Nástup integrovaných obvodov priniesol skutočnú technologickú revolúciu v elektronickom a IT priemysle. Mohlo by sa zdať, že len pred niekoľkými desaťročiami sa na najjednoduchšie elektronické výpočty použili obrovské lampové počítače, ktoré zaberali niekoľko miestností a dokonca aj celé budovy.

Tieto počítače obsahovali mnoho tisíc elektrónok, ktoré boli potrebné kolosálne elektrická energia a špeciálne chladiace systémy. Dnes sú nahradené počítačmi založenými na integrovaných obvodoch.

Integrovaný obvod je v podstate zostava mnohých mikroskopických polovodičových komponentov umiestnených na substráte a zabalených do miniatúrneho obalu.

Jeden moderný čip s veľkosťou ľudského nechtu môže vo vnútri obsahovať niekoľko miliónov diód, tranzistorov, odporov, vodičov a ďalších komponentov, ktoré by v minulosti vyžadovali priestor pomerne veľkého hangáru.

Príklady netreba hľadať ďaleko, napríklad procesor i7 obsahuje viac ako tri miliardy tranzistorov na ploche menšej ako 3 centimetre štvorcové! A to nie je limit.

Ďalej sa pozrime na základné informácie o procese vytvárania čipov. Mikroobvod je tvorený plošnou (povrchovou) technológiou litografiou. To znamená, že sa ako keby pestovalo z polovodiča na kremíkovom substráte.

Najskôr sa pripraví tenká kremíková doštička, ktorá sa získava z monokryštálu kremíka vyrezávaním z valcového obrobku pomocou disku s diamantovým povlakom. Doska je leštená za zvláštnych podmienok, aby sa zabránilo kontaminácii a prachu.

Potom sa doska oxiduje - je vystavená kyslíku pri teplote asi 1 000 ° C, aby sa na jej povrchu získala vrstva silného dielektrického filmu oxidu kremičitého s hrúbkou požadovaného počtu mikrónov. Hrúbka takto získanej vrstvy oxidu závisí od času vystavenia kyslíku, ako aj od teploty substrátu počas oxidácie.

Ďalej sa na vrstvu oxidu kremičitého nanáša fotorezist - fotocitlivé zloženie, ktoré sa po ožiarení rozpustí v určitej chemickej látke. Na fotorezist je umiestnená šablóna - fotomaska \u200b\u200bs priehľadnými a nepriehľadnými oblasťami. Potom je doska s na ňu naneseným fotorezistom exponovaná - osvetlená zdrojom ultrafialového žiarenia.

V dôsledku expozície sa zmení tá časť fotorezistu, ktorá sa nachádzala pod priehľadnými oblasťami fotomasky chemické vlastnosti, a ktorý je teraz možné ľahko odstrániť spolu s oxidom kremičitým pod ním špeciálnymi chemikáliami pomocou plazmy alebo inej metódy - nazýva sa to leptanie. Na konci leptania sa oblasti oblátky nechránené fotorezistom (exponované) odstránia z exponovaného fotorezistu a potom z oxidu kremičitého.

Po vyleptaní a vyčistení tých miest substrátu, na ktorých zostal oxid kremičitý, z neosvetleného fotorezistu sa spustí epitaxia - na kremíkovú doštičku sa nanesú vrstvy požadovanej látky s hrúbkou jedného atómu. Môže sa použiť toľko takýchto vrstiev. Potom sa platňa zahreje a uskutoční sa difúzia iónov určitých látok, aby sa získali p a n-oblasti. Ako akceptor sa používa bór a ako darcovia sa používajú arzén a fosfor.

Na konci procesu sa metalizácia uskutoční s hliníkom, niklom alebo zlatom, aby sa získali tenké vodivé filmy, ktoré budú slúžiť ako spojovacie vodiče pre tranzistory, diódy, rezistory atď. Pestované na substráte v predchádzajúcich fázach. na doske plošných spojov.

Mikroobvod je elektronické zariadenie alebo jeho časť schopné vykonávať konkrétnu úlohu. Keby bolo potrebné vyriešiť taký problém, ktorý rieši veľa mikroobvodov, na diskrétnych prvkoch, na tranzistoroch, potom by zariadenie namiesto malého obdĺžnika s rozmermi 1 centimeter krát 5 centimetrov zaberalo celú skrinku a bolo by oveľa menej spoľahlivé. Takto ale vyzerali počítače pred pol sto rokmi!

Elektronická riadiaca skrinka - foto

Pre fungovanie mikroobvodu samozrejme nestačí iba dodať doň energiu, takzvaný „ bodykit”, To znamená tie pomocné časti na doske, spolu s ktorými môže mikroobvod vykonávať svoju funkciu.

Chip body kit - kresba

Na obrázku vyššie je samotný mikroobvod zvýraznený červenou farbou, všetky ostatné časti sú jej “ bodykit“. Mikroobvody sa pri ich práci veľmi často zahrievajú, môžu to byť mikroobvody stabilizátorov, mikroprocesorov a iných zariadení. V takom prípade, aby sa mikroobvod nespálil, musí byť pripevnený k radiátoru. Mikroobvody, ktoré by sa mali počas prevádzky zahrievať, sú okamžite navrhnuté so špeciálnou doskou chladiča - povrchom zvyčajne umiestneným na zadnej strane mikroobvodu, ktorý by mal tesne priliehať k radiátoru.

