Раздел 1: Введение в технологию производства
Раздел 1: Введение в технологию производства
Интегральные схемы (ИС) — это крошечные электронные устройства, которые содержат миллионы или даже миллиарды транзисторов, резисторов, конденсаторов и других компонентов на одном кристалле кремния. Они стали основой современной электроники и играют ключевую роль практически во всех аспектах нашей жизни.
Интегральные схемы лежат в основе всех современных компьютеров и смартфонов. Процессоры, графические карты, оперативная память и другие компоненты всё это ИС. Благодаря им мы можем пользоваться мощными устройствами, которые помещаются в кармане. Современные ИС, такие как графические процессоры и специализированные чипы для искусственного интеллекта (AI –artificial intelligence), позволяют обрабатывать огромные объемы данных и обучать сложные нейронные сети. Еще они используются в маршрутизаторах, модемах, сотовых вышках и других устройствах, обеспечивающих связь. Они позволяют передавать данные на огромные расстояния с высокой скоростью, делая возможным существование интернета, мобильной связи и спутниковой навигации. Игры, фильмы, музыка и другие формы развлечений стали доступны благодаря интегральным схемам. Консоли, телевизоры, наушники, аудиосистемы и даже умные колонки — все они работают благодаря ИС. Практически вся бытовая техника, от стиральных машин и холодильников до микроволновых печей и телевизоров, содержит интегральные схемы. Они делают устройства умнее, энергоэффективнее и удобнее в использовании.
Интегральные схемы используются в системах мониторинга окружающей среды, таких как датчики качества воздуха, воды и почвы. ИС делают образование более доступным и интерактивным. Они используются в компьютерах, планшетах, интерактивных досках и других устройствах, которые помогают учиться и развиваться. В медицине ИС используются в диагностическом оборудовании, таких как МРТ, КТ, УЗИ, а также в имплантируемых устройствах, таких как кардиостимуляторы и слуховые аппараты. Они помогают врачам ставить точные диагнозы и спасать жизни.
В промышленности интегральные схемы используются в системах автоматизации, робототехнике, станках с ЧПУ и других устройствах. Они повышают производительность, точность и безопасность производственных процессов. Современные автомобили, самолеты, поезда и даже космические корабли также оснащены ими. Они управляют системами навигации, двигателями, системами безопасности (например, ABS – anti-lock braking system и подушками безопасности), а также обеспечивают работу автопилотов и систем помощи водителю, помогают исследовать космос, изучать Землю из космоса и обеспечивать связь на больших расстояниях.
Интегральные схемы стали неотъемлемой частью нашей жизни. Они делают технологии быстрее, компактнее, дешевле и доступнее. Без них невозможно представить современный мир, и их влияние будет только расти с развитием новых технологий, таких как квантовые вычисления, интернет вещей (IoT – internet of things) и многих других.
Вначале транзисторы были дискретными элементами
История развития электроники от дискретных транзисторов до печатных плат это увлекательный путь, который отражает эволюцию технологий и инженерной мысли. Давайте рассмотрим ключевые этапы этого процесса.
1. Эпоха дискретных элементов
В 1947 году в Bell Labs был изобретен первый работающий транзистор. Это стало отправной точкой для развития современной электроники. Транзисторы заменили громоздкие и ненадежные электронные лампы, что позволило создавать более компактные и энергоэффективные устройства. В то время электронные устройства собирались из отдельных элементов: транзисторов, резисторов, конденсаторов и диодов. Эти компоненты соединялись вручную с помощью проводов, что было трудоемким и ненадежным процессом, но позволило создать первые радиоприемники, телевизоры и компьютеры (например, IBM 650). Если собрать современный процессор из дискретных элементов, то он покроет площадь в 1 км2
2. Появление интегральных схем
В 1958 году Джек Килби и Роберт Нойс независимо друг от друга разработали первые интегральные схемы. ИС объединяли несколько транзисторов и других компонентов на одном кристалле кремния, что значительно уменьшило размеры устройств и повысило их надежность. Интегральные схемы стали основой для дальнейшей миниатюризации электроники. Это позволило создавать более сложные устройства, такие как калькуляторы и первые микропроцессоры.
