ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ЛИТОГРАФИЯ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЧАСТЬ 1

Вторичный рынок оборудования

Для полноты картины стоит упомянуть и данный вариант – покупка оборудования на вторичном рынке. Насколько реалистичен такой вариант в ситуации, когда покупка и наладка происходят без одобрения и участия производителя – мне сказать сложно. Но что-то подсказывает, что с учётом высочайшей сложности оборудования – это малореально. И опять-таки, по сути здесь можно вести речь только о Китае, т.к. только там есть в наличии иммерсионные литографы, которые необходимы России (остальные страны официально будут придерживаться политики санкций). Но у Китая, самого находящегося под серьёзными санкциями и испытывающего дефицит передовых мощностей по производству чипов, такого оборудования немного и оно крайне загружено. Мне трудно представить, что в этой ситуации кто-то в Китае возьмёт и отдаст России столь ценное оборудование.

Такова, вкратце, текущая ситуация.

CMOS логика

Разобравшись с принципом работы транзистора, переходим к следующему вопросу: как же имплементировать логические операции с помощью таких затворов? На самом деле, трудно представить связь между протеканием тока и теми инструкциями, которые можно увидеть в программном коде. Существует далеко не один метод для реализации логики, однако сегодня мы остановимся на самом распространенном из них — CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor), или КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник).

Почему же CMOS стал столь популярным? Причина кроется в энергоэффективности метода. C MOS затрачивает значительное количество энергии только во время переключений, в то время как другие методы имплементации логики потребляют достаточно много энергии вне зависимости от состояния.

Нужно отметить, что CMOS состоит исключительно из MOSFET-транзисторов p- и n-типа и не имеют в своей архитектуре резисторов. Поэтому существуют определенные требования, которые позволяют заимплементировать всевозможные логические вентили. Таких требований всего два:

Рассмотрим эти требования на примере логического вентиля отрицания. Для его реализации требуется один NMOS- и один PMOS-транзистор. В такой конструкции PMOS-транзистор подсоединен к источнику напряжения, а NMOS — к земле. Схему вентиля отрицания можно увидеть ниже.

Схема логического вентиля отрицания

Принцип работы вентиля отрицания заключается в следующем. При высоком напряжении на входе NMOS-транзистор переходит во включенное состояние, а PMOS, наоборот, находится в выключенном. Тогда напряжение на выходе находится на уровне, близком к 0 В. В случае, если на вход подается низкое напряжение, PMOS-транзистор переходит во включенное состояние. При этом на выходе напряжение относительно высокое и по своему значению близко к показателю Vdd. Если говорить более простым языком, то при подаче на вход близкого к нулю напряжения (другими словами, значения «0») на выходе мы получаем ненулевое напряжение (значение «1»). И наоборот: при подаче нулевого напряжения (значение «0») на выходе получается ненулевой вольтаж (значение «1»).

Как вы знаете, современные процессоры состоят из миллионов таких транзисторов. При этом столь огромное их количество удается разместить на достаточно малой площади. К примеру, процессор Apple A8, использующийся в смартфонах iPhone 6, имеет около двух миллиардов транзисторов. Но при этом размер кристалла составляет всего 89 мм2. Делать столь производительные и небольшие чипы позволяют современные производственные технологии, о которых и пойдет речь далее.

Насколько всё же глубока эта кроличья нора?

Чтобы было понятно насколько это наукоёмкий процесс, рекомендую почитать следующие материалы:

Передовые сканеры для подобных технологий на данный момент производит только нидерландская ASML и свою топовую продукцию они кому попало не продают, т.к. вовсю работают со штатами, а значит под риском санкций ничего продавать ни Китаю, ни России не будут (про то как SMIC пытались купить новую установку и что из этого вышло есть даже отдельная история). Это значит, что быстро нарастить собственное производство Китай тоже не может.

Хуже того, некоторые СМИ сообщают, что американцы уже обращались и к китайским компаниям (в частности SMIC и Lenovo) c просьбой отказать России в сотрудничестве. Но, судя по последней риторике Китая и их отношениями со штатами, гораздо большей проблемой может стать то, что для SMIC сейчас собственный рынок будет приоритетней, чем экспорт в РФ (не забываем про мировой дефицит полупроводников).

Как я уже написал выше — у самой SMIC банально нет возможности быстро создать производство по передовым технологиям. На их фабриках на данный момент доступны следующие техпроцессы (также приведён процент по выручке за третий квартал 2021):

* Данные по мощностям весьма наколеночные (кроме 14/28 нм), поскольку на своём сайте SMIC указывает производительность каждой фабрики и доступный для производства на ней диапазон, по факту там получается несколько больше.