Ale v súvislosti s tým bude mať aj starostlivo vyleštený chladič a platňa mikroskopické medzery, v dôsledku čoho bude teplo z mikroobvodu menej efektívne prenášané do chladiča. Na vyplnenie týchto medzier sa používa teplovodivá pasta. Ten, ktorý sme nasadili na procesor počítača, až potom na neho pripevnili radiátor. Jednou z najbežnejšie používaných pást je CBT-8.

Zosilňovače na mikroobvodoch je možné spájkovať doslova za 1-2 večery a okamžite začnú pracovať, bez potreby zložitého ladenia a vysokej kvalifikácie tunera. Tiež by som chcel povedať o mikroobvodoch automobilových zosilňovačov, z bodykitu sú niekedy doslova 4 - 5 častí. Na zostavenie takého zosilňovača s určitou presnosťou nie je potrebná ani doska s plošnými spojmi (aj keď je to žiaduce) a všetko môžete zostaviť povrchovou montážou, priamo na čapy mikroobvodu.

Je pravda, že po zostavení je lepšie okamžite umiestniť takýto zosilňovač do puzdra, pretože takáto konštrukcia je nespoľahlivá a v prípade náhodného skratu vodičov môže byť mikroobvod ľahko spálený. Preto odporúčam všetkým začiatočníkom, nech strávia trochu viac času, ale vyrobia si dosku s plošnými spojmi.

Regulované zdroje napájania na mikroobvodoch - stabilizátory sa vyrábajú ešte ľahšie ako analogické zdroje na tranzistoroch. Zistite, koľko dielov je nahradených najjednoduchším mikroobvodom LM317:

Mikroobvody na doskách plošných spojov v elektronické zariadeniaah je možné spájkovať buď priamo na tlačové stopy, alebo namontovať do špeciálnych zásuviek.

Zásuvka pre ponorný čip - foto

Rozdiel je v tom, že v prvom prípade, aby sme mohli vymeniť mikroobvod, budeme ho musieť najskôr odpariť. A v druhom prípade, keď vložíme mikroobvod do zásuvky, stačí vytiahnuť mikroobvod zo zásuvky a dá sa ľahko vymeniť za iný. Typický príklad výmeny mikroprocesora v počítači.

Napríklad, ak napríklad zostavíte zariadenie na mikrokontroléri na doske s plošnými spojmi a neposkytujete programovanie v obvode, môžete, ak ste do dosky nespájkovali samotný mikroobvod, ale zásuvku, do ktorej je vložený, potom je možné mikroobvod vybrať a pripojiť k špeciálnej doske programátora. ...

V týchto doskách sú už spájkované pätice pre rôzne puzdrá mikrokontrolérov.

Analógové a digitálne mikroobvody

Digitálny signál je postupnosť jednotiek a núl, signálov vysokej a nízkej úrovne. Vysoká úroveň sa dosiahne priložením 5 voltov alebo napätia, ktoré je blízko tohto, na kolík, nízka úroveň je bez napätia alebo 0 voltov.

Existujú aj mikroobvody ADC (analógovo - digitálny prevodník) a DAC (digitálno - analógový prevodník), ktorá prevádza signál z analógového na digitálny a naopak. Typický príklad ADC sa používa v multimetri na prevod elektrických nameraných hodnôt a ich zobrazenie na obrazovke multimetra. Na obrázku nižšie je ADC čierna škvrna so stopami prichádzajúcimi zo všetkých strán.

Mikrokontroléry

Jedná sa o špeciálny mikroobvod, ktorý je možné vyrobiť v obidvoch Dip tak dovnútra SMD vykonanie, do pamäte ktorého je možné napísať program, tzv Hex spis... Toto je zostavený súbor firmvéru, ktorý je napísaný v špeciálnom editore programových kódov. Nestačí ale napísať firmvér, musíte ho preniesť, flashovať do pamäte mikrokontroléra.

Programátor - fotografia

Na tento účel slúži programátor... Ako mnohí vedia, je ich veľa odlišné typy mikroprocesory - AVR, Obr a ďalšie, pre rôzne typy potrebujeme rôznych programátorov. Existuje tiež a každý bude schopný nájsť a vytvoriť vhodný z hľadiska znalostí a schopností. Ak si nechcete programátor vyrábať sami, môžete si kúpiť hotový v internetovom obchode alebo objednať z Číny.

Na obrázku vyššie je znázornený mikrokontrolér v balíku SMD. Aké sú výhody používania mikrokontrolérov? Ak skôr, pri navrhovaní a zostavovaní zariadenia na diskrétnych prvkoch alebo mikroobvodoch, nastavujeme činnosť zariadenia pomocou určitého, často zložitého spojenia na doske plošných spojov pomocou mnohých častí. Teraz nám stačí napísať program pre mikrokontrolér, ktorý programovo urobí to isté, často rýchlejšie a spoľahlivejšie ako obvod bez použitia mikrokontrolérov. Mikrokontrolér je celý počítač s I / O portami, možnosťou pripojenia displeja a senzorov, ako aj ovládania ďalších zariadení.

Zlepšovanie mikroobvodov sa tým samozrejme nezastaví a môžeme predpokladať, že o 10 rokov tu skutočne budú mikroobvody od slova „ mikro„- pre oko neviditeľné, ktoré budú obsahovať miliardy tranzistorov a ďalších prvkov, niekoľko veľkých atómov - potom bude skutočne tvorba najkomplexnejších elektronických zariadení dostupná aj pre neskúsených rádioamatérov! Naše krátke preskúmanie sa skončilo, boli ste AKV.

