تقنيات الإلكترونيات الدقيقة على الأصابع: قانون مور وتحركات التسويق ولماذا ليست النانومترية هي نفسها الآن. الجزء 1

صورة ممكنة من 10 نانومتر IceLake. مصدر

تحدث أشياء غريبة في سوق المعالجات. تكافح الشركة الرائدة عالمياً في مجال إنتل للعام الخامس على التوالي في محاولة للتحول إلى عملية تصنيع تبلغ 10 نانومتر. في البداية ، أعلنوا الانتقال إلى 10 نانومتر في عام 2015 ، ثم في عام 2016 ، 2017 ... في ساحة 2019 ، و 10 نانومتر من إنتل في هذه السلسلة لا تزال غير موجودة. حسنًا ، لا ، هناك بعض العينات التجريبية / الهندسية ، لكن العائد المرتفع يمثل مشكلة. من المتوقع حدوث انتقال حقيقي في موعد لا يتجاوز 2022 بالفعل.

في الواقع ، كان هذا هو سبب نقص معالجات Intel في السوق. للتغلب عليها ، توسع الشركة إنتاج معالجات 14 نانومتر معدلة (نفس البحيرة فقط في الملف الشخصي) وحتى تعود إلى 22 نانومتر. يبدو أن الانحدار واضح. في هذا الوقت ، تقوم كل من Samsung Samsung و Taiwanese TSMC و AMD ، التي انضمت إليها مع منصة ZEN 2 ، بالإبلاغ عن تقديم ما يصل إلى 7 نانومتر وعلى وشك التحول إلى 5 نانومتر. أخرجوا "قانون مور" من الخزانة المغبرة وأعلنوا أنه أكثر حيوية من جميع الأحياء. قريبا سيكون هناك 3 نانومتر ، و 2 نانومتر ، وحتى 1 نانومتر ( كذا! ) - pourquoi pas؟!

ماذا حدث؟ حقا الماكينات الآسيويين تغلب على البندوس اللعينة في صناعة رئيسية؟ هل يمكنني فتح الشمبانيا؟

إخلاء المسئولية: لقد وجدت هذه المقالة عن طريق الصدفة وكنت مندهشًا للغاية من مدى تفصيلها بكفاءة وتفاصيل مشاكل الإلكترونيات الدقيقة الحديثة ، لا سيما وفاة قانون مور وتسويقه. ذات مرة ، انخرطت أنا نفسي في كتابة مقالات حول صناعة الرقائق ، وفي سلسلة المقالات "Inside Look" ، حتى أنني نظرت إلى داخلها ، أي الموضوع مثير للغاية بالنسبة لي. بطبيعة الحال ، أود أن يقوم مؤلف المقال الأصلي بنشره على حبري ، لكن فيما يتعلق بالعمل ، سمح لي بنقله هنا. لسوء الحظ ، لا تسمح قواعد Habr بلصق النسخ المباشر ، لذا أضفت روابط إلى مصادر وصور ونكت قليلًا وحاولت نص النص قليلاً. نعم ، وأنا أعرف وأحترم المادتين ( 1 و 2 ) حول هذا الموضوع من amartology .

لذلك ، دعونا حل المشكلة معا. سنحاول قدر الإمكان الخوض في الفيزياء والتكنولوجيا ، وليس الخوض في الفروق الدقيقة (التي اسمها الفيلق!). الوصف أدناه مبسط و تخطيطي في بعض الأحيان. اكتب التعليقات ، وسنحاول مناقشة بناءة.

مقدمة

"لم يكن كل شيء واضحًا جدًا ..." كانت ابنة أحد الضباط تقول. إذا نظرت إلى كثافة الترانزستورات ، فستكون متماثلة تقريبًا في تقنية 14 نانومتر من Intel و 7 nm من TSMC ( ooops !!! ). وحتى التراجع عن Intel إلى 22 نانومتر لم يكن له تأثير كبير على الأداء. ماذا بحق الجحيم؟ وفقًا لجميع القواعد ، ينبغي أن يزيد الانتقال من تقنية 14 نانومتر إلى 7 نانومتر من كثافة الترانزستورات بقدر 4 مرات. وهذا وفقًا لمفاهيم جوردون مور ، الذي تم الاحتفال به في الذكرى الخمسين للقانون في الآونة الأخيرة ، وفي الذكرى السنوية الخامسة والخمسين!



يلقي قانون مور في الحديد. كما ترون ، لقد تم "وضع علامات" على الفور لمدة 5 سنوات

في الوقت نفسه ، يتم إصدار بيانات مختلطة. يجادل البعض بأن "قانون مور" هو أكثر أهمية من أي وقت مضى ، وسيتم تطوير الإلكترونيات الدقيقة كما كان من قبل. سوف يتغلب العلماء والمصممون والمهندسون اللامعون على أي قيود ، حتى قوانين الفيزياء. يحتاج الناس إلى إنجازات جديدة ، ولن يستغرقوا وقتًا طويلاً.

يقول آخرون أن جميع اللاعبين قد وصلوا إلى الحدود المادية ، وسنلعق ما هو ، ولكن هذا أمر طبيعي. هذا منذ فترة طويلة حذر. لذلك قال رئيس NVIDIA خلال CES 2019 أن قانون مور قد مات والآن يجب أن يكون المتجه (هوانغ في المتجه ، ولكن في الموتر) يجب تغييره. يتفق اختصاصي الطباعة الحجرية في AMD و GlobalFoundries معه.

في الواقع ، تم فصل جميع هذه المعايير التكنولوجية للوحدات وعشرات النانومترات عن الأبعاد المادية وأصبحت عناصر تسويقية. على الأقل آخر 15 سنة: بعد الانتقال من 130 نانومتر إلى 90 نانومتر. ثم كان ذلك لأول مرة تواجه قيود لا التكنولوجية ، ولكن المادية الأساسية. بالمناسبة ، تحدث الخبراء حول هذا الموضوع ، لكن صوتهم الهادئ غرق في بث برامج المسابقات الذين تظاهروا بأن شيئًا لم يحدث ، وأن كل شيء يسير بطريقته الخاصة ، وفقًا لمبادئ ليني ... الدكتور مور.

لسوء الحظ ، بالنسبة إلى المسوقين ، وربما لحسن حظنا ، فإن قانون مور ليس قانونًا للطبيعة ، ولكنه ملاحظة تجريبية صاغها في عام 1965 أحد مؤسسي شركة Intel ، Gordon Moore. وفقا لملاحظاته ، خرجت سلسلة جديدة من الدوائر الصغيرة بفاصل زمني لمدة عام ، في حين زاد عدد الترانزستورات فيها بنحو مرتين. في عام 1975 ، تم تعديل القانون ؛ وفقًا لذلك ، يجب أن يتم مضاعفة كل 24 شهرًا. منذ ذلك الحين ، على مدار 40 عامًا تقريبًا ، ارتقى قانون مور إلى مرتبة أيقونة وراية لمصنعي الإلكترونيات الدقيقة الرقمية ، والتي كانت في بعض الأحيان ملتوية (24 شهرًا تحولت إلى 36 ، والركود الآن - انظر الصورة أعلاه).

على طول الطريق ، نشأت قيود تكنولوجية مختلفة أدت إلى إبطاء العملية (نفس الانتقال عبر حد الحيود). أو الاختراقات التي أعطت زيادة حادة في التصغير. بالنسبة للمراقب الخارجي ، بدا كل شيء وكأنه نمو مستقر في الامتثال الكامل لقانون مور ، وليس أقلها جهود المسوقين.

فيزياء "جلالة السيليكون"

سأبدأ مع قصيدة السيليكون. السيليكون هو مجرد هدية السماء لمصنعي الإلكترونيات الدقيقة. ليس هذا فقط ، حرفيًا ، بالأقدام ، السيليكون هو أيضًا أشباه الموصلات الجيدة مع معلمات مناسبة جدًا (من حيث الجمع بين الخصائص الكهربائية والطاقة والخصائص الفيزيائية). يعتبر السيليكون النقي تقريبًا عازلًا ؛ يتم تحديد الموصلية تمامًا بتركيز الشوائب. لديها الموصلية الحرارية العالية ، المتقدمة تكنولوجيا ، ومقاومة للبيئات العدوانية.


مكافأة على السيليكون هي أكاسيده - ثاني أكسيد السيليكون SiO ₂ . إنه عازل مثالي تقريبًا ، مع قوة وصلابة عالية ، مقاوم لجميع الأحماض باستثناء الهيدروفلوريك (HF). في الوقت نفسه ، حمض الهيدروفلوريك لا يذوب السيليكون نفسه ، لا يمكنك أن تخاف من المخلل الزائد. يتكون فيلم أكسيد رقيق على سطح السيليكون حتى في درجات حرارة الغرفة (بشكل طبيعي ، في الهواء). للحصول على أفلام أكسيد سميك ، يتم تسخين السيليكون أو ترسيب درجة حرارة منخفضة من غاز يحتوي على السيليكون. يتم استخدام هطول الأمطار عندما يتم ترسيب الطبقات بالفعل في البلورة ، وسيؤدي التسخين إلى "تلطيخ" الطوبولوجيا.

الشدة من الكيميائي ، مرة واحدة في السنة من النظام الدوري: خطوة إلى اليمين - P ، الفسفور ، أكسيد يشكل حمض الفوسفوريك ، إلى اليسار - Al ، الألومنيوم ، المعادن ، أعلى - C ، الكربون ، أكسيد - غاز ، أسفل - Ge مع انتشار منخفض في قشرة الأرض (كيلو يكلف الآن ~ 1K دولار).

على الرغم من الحديث المستمر عن النهاية الوشيكة لعصر السليكون والانتقال إلى أشباه الموصلات الأخرى ، على سبيل المثال ، الهياكل A ₃ B ₅ (أرسينيد الغاليوم ، أو فوسفيد الغاليوم أو نيتريد الغاليوم) ، أو كربيد السيليكون ، أو الماس ، أو الجرافين ، وغيرها ، نظرًا لأن لديهم حركة إلكترون أعلى فعالية والثقوب ، انخفاض درجة الحرارة الاعتماد ، الموصلية الحرارية العالية ، السيليكون يسود في الإلكترونيات الدقيقة الشامل.

نعم ، بالنسبة إلى A ₃ B _{5 ،} يمكن إنشاء اختلافات متجانسة . هذا هو عندما تختلف المناطق داخل الترانزستور ليس فقط في نوع الموصلية ، ولكن أيضا في الهيكل المادي ، والذي يعطي فرصا إضافية. وبقدر ما تساوي الأشياء الأخرى ، يمكن أن تعمل الدوائر الدقيقة لنيتريوم الغاليوم على تردد أعلى ، ومقاومة لدرجة الحرارة العالية ، وتوفر تبديدًا أفضل للحرارة. ولكن في حين يتم استخدام هذه المواد فقط للعناصر المنفصلة والدوائر الدقيقة الصغيرة. بالنسبة للدوائر الميكروية الكبيرة ، يجعل تعقيد التقنية أوامر سعرها أعلى من السيليكون. نعم ، و "الآخر متساو" لم يتم الحصول عليه. لذلك ، فإن الدوائر الدقيقة غير السيليكون البديلة لها تخصص ضيق.

الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة

النظر في الطوب الرئيسي من الدوائر الرقمية الدقيقة - ترانزستور مجال مستو (مسطح) مع قناة مستحثة. إنه MOS (أشباه الموصلات المعدنية) ، وهو MIS (أشباه الموصلات المعدنية) ، وهو MOS (أشباه الموصلات المعدنية) ، وهو MOSFET .


عرض تخطيطي قطاعي من الترانزستور ن قناة


مزايا الترانزستورات MOS هي الاكتناز. ولكن هناك أيضًا عيبًا خطيرًا - ارتفاع استهلاك الطاقة ، لأنه في الحالة المفتوحة يتدفق التيار عبر الترانزستور. لذلك ، منذ سبعينيات القرن الماضي ، كانت ترانزستورات CMOS ( MOS التكميلية ) هي المهيمنة في التكنولوجيا الرقمية. هذه عبارة عن ترانزستورات p-channel و n-channel متصلة بالسلسلة ، مع بوابات مدمجة. عادة ما يتم في خلية واحدة.


إذا قمنا بإطعام البوابات زائدة - مفتوح الترانزستور n- قناة ، يتم إغلاق قناة ف. لا يوجد من خلال الحالية ، ناقص في الإخراج. إذا قمنا بتغذية البوابة مع سالب - يتم إغلاق الترانزستور n- قناة ، قناة p مفتوحة. لا يوجد من خلال الحالي مرة أخرى ، بالإضافة إلى الإخراج. أي العنصر يعمل أيضا بمثابة العاكس.

هذه هي التكنولوجيا الأكثر كفاءة في استخدام الطاقة. في الحالة الثابتة ، لا يستهلك العنصر شيئًا (باستثناء تيار تسرب الشارد) ، يتم استهلاك تيار التبديل فقط. إن استهلاك الطاقة يتناسب تقريبًا مع تردد الشريحة (عدد دورات إعادة الشحن). حدد انخفاض استهلاك الطاقة والاكتناز هيمنة تقنية CMOS في مجال الإلكترونيات الرقمية.

قدمت دوائر الترانزستور ثنائية القطب في البداية أداء أعلى ، لكنها كانت أكثر تعقيدًا ، واستهلكت مساحة أكبر واستهلكت طاقة أكبر بكثير. يجب أن أقول أن الخيار لصالح CMOS ثماره بالكامل. سيكون من المستحيل تقريبًا الحصول على خصائص مثل معالجات اليوم على التقنيات الأخرى. وبينما البدائل ليست مرئية في الأفق.

ميزات طوبولوجيا

يمكن تمثيل طبولوجيا الرقاقة للرقاقة بشكل تقليدي على شكل ورقة كبيرة في خلية ، حيث يتم رسم حدود المناطق على طول الخطوط ، والحجم التكنولوجي هو حجم الخلية. في الواقع ، بالنسبة للعناصر غير الحرجة ، يمكنك أيضًا وضع مسافة بادئة في نصف الخلية (قاعدة اثنين من اللمبات) ، ولكن هذه هي الفروق الدقيقة.


لنفترض أننا نعيش في تقنية 3 ميكرون . عندئذٍ ، سيكون حجم خليتي الترانزستور 11d * 15d ، كما هو موضح أعلاه ، بحجم 33 * 45 ميكرون . ولكن بعد ذلك كنا في ورطة ، وتحولنا إلى تكنولوجيا عملية جديدة من 1.5 ميكرون . أصبح حجم خليتنا 16.5 * 22.5 ميكرون .وحيث كانت خلية واحدة تستخدم لتناسب ، الآن يصل عددها إلى أربعة. في الوقت نفسه ، تستهلك هذه الخلايا الأربع التيار بقدر واحد قديم (في نفس التردد والكثافة الحالية). جنبا إلى جنب مع الأبعاد الخطية لكل الترانزستور ، انخفضت السعة الطفيلية ومقاومته ، وانخفض وقت العابرين أثناء التبديل. يمكن لمثل هذا الترانزستور أن يعمل بثبات عند تردد أعلى وجهد إمداد أقل. ودمج عدد أكبر من العناصر على بلورة واحدة يقلل من الحاجة إلى الوصول إلى ناقل خارجي بطيء.



نحصل على ذلك من تقليل حجم الترانزستورات هو مجرد فائدة واحدة ولا ضرر. هذا هو السبب في أن التصغير أصبح المهمة الرئيسية للإلكترونيات الدقيقة الرقمية منذ نشأتها.

ما هو التخليص الفني الذي يقتصر على (وهو أيضًا معيار التصميم)؟ للقيام بذلك ، تحتاج إلى تجاوز تقنية تصنيع الدوائر الصغيرة.

العمليات الفنية

( ). , ( .: , () , , , , . CorneliusAgrippa : , , (, ). يتم استخدام عملية زرع الأيونات لاحقًا ، في مرحلة تصنيع الرقائق). عند الخرج ، يتم الحصول على الفراغات الاسطوانية (قطرها 200 أو 300 مم) ، والتي يتم بعد ذلك تقطيعها إلى ألواح رقيقة ( ويعرف أيضًا باسم رقائق ) بسماكة تتراوح من 0.5 إلى 0.7 مم. في وقت لاحق ، يتم تشكيل عشرات ومئات من الدوائر الصغيرة في دورة تكنولوجية واحدة. كانت هناك محاولة للتبديل إلى لوحات بقطر 450 مم ، لكنها لم تعمل حتى الآن. من الصعب للغاية الحفاظ على نفس ظروف العملية في الوسط وعلى حواف اللوحة (توزيع درجة الحرارة ، الشوائب ، وما إلى ذلك).

ثم ، على جانب العمل من اللوحة ، يتم بناء طبقة رقيقة من السيليكون مع نوع مختلف من الموصلية - الطبقة الفوقي. تختلف طرق البناء: على سبيل المثال ، عن طريق تقليل رابع كلوريد السيليكون الغازي (SiCl ₄₎). في هذه الحالة ، يضاف الخليط إلى الغاز. تستمر الطبقة الناتجة في هيكل لوحة الكريستال ، ولكن لديها نوع مختلف من الموصلية. في مثالنا أعلاه ، لدينا ركيزة من السيليكون من النوع p وطبقة فوقية من النوع n. في بعض الأحيان يتم إنشاء جيوب من نوع n أو p على الركيزة قبل نمو الفوقي. ما يسمى طبقات خفية.

ثم تأتي عملية إنشاء مناطق المصدر ، التصريف ، قاعدة p ، مناطق الاتصال والتقسيم في الطبقة الفوقي. إن جوهر العمليات التكنولوجية هو إزالة الأكسيد في الأماكن الصحيحة ، وفتح السيليكون نفسه ، وإدخال الشوائب اللازمة فيه. يتم تقديم الشوائب عن طريق نشر أو زرع أيون .

, 700 . , , . . , , . , . , .

ميزة طريقة الانتشار هي بساطتها وتكلفتها المنخفضة. الجانب السلبي هو أنه أثناء الانتشار ، يتم إدخال الشوائب ليس فقط في عمق البلورة ، ولكن أيضًا على طول الجوانب الموجودة تحت الأكسيد. وبالتالي ، فإن العرض الفعلي للقاعدة أقل من العرض الذي رسمناه. إذا قمت بالإفراط في التسخين ، سيتم إغلاق المصدر والصرف تحت البوابة ، وسوف يتحول الترانزستور إلى المقاوم. مع أحجام العناصر لمئات من نانومتر ، لا يتم نشرها.



أثناء زرع الأيونات ، تتأين ذرات النجاسة ، وتتسارع بواسطة مجال كهربائي ، ويتم قصف بلورة السيليكون. يتم تحديد سرعة الأيونات وسمك الأكسيد بحيث تخترق الأيونات في السيليكون إلى العمق المطلوب ، ولكن لا يمكن اختراق طبقة الأكسيد. أيونات النجاسة تدق ذرات السيليكون خارج الشبكة البلورية أو تتعثر بين الشبكة. بعد الزرع ، يتم تسخين البلورة من أجل استعادة بنية الشبكة بسبب الاهتزازات الحرارية للذرات. درجة حرارة التسخين أقل مما كانت عليه أثناء الانتشار ؛ وبالتالي ، فإن دخول النجاسة تحت الأكسيد أقل بشكل ملحوظ.



وأحيانًا يستخدم للتطبيقات الخاصة عندما يكون التوحيد العالي للسبائك مطلوبًا ، كما هو الحال في أشباه الموصلات الكهربائية ، يُستخدم الغرس في مفاعل نووي . شكرا tnenergy لديناسعيد التنوير الطفولة النووية .

طبع

والآن حول العملية الرئيسية والأكثر إثارة للاهتمام - الطباعة الحجرية. استخدامه ، يتم إنشاء نمط طبقة على سطح السيليكون. النظر في أبسط الطباعة الحجرية الضوئية (الطباعة الضوئية).



الخطوات الرئيسية:

1. يتشكل فيلم أكسيد على سطح رقاقة السيليكون.
2. يتم تطبيق عجينة خاصة أعلى مقاومة للأكسيد. الصفيحة غير مثبتة في جهاز طرد مركزي بحيث ينتشر مقاوم الضوء بشكل موحد على السطح.
3. . – . , , p- . ( .: -) .
4. . . , ( ) ( ). .
5. – .
6. . . , , ( shadowing effect).
7. .

في نهاية العملية ، نحصل على صفيحة تحتوي على مقاطع من أكسيد تم إزالتها ، والتي يمكن إرسالها للانتشار أو زرع الأيونات أو ترسب المعادن ( ملاحظة: أو التفريغ الكهربائي). بعد تكوين الطبقة ، يتم حفر الأكسيد عادةً من كامل مساحة اللوحة وتودع طبقة جديدة.

نوافذ خلق من واسعة إلى ضيقة. في حالتنا ، سيكون التسلسل كما يلي - مناطق الفصل ، جيوب p ، طبقات p + ، طبقات n + ، نوافذ تلامس مع معدنة ، تطبيق مصراع الكاميرا ، مناطق تلامس مصراع الكاميرا ، الطبقة الأولى من مسارات المعادن مع مناطق تلامس تحت الطبقة الثانية ، الطبقة الثانية من المعدن ، إلخ. . في المعالجات الحديثة ، يصل طول المعدن إلى 10-15 طبقة.

تم استخدام الطباعة الضوئية الاتصال في فجر الالكترونيات الدقيقة. الآن الشيء الرئيسي هو تصوير ضوئي الإسقاط. هذا عندما يتم وضع أنظمة العدسة والمرايا بين مصدر الإشعاع وقناع الصورة الضوئية لإنشاء حزمة ضيقة من الفوتونات. يظهر الشكل أدناه طرقًا مختلفة من الناحية التخطيطية للطباعة الليثوغرافية: الاتصال بالليثوغرافيا الضوئية ، مع وجود فجوة ، والإسقاط من خلال العدسات ، ومرآة الإسقاط.



