В основе любой электроники, которой мы пользуемся ежедневно, лежат микрочипы из миллиардов транзисторов. Их существование стало возможным благодаря фотолитографии — сложному процессу, позволяющему наносить огромное количество логических элементов на миниатюрные кремниевые пластины. Как работает современное фотолитографическое производство, и как оно устроено внутри?
Введение
ПК, ноутбуки, смартфоны, планшеты, громоздкие автомобили и миниатюрные смарт-часы. Внутри этих устройств скрывается несколько разновидностей современных микрочипов: центральные и графические процессоры, системы на чипе (SoC), а также чипы оперативной (DRAM) и флеш-памяти (NAND).
Каждый из таких чипов состоит из миллиардов миниатюрных транзисторов, соединенных вместе несколькими слоями токопроводящих дорожек.
Самые мелкие элементы подобных транзисторов имеют размер около 10 нм — это всего 45 атомов кремния.
Чтобы производить такие сложные чипы, используется сложная последовательность фотолитографических процессов. Каждый из них состоит из нескольких этапов, которыми занимается специализированная машина-установка.
Принцип фотолитографии можно сравнить с копировальным аппаратом. С ее помощью на кремниевую подложку переносятся микроскопические рисунки элементов транзисторов и слоев соединяющих их дорожек.
Инструменты для фотолитографии постоянно совершенствуются, позволяя копировать все более мелкие элементы. Тут можно привести сравнение с печатью текста: чем тоньше и прогрессивнее технологический процесс, тем меньшим шрифтом можно напечатать буквы (то есть — транзисторы чипа).
Ключевыми установками для производства современных микрочипов являются машины, работающие с экстремально глубоким ультрафиолетовым светом — EUV (Extreme UltraViolet).
Принцип работы литографической машины
Начнем обзор с принципа работы EUV-машины. Первым делом в нее помещается фотомаска — трафарет транзисторного слоя будущего чипа.
Затем в машину загружается предварительно обработанная круглая пластина из кремния диаметром 300 мм.
С помощью источника ультрафиолетового света и системы зеркал шаблон с маски переносится на небольшой кусочек пластины. После этого пластина сдвигается, и процесс повторяется снова и снова — до тех пор, пока она полностью не заполнится «рисунками» транзисторного слоя будущих микрочипов.
На обработку одной пластины EUV-машина тратит около 18 секунд — за это время шаблон переносится около сотни раз. Затем подается следующая пластина, и весь процесс повторяется снова. После окончания процедуры заготовка отправляется в другую разновидность фотолитографической машины, где поверх транзисторов аналогичным образом формируются несколько слоев их соединений. Если заглянуть внутрь готового чипа, можно будет увидеть вот такой лабиринт из них.
Здесь можно привести аналогию с книгой. Слои соединений — это страницы с буквами среднего размера, а транзисторный слой — страница с самыми мелкими. Поэтому для «печати» соединений в ряде случаев может использоваться более простая фотолитография в глубоком ультрафиолете (DUV — Deep Ultra Violet).
Насколько мелки элементы транзисторного слоя? Представьте, что толщина штриха каждой буквы составляет 13 нм. Тогда слово «cat» будет иметь размер в 240х155 нм.
Страница подобного текста будет иметь размер эритроцита. А одна глава книги займет область, схожую по размерам с пылинкой.
С таким шрифтом на площади графического процессора топовой видеокарты уместятся семь книг о Гарри Поттере, все творчество Стивена Кинга, весь текст английской Википедии, а также все книги из крупной городской библиотеки. Система фотолитографии копирует подобный рисунок с «текстом» из транзисторов очень быстро — менее, чем за одну секунду.
Как устроено литографическое производство
Рассмотрев принцип формирования микрочипов, совершим виртуальную экскурсию на их производство. Кремниевые пластины попадают сюда сложенными в специальные контейнеры FOUP.
В процессе производства чипов эти контейнеры переносятся от машины к машине с помощью автоматизированной подвесной транспортной системы.
Прибыв к нужной машине, контейнер опускается. Пластины поочередно выгружаются из него для той или иной обработки — нанесения, засвечивания или удаления материала.
После завершения одного процесса пластины вновь попадают в FOUP и переносятся к следующей машине. Так продолжается до тех пор, пока не будут «выстроены» все слои будущих чипов.
Шаги этого процесса можно сравнить с распылением краски на бумагу через трафарет: она остается там, где в трафарете присутствуют отверстия, и не попадает туда, где этих отверстий нет.
А после распыления нескольких слоев краски разных цветов получается итоговое цветное изображение.
В нашем случае вместо слоев рисунка на масках-трафаретах находятся схемы слоев транзисторов и соединяющих их дорожек, которые вместо бумаги переносятся на пластину из кремния.
В этом процессе участвуют разные типы установок. Одни осаждают материалы на кремний или смывают их с него (Spray Paint) — подобно тому, как распыляется или смывается краска. А EUV- и DUV-машины выполняют роль трафаретной печати (Stencil), благодаря которой перед нанесением краски на пластины переносятся контуры нужного рисунка.
Процессы создания слоев чипов
Перейдем к тому, как создаются слои чипа. Сначала кремниевая пластина поступает в установку, называемую трековым инструментом. Здесь на нее добавляется светочувствительный материал — фоторезист, который равномерно распределяется по поверхности пластины за счет вращения центрифуги.
Чтобы резист затвердел, пластина нагревается и высушивается.
По окончанию процедуры пластина переходит в EUV-машину. Здесь ультрафиолетовый свет пропускается через маску-трафарет, а затем с помощью системы зеркал уменьшается и проецируется на малую область пластины.
На всех участках, где свет попал на пластину, резист под действием ультрафиолета модифицируется — таким образом, рисунок маски «отпечатывается» на ее поверхности. Затем пластина сдвигается, и процесс повторяется сотни раз до ее полного заполнения этими отпечатками.
ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ...