Cоздание транзисторов — это один из самых впечатляющих и сложных процессов в современной технологии. Он происходит на микроскопическом, а зачастую и на наноуровне, и требует высочайшей точности.
Современные транзисторы (в основном MOSFET — Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) изготавливаются с помощью сложной многоступенчатой технологии, которая называется фотолитография.
Вот пошаговое описание того, как это происходит, от сырья до готового чипа:
Этап 1: Подготовка Материала (Кремниевая Подложка)
Транзисторы строятся на основе полупроводниковых материалов, самым распространенным из которых является кремний (Si).
- Выращивание монокристалла: Исходный кремний (полученный из кварцевого песка) очищается до невероятной чистоты (99.9999999% — это называется “девять девяток”). Затем расплавленный кремний медленно вытягивается в виде гигантского, идеально структурированного цилиндра — були (слитка).
- Нарезка пластин (Wafers): Этот слиток нарезается на тонкие диски — кремниевые пластины (вафли).
- Полировка: Пластины полируются до зеркального блеска, чтобы обеспечить абсолютно ровную поверхность для будущих наноструктур.
Этап 2: Создание Базовой Структуры (Окисление и Легирование)
На этой стадии мы начинаем формировать три ключевые области транзистора: Эммитор (Source), Коллектор (Drain) и База (Gate).
1. Окисление (Создание Диэлектрика)
Пластина нагревается в атмосфере, содержащей кислород. На поверхности кремния формируется тончайший, однородный слой диоксида кремния (). Этот слой будет действовать как изолятор (диэлектрик) под затвором. В современных транзисторах этот слой часто заменяется более сложными материалами с высокой диэлектрической проницаемостью (High-k диэлектрики), чтобы уменьшить утечки тока.
2. Фотолитография (Проектирование Схемы)
Это самый критичный этап, который позволяет перенести сложнейшую схему с чертежа на кремниевую пластину.
- Нанесение фоторезиста: Пластина покрывается светочувствительным полимерным материалом — фоторезистом.
- Экспонирование (Печать): Через специальную маску (шаблон), содержащую схему одного слоя чипа, на фоторезист направляется мощный ультрафиолетовый (УФ) свет (или, для самых маленьких элементов, экстремальный ультрафиолет — EUV).
- Проявление: Участки фоторезиста, подвергшиеся воздействию света (или не подвергшиеся, в зависимости от типа резиста), химически растворяются, открывая нижележащий слой или кремния.
3. Травление (Формирование Структур)
Открытые участки удаляются с помощью химического травления или плазменного (сухого) травления, создавая углубления и структуры, соответствующие схеме.
4. Легирование (Создание Эммитора и Коллектора)
Теперь необходимо изменить электрические свойства кремния в определенных местах, чтобы создать полупроводник n-типа или p-типа (добавление примесей).
- Ионная имплантация: Пластину бомбардируют пучком ионов (например, фосфора или бора). Ионы проникают в открытые области кремния, делая их либо более положительно (p-тип), либо более отрицательно (n-тип) проводящими.
- Активация: Пластину нагревают. Тепло помогает внедренным ионам занять правильные места в кристаллической решетке кремния и активировать их проводимость.
Этап 3: Создание Базы (Gate)
Затвор — это “выключатель” транзистора. Он должен быть отделен от кремния изолятором, но при этом быть проводящим.
- Нанесение проводящего материала: На слой изолятора наносится проводящий материал (традиционно поликристаллический кремний, а в современных процессорах — металлы).
- Формирование Затвора: С помощью повторного процесса литографии и травления проводящий материал удаляется отовсюду, кроме той узкой полоски, которая послужит “мостом” между истоком и стоком — это и есть затвор.
На этом этапе под затвором, благодаря приложенному к нему напряжению, формируется тонкий канал, по которому могут течь электроны.
Этап 4: Металлизация и Соединения
Транзисторы созданы, но их нужно соединить в гигантскую логическую схему.
- Изолирующий слой: Вся структура покрывается толстым слоем диэлектрика (изолятора).
- Создание контактов: С помощью литографии и травления в изоляторе создаются вертикальные отверстия — виасы (vias).
- Заполнение металлом: Эти виасы и канавки для проводников заполняются металлом (обычно медью или алюминием). Металл, проложенный на вершине, формирует провода, соединяющие затворы, стоки и истоки между собой и с внешними контактами.
- Многоуровневая структура: Современный процессор может иметь 10–20 слоев металлических соединений, расположенных друг над другом, чтобы уместить миллиарды транзисторов в ограниченном пространстве. Каждый слой отделен изолятором.
Этап 5: Тестирование и Упаковка
После того как все слои сформированы, пластина готова.
- Тестирование на пластине: Специальные зонды касаются контактных площадок каждого отдельного чипа на пластине и проверяют его функциональность. Дефектные чипы помечаются.
- Резка (Dicing): Пластина разрезается на отдельные, рабочие кристаллы (dies).
- Упаковка (Packaging): Рабочий кристалл помещается в пластиковый или керамический корпус (например, LGA или BGA), который защищает его и предоставляет внешние контакты для подключения к материнской плате.
Ключевая сложность: Масштабирование
Главная сложность заключается в том, что все эти процессы должны быть выполнены с точностью, измеряемой в нанометрах (например, 5 нм, 3 нм). Чем меньше размер транзистора, тем больше их помещается на одном чипе и тем быстрее он работает. Это требует использования самых коротких длин волн света (EUV) и невероятно точного контроля над химическими реакциями и нанесением слоев.
Спасибо за прочтение статьи! Надеюсь она вам понравилась и была полезной. Буду очень благодарен, если поставите хорошие реакции, подпишитесь и напишете комментарий, это поможет статье стать популярнее и больше людей смогут узнать новое)
Также с радостью отвечу на возникшие у вас вопросы в комментариях, так что не стесняйтесь задавать их!