфраструктурі. Цікаво, правда?
Крок 1. Вирощування болванок Створення таких підкладок починається з вирощування циліндрового формою монокристала кремнію. Надалі з таких монокристалічних заготовок (болванок) нарізують круглі пластини (wafers), товщина яких складає приблизно 1/40 дюйма, а діаметр — 200 мм (8 дюймів) або 300 мм (12 дюймів). Це і є кремнієві підкладки, службовці для виробництва мікросхем. При формуванні пластин з монокристалів кремнію враховується та обставина, що для ідеальних кристалічних структур фізичні властивості в значній мірі залежать від вибраного напряму (властивість анізотропії). Наприклад, опір кремнієвої підкладки буде різним в подовжньому і поперечному напрямах. Аналогічно, залежно від орієнтації кристалічної решітки, кристал кремнію по-різному реагуватиме на які-небудь зовнішні дії, пов'язані з його подальшою обробкою (наприклад, труїть, напилення і так далі). Тому пластина має бути вирізана з монокристала так, щоб орієнтація кристалічної решітки щодо поверхні була строго витримана в певному напрямі. Як вже наголошувалося, діаметр заготівки монокристала кремнію складає або 200, або 300 мм. Зрозуміло, що на пластині такого діаметру може розміститися далеко не одна мікросхема, навіть якщо мова йде про процесорі Intel Pentium 4. Дійсно, на одній подібній пластині-підкладці формується декілька десятків мікросхем (процесорів), але для простоти ми розглянемо лише процеси, що відбуваються на невеликій ділянці одного майбутнього мікропроцесора.
Крок 2. Нанесення захисної плівки діелектрика (SiO2) Після формування кремнієвої підкладки наступає етап створення складної напівпровідникової структури. Для цього в кремній потрібно упровадити так звані донорну і акцепторну домішці. Проте виникає питання — як здійснити впровадження домішок по точно заданому малюнку-шаблону? Для того, щоб це стало можливим, ті області, куди не потрібно упроваджувати домішки, захищають спеціальною плівкою з діоксиду кремнію, залишаючи оголеними тільки ті ділянки, які піддаються подальшій обробці . Процес формування такої захисної плівки потрібного малюнка складається з декількох етапів. На першому етапі вся пластина кремнію цілком покривається тонкою плівкою діоксиду кремнію (SiO2), який є дуже хорошим ізолятором і виконує функцію захисної плівки при подальшій обробці кристала кремнію. Пластини поміщають в камеру, де при високій температурі (від 900 до 1100 °С) і тиску відбувається дифузія кисню в поверхневі шари пластини, що приводить до окислення кремнію і до утворення поверхневої плівки діоксиду кремнію. Для того, щоб плівка діоксиду кремнію мала точно задану товщину і не містила дефектів, необхідно строго підтримувати постійну температуру в усіх точках пластини в процесі окислення. Якщо ж плівкою з діоксиду кремнію має бути покрита не вся пластина, то заздалегідь на кремнієву підкладку наноситься маска Si3N4, що запобігає небажаному окисленню.
Крок 3. Нанесення фоторезистива Після того, як кремнієва підкладка покриється захисною плівкою діоксиду кремнію, необхідно видалити цю плівку з тих місць, які піддаватимуться подальшій обробці. Видалення плівки здійснюється за допомогою того, що труїть, а для захисту решти областей від того, що труїть на поверхню пластини наноситься шар так званого фоторезиста. Терміном «фоторезисти» позначають світлочутливі і стійкі до дії агресивних чинників склади. Вживані склади повинні володіти, з одного боку, певними фотографічними властивостями (під впливом ультрафіолетового світла ставати розчинними і вимиватися в процесі того, що труїть), а з іншої — резистивними, дозволяючими витримувати те, що труїть в кислотах і лугах, нагріваючи і так далі Основне призначення фоторезистів — створення захисного рельєфу потрібної конфігурації. Процес нанесення фоторезисту і його подальше опромінювання ультрафіолетом по заданому малюнку називається фотолітографією і включає наступні основні операції: формування шару фоторезисту (обробка підкладки, нанесення, сушка), формування захисного рельєфу (експонування, прояв, сушка) і передача зображення на підкладку (труїть, напилення і так далі). Перед нанесенням шару фоторезисту на підкладку остання піддається попередній обробці, внаслідок чого поліпшується її зчеплення з шаром фоторезисту. Для нанесення рівномірного шару фоторезисту використовується метод центрифугування. Підкладка поміщається на диск (центрифуга), що обертається, і під впливом відцентрових сил фоторезист розподіляється по поверхні підкладки практично рівномірним шаром. (Кажучи про практично рівномірний шар, враховують ту обставину, що під дією відцентрових сил товщина плівки, що утворюється, збільшується від центру до країв, проте такий спосіб нанесення фоторезисту дозволяє витримати коливання товщини шаруючи в межах ±10%.)
