Игнасио Мартил
Професор по електроника в Университета Комплутенсе в Мадрид и член на Кралското испанско физическо общество
Интегралната схема, която в англосаксонската терминология се нарича „чип“, е едно от устройствата, оказали най-голямо влияние върху ежедневието ни. Устройства като мобилен телефон, персонален компютър, сърфиране в интернет, дори съвременните автомобили, биха били немислими без интегралната схема (IC). Производството на един от тях е изключително сложна и деликатна процедура, при която се сближават голям брой процеси, различни материали, правила за дизайн и т.н. Микроелектронната технология, която го прави възможно, трябва да се разбира като набор от правила за проектиране, материали и технологични процеси, които, приложени в определена последователност, позволяват да се получи едно от тези устройства. В зависимост от конкретното приложение, за което ще се използва, броят на технологичните стъпки, които трябва да се извършат за неговото производство, може далеч да надхвърли броя от 500.
В предишна статия описах произхода и по-късното му развитие. В това ще се съсредоточа върху описанието на изискванията, на които трябва да отговаря производствената среда, основните процеси и крайния резултат: ИС.
1. Околната среда: „ чиста стая"
Първото нещо, което се откроява в процеса на получаване на IC, е изискването за чистота на околната среда, където се произвеждат, което е изключително ограничително. Тази среда се нарича „чиста стая“ и условията в нея са такива, че за сравнение операционната зала (място с изключителна асептика) изглежда като блато.
За да се постигнат тези условия на изключително висока чистота, чистата стая трябва да бъде частично херметично място, където въздухът, който влиза в нея, предварително се филтрира, за да се елиминират голяма част от праховите частици, които са в суспензия в обикновената атмосфера. Заедно с този процес на филтриране, операторите, отговарящи за операцията и работата вътре, трябва да носят специални костюми, които предотвратяват контакта на човешката кожа с околната среда, тъй като тялото непрекъснато отделя мъртви кожни клетки, коса и т.н. Всички те биха могли да замърсят производствената среда и да направят IC нежизнеспособна.
Следващата фигура показва схематично и действително изображение на чиста стая:
Чистите помещения се класифицират според степента на чистота на околната среда в различни класове, последвани от число, което показва броя на суспендираните частици във всеки кубичен метър въздух; колкото по-нисък е класът, толкова по-малък е броят на частиците и следователно, толкова по-висока е чистотата на производствената среда [1]. В чистата стая са разположени всички машини, необходими за производството на интегралната схема, чийто процес ще опиша много схематично по-долу.
2. Вътре в чистата стая: процесите
Наборът от технологии, материали, правила за проектиране и др. участва в производството на IC е с изключителна сложност. Фигурата показва диаграма на производствената последователност на едно такова устройство:
Схематична диаграма на различните производствени фази на интегрална схема, от проектирането, до производството, капсулирането и окончателното изпитване. Всички процеси, които са в централния правоъгълник на изображението, се извършват в чистата стая
По същество интегралната схема е устройство, което включва в едно парче полупроводник (което в по-голямата част от търговските интегрални схеми е силиций), наречено вафла, множество елементи от електронна схема: резистори, кондензатори, транзистори от различни видове, взаимно свързващи метали, изолационни слоеве между елементи и др. За да се дефинира всеки един от тези компоненти, както и техните взаимовръзки, е необходимо да се извършат редица операции, които по същество са следните:
i) Допинг ("Имплант")
Този процес включва селективно към вафлата атоми на елементи, различни от силиций, което позволява да се променят електрическите му свойства по контролиран начин. Извършва се с йонни имплантатори, машини, които генерират йони на химичните елементи, които трябва да бъдат включени, като ги ускоряват до много високи енергии. Ускорените йони се вграждат в силиция, като успяват да модифицират неговите електрически свойства.
ii) Фотолитография с дефиниция на компонент („Фотолитография“)
Етимологично „фотолитография“ означава ецване със светлина (фотони) върху камъка, тоест върху полупроводниковата пластина. Това е една от най-критичните и съществени стъпки в производството на интегрални схеми. Чрез фотолитографията геометричните модели се прехвърлят на повърхността на полупроводника, което позволява да се определят съставните елементи, техните взаимовръзки и електрическата изолация между тях. Фотолитографските процеси са пречка за микроелектронната технология и нейното грандиозно развитие е това, което доведе до голяма степен, че размерите на компонентите са толкова изненадващо малки. На следващото изображение показвам някои подробности за този процес:
iii) Селективни процеси на обезвреждане („Etch“)
Този процес позволява отстраняване по контролиран начин и в предварително дефинирани зони на IC, слоеве от метали или изолатори от нежелани зони.
iv) Изолация („Диелектрично отлагане“)
Стъпка, през която се отлагат много тънки слоеве изолационни материали, за да се избегнат нежелани взаимовръзки между активните елементи на IC. От решаващо значение, като се има предвид колко изключително затворени са устройствата.
v) Взаимовръзки („Метализация“)
Това е процес, подобен на предишния, но който се извършва със слоеве от проводими материали, за да се свържат различните елементи на IC. Процесите на изолиране и метализация изискват техники на планаризация („Химико-механична планаризация (CMP)“), тъй като има няколко взаимосвързани слоя, от съществено значение е да се гарантира равномерността на следващите етапи, за да не се компрометират следващите. Освен това тези процеси, заедно с допинг и фотолитография, трябва да се извършват с различно нагряване („Темален процес“) в контролирани атмосфери, за да бъдат оптимални.
vi) Капсулиране и окончателно изпитване („Опаковка“ и „Тест“)
И накрая, вече произведените интегрални схеми се тестват на вафла, отделно отделени, капсулирани, повторно тествани и готови за употреба.