Diskutujte o článku CHIPS

Bez ktorých je ťažké si predstaviť existenciu moderného človeka? Samozrejme, bez moderných technológií. Niektoré veci vstúpili do našich životov tak strašne nudne. Internet, televízia, mikrovlnné rúry, chladničky, práčky - bez toho je ťažké si predstaviť moderný svet a samozrejme v ňom samého seba.

Čo robí takmer celú dnešnú technológiu skutočne užitočnou a potrebnou?

Aký vynález poskytoval najširšie možnosti pokroku?

Jedným z najnezastupiteľnejších objavov človeka je technológia výroby mikroobvodov.

Vďaka nej je moderná technológia taká malá. Je kompaktný a pohodlný.

Všetci vieme, že do domu sa zmestí veľké množstvo veci pozostávajúce z mikroobvodov. Mnohé z nich sa zmestia do vrecka nohavíc a sú ľahké.

Tŕnistá cesta

Vedci pracovali mnoho rokov na dosiahnutí výsledku a získaní mikroobvodu. Počiatočné okruhy boli na dnešné pomery obrovské, boli väčšie a ťažšie ako chladnička, a to aj napriek tomu, že moderná chladnička nepozostáva iba zo zložitých a zložitých obvodov. Nič také! Má jednu malú, ale z hľadiska užitočnosti lepšiu ako tie staré a objemné. Tento objav spôsobil prielom, ktorý dal impulz ďalšiemu rozvoju vedy a techniky, a dosiahol prielom. Bolo uvoľnené zariadenie na výrobu mikroobvodov.

Vybavenie

Výroba mikroobvodov nie je ľahká úloha, ale človek má technológie, vďaka ktorým je výroba čo najjednoduchšia. Napriek zložitosti sa po celom svete každý deň vyrába obrovské množstvo čipov. Neustále sa zdokonaľujú, získavajú nové vlastnosti a vylepšené vlastnosti. Ako vznikajú tieto malé, ale inteligentné systémy? Pomáha tomu zariadenie na výrobu mikroobvodov, o ktorom sa v skutočnosti diskutuje nižšie.

Pri vytváraní mikroobvodov sa používajú elektrochemické depozičné systémy, umývacie komory, laboratórne oxidačné komory, medené elektrolytické vylučovacie systémy, fotolitografické a iné technologické zariadenia.

Fotolitografické zariadenie je najdrahšie a najpresnejšie v strojárstve. Je zodpovedný za vytváranie obrázkov na kremíkovom substráte za účelom generovania zamýšľanej topológie čipov. Na tenkú vrstvu materiálu sa aplikuje fotorezist, ktorý sa následne ožaruje fotomaskou a optickým systémom. V procese prevádzky zariadenia sa veľkosť vzorových prvkov zmenšuje.

V pozičných systémoch zohráva vedúcu úlohu lineárny elektromotor a laserový interferometer, ktoré často spätná väzba... Ale napríklad v technológii vyvinutej moskovským laboratóriom „Amfora“ také spojenie neexistuje. Toto domáce vybavenie má presnejší pohyb a plynulé opakovanie na oboch stranách, čo vylučuje možnosť vôle.

Špeciálne filtre chránia masku pred teplom vychádzajúcim z hlbokej ultrafialovej oblasti a prenášajú tak teplotu na viac ako 1000 stupňov na dlhé mesiace práce.

Nízkoenergetické ióny sa asimilujú pri aplikácii na viacvrstvové povlaky. Predtým sa táto práca vykonávala výlučne metódou magnetrónového rozprašovania.

Technológia výroby triesok

Celý proces tvorby sa začína výberom polovodičových kryštálov. Najrelevantnejší je kremík. Tenká polovodičová doštička je vyleštená do zrkadlového obrazu. V budúcnosti bude povinnou fázou tvorby fotolitografia, pri ktorej sa pri kreslení obrázka použije ultrafialové žiarenie. To pomáha stroju na výrobu mikroobvodov.

Čo je to mikroobvod? Jedná sa o viacvrstvový koláč vyrobený z tenkých kremíkových oblátok. Na každú z nich sa uplatňuje určitý vzor. Táto samotná kresba vzniká vo fáze fotolitografie. Dosky sú opatrne umiestnené v špeciálnom vybavení s teplotou nad 700 stupňov. Po vypálení sa premyjú vodou.

Proces vytvárania viacvrstvovej dosky trvá až dva týždne. Fotolitografia sa vykonáva viackrát, kým sa nedosiahne požadovaný výsledok.

Vytváranie mikroobvodov v Rusku

Domáci vedci v tomto priemysle majú tiež svoje vlastné technológie na výrobu digitálnych mikroobvodov. Rastliny zodpovedajúceho profilu pôsobia po celej krajine. Pri východe technické údaje nie sú oveľa horší ako konkurenti z iných krajín. Prednosť majú ruské mikroobvody vo viacerých štátoch. Všetko vďaka pevnej cene, ktorá je nižšia ako cena západných výrobcov.

Základné komponenty pre výrobu vysoko kvalitných mikroobvodov

Mikroobvody sa vytvárajú v miestnostiach vybavených systémami, ktoré riadia čistotu vzduchu. Špeciálne filtre zhromažďujú vo všetkých fázach tvorby informácie a spracúvajú vzduch, vďaka čomu je čistejší ako v operačných sálach. Pracovníci vo výrobe nosia špeciálne ochranné kombinézy, ktoré sú často vybavené vnútorným systémom prívodu kyslíka.