Крок 4. Літографія Після нанесення і сушки шару фоторезисту наступає етап формування необхідного захисного рельєфу. Рельєф утворюється в результаті того, що під дією ультрафіолетового випромінювання, що потрапляє на певні ділянки шару фоторезисту, останній змінює властивості розчинності, наприклад освітлені ділянки перестають розчинятися в розчиннику, які видаляють ділянки шаруючи, що не піддалися освітленню, або навпаки — освітлені ділянки розчиняються. За способом утворення рельєфу фоторезисти ділять на негативних і позитивних. Негативні фоторезисти під дією ультрафіолетового випромінювання утворюють захисні ділянки рельєфу. Позитивні фоторезисти, навпаки, під впливом ультрафіолетового випромінювання набувають властивостей текучості і вимиваються розчинником. Відповідно захисний шар утворюється в тих ділянках, які не піддаються ультрафіолетовому опромінюванню. Для засвічення потрібних ділянок шару фоторезисту використовується спеціальний шаблон-маска. Найчастіше для цієї мети застосовуються пластинки з оптичного скла з отриманими фотографічним або іншим способом непрозорими елементами. Фактично такий шаблон містить малюнок один з шарів майбутньої мікросхеми (всього таких шарів може налічуватися декілька сотень). Оскільки цей шаблон є еталоном, він має бути виконаний з великою точністю. До того ж з урахуванням того, що по одному фотошаблону буде зроблено дуже багато фотопластин, він має бути міцним і стійким до пошкоджень. Звідси зрозуміло, що фотошаблон — вельми дорога річ: залежно від складності мікросхеми він може коштувати десятки тисяч доларів. Ультрафіолетове випромінювання, проходячи крізь такий шаблон засвічує тільки потрібні ділянки поверхні шару фоторезисту. Після опромінювання фоторезист піддається прояву, в результаті якого віддаляються непотрібні ділянки шаруючи. При цьому відкривається відповідна частина шару діоксиду кремнію. Не дивлячись на простоту процесу фотолітографії, що здається, саме цей етап виробництва мікросхем є найбільш складним. Річ у тому, що відповідно до прогнозу Мура кількість транзисторів на одній мікросхемі зростає експоненціально (подвоюється кожні два роки). Подібне зростання числа транзисторів можливе тільки завдяки зменшенню їх розмірів, але саме зменшення і «упирається» в процес літографії. Для того, щоб зробити транзистори менше, необхідно зменшити геометричні розміри ліній, що наносяться на шар фоторезисту. Але всьому є межа — сфокусувати лазерний промінь в крапку виявляється не так-то просто. Річ у тому, що відповідно до законів хвилевої оптики мінімальний розмір плями, в який фокусується лазерний промінь (насправді це не просто пляма, а дифракційна картина), визначається окрім інших чинників і довжиною світлової хвилі. Розвиток літографічної технології з часу її винаходу на початку 70-х йшов у напрямі скорочення довжини світлової хвилі. Саме це дозволяло зменшувати розміри елементів інтегральної схеми. З середини 80-х у фотолітографії почало використовуватися ультрафіолетове випромінювання, що отримується за допомогою лазера. Ідея проста: довжина хвилі ультрафіолетового випромінювання менша, ніж довжина хвилі світла видимого діапазону, отже, можливо отримати і тонші лінії на поверхні фоторезисту. До недавнього часу для літографії використовувалося глибоке ультрафіолетове випромінювання (Deep Ultra Violet, DUV) з довжиною хвилі 248 нм. Проте коли фотолітографія переступила межу 200 нм, виникли серйозні проблеми, що вперше поставили під сумнів можливість подальшого використання цієї технології. Наприклад, при довжині хвилі менше 200 мкм дуже багато світло поглинається світлочутливим шаром, тому ускладнюється і сповільнюється процес передачі шаблону схеми на процесор. Подібні проблеми спонукають дослідників і виробників шукати альтернативу традиційної літографічної технології. Нова технологія літографії, що отримала назву ЕUV-літографії (Extreme UltraViolet — наджорстке ультрафіолетове випромінювання), заснована на використанні ультрафіолетового випромінювання з довжиною хвилі 13 нм. Перехід з DUV- на EUV-літографію забезпечує більш ніж 10-кратне зменшення довжини хвилі і перехід в діапазон, де вона співставима з розмірами всього декількох десятків атомів. Вживана зараз літографічна технологія дозволяє наносити шаблон з мінімальною шириною провідників 100 нм, тоді як EUV-літографія робить можливим друк ліній набагато меншої ширини — до 30 нм. Управляти ультракоротким випромінюванням не так просто, як здається. Оскільки EUV-випромінювання добре поглинається склом, то нова технологія припускає використання серії з чотирьох спеціальних опуклих дзеркал, які зменшують і фокусують зображення, отримане після застосування маски . Кожне таке дзеркало містить 80 окремих металевих шарів завтовшки приблизно в 12 атомів.
Крок 5. Труїть Після засвічування шару фоторезисту наступає етап того, що труїть (etching) з метою видалення плівки діоксиду кремнію . Часто процес того, що труїть асоціюється з кислотними ваннами. Такий спосіб того, що труїть в кислоті добре знайомий радіоаматорам, які самостійно робили друкарські плати. Для цього на фольгований текстоліт ласий, що виконує функцію захисного шару, наносять малюнок доріжок майбутньої плати, а потім опускають пластину у ванну з азотною кислотою. Непотрібні ділянки фольги підбурюються, оголяючи чистий текстоліт. Цей спосіб має ряд недоліків, головний з яких, — неможливість точно контролювати процес видалення шаруючи, оскільки дуже багато чинники впливають на процес того, що труїть: концентрація кислоти, температура, конвекція і так далі Крім того, кислота взаємодіє з матеріалом по всіх напрямах і поступово проникає під край маски з фоторезисту, тобто руйнує збоку прикриті фоторезистом шари. Тому при виробництві процесорів використовується сухий метод того, що труїть, званий також плазмовим. Такий метод дозволяє точно контролювати процес того, що труїть, а руйнування шару, що витравляється, відбувається строго у вертикальному напрямі. При використанні того, що сухого труїть для видалення з поверхні пластини діоксиду кремнію застосовується іонізований газ (плазма), який вступає в реакцію з поверхнею діоксиду кремнію, внаслідок чого утворюються летючі побічні продукти. Після процедури того, що труїть, тобто коли оголені потрібні області чистого кремнію, віддаляється частина фотошару, що залишилася. Таким чином, на кремнієвій підкладці залишається малюнок, виконаний діоксидом кремнію.
Крок 6. Дифузія (іонна імплантація) Нагадаємо, що попередній процес формування необхідного малюнка на кремнієвій підкладці був потрібний для того, щоб створити в потрібних місцях напівпровідникові структури шляхом впровадження донорної або акцепторної домішки. Процес впровадження домішок здійснюється за допомогою дифузії — рівномірного впровадження атомів домішки в кристалічну решітку кремнію. Для отримання напівпровідника n-типу зазвичай використовують сурму, миш'як або фосфор. Для отримання напівпровідника p-типу як домішка використовують бор, галій або алюміній. Для процесу дифузії легуючої домішки застосовується іонна імплантація. Процес імплантації полягає в тому, що іони потрібної домішки «вистрілюються» з високовольтного прискорювача і, володіючи достатньою енергією, проникають в поверхневі шари кремнію. Отже, після закінчення етапу іонної імплантації необхідний шар напівпровідникової структури створений. Проте в мікропроцесорах таких шарів може налічуватися декілька. Для створення чергового шару на отриманому малюнку схеми вирощується додатковий тонкий шар діоксиду кремнію. Після цього наносяться шар полікристалічного кремнію і ще один шар фоторезиста. Ультрафіолетове випромінювання пропускається крізь другу маску і висвічує відповідний малюнок на фотошарі. Потім знову слідують етапи розчинення фотошару, труїть і іонної імплантації.
Крок 7. Напилення і осадження Накладення нових шарів здійснюється кілька разів, при цьому для міжшарових з'єднань в шарах остаються «вікна», які заповнюються атомами металу; в результаті на кристалі створюються металеві смужки — провідні області. Таким чином в сучасних процесорах встановлюються зв'язки між шарами, що формують складну тривимірну схему. Процес вирощування і обробки всіх шарів триває декілька тижнів, а сам виробничий цикл полягає із понад 300 стадій. В результаті на кремнієвій пластині формуються сотні ідентичних процесорів. Щоб витримати дії, яким піддаються пластини в процесі нанесення шарів, кремнієві підкладки спочатку робляться достатньо товстими. Тому, перш ніж розрізати пластину на окремі процесори, її товщину зменшують на 33% і видаляють забруднення із зворотного боку. Потім на тильну сторону підкладки наносять шар спеціального матеріалу, поліпшуючого кріплення кристала до корпусу майбутнього процесора. Крок 8. Завершальний етап Після закінчення циклу формування всі процесори ретельно тестуються. Потім з пластини-підкладки за допомогою спеціального пристрою вирізуються конкретні, такі, що вже пройшли перевірку кристали . Кожен мікропроцесор вбудовується в захисний корпус, який також забезпечує електричне з'єднання кристала мікропроцесора із зовнішніми пристроями. Тип корпусу залежить від типу і передбачуваного застосування мікропроцесора. Після запечатування в корпус кожен мікропроцесор повторно тестується. Несправні процесори відбраковують, а справні піддають випробуванням навантажень. Потім процесори сортують залежно від їх поведінки при різних тактових частотах і напрузі живлення. 2014 рік.