3. Развитие печатных плат (PCB)
C 1950-х печатные платы (PCB – printed circuit board) стали ключевым элементом в сборке электронных устройств. Они заменили ручную пайку проводов, обеспечивая более надежное и компактное соединение компонентов. На платах из изоляционного материала (например, стеклотекстолита) наносились медные дорожки, которые соединяли компоненты. Это позволило автоматизировать процесс сборки и снизить стоимость производства. В 1960-х годах появились многослойные платы, что позволило увеличить плотность компонентов и сложность устройств.
4. Эпоха микропроцессоров и цифровой электроники (70-е годы)
Создание микропроцессоров (например, Intel 8080) открыло эру цифровой электроники. Это позволило создавать программируемые устройства, такие как персональные компьютеры. С развитием микропроцессоров и интегральных схем печатные платы стали более сложными, с большим количеством слоев и компонентов. Появились первые ПК (Apple II, IBM PC), игровые приставки и бытовая электроника.
- Современная эпоха (начало 1990 г.)
Современные печатные платы используют технологии поверхностного монтажа (SMT – surface mount technology), что позволяет размещать компоненты с высокой плотностью. Появились гибкие печатные платы (Flex PCB) и платы с большим количеством слоев (до 50 и более), что необходимо для сложных устройств, таких как смартфоны и компьютеры. Современные системы автоматизированного проектирования (CAD – computer-aided design, например, Altium Designer, KiCad) позволяют создавать сложные платы с высокой точностью. - Будущее электроники
Развитие технологий 3D-печати может привести к созданию трехмерных печатных плат, что еще больше увеличит плотность компонентов. Сочетание традиционных PCB с новыми материалами (например, графеном) и технологиями (например, квантовыми вычислениями) откроет новые горизонты для электроники. Уменьшение размеров транзисторов до нанометрового уровня (например, 2 нм технологии) продолжает двигать индустрию вперед.
Производство микросхем — это одна из самых высокотехнологичных отраслей, требующая огромных инвестиций в оборудование и исследования. Современные фабрики (например, TSMC, Intel, Samsung) используют оборудование стоимостью в миллиарды долларов и работают на пределе возможностей современных технологий.
Массовое промышленное производство интегральных схем
В современном производстве особое внимание уделяется созданию чистых комнат, которые обеспечивают соответствующий уровень чистоты и контроля за окружающей средой. Чистые комнаты можно классифицировать по типам в зависимости от их назначения и требуемых стандартов. Классификация делится на несколько категорий, включая фабрики с контролируемыми параметрами (IC FAB) и лаборатории с ламинарным потоком, каждая из которых имеет свои уникальные характеристики и требования.
Коридоры в чистых комнатах играют важную роль в обеспечении бесконтактного передвижения и минимизации рисков загрязнения. Они спроектированы с использованием специальных материалов и технологий, которые позволяют сохранить необходимую герметичность. Буферная зона, служит промежуточным пространством между чистой комнатой и внешней средой. Это пространство помогает минимизировать попадание загрязняющих частиц и обеспечивает безопасность при перемещении оборудования и материалов. Таким образом, четкое проектирование и соблюдение норм в каждом из этих элементов критически важны для успешного функционирования производственных процессов.
Важным аспектом проектирования чистых комнат является система вентиляции, которая обеспечивает необходимый обмен воздуха. Фильтры HEPA (высокоэффективные воздушные фильтры) часто используются для удаления частиц размером до 0,3 микрометра, что позволяет поддерживать нужный уровень чистоты воздуха. Правильное распределение потока воздуха также критично для минимизации зон с высоким уровнем загрязнения и обеспечения равномерного контраста давления. Кроме того, использование специальных покрытий для стен и полов позволяет предотвратить накопление пыли и облегчить уборку. Материалы, обладающие антистатическими и антимикробными свойствами, способствуют созданию безопасной и чистой рабочей среды.