Výroba čipov je ziskové podnikanie... Po dobrých špecialistoch v tejto oblasti je vždy dopyt. Takmer všetka elektronika je napájaná mikroobvodmi. Tým sú vybavené moderné autá. Kozmická loď by nemohla fungovať bez prítomnosti mikroobvodov v nich. Výrobný proces sa pravidelne zdokonaľuje, zlepšuje kvalita, rozširujú sa možnosti, zvyšuje sa trvanlivosť. Mikroobvody budú relevantné desiatky, ak nie stovky rokov. Ich hlavnou úlohou je byť prínosom pre Zem i mimo nej.

Ako sa vyrábajú mikroobvody

aby sme pochopili, aký je hlavný rozdiel medzi týmito dvoma technológiami, je potrebné vykonať krátky exkurz do samotnej technológie výroby moderných procesorov alebo integrovaných obvodov.

Ako je známe zo školského kurzu fyziky, v modernej elektronike sú hlavnými komponentmi integrovaných obvodov polovodiče typu p a n (v závislosti od typu vodivosti). Polovodič je látka, ktorá prekonáva vodivosť dielektrika, ale je nižšia ako kovy. Oba typy polovodičov môžu byť založené na kremíku (Si), ktorý vo svojej čistej forme (tzv. Vnútorný polovodič) nevedie dobre elektrický prúd, ale pridanie (zavedenie) určitej nečistoty do kremíka umožňuje radikálne zmeniť jeho vodivé vlastnosti. Existujú dva typy nečistôt: darca a príjemca. Nečistota darcu vedie k tvorbe polovodičov typu n s elektronickým typom vodivosti a akceptorová nečistota vedie k tvorbe polovodičov typu p s vodivosťou typu. Kontakty p- a n-polovodičov umožňujú vytvárať tranzistory - hlavné konštrukčné prvky moderných mikroobvodov. Takéto tranzistory, nazývané CMOS tranzistory, môžu byť v dvoch základných stavoch: otvorené, keď vedú elektrický prúd, a uzavreté, keď nevedú elektrický prúd. Pretože tranzistory CMOS sú hlavnými prvkami moderných mikroobvodov, povedzme si o nich podrobnejšie.

Ako funguje CMOS tranzistor

Najjednoduchší tranzistor CMOS typu n má tri elektródy: zdroj, hradlo a odtok. Samotný tranzistor je vyrobený v polovodiči typu p s vodivosťou otvoru a v odtokových a zdrojových oblastiach sa tvoria polovodiče typu n s elektronickou vodivosťou. Prirodzene, v dôsledku difúzie otvorov z p-oblasti do n-oblasti a reverznej difúzie elektrónov z n-oblasti do p-oblasti sa na hraniciach prechodov p- a n-oblastí vytvárajú ochudobnené vrstvy (vrstvy, v ktorých chýbajú väčšinou nosiče náboja). V normálnom stave, to znamená, že keď na bránu nie je privádzané napätie, je tranzistor v „zablokovanom“ stave, to znamená, že nie je schopný viesť prúd zo zdroja do odtoku. Situácia sa nezmení ani vtedy, ak medzi odtokom a zdrojom použijeme napätie (v tomto prípade neberieme do úvahy únikové prúdy spôsobené pohybom pod vplyvom generovaných elektrických polí menšinových nosičov náboja, to znamená otvory pre n-oblasť a elektróny pre p-oblasť).

Ak sa však na bránu uplatní pozitívny potenciál (obr. 1), potom sa situácia radikálne zmení. Pod vplyvom elektrického poľa brány sú otvory vtláčané hlboko do p-polovodiča a elektróny sú naopak vtiahnuté do oblasti pod bránou a vytvárajú medzi elektródou a odtokom kanál obohatený elektrónmi. Ak je na hradlo privedené kladné napätie, tieto elektróny sa začnú pohybovať od zdroja k odtoku. V takom prípade vedie tranzistor prúd - hovorí sa, že tranzistor sa „otvára“. Ak sa z brány odstráni napätie, elektróny sa prestanú priťahovať do oblasti medzi zdrojom a odtokom, vodivý kanál sa zničí a tranzistor prestane prechádzať prúdom, to znamená, že je „uzamknutý“. Zmenou napätia na bráne teda môžete tranzistor otvoriť alebo vypnúť rovnakým spôsobom, ako môžete zapnúť alebo vypnúť bežný prepínač riadením prechodu prúdu obvodom. Preto sa tranzistorom niekedy hovorí elektronické spínače. Na rozdiel od bežných mechanických spínačov sú však tranzistory CMOS prakticky bez zotrvačnosti a sú schopné prechádzať z otvoreného do zablokovaného stavu biliónkrát za sekundu! Práve táto charakteristika, teda schopnosť okamžitého prepínania, v konečnom dôsledku určuje rýchlosť procesora, ktorý pozostáva z desiatok miliónov takýchto najjednoduchších tranzistorov.

Moderný integrovaný obvod teda pozostáva z desiatok miliónov najjednoduchších tranzistorov CMOS. Poďme sa podrobnejšie zaoberať procesom výroby mikroobvodov, ktorých prvou fázou je výroba kremíkových substrátov.

Krok 1. Pestovanie polotovarov

Tvorba takýchto substrátov sa začína rastom valcového silikónového monokryštálu. Tieto monokryštálové predvalky sa potom nakrájajú na doštičky s hrúbkou približne 1/40 "a priemerom 200 mm (8") alebo 300 mm (12 "). Toto sú kremíkové substráty používané na výrobu mikroobvodov.