Всички описани процеси трябва да се повтарят многократно, за да се получи IC. За да се постигне функционално устройство с предварително определени спецификации като краен резултат, е необходимо да се извърши предварителен процес на проектиране за всяка от производствените стъпки и маските, използвани в фотолитографските процеси, които го правят възможно.
Много големият брой компоненти, които токовите интегрални схеми включват, е от такава величина, че за да се свържат транзисторите помежду си, е необходимо да се определят последователни слоеве на метализация, заедно със съответните слоеве изолация между тях, тъй като с един слой би било невъзможно правилното свързване на всички елементи. При авангардни технологии броят на слоевете или „етажите“ може да достигне до десет. В следващото видео можете да видите видео, което прогресивно показва вътрешността на едно от тези устройства:
Не е трудно да си представим големите разходи, свързани с създаването на фабрика, способна да осъществи това истинско чудо на технологията. Понастоящем инвестицията в фабрика за интегрални схеми надхвърля 1 000 милиона евро и цената на всяко от оборудването, необходимо за изпълнението на всяка от стъпките, описани в предишния раздел, може да надхвърли един милион евро.
Поддръжката на съоръженията също е много скъпа (филтри в чистата стая, съблекални, поддръжка на оборудване с различни консумативи и др.). Специално трябва да се отбележи високата чистота, която трябва да притежават всички консумативи, критичен аспект при работа с полупроводници, което логично се изразява в повече разходи. Към това трябва да се добавят и разходите за труд, също високи предвид високото обучение, на което трябва да отговарят операторите. Цялата тази панорама означава, че има много малко страни, в които съществуват фабрики за интегрални схеми. Всъщност от началото на 90-те години на миналия век концепцията за производител „без фабрика“ („fabless“) се обобщава, тоест индустрии, които проектират цялостната интегрална схема, но я възлагат на друг производител, обикновено инсталирани в някои страни от Далечния изток, поради ниските разходи за труд. Например в областта на мобилните телефони това е случаят с испанския производител BQ.
3. Границите на електронните технологии: краят на закона на Мур?
Крайният резултат от тази удивителна и изключително сложна комбинация от технологии и процеси е, както вече споменахме, IC. Най-модерните продукти в момента се интегрират в редица транзистори, надвишаващи 1 000 милиона. Фигурата показва снимка на процесора Pentium 4, много известна през първото десетилетие на този век:
Изображение, получено под микроскоп с висока разделителна способност на Pentium 4 Prescott, произведено от гиганта Intel. На IC на снимката има 125 милиона транзистора в пространство 12 x 12 mm 2. .
От своето изобретение еволюцията на размера на всеки транзистор и броя на транзисторите, които всяка интегрална схема включва, следва следното, което е известно като закона на Мур, закон, който се спазва с удивителна точност от 1965 г., годината, в която Гордън Мур от основателите на Intel го обявиха до съвсем скоро. През последните години обаче изглежда, че валидността на този закон изглежда приключва. Фигурата показва какво се случва в IC, когато броят на транзисторите достигне стойност над милион:
Законът на Мур и скоростта на обработка на интегралните схеми от началото до настоящия момент
Това, което графиката показва е, че от 2005 г. увеличението на броя на транзисторите вече не се е превърнало в увеличаване на скоростта на интегралната схема; всъщност увеличението на споменатата скорост е в застой от тази година. От друга страна, намаляването на размера на транзисторите няма да може да продължи безкрайно, така че броят на транзисторите на IC също ще стагнира след няколко години. Въпросът, който възниква тогава, е: какви последици може да има тази стагнация?
„Пътната карта“ на производствената индустрия на IC (Международна технологична пътна карта за полупроводници) наскоро определи план за научноизследователска и развойна дейност, който за първи път от своето създаване не е съсредоточен върху закона на Мур. Досега процесът, следван от фабриките за интегрални схеми, беше следният: първо IC беше проектиран и след това се замисли къде и как да го използва. Отсега нататък големите производители ще следват обратна стратегия, която е известна в средата като „Повече от Мур“. По същество се състои от фокусиране върху основните приложения на интегралните схеми (смартфони, суперкомпютри и обработка на данни, свързани с облака-облак- и големи данни), и след това проектиране на интегрални схеми, които могат да отговорят на установените изисквания.
Във всеки случай стагнацията в скоростта на процеса няма да представлява намаляване на производителността и капацитета на интегралните схеми. Нещо подобно се е случило с развитието на моторните превозни средства; Автомобилите, които циркулираха по пътищата от 70-те и 80-те години (Seat 1430, Renault 12 и др.), Достигнаха максимални скорости, подобни на сегашните Seat León или Renault Megane, но последните са напълно различни превозни средства, както по дизайн, така и при използване на технологии за сигурност, производство и др. Нещо подобно ще се случи с интегралните схеми в близко бъдеще.
[1] Препоръчвам на читателя, който се интересува от този въпрос, да прочете тази статия.