مزايا الطباعة الضوئية هي السرعة العالية والتكلفة المنخفضة. تتعرض منطقة اللوحة بأكملها بكل دوائرها الدقيقة دفعة واحدة ، وتستغرق العملية عدة دقائق. أو مربع من العديد من الدوائر الدقيقة تليها لوحة التحول.

بالإضافة إلى الليثوغرافيا الضوئية ، هناك أنواع أخرى - الإلكترونية والأشعة السينية والأيونية. الأكثر إثارة للاهتمام هو الطباعة الحجرية الإلكترونية (على سبيل المثال ، مشروع Mapper ، الذي كتب BarsMonster عنه ).

مع الطباعة الحجرية الإلكترونية ، لا يتم التعرض للمقاومة عن طريق الضوء ، ولكن بواسطة حزمة من الإلكترونات. في أبسط أشكاله ، يشبه تكوين الصورة على أنابيب الصورة CRT . من بين جميع أنواع الطباعة الحجرية ، فإن الطباعة الحجرية الإلكترونية هي التي توفر أوضح صورة وأعلى دقة. العيب هو وقت التعرض الطويل. في التقنيات الحديثة ، يبلغ سمك شعاع الإلكترون بضعة نانومتر وحتى كسور نانومتر ، وقطر اللوحة 300 ملم. وبطبيعة الحال ، لا يتم استخدام حزمة واحدة ، ولكن عشرات الآلاف يسيطر عليهم الكمبيوتر. لكن تدفق الإلكترون الكلي قوي جدا هو المطلوب. للمقارنة ، فإن طاقة الإشعاع فوق البنفسجي الكم هي عدة فولت ، والطاقة الإلكترونية في الشعاع هي عدة آلاف من الإلكترون فولت.

بالإضافة إلى ذلك ، يتم شحن الإلكترونات بالشحن الكهربائي وصد بعضها البعض ، مما يؤدي إلى انحراف الحزمة. بالطبع ، من الممكن زيادة سرعة الإلكترونات ، ولكن بعد ذلك سوف يخترقون المقاومة أو ينعكسون بسرعة عالية في الاتجاهات التعسفية ، مما يسبب الإشعاع الثانوي ( الإلكترونات الثانوية ) وبالتالي التعرض. كل هذا يحد من استخدام التكنولوجيا.

يتم استخدام الطباعة الحجرية الإلكترونية لإنشاء أقنعة ضوئية. وقت التعرض لعنصر ضوئي واحد هو عدة أيام. لذلك ، تهيمن الليثوغرافيا الضوئية في إنتاج الدوائر الدقيقة.

تكلف المجموعة الحديثة من أقنعة الصور للمعالج عشرات الملايين من الدولارات. ليس من المستغرب ، بالنظر إلى أن المعالجات الحديثة تحتوي على مليارات الترانزستورات ، وهناك المئات من المعالجات على اللوحة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن النوافذ الموجودة في القناع الضوئي الحديث ليست مجرد ثقوب في المواد ، بل في الغالب مواد أخرى ذات خصائص بصرية محددة. مجموعة حقيقية من أقنعة الصور تتكون من العشرات من الأقنعة. في أحدث عمليات التصنيع ، أكثر من 50 ( كذا! ).

لكنهم يسمحون لك بختم الرقائق مثل الكعك الساخن. خلال فترة حياتها ، تتيح لك مجموعة من قوالب الصور الحصول على مئات الآلاف أو حتى ملايين الرقائق في الإخراج.

فما الذي يحد من حجم التكنولوجيا العملية؟

يمكن تمييز 4 مجموعات من العوامل بشكل مشروط:

• الأجهزة والتكنولوجيا. يرتبط مع دقة الأجهزة.
• فيزياء العمليات التكنولوجية. يتم تحديده بواسطة القيود المادية لعملية معينة ، والتي يمكن التحايل عليها عن طريق تغيير التكنولوجيا أو المواد.
• المادية. هذه هي القيود التي لا يمكن التحايل عليها ، ولكن يمكن تقليل تأثيرها.
• الجسدية الشديدة.

قيود الأجهزة والتكنولوجيا

كان هذا النوع من التحديد حاسمًا في المراحل الأولى من الإلكترونيات الدقيقة. يشير أساسا إلى إنتاج "غرف نظيفة" ، معدات متطورة للعمليات الفنية ، والأجهزة (وهو أمر مهم لمراقبة جودة المنتجات). على سبيل المثال ، تتطلب الليثوغرافيا الضوئية البصريات فائقة الدقة ، المجاهر القوية ، وآليات للجمع بين الأقنعة والألواح مع دقة الكسور من نانومتر ، جو فائق النقاء أو فراغ أثناء التعرض ، وهلم جرا. من الضروري أن تصمد بدقة لمعايير العمليات التكنولوجية - درجة الحرارة ، والمدة ، وتكوين الغلاف الجوي ، والطاقة الإشعاعية ، وإعداد السطح.

الآن دقة المعدات ليست عاملا مقيدا. ليس لأنها مشكلة بسيطة. يكفي أن ننظر إلى رسم تخطيطي للإسقاط الحديث أو الطباعة الضوئية المرئية لفهم مستوى التعقيد. ولكن هنا هو الحال بالفعل عندما لا توجد حواجز للمصممين والمهندسين الموهوبين.