Pri tvorbe plátkov z monokryštálov kremíka skutočnosť, že pre ideálne kryštálové štruktúry fyzikálne vlastnosti do značnej miery závisí od zvoleného smeru (vlastnosť anizotropie). Napríklad odpor kremíkového substrátu sa bude líšiť v pozdĺžnom a priečnom smere. Podobne, v závislosti od orientácie kryštalickej mriežky, bude kremíkový kryštál reagovať odlišne na akékoľvek vonkajšie vplyvy spojené s jeho ďalším spracovaním (napríklad leptanie, naprašovanie atď.). Preto by sa doska mala vyrezať z monokryštálu takým spôsobom, aby sa orientácia kryštalickej mriežky vzhľadom na povrch prísne udržiavala v určitom smere.

Ako už bolo uvedené, priemer silikónového monokryštálového predlisku je buď 200 alebo 300 mm. Okrem toho je priemer 300 mm relatívne nová technológiaktoré si rozoberieme nižšie. Je zrejmé, že doštička tohto priemeru pojme oveľa viac ako jeden mikroobvod, aj keď hovoríme o procesore Intel Pentium 4. Na jednom takomto oblátkovom substráte je skutočne vytvorených niekoľko desiatok mikroobvodov (procesorov), ale pre jednoduchosť budeme brať do úvahy iba procesy prebiehajúce na malá plocha jedného budúceho mikroprocesora.

Krok 2. Aplikácia ochranného dielektrického filmu (SiO2)

Po vytvorení kremíkového substrátu začína etapa vytvárania najkomplexnejšej polovodičovej štruktúry.

K tomu sa musia do kremíka zaviesť takzvané donorové a akceptorové nečistoty. Vyvstáva však otázka - ako realizovať zavedenie nečistôt podľa presne daného vzoru-vzoru? Aby to bolo možné, sú tie oblasti, kde nie je potrebné zavádzať nečistoty, chránené špeciálnym filmom oxidu kremičitého, pričom ostávajú ponechané iba tie oblasti, ktoré sú podrobené ďalšiemu spracovaniu (obr. 2). Proces vytvárania takého ochranného filmu požadovaného vzoru pozostáva z niekoľkých etáp.

V prvom stupni je celá kremíková doštička úplne pokrytá tenkým filmom oxidu kremičitého (SiO2), ktorý je veľmi dobrým izolátorom a pri ďalšom spracovaní kremíkového kryštálu pôsobí ako ochranný film. Oplatky sú umiestnené v komore, kde pri vysokej teplote (od 900 do 1100 ° C) a tlaku kyslík difunduje do povrchových vrstiev oblátky, čo vedie k oxidácii kremíka a k vytvoreniu povrchového filmu oxidu kremičitého. Aby film oxidu kremičitého mal presne stanovenú hrúbku a neobsahoval chyby, je nevyhnutné počas oxidačného procesu prísne udržiavať konštantnú teplotu vo všetkých bodoch oblátky. Pokiaľ nemá byť celá oblátka pokrytá filmom z oxidu kremičitého, potom sa na silikónový substrát predbežne nanesie maska \u200b\u200bSi3N4, aby sa zabránilo nežiaducej oxidácii.

Krok 3. Aplikácia fotorezistu

Potom, čo je kremíkový substrát pokrytý ochranným filmom oxidu kremičitého, je potrebné tento film odstrániť z tých miest, ktoré budú podrobené ďalšiemu spracovaniu. Film sa odstráni leptaním a na ochranu zvyšných oblastí pred leptaním sa na povrch oblátky nanesie vrstva takzvaného fotorezistu. Pojem „fotorezisti“ označuje kompozície, ktoré sú citlivé na svetlo a odolné voči agresívnym faktorom. Aplikované kompozície by mali mať na jednej strane určité fotografické vlastnosti (pod vplyvom ultrafialového žiarenia sa stanú rozpustné a vymyté počas procesu leptania), a na druhej strane musia byť odolné, aby im vydržali leptanie v kyselinách a zásadách, zahrievanie atď. Hlavným účelom fotorezistov je vytvoriť ochranný reliéf požadovanej konfigurácie.

Proces aplikácie fotorezistu a jeho ďalšie ožarovanie ultrafialovým svetlom podľa daného vzoru sa nazýva fotolitografia a zahŕňa tieto základné operácie: vytvorenie vrstvy fotorezistu (spracovanie podkladu, aplikácia, sušenie), vytvorenie ochranného reliéfu (expozícia, vývoj, sušenie) a prenos obrazu na podklad (leptanie, rozprašovanie) atď.).

Pred nanesením vrstvy fotorezistu (obr. 3) na podklad sa podklad predbežne upraví, čím sa zlepší jeho priľnavosť k vrstve fotorezistu. Na aplikáciu rovnomernej vrstvy fotorezistu sa používa metóda odstreďovania. Substrát sa položí na rotujúci disk (odstredivka) a pod vplyvom odstredivých síl sa fotorezist rozdelí po povrchu substrátu v takmer rovnomernej vrstve. (Keď už hovoríme o prakticky rovnomernej vrstve, je potrebné vziať do úvahy skutočnosť, že pri pôsobení odstredivých síl sa hrúbka výsledného filmu zväčšuje od stredu k okrajom; tento spôsob nanášania fotorezistu však umožňuje odolávať zmenám v hrúbke vrstvy v rozmedzí ± 10%.)