Вообще-то есть сообщения, что SMIC собирается улучшить свою 14 нм линию и в результате они смогут производить чипы по улучшенному техпроцессу, якобы «эквивалентному 8 нм от Samsung», причём всё это без использования оборудования ASML. Только вот по новостям от самой SMIC предназначаться это производство будет для «дешёвых чипов» (надо полагать речь, например, о памяти), а кроме того, эта единственная линия ситуацию никак не изменит и, как можно заключить из текущих объёмов производства, даже без всяких санкций воспользоваться их 14/28 нм нам вряд ли светит, по крайней мере в ближайшее время — Китай будет в первую очередь удовлетворять собственные потребности в полупроводниках.

Кто во всём этом виноват, решите сами. В целом, если осмотреть трезвым взглядом промышленность страны, можно догадаться. Тем не менее, я считаю что невзирая на общую картину не малая в этом вина и тех, кто убеждал людей принимающих решения в том как хорош fabless.

Так или иначе, имеем то что имеем. Чтобы создать производство современных чипов нужны не только литографы, нужно различное вспомогательное оборудование, нужно изготавливать сами маски для этих степперов, что тоже крайне дорого, в конце концов нужно ПО для всего этого, ну и т.п.

Когда в вопросе начинаешь разбираться, выясняется, что какое-то оборудование для производства чипов у РФ всё же есть, но тут очень много всяких «но».

Если судить по открытым данным, фабрик, способных производить чипы по техпроцессам ниже 90 нм у нас в лучшем случае всего пара. Причём одно из них — Crocus Nano Electronics, судя по их сайту, по техпроцессам 90/55 нм может производить только MRAM, что хоть и прикольно само по себе, но применимость подобной памяти, надо полагать, сильно зависит от её особенностей, да и одной памятью всех потребностей никак не закрыть. Вторая фабрика это Микрон с его «ФАБ 200» и 65 нм.

Вообще про Микрон писали, что литограф, который им удалось купить несколько лет назад это PAS 5500/1150C от ASML и в его характеристиках заявлены нормы ≤ 90 нм, но благодаря модернизации удалось получить 65 нм.

Ещё есть бывший «Ангстрем-Т» (ныне «НМ-Тех») на оборудовании которого вроде как была возможность выпускать чипы вплоть до 90 нм. Но после всех злоключений и банкротств ещё непонятно когда эту линию наконец запустят, так что её вообще нет смысла учитывать.

Пусть суммарно Микрон с Крокусом дадут, в лучшем случае, 7000 пластин в месяц. Просто для сравнения одна только Fab-15 у TSMC по некоторым сообщениям может выдавать до 100 000 пластин в месяц (а теперь посмотрите сколько всего у TSMC фабрик и начнёте понимать масштаб проблемы). Причём, это даже без учёта того что у Микрона пластины 200 мм, а у TSMC 300 мм, т.е. разрыв в количестве продукции ещё более существенный, чем может показаться на первый взгляд (иначе говоря там пропасть, а не разрыв, но об этом мы поговорим далее).

Ну и раз уж вспомнили «импортозамещение», несколько лет назад была ещё одна «великолепная» история, связанная с моим любимым Роснано. Помимо «традиционной» масочной фотолитографии, существует ещё перспективное направление безмасочной многолучевой литографии. Там есть свои плюсы и минусы, но в целом технология, похоже, будет развиваться. Так вот, в 2013-м году это самое Роснано вложило 40 млн. евро в компанию Mapper Lithography и если верить рассказу одного из участников процесса, основным условием было только то «что завод будет построен в России». Условие-то замечательное, только вот уже в 2018 компания была признана банкротом, а интеллектуальные права выкуплены ASML. Вот такое у Роснано «инвестирование».

Как можно судить по комментариям, в сообществе сейчас царит почти тотальный пессимизм касательно отечественной полупроводниковой отрасли. В целом, из описанного выше, я думаю, можно понять почему.

Зеленоградский нанотехнологический центр

В 2021-ом году ЗНТЦ выиграл 2 тендера на разработку отечественных литографов на 350 нм к 2025-ому году и на 130 нм к 2026-ому году. В публичных заявлениях представители ЗНТЦ заявляли об участии минского Планара в кооперации по разработке данного оборудования. Это выглядит вполне логично и почти наверняка упоминание тех же нанометров и сроков в предыдущем пункте – это один и тот же проект.

Опять-таки, опустим степпер на 350 нм и остановимся чуть подробнее на характеристиках 130 нм степпера.

Во-первых, обратим внимание на заявленную цель ОКР:

Целью выполнения ОКР является разработка конструкторской документации с литерой «О», изготовление опытного образца установки проекционного переноса изображений топологического рисунка ИС на пластину (Step&Repeat)  и источников излучения с длинной волны 193 и 248 нм, постановка базовых технологических процессов (БТП) проекционного переноса изображений на пластину (Step&Repeat) с размером минимального конструкционного элемента 130 нм*. Установка предназначена для проекционного переноса изображения фотошаблона на полупроводниковую пластину и мультипликации его на пластине при изготовлении СБИС с проектной топологической нормой 0,13 мкм

Здесь обращает внимание, что заявляется работа степпера на 2-х источниках излучения – 193 и 248 нм.

Далее, посмотрим на заявляемые характеристики разрабатываемого литографа и сравним его с ASML PAS 5500/300C, который имеется в наличии на ЗНТЦ сейчас:

Собственно, невооруженным взглядом видно, что разрабатываемый степпер выглядит аналогом своего голландского собрата, что вполне логично. Также заметен заложенный потенциал в качестве использования ArF источника излучения, дающего возможность в будущем перейти на более низкие 90-65 нм техпроцессы.

Электронный пучок, остросфокусированный с помощью магнитных линз на поверхность слоя полимера (резиста), чувствительного к электронному облучению, прорисовывает на нем изображение, которое обнаруживается после обработки резиста в проявителе. Обработка электронным пучком резиста меняет степень растворимости полимера в растворителе (проявителе). Участки поверхности, с записанным на них изображением, очищаются от резиста с помощью проявителя. Через полученные окна в плёнке резиста производится вакуумное напыление подходящего материала, например, нитрида титана или металлов или ионное травление. На последнем этапе технологического процесса неэкспонированный излучением резист также смывают другим растворителем.
Перемещение электронного пучка по поверхности осуществляется с помощью компьютера изменением токов в отклоняющих магнитных системах. В некоторых установках при этом меняется форма и размеры пятна электронного пучка.
На выходе многоступенчатого технологического процесса получается фотошаблон-маска для использования в фотолитографии и других нанотехнологических процессах, например, в технологии реактивного ионного травления.

Также электронная литография, имеющая невысокую производительность, используется при производстве единичных экземпляров электронных компонентов, в тех случаях, когда требуется нанометровое разрешение, в промышленности и в научных исследованиях.

Инвестиции от Роснано

Компания признана банкротом 28 декабря 2018. Разработки, интеллектуальные права выкуплены ASML.

Способ управления лучом напоминает работу электронно-лучевых трубок в ЭЛТ-дисплеях или осциллографах.

• McCord, M. A.; M. J. Rooks. // SPIE Handbook of Microlithography, Micromachining and Microfabrication (англ.). — 2000.
• Applied scrambles to hold lead in e-beam photomask tools / EETimes, 2001-07-27

На вход технологии поступают пластины, называемые подложками. Состав материала подложек, кристаллическая структура (вплоть до межатомных расстояний в подложках для современных процессоров) и кристаллографическая ориентация строго контролируются. В ходе технологического процесса в приповерхностном слое полупроводникового материала, являющегося подложкой или нанесённого на подложку, создают области с различным типом или величиной проводимости, определяемой в конечном счёте различной концентрацией донорных и акцепторных примесей, а также материалом слоя. Поверх слоя полупроводникового материала, с использованием в нужных местах прослоек диэлектрического материала, наносятся слои проводящего материала, образующего контактные площадки и необходимые соединения между областями. Области и слои проводника, полупроводника и диэлектрика в совокупности образуют структуру полупроводникового прибора или интегральной микросхемы.

Особенность планарной технологии состоит в том, что после завершения каждой технологической операции восстанавливается плоская (планарная) форма поверхности пластины, что позволяет создавать достаточно сложную структуру, используя конечный набор технологических операций.

Планарная технология обеспечивает возможность одновременного изготовления в едином технологическом процессе огромного числа дискретных полупроводниковых приборов или интегральных микросхем на одной подложке, что позволяет существенно снизить их стоимость. Также в случае изготовления на одной пластине идентичных приборов параметры всех приборов оказываются близкими. Ограничителем является только площадь подложки, поэтому диаметр подложек по мере развития технологий производства подложек стремятся увеличивать.

Для контроля качества выполнения промежуточных операций на подложке, как правило, выделяют несколько малых областей (обычно в центре и на периферии), на которых в ходе штатного технологического процесса формируются тестовые проводящие дорожки и элементарные приборы (конденсаторы, диоды, транзисторы и т. п.). В этих же областях формируют контактные площадки относительно большой площади для тестирования годности пластин перед скрайбированием (разделением на отдельные приборы).
Для совмещения изображений при фотолитографии также в специально выделенной области формируются знаки совмещения, подобные тем, какие можно встретить на многоцветной печатной продукции.

В настоящее время (2015 г.) запись скрытого изображения в плёнке резиста на поверхности образца может осуществляться тремя возможными методами:

Этот вид записи аналогичен считыванию (записи) изображения на экране телевизора, где электронный луч
последовательно (построчно) обегает каждую точку экрана. В местах где необходимо, луч экспонирует резист, остальных точках пучок электронов блокируется запиранием электронной пушки, хотя сканирование (изменение тока в системе отклонения) продолжается.

Электронный луч подаётся только на те места, где необходимо экспонирование, и не подаётся в места, не подлежащие экспозиции. Поэтому весь процесс экспозиции осуществляется значительно быстрее, чем при растровом способе