Персонал, работающий в чистых комнатах, обучается соблюдению строгих протоколов, включая ношение защитной одежды и соблюдение процедур входа и выхода, что также крайне важно для минимизации рисков загрязнения. В результате, комплексный подход к проектированию и организации чистых комнат способствует повышению качества продукции и безопасности производственных процессов.
Особенности производства
Высокая производительность: Фабрика может производить миллиарды ИС в год.Точность: ИС производятся с высочайшим уровнем точности и надежности.
Инновации: Фабрика инвестирует в исследования и разработки для создания новых технологий и продуктов.
Безопасность: Фабрика спроектирована с учетом экологичности и соответствует отраслевым стандартам «безопасность превыше всего» (safety first).
Партнерства: Фабрика сотрудничает с ведущими компаниями-разработчиками и поставщиками отрасли для разработки и производства инновационных решений.
Мировой тренд масштабирования
Длительные исследования и разработки в отрасли производства СБИС (сверхбольшая интегральная схема) сохраняют мировой тренд масштабирования. В основном тренд масштабирования определяется по трём продуктам к которым при физическом производстве предъявляются противоречивые требования.
Flash – основная особенность скорость работы и низкое энергопотребление, обеспечивает мобильность.
MPU – (microprocessor unit) основная особенность минимальный размер, обеспечивает быстродействие
DRAM – (dynamic random access memory) основная особенность высокая плотность транзисторов, обеспечивает объём памяти
Термин «технологическая норма» не может четко определить технологический тренд. Существует множество вариантов улучшения характеристик полевых МОП-транзисторов, которые мы называем «планарным» МОП транзистором (MOSFET), мультизатворные транзисторы (FinFET), и МОП-транзистор на КНИ (SOI). При этом остаются многие технологические проблемы в формировании структуры и топологии, использовании передовых сложных многокомпонентных составов материалов, деформации элементов СБИС особенно в не планарных структурах, утечки переходов, и другие проблемы в управлении процессом и технологичности/совместимости методов формирования элементов СБИС. Проблемы также возникают при интеграции систем на чипе (SoC) и систем в корпусе (SiP) КМОП с новыми типами устройств памяти. В процессе обработки необходимо обеспечивать формирование в передовых интегральных схемах топологических слоев одновременно обладающих:
узкими линиями и пространством,
изолированными и плотно расположенными структурами,
контролируемыми профилями поперечного сечения
Микроэлектромеханические системы (МЭМС)
Микроэлектромеханические системы (МЭМС) изготавливаются с использованием технологий, аналогичных тем, которые используются для интегральных схем, для создания механических структур микрометрового размера (подвесные мосты, консоли, мембраны, жидкостные каналы и т. д.), которые часто интегрируются с аналоговыми и цифровыми схемами. МЭМС могут действовать как датчики, получая информацию из своей среды, или как исполнительные механизмы, реагируя на решение от системы управления об изменении среды. Анализ краткосрочных (5-летних) мировых достижений в показателях производительности устройств, проектировании и моделировании, сборке и упаковке, а также тестировании показал что, хотя внутренняя часть производства МЭМС (упаковка и тестирование) потребляет две трети общей стоимости производства и продолжает расти. Практически все инвестиции в НИОКР были направлены на разработку устройств и процессов, которые отвечают критическим производственным потребностям для решения проблем, возникающих на этапе производства МЭМС. Например: одни из самых ярких представителей устройств МЭМС, это DLP-проекторы (DLP – Digital Light Processing) с МЭМС-актуаторами (системы, которые превращают информацию в движение). В основе этих проекторов лежит относительно крупная – по общему размеру готового чипа – микроэлектромеханическая система под названием DMD (Digital Micromirror Device, цифровое микрозеркальное устройство). Это эксклюзивная разработка одного из гигантов полупроводниковой индустрии, компании Texas Instruments.