Krok 4. Litografia

Po nanesení a zaschnutí vrstvy fotorezistu začína štádium tvorby potrebnej ochrannej úľavy. Úľava sa vytvára v dôsledku skutočnosti, že pôsobením ultrafialového žiarenia dopadajúceho na určité oblasti vrstvy fotorezistu táto mení vlastnosti rozpustnosti, napríklad osvetlené oblasti sa prestávajú rozpúšťať v rozpúšťadle, čím sa odstránia oblasti vrstvy, ktoré neboli vystavené svetlu, alebo naopak - osvetlené oblasti sa rozpúšťajú. Metódou formovania reliéfu sa fotorezisti delia na negatívne a pozitívne. Negatívne fotorezisty pod vplyvom ultrafialového žiarenia vytvárajú ochranné oblasti reliéfu. Na druhej strane pozitívne fotorezisty pod vplyvom ultrafialového žiarenia získavajú vlastnosti prúdenia a sú vymyté rozpúšťadlom. Podľa toho sa vytvorí ochranná vrstva v oblastiach, ktoré nie sú vystavené ultrafialovému žiareniu.

Na osvetlenie požadovaných oblastí vrstvy fotorezistu sa používa špeciálna šablóna masky. Najčastejšie sa na tento účel používajú optické sklenené platne s nepriehľadnými prvkami získané fotograficky alebo inak. V skutočnosti takáto šablóna obsahuje výkres jednej z vrstiev budúceho mikroobvodu (takýchto vrstiev môže byť celkovo niekoľko stoviek). Pretože táto šablóna slúži ako referencia, musí byť vykonaná s veľkou presnosťou. Okrem toho, s prihliadnutím na skutočnosť, že z jednej fotomasky bude vyrobených veľa fotografických štítkov, musí byť odolný a odolný voči poškodeniu. Je teda zrejmé, že fotomaska \u200b\u200bje veľmi drahá vec: v závislosti od zložitosti mikroobvodu môže stáť desiatky tisíc dolárov.

Ultrafialové žiarenie prechádzajúce takouto šablónou (obr. 4) osvetľuje iba potrebné oblasti povrchu vrstvy fotorezistu. Po ožiarení fotorezist prechádza vývojom, ktorý odstráni nepotrebné časti vrstvy. Tým sa otvorí zodpovedajúca časť vrstvy oxidu kremičitého.

Napriek zdanlivej jednoduchosti fotolitografického procesu je práve táto etapa výroby mikroobvodov najťažšia. Faktom je, že v súlade s Moorovou predpoveďou sa počet tranzistorov na jednom mikroobvode exponenciálne zvyšuje (zdvojnásobuje sa každé dva roky). Takéto zvýšenie počtu tranzistorov je možné len z dôvodu zmenšenia ich veľkosti, ale je to práve pokles, ktorý „spočíva“ v procese litografie. Z dôvodu zmenšenia tranzistorov je potrebné zmenšiť geometrické rozmery čiar aplikovaných na vrstvu fotorezistu. Ale na všetko existuje hranica - nie je také ľahké zamerať laserový lúč na bod. Faktom je, že v súlade so zákonmi vlnovej optiky je minimálna veľkosť bodu, na ktorý je zameraný laserový lúč (v skutočnosti nejde len o bod, ale o difrakčný obrazec), okrem iných faktorov, určená dĺžkou svetelnej vlny. Vývoj litografickej technológie od jej objavenia na začiatku 70. rokov sa uberal smerom k zmenšovaniu vlnovej dĺžky svetla. To umožnilo zmenšiť veľkosť prvkov integrovaného obvodu. Od polovice 80. rokov sa vo fotolitografii začalo využívať ultrafialové žiarenie produkované laserom. Myšlienka je jednoduchá: vlnová dĺžka ultrafialového žiarenia je kratšia ako vlnová dĺžka viditeľného svetla, preto je možné na povrchu fotorezistu získať tenšie čiary. Až donedávna sa v litografii využívalo hlboké ultrafialové žiarenie (Deep Ultra Violet, DUV) s vlnovou dĺžkou 248 nm. Keď však fotolitografia prekročila hranicu 200 nm, nastali vážne problémy, ktoré po prvýkrát spochybnili možnosť ďalšieho využitia tejto technológie. Napríklad pri vlnových dĺžkach menších ako 200 mikrónov je svetlocitlivou vrstvou absorbované príliš veľa svetla, takže proces prenosu zapojenia obvodu do procesora je komplikovanejší a pomalší. Takéto výzvy podnecujú vedcov a výrobcov k hľadaniu alternatív k tradičnej litografickej technológii.

Nová litografická technológia s názvom EUV litografia (Extreme UltraViolet) je založená na použití ultrafialového žiarenia s vlnovou dĺžkou 13 nm.

Prechod z DUV na litografiu EUV poskytuje viac ako desaťnásobné zníženie vlnovej dĺžky a prechod na rozsah, v ktorom je porovnateľný s veľkosťou iba niekoľkých desiatok atómov.

Litografická technológia, ktorá sa v súčasnosti používa, umožňuje uloženie šablóny s minimálnou šírkou vodiča 100 nm, zatiaľ čo litografia EUV možná tlač čiary oveľa menšej šírky - do 30 nm. Ovládanie ultrakrátkého žiarenia nie je také ľahké, ako sa zdá. Pretože žiarenie EUV je absorbované sklom dobre, nová technológia zahŕňa použitie série štyroch špeciálnych konvexných zrkadiel, ktoré redukujú a zaostrujú obraz získaný po nanesení masky (obr. 5 ,,). Každé také zrkadlo obsahuje 80 samostatných kovových vrstiev hrubých približne 12 atómov.

Krok 5. Leptanie

Po vystavení vrstvy fotorezistu začne fáza leptania, aby sa odstránil film s oxidom kremičitým (obr. 8).