مشاكل التكنولوجيا عادة ما تكون ذات صلة في السلسلة الأولى. مع التغيير في معيار العملية التقنية ، ليس فقط الأبعاد الأفقية ، ولكن أيضًا الأبعاد الرأسية ، وتركيز الشوائب ، وتغيير نسب المناطق النشطة. والآن ، مع كل خطوة جديدة ، تتغير فيزياء العمليات أيضًا. بطبيعة الحال ، يتم احتساب ونمذجة جميع المعلمات بشكل مبدئي ، ولكن الواقع دائمًا ما يقوم بالتعديلات. لذلك ، بالنسبة للسلسلة الأولى ، يعتبر العائد 3٪ من الدوائر المناسبة (97٪ معيبًا) هو القاعدة. تدريجيا ، يتم تحسين العمليات التكنولوجية وتصبح نسبة العائد المناسبة للسلسلة الأخيرة أكثر من 90 ٪.

فيزياء العمليات التكنولوجية

لأكثر من 30 عامًا ، وحتى وقت قريب ، كانت هذه العوامل هي التي تحد. لقد أدرجت بالفعل بعض هذه القيود - دخول الشوائب تحت الأكسيد أثناء الانتشار ، نخر أكسيد تحت مقاوم الضوء أثناء الحفر ، وتآكل الطبقات المودعة بالفعل أثناء العمليات الحرارية.

طرق الحل موصوفة جزئيًا أيضًا.

تم استبدال الانتشار بواسطة زرع أيون. بالإضافة إلى ذلك ، بالنسبة لأصغر الطبقات ، تم تغيير المواد النجاسة - بدلاً من الفسفور ، يتم استخدام الزرنيخ ، بدلاً من البورون الغاليوم. ذراتها أكبر وأثقل ، وبالتالي تذوب بشكل أسوأ في السيليكون في نفس درجات الحرارة (والأهم من ذلك ، يصعب عليها نشرها!). بالنسبة إلى عملية زرع الأيونات ، فإن هذا غير مهم ، ولكن عند التسخين اللاحق ، تتآكل هذه الطبقات بشكل أكثر ضعفًا.

حل إنتاج الأكسيد عن طريق التسخين محل الترسبات الحفزية ذات درجة الحرارة المنخفضة من الغاز. يتم استخدام التدفئة ، ولكن فقط في البداية ، في حين أن الكريستال نظيفة. في بعض العمليات ، يتم استخدام نيتريد السيليكون (Si ₃ N ₄ ) أو طبقات متعاقبة من أكسيد النيتريد بدلاً من أكسيد.

تم تغيير نقش الأحماض السائلة إلى نقش الأيونات. يستخدم حمض فقط لإزالة أكسيد من المنطقة بأكملها.

كانت هناك مشكلة أخرى تتمثل في إنتاج أكسيد عالى النقاء لبوابة عازلة كهربائية. يبقى هذا الأكسيد كعنصر عامل على الرقاقة ، ولديه متطلبات عالية للنقاء والتوحيد. سمك الأكسيد في الأماكن أقل من 10 طبقات ذرية. عيب صغير يؤدي إلى ثقب أو انهيار. هذا يعطي إغلاق كهربائي للمصراع إلى القاعدة وفشل العنصر. لبعض الوقت ، تم استخدام تناوب طبقة من أكسيد نيتريد السيليكون. في تقنية 90 نانومتر ، تم استخدام أكسيد الهافنيوم HfO ₂ كعزل بوابة.

بالمناسبة ، خلال اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ، كانت بالضبط مشكلة الحصول على أكسيد عالي الجودة هي التي أبطأت الانتقال إلى CMOS. ومن هنا البحث عن مسارات بديلة والتأخر العام في الإلكترونيات الدقيقة الرقمية.

العملية الأكثر أهمية هو الطباعة الضوئية. لدرجة أنه حتى الآن وضع الكثير من الناس علامة متساوية بين دقة العملية التقنية برمتها ودقة الطباعة الضوئية. والمشكلة الرئيسية للطباعة الليثوغرافية منذ أواخر الثمانينات هي حيود الضوء. بتعبير أدق ، الأشعة فوق البنفسجية ، على الرغم من أن المبدأ هو نفسه. لن يكون من المبالغة القول إن النضال لتقليص حجم العمليات التكنولوجية لمدة 30 عامًا كان في المقام الأول صراعًا ضد الحيود.

تم اكتشاف حيود الضوء في القرن الثامن عشر من قبل آباء مؤسسي البصريات:


عند اختراق الفتحة ، تنحرف أشعة الضوء وأي إشعاع كهرمغنطيسي آخر (EMP) عن المسار المستقيم ، وتتباعد وتتوغل في منطقة الظل. لوحظت هذه الظاهرة في أحجام الثقوب القريبة من الطول الموجي. أصغر ثقب مقارنة مع موجة ، وأقوى تشتت. القاعدة صالحة لفجوات تصل إلى ربع طول الموجة. الثقب هو أقل من ربع الطول الموجي ، شعاع EMP ببساطة "لا يرى" وينعكس من السطح مع هذه الثغرات الصغيرة مثل من الصلبة.