Сложные задачи при интеграции изделий МЭМС
Сборка и упаковка:
Стандартизация корпусов МЭМС для поддержки интеграции.
Разработка корпусов, которые уменьшают или устраняют механическое напряжение и повышают герметичность.
Сбор статистических данных о корпусе, которые можно использовать для точного прогнозирования влияния корпуса на производительность устройства.
Тестирование устройств:
Переход от тестирования на уровне устройств к большему тестированию на уровне пластин.
Аттестация инструментов для прогнозирования производительности устройств на основе тестов пластин.
Разработка методологии «Проектирования для тестирования».
Надежность:
Для разработки ускоренных испытаний на долговечность требуются дополнительные знания физики отказов.
Обмен информацией. Отдельные решения существуют, но не обобщаются по всей отрасли.
Выход годных
Ограниченный выход годных изделий ИС в промышленном производстве связан с разрушением топологического рисунка, вызванного несбалансированными силами, присутствующими на заключительном этапе релаксации подложки с технологическими слоями стандартного фотолитографического процесса. Основные факторы, влияющие на разрушение топологического рисунка, можно разделить на три группы:
(1) геометрия топологического рисунка;
(2) внутренние силы, вызванные физическими свойствами материалов технологических слоев, входящих в стек;
(3) внешние силы, изменения, вызванные окружающей средой и технологическим оборудованием на пластину в кольцевом распределении.
Конкретная интересующая геометрия топологического рисунка обычно может быть охарактеризована высотой линии, шириной линии и промежутком между линией и прилегающими элементами, при этом все эти свойства определяются комбинацией структуры слоя устройства, на которой сформирован топологический рисунок, для последующей обработки. Изменение геометрии топологического рисунка для смягчения разрушения топологического рисунка не является вариантом. Во-вторых, физические свойства материалов топологического слоя, которые важны в контексте механического разрушения топологического рисунка, включают модуль Юнга, предел текучести и прочность взаимодействия с подложкой и др. Один из подходов к уменьшению разрушения, вызванного механическим разрушением (например, модуль Юнга, предел текучести и т. д.), заключается в разработке новых материалов с целью увеличения механической прочности. Для обеспечения прочности взаимодействия с подложкой наиболее распространенными методами улучшения адгезии в промышленности является предобработка «мокрая» в жидких химических реагентах или «сухая» плазменные методы, а также нанесение функционального подслоя на подложку, разработанного с учетом энергии поверхности раздела, чтобы увеличить прочность сцепления.
Комплексная модель физического разрушения топологического рисунка должна учитывать каждый из параметров в этих трех группах и уметь определять его влияние на поведение топологического рисунка технологического слоя на пластине в кольцевом распределении. Прогнозы модели выхода годных в зависимости от разрушения элементов топологического рисунка делаются для эффективной оценки статистических данных производственных процессов и определения наиболее критических узлов в процессе формирования СБИС в реальном массовом производстве ИС.
Плоскостность пластины
Наиболее часто используемый в промышленности параметр плоскостности пластины - это TTV (total thickness variation) изменение общей толщины, который представляет собой диапазон толщины пластины между самой толстой и самой тонкой частями пластины. SFQR (site flatness front-surface least-squares fit range) диапазон наименьших квадратов плоскостности площадки - еще один параметр плоскостности пластины, который представляет собой диапазон толщины конкретного размера площадки (размер области должен быть определен, обычно кадр) и максимальное значение этого измерения на пластине.
Инструмент литографии (сканер) имеет возможность измерять расстояние между линзой сканера и поверхностью пластины, и он может регулировать настройки фокуса на каждом этапе сканирования экспозиции, поэтому глобальная плоскостность не становится критической проблемой, пока она соответствует определенные характеристики, например, TTV должно быть меньше 2 мкм. Однако современный сканер может отрегулировать настройки фокуса за один шаг сканирования в пределах определенной площадки, который в настоящее время имеет размер области 26 мм x 8 мм или размер кадра 26 мм х 32 мм. Таким образом, если есть изменение толщины пластины в этой области больше определенного диапазона (указывается в характеристиках инструмента), это создает пятно расфокусировки и может привести к дефектам литографии, что очень критично для элементов с минимальным размером СD (critical dimension). Следовательно, с точки зрения процесса литографии, SFQR является более важным параметром по сравнению с TTV и имеет гораздо большее значение для фактических характеристик процесса, поскольку в этом случае изменение общей толщины пластины может быть гораздо выше 2 мкм, особенно в случае МЭМС производства или использования регенерированных пластин после брака.