Morenie je často spojené s kyslými kúpeľmi. Túto metódu leptania kyselinou poznajú rádioamatéri, ktorí si sami vyrábali dosky plošných spojov. Za týmto účelom sa na fóliový textolit s lakom, ktorý slúži ako ochranná vrstva, nanesie vzor stôp budúcej dosky a potom sa platňa spustí do kúpeľa s kyselinou dusičnou. Zbytočné fóliové oblasti sú odleptané a odhaľuje čistý textolit. Táto metóda má množstvo nevýhod, hlavnou je neschopnosť presne riadiť proces odstraňovania vrstiev, pretože na proces leptania ovplyvňuje príliš veľa faktorov: koncentrácia kyseliny, teplota, konvekcia atď. Kyselina navyše interaguje s materiálom vo všetkých smeroch a postupne preniká pod okraj masky fotorezistu, to znamená, že z boku ničí vrstvy pokryté fotorezistom. Preto sa pri výrobe procesorov používa metóda suchého leptania, ktorá sa tiež nazýva plazma. Táto metóda umožňuje presne riadiť proces leptania a zničenie leptanej vrstvy nastáva striktne vo vertikálnom smere.

Suché leptanie využíva na odstránenie oxidu kremičitého z povrchu oblátky ionizovaný plyn (plazma), ktorý s povrchom oxidu kremičitého reaguje za vzniku prchavých vedľajších produktov.

Po procese leptania, to znamená, keď sú odkryté požadované oblasti čistého kremíka, je odstránený zvyšok fotovrstvy. Na kremíkovom substráte teda zostáva vzor oxidu kremičitého.

Krok 6. Difúzia (implantácia iónov)

Pripomeňme, že predchádzajúci proces formovania požadovaného vzoru na silikónovom substráte bol potrebný na vytvorenie polovodičových štruktúr na správnych miestach zavedením nečistoty darcu alebo akceptora. Proces zavádzania nečistôt sa uskutočňuje pomocou difúzie (obr. 9) - rovnomerného zavádzania atómov nečistôt do mriežky kryštálu kremíka. Na získanie polovodiča typu n sa zvyčajne používa antimón, arzén alebo fosfor. Na získanie polovodiča typu p sa ako nečistota používa bór, gálium alebo hliník.

Na difúzny proces dopantu sa používa iónová implantácia. Proces implantácie spočíva v tom, že ióny požadovanej nečistoty sa „odpália“ z vysokonapäťového urýchľovača a s dostatkom energie preniknú do povrchových vrstiev kremíka.

Takže na konci fázy implantácie iónov bola vytvorená požadovaná vrstva polovodičovej štruktúry. Mikroprocesory však môžu mať niekoľko takýchto vrstiev. Na vytvorenie ďalšej vrstvy vo výslednom diagrame sa vypestuje ďalšia tenká vrstva oxidu kremičitého. Potom sa nanesie vrstva polykryštalického kremíka a ďalšia vrstva fotorezistu. Ultrafialové žiarenie prechádza druhou maskou a zvýrazňuje zodpovedajúci vzor na vrstve fotografie. Potom nasledujú kroky rozpustenia foto vrstvy, leptania a implantácie iónov.

Krok 7. Postrek a nanášanie

Ukladanie nových vrstiev sa vykonáva niekoľkokrát, zatiaľ čo pre medzivrstevné spojenia vo vrstvách zostávajú „okná“, ktoré sú vyplnené atómami kovu; vo výsledku sa na kryštalicky vodivých oblastiach vytvárajú kovové pruhy. V moderných procesoroch sú teda nadviazané spojenia medzi vrstvami, ktoré tvoria zložitú trojrozmernú schému. Proces rastu a spracovania všetkých vrstiev trvá niekoľko týždňov a samotný výrobný cyklus pozostáva z viac ako 300 etáp. Vo výsledku sa na kremíkovej doštičke vytvoria stovky rovnakých procesorov.

Aby sa odolalo namáhaniu, ktorému sú doštičky vystavené počas procesu nanášania vrstiev, sú najskôr vyrobené dostatočne silné kremíkové substráty. Preto sa pred narezaním oblátky na jednotlivé procesory zmenší jej hrúbka o 33% a odstráni sa kontaminácia zo zadnej strany. Potom sa na zadnú stranu substrátu nanesie vrstva špeciálneho materiálu, čo zlepšuje pripevnenie kryštálu k puzdru budúceho procesora.

Krok 8. Záverečná fáza

Na konci formovacieho cyklu sú všetky procesory dôkladne testované. Potom sa pomocou podložky pomocou špeciálneho zariadenia vyrežú betónové, už odskúšané kryštály (obr. 10).

Každý mikroprocesor je zabudovaný v ochrannom puzdre, ktoré tiež poskytuje elektrické pripojenie kryštálu mikroprocesora k externým zariadeniam. Typ krytu závisí od typu a zamýšľaného použitia mikroprocesora.

Po zalepení do krytu je každý mikroprocesor opätovne testovaný. Chybné procesory sú odmietnuté a prevádzkyschopné sú podrobené záťažovým testom. Procesory sú potom zoradené podľa správania pri rôznych frekvenciách hodín a napájacích napätiach.

Pokročilé technológie

Technologický proces výroby mikroobvodov (najmä procesorov) považujeme za veľmi zjednodušený. Ale aj táto povrchná prezentácia nám umožňuje pochopiť technologické ťažkosti, ktorým musí človek čeliť pri zmenšení veľkosti tranzistorov.