طول موجة LEDs السيليكون حوالي 1 ميكرون (بالقرب من الأشعة تحت الحمراء) ، الطول الموجي للضوء المرئي من 780 نانومتر (أحمر) إلى 380 نانومتر (الأرجواني). أقل من 380 نانومتر ، الأشعة فوق البنفسجية (UV) تبدأ. يبلغ طول الموجات المستخدمة اليوم في الطباعة الضوئية الطولية 248 نانومتر و 193 نانومتر ، وهذا هو إشعاع الليزر المثير (على سبيل المثال ، في XeF ₂ ). وفقًا لذلك ، ارتفعت مشكلات الحيود إلى ذروتها بعد التغلب على شريط التكنولوجيا 3 ميكرون ، وبعد 800 نانومتر أصبحت مهيمنة. بسبب الانعراج أثناء التعرض ، تدخل الأشعة فوق البنفسجية إلى المنطقة تحت قناع غير شفاف وتضيء مقاوم الضوء في الظل. نتيجة لذلك ، بدلاً من مربع واضح ، نحصل على فطيرة ضبابية.

بالإضافة إلى تآكل النوافذ ، هناك تأثير للموجات الجانبية المتداخلة (التداخل) للنوافذ ذات المسافات البعيدة. تظهر قمم التوهج أسفل الجزء العاكس من القناع الضوئي.


البصريات - بلا قلب لك ...

ما الأساليب المستخدمة لمكافحة هذه الظاهرة؟

كانت الخطوة الأولى لاستخدام التصوير الضوئي الإسقاط. إذا تم تبسيطها إلى حد كبير ، يتم تثبيت العدسة بين القناع الضوئي واللوحة ، التي تجمع أشعة متباعدة وتركزها على مقاوم الضوء.



كانت هناك طريقة أخرى لتقليل طول موجة التعرض للإشعاع. في وقت واحد ، بدأوا مصابيح الزئبق القوسية مع طول موجة الإشعاع من 436 نانومتر - وهذا هو الضوء الأزرق. ثم 405 نانومتر (البنفسجي) ، 365 نانومتر (بالقرب من الأشعة فوق البنفسجية). على هذا ، انتهى عصر مصابيح الزئبق ، بدأ استخدام أشعة الليزر excimer. أولاً ، 248 نانومتر (الأشعة فوق البنفسجية المتوسطة) ، ثم 193 نانومتر (الأشعة فوق البنفسجية العميقة). في هذه العملية المتوقفة.

الحقيقة هي أنها وصلت إلى حدود انتقال البصريات الكوارتز. موجات أقصر تمتص الكوارتز. كان من الضروري إما التبديل إلى أنظمة النسخ المتطابقة ، أو استخدام العدسات من مواد أخرى. تم إجراء التركيبات التجريبية عند 157 نانومتر بناءً على بصريات فلوريد الكالسيوم. ومع ذلك ، لم يذهبوا أبدا إلى السلسلة. منذ كانت هناك طرق لتحسين الطباعة الحجرية 193 نانومتر.


الرسوم البيانية البصرية على الليزر. مصدر

الطباعة الحجرية EUV

في منتصف التسعينيات ، قاموا بتطوير ليثوغرافيا ضوئية قياسية على الأشعة فوق البنفسجية الشديدة (طول الطباعة الحجرية EUV ) بطول موجة يبلغ 13.5 نانومتر. جعل هذا الطول الموجي من الممكن إعطاء دقة في وحدات نانومتر.

بحلول أوائل عام 2000 ، ظهرت العينات التجريبية الأولى.

بحلول نهاية العقد الأول من القرن العشرين ، كان من المفترض أن تدخل التكنولوجيا في سلسلة. وأخيراً ، جاءت الأخبار أنه في عام 2019 ، ستتحول Samsung و TSMC التايوانية إلى الطباعة الحجرية EUV. لقد مر أقل من 15 عامًا ( هكذا! ). أصبحت شركة إنتل الخصم الرئيسي لطباعة حجرية الطباعة الضوئية بالليزر ، على الرغم من أنها كانت في الأصل واحدة من المبادرين. وإدراكًا منهم أن كل ما كان ممكنًا تم إخراجه من أصل 193 نانومتر UVI ، أعلنوا الانتقال إلى 126 نانومتر (ها ها ها)

ما هو سبب هذا الرفض؟

والحقيقة هي أن 13.5 نانومتر هو بالفعل الأشعة السينية عمليا. تعتبر الحدود بين الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية تقليديا 10 نانومتر ، ولكن الأشعة فوق البنفسجية لا تختلف عن الأشعة السينية اللينة في سلوك 13.5 نانومتر. لذلك ، فإن الطباعة الحجرية EUV أشبه بالأشعة السينية. العدسات لمثل هذا الطول الموجي لا وجود لها في الطبيعة ، وبالتالي ، فمن الضروري التبديل إلى المرايا من طبقات غير متجانسة من المعدن.

بالإضافة إلى إنتاج بنية رفيعة ومعقدة للغاية ، تمتص المرايا المعدنية معظم الإشعاع. وحدات في المئة من الطاقة الإشعاعية الأولية تصل إلى مقاوم الضوء. إذا أخذنا في الاعتبار أن كفاءة باعث نفسه هو أيضا في المئة قليلة ، ثم للحصول على وقت التعرض الطبيعي ، هناك حاجة إلى طاقة عالية واستهلاك طاقة مرتفع ( ooops! ).


هذا هو ASML EUV الماسح الضوئي

مصدر الإشعاع هو البلازما. مادة متقلبة للغاية ، يصعب من خلالها تحقيق تدفق منتظم دون نبضات. حتى الهواء يمتص بنشاط 13.5 نانومتر ، لذلك لا يمكن إجراء التعرض إلا في فراغ.