Требования плоскостности кремниевой пластины стали более строгими из-за понижения класса правил проектирования устройств. Ежегодно обновляется международная технологическая дорожная карта для полупроводников (ITRS), чтобы обеспечить улучшение характеристик интегральных схем. Эта дорожная карта является результатом совместных усилий мировых производителей и поставщиков отрасли, государственных организаций, консорциумов и университетов.
Рабочие пластины
Полупроводниковые пластины или подложки в полупроводниковой индустрии являются основным материалом, на котором изготавливаются ИС и другие микроэлектронные устройства. Эти пластины служат физической основой для создания полупроводниковых компонентов, таких как транзисторы, диоды и резисторы. Наиболее распространённым материалом для рабочих пластин является кремний (Si), но также используются другие материалы, такие как арсенид галлия (GaAs), карбид кремния (SiC) и сапфир (Al₂O₃).
Материалы:
Кремний (Si): Наиболее широко используемый материал благодаря его доступности, стабильным свойствам и хорошей способности к формированию оксидного слоя (SiO₂), который используется в качестве изолятора.
Арсенид галлия (GaAs): Используется в высокочастотных устройствах, таких как микроволновые транзисторы, благодаря его высокой подвижности электронов.
Карбид кремния (SiC): Применяется в устройствах, работающих при высоких температурах и напряжениях, например, в силовой электронике.
Сапфир (Al₂O₃): Используется в светодиодах (LED) и некоторых типах датчиков.
КНИ (кремний на изоляторе): Широко используется в аэрокосмической и военной промышленности, так как изолирующий слой защищает устройства от воздействия радиации.
КНИ (SOI — Silicon On Insulator) — это технология изготовления полупроводниковых пластин, которая используется для создания высокопроизводительных и энергоэффективных интегральных схем. В отличие от традиционных кремниевых пластин, в КНИ-пластинах между тонким слоем кремния и подложкой находится изолирующий слой, обычно из диоксида кремния (SiO₂). Эта структура позволяет улучшить характеристики микросхем, снизить энергопотребление и уменьшить паразитные эффекты.
Существует несколько технологий создания КНИ-пластин:
SIMOX (Separation by IMplantation of OXygen): В кремниевую подложку имплантируют ионы кислорода, которые затем образуют изолирующий слой SiO₂ после высокотемпературного отжига.
Smart Cut: На поверхность кремниевой пластины наносится изолирующий слой, затем с помощью ионной имплантации создаётся ослабленный слой. После этого верхний слой кремния переносится на другую подложку, а исходная пластина может быть использована повторно.
Wafer Bonding: Две кремниевые пластины склеиваются вместе, причём одна из них имеет изолирующий слой. Затем верхняя пластина истончается до нужной толщины.
КНИ-технология продолжает развиваться, особенно в области высокопроизводительных вычислений, IoT и силовой электроники. С развитием новых материалов, таких как карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN), КНИ-пластины могут стать ещё более востребованными. Кроме того, ожидается снижение стоимости производства благодаря совершенствованию технологий.