Pred zvážením nových sľubných technológií si však odpovedzme na otázku položenú na samom začiatku článku: aký je návrhový štandard technologického procesu a v čom sa líši návrhový štandard 130 nm od štandardu 180 nm? 130 nm alebo 180 nm je charakteristická minimálna vzdialenosť medzi dvoma susednými prvkami v jednej vrstve mikroobvodu, to znamená druh mriežkového kroku, na ktorý sú prvky mikroobvodu naviazané. V tomto prípade je celkom zrejmé, že čím je táto charakteristická veľkosť menšia, tým viac tranzistorov môže byť umiestnených na rovnakú plochu mikroobvodu.

Spoločnosť Intel v súčasnosti používa 0,13 mikrónu technologický postup... Táto technológia sa používa na výrobu procesora Intel Pentium 4 s jadrom Northwood, procesora Intel Pentium III s jadrom Tualatin a procesora Intel Celeron. V prípade použitia takéhoto technologického postupu je efektívna šírka kanála tranzistora 60 nm a hrúbka vrstvy oxidu hradla nepresahuje 1,5 nm. Celkovo je v procesore Intel Pentium 4 umiestnených 55 miliónov tranzistorov.

Spolu so zvyšovaním hustoty tranzistorov v kryštáli procesora má technológia 0,13 mikrónu, ktorá nahradila 0,18 mikrónu, ďalšie inovácie. Najskôr využíva medené spojenia medzi jednotlivými tranzistormi (v 0,18 mikrónovej technológii boli spojenia hliníkové). Po druhé, technológia 0,13 mikrónu poskytuje nižšiu spotrebu energie. Napríklad pre mobilnú technológiu to znamená, že sa zníži spotreba energie mikroprocesorov a predĺži sa výdrž batérie.

Poslednou inováciou, ktorá bola implementovaná pri prechode na 0,13 mikrónový technologický proces, je použitie kremíkových doštičiek (plátkov) s priemerom 300 mm. Pripomeňme, že predtým bola väčšina procesorov a mikroobvodov vyrobená na báze 200 mm doštičiek.

Zväčšenie priemeru dosiek vám umožní znížiť náklady na každý procesor a zvýšiť výťažnosť výrobkov správnej kvality. Plocha dosky s priemerom 300 mm je skutočne 2,25-krát väčšia ako plocha dosky s priemerom 200 mm, a počet procesorov získaných z jednej dosky s priemerom 300 mm je viac ako dvakrát väčší.

V roku 2003 sa očakáva zavedenie nového technologického procesu s ešte nižším dizajnovým štandardom, a to 90-nanometrového. Nový výrobný proces, ktorý spoločnosť Intel použije na výrobu väčšiny svojich produktov vrátane procesorov, čipsetov a komunikačných zariadení, bol vyvinutý v pilotnom závode spoločnosti D1C s priemerom 300 mm na doštičky D1C v Hillsboro v Oregone.

23. októbra 2002 spoločnosť Intel oznámila otvorenie nového závodu v hodnote 2 miliárd dolárov v Rio Rancho v Novom Mexiku. Nový závod s názvom F11X bude využívať najmodernejšiu technológiu na výrobu procesorov na doštičkách s priemerom 300 mm s použitím procesu projektovania 0,13 mikrónu. V roku 2003 bude závod prevedený do technologického procesu s konštrukčným štandardom 90 nm.

Spoločnosť Intel navyše už ohlásila obnovenie výroby na Fab 24 v írskom Lakeslipu, ktorá bude vyrábať polovodičové komponenty na 300 mm silikónových doštičkách s pravidlom 90 nm. Nový podnik s celkovou plochou viac ako 1 milión metrov štvorcových M. nohy s extra čisté izby o rozlohe 160-tisíc štvorcových. Očakáva sa, že ft. bude v prevádzke v prvej polovici roku 2004 a bude zamestnávať viac ako tisíc ľudí. Cena zariadenia je asi 2 miliardy dolárov.

Proces 90 nm využíva rôzne pokročilé technológie. Je to tiež najmenší komerčne dostupný tranzistor CMOS na svete s dĺžkou hradla 50 nm (obrázok 11), ktorý poskytuje zvýšený výkon pri súčasnom znížení spotreby energie a najtenšia vrstva oxidu brány, aká sa kedy vyprodukovala pri iba 1,2 nm (Obrázok 12) alebo menej ako 5 atómových vrstiev a prvá implementácia vysoko výkonnej silikónovej kremíkovej technológie v priemysle.

Z vymenovaných charakteristík je potrebné uviesť azda iba pojem „napätý kremík“ (obr. 13). V takom kremíku je vzdialenosť medzi atómami väčšia ako v bežnom polovodiči. To zase poskytuje voľnejší tok prúdu, podobný tomu, ako sa premávka pohybuje voľnejšie a rýchlejšie na ceste so širšími jazdnými pruhmi.

Výsledkom všetkých inovácií je zlepšenie výkonu tranzistorov o 10 - 20% so zvýšením výrobných nákladov iba o 2%.

Proces 90 nm navyše využíva sedem vrstiev na čip (obrázok 14), jednu vrstvu viac ako proces 130 nm a medené spojenia.

Všetky tieto vlastnosti v kombinácii s 300 mm silikónovými doštičkami poskytujú spoločnosti Intel nárast výkonu, výroby a nákladov. Spotrebitelia tiež profitujú z toho, že nový technologický proces spoločnosti Intel naďalej posúva priemysel vpred v súlade s Mooreovým zákonom a neustále zlepšuje výkon procesora.