المشكلة مع اختيار مقاومة للضوء. كلما كان طول الموجة أقصر ، زادت طاقة الفوتون. أعطت المصادر السابقة الطاقة في وحدات فولت الإلكترون ، وهذه هي الطاقة المعتادة للتفاعلات الكيميائية. طاقة الفوتون لموجة 13.5 نانومتر هي 92 فولت إلكترون. هذه هي طاقة الربط للإلكترونات العميقة. عند امتصاص مثل هذا الفوتون ، يصبح الإلكترون "ساخنًا" جدًا ويبدأ في الاندفاع ويشع الطاقة الزائدة ويسبب التعرض الثانوي بعيدًا عن النافذة. لذلك ، يعد اختيار مقاوم الضوء مع مجموعة المعلمات المطلوبة مهمة صعبة أيضًا.



نتائج محاكاة مونت كارلو لسفر الإلكترون في السيليكون مع طاقات 20 و 5 فولت. مصدر

تحدد هذه الصعوبات أسباب تأجيل الانتقال إلى EUV حتى آخر.

الطرق الفعلية لمكافحة الحيود

لذلك ، حتى وقت قريب ، تم استخدام نفس UVI بطول موجة 193 نانومتر كمصدر للإشعاع. يصل إلى التكنولوجيا 10 نانومتر و 7 نانومتر. ونذكر الآن أن الإشعاع لا يمكن أن يخترق الفجوة إذا كان عرضها أقل من ربع الطول الموجي. ل 193 نانومتر هو 48 نانومتر. السؤال الذي يطرح نفسه - كيف؟

هذه هي المعجزة الصغيرة التي فعلها المهندسون. استخدموا طريقة الاستقطاب الإشعاعي.

نحن نأخذ فجوة ضيقة مستطيلة (بعرض أقل من ربع الطول الموجي) ونوجه الضوء نحوه ، مستقلاً على طول المحور. سوف يمر الضوء عبر الفجوة ، وحتى الحيود في الاتجاه العرضي سيكون ضئيلاً.



والآن نأخذ شريحتين عموديتين: أفقية ورأسية. أولاً ، نقوم بإشعاع مقاوم الضوء المكون من عنصرين بالضوء المستقطب من خلال فتحة رأسية ، ثم من خلال فتحة أفقية. فقط المنطقة المشععة تظهر مرتين. تماما مثل كل عبقري.

صحيح ، سوف تضطر إلى استخدام قوالب صور أكثر مرتين و 2 عمليات تعريض لإنشاء نافذة واحدة. ولكن يمكنك استخدام بصريات الكوارتز القديمة الجيدة ومثبتات الضوء المثبتة لسنوات. هذا تطور!

هناك طرق أخرى لمكافحة الحيود ...

تصحيح القرب البصري. يتكون شكل نوافذ القناع الضوئي من شكل غير مستطيل للتعويض عن العيوب أثناء الحيود.


طريقة تصحيح القرب البصري هي تخطيطي ...

استخدام أقنعة مرحلة التحول. على جانبي النافذة الرئيسية للماسحة الضوئية ، قم بعمل مساعد ، حيث تقوم المادة بتحويل مرحلة الموجة. عندما يتم تطبيق الموجات ( التداخل ) ، فإنها تقطع جزئيًا التشريد الجانبي عن بعضها البعض.



الإضاءة خارج المحور. لا يسقط الشعاع بشكل عمودي على سطح اللوحة ، ولكن من مصدرين بزاوية طفيفة. عند تطبيق المصادر ، يتم تعويض النزوح الجانبي جزئيًا.

التعرض المتعدد. على سبيل المثال ، نحتاج إلى عرض ست نوافذ قريبة. أولاً ، نقود النوافذ 1 و 3 و 5. وبعد ذلك 2 و 4 و 6. هذا يزيد من عدد دورات التعرض وقوالب الصور مرتين ، ولكن لا يزال أفضل من لا شيء. بالنظر إلى الاستقطاب الأفقي والرأسي ، نحصل على 4 دورات تعرض لإنشاء طبقة واحدة.

وبالتالي ، إذا نظرنا إلى القناع الضوئي الحديث ، فلن نرى مناطق الدائرة الصغرى في شكل واضح. سيكون هناك مجموعة من الأشكال الأفقية والرأسية ، والتي عند تراكبها ، سوف تعطي صورة. في الواقع ، الأحرف الصينية الصلبة: ربما لهذا السبب احتل الصينيون إنتاج الإلكترونيات الدقيقة؟!

بعد 45 نانومتر ، تحولوا إلى الليثوغرافيا الضوئية الغمر. هذا هو عندما يتم ملء المسافة بين العدسة المتطرفة ومقاوم الضوء مع السائل. في البداية كان الماء. الآن السوائل الخاصة مع ارتفاع معامل الانكسار (ما يصل إلى 1.8). يقلل السائل من الطول الموجي الفعال ويحيد انكسار الضوء في واجهة الوسائط.

هذه هي الطريقة التي توصلوا إلى قرار ~ 10 نانومتر. ولكن يبدو أن هذا هو الحد الأقصى للطباعة الحجرية 193 نانومتر.



صورة لطبقة المعدنة الأولى لتكنولوجيا 24 نانومتر. على اليسار ، التي أنشأتها 193 الطباعة الحجرية ، على اليمين التجريبية 13.5 نانومتر (EUV). كما ترون ، من الأشكال المستطيلة الصافية السابقة ، هناك ذكريات فقط. لا يزال يعمل.

حول القيود المادية ، وكيف تؤثر وكيف تغيرت الإنتاج في الجزء الثاني في غضون يومين - لا تنزعج!

---

لا تنس الاشتراك في المدونة : ليس من الصعب عليك - أنا سعيد!

ونعم ، يرجى الكتابة عن أوجه القصور المذكورة في النص في PM.