Восстановленные пластины
Восстановленные пластины широко используются в полупроводниковой промышленности в течение многих лет из-за того, что кремниевые пластины являются самым крупным источником затрат для завода по производству ИС. Сокращение использования первичных кремниевых пластин и вместо этого использование как можно большего количества регенерированных пластин является одним из наиболее экономически эффективных решений для производственного предприятия. Тем не менее, количество процессов, в которых могут использоваться восстановленные пластины, исторически ограничивалось простыми приложениями для мониторинга процесса, такими как мониторинг толщины пленки или проверка частиц, поскольку требования к этим типам пластин для мониторинга защитной пленки (на пластины не наносится топографический рисунок) менее строгие, чистота только от частиц и металлических загрязнений. Чтобы увеличить количество процессов, в которых регенерированные пластины могут использоваться на заводе-изготовителе, например, соединить между собой пластины для мониторинга вскрытия контактов или любые пластины для аттестации процесса, на которых необходимо напечатать небольшие образцы элементов топологии; эти восстановленные пластины должны соответствовать определенным требованиям к плоскостности пластины, потому что плоскостность пластины влияет на один из наиболее важных полупроводниковых процессов - «литографию». Доказано, что ухудшение плоскостности пластин вызывает проблемы с расфокусировкой литографии и дефекты рисунка.
Инструменты
Всем известны и знакомы стандартные инструменты различного назначения, но для производства продукции необходимы высокотехнологичные инструменты описанные ниже.
Инструменты для перемещения полупроводниковых пластин
В производстве используется множество типов пинцетов. Необходимо выбрать пинцет в соответствии с предполагаемой целью использования.
Выравниватель пластин используется для безопасного перемещения пластин внутри слотов.
Инструменты для обработки полупроводниковых пластин
Производственные процессы в области микроэлектроники являются ключевыми для создания полупроводниковых устройств и интегральных схем. Обработка полупроводниковых пластин является сложным процессом, требующим специализированного оборудования. Это оборудование используется для создания транзисторов, интегральных схем (ИС) и других электронных компонентов. Также инструменты для измерения и контроля параметров пластин используется на протяжении всего процесса обработки. Поставщиками оборудования для обработки полупроводниковых пластин являются такие компании, как ASML, Tokyo Electron, Applied Materials и KLA и др.
Конспект раздела
Введение в технологию производства микроэлектроники
Интегральные схемы делают технологии быстрее, компактнее, дешевле и доступнее.
Производство микросхем — это одна из самых высокотехнологичных отраслей, требующая огромных инвестиций в оборудование и исследования.
Персонал, работающий в чистых комнатах, обучается соблюдению строгих протоколов работы, включая ношение защитной одежды и соблюдение процедур входа и выхода.
Термин «технологическая норма» не может четко определить технологический тренд масштабирования. Мировой тренд масштабирования определяется по трём продуктам Flash, MPU и DRAM.
Микроэлектромеханические системы изготавливаются с использованием технологий и инструментов, аналогичных тем, которые используются для производства интегральных схем.
Выход годных ИС в промышленном производстве связан с разрушением топологического рисунка. Основные факторы, влияющие на разрушение топологического рисунка:
(1) геометрия топологического рисунка;
(2) внутренние силы, вызванные физическими свойствами материалов технологических слоев;
(3) внешние силы, вызванные окружающей средой и технологическим оборудованием.
Модели выхода годных делаются на статистических данных для эффективной оценки производственных процессов и определения наиболее критических узлов в процессе формирования ИС в массовом производстве.
Полупроводниковые подложки (пластины) служат физической основой, на которой изготавливаются ИС и другие микроэлектронные устройства.
В КНИ-пластинах между тонким слоем кремния и подложкой находится изолирующий слой.
Использование как можно большего количества регенерированных подложек является одним из наиболее экономически эффективных решений для производственного предприятия.
Ухудшение плоскостности пластин вызывает брак, проблемы с расфокусировкой фотолитографии и дефекты рисунка топологического слоя.
Для производственного предприятия, с точки зрения процесса литографии, SFQR является более важным параметром плоскостности по сравнению с TTV.
Инструменты для обработки полупроводниковых пластин представляют специализированное высокотехнологичное оборудование. Наиболее известные производители инструментов для обработки полупроводниковых пластин являются такие компании, как ASML, Tokyo Electron, Applied Materials и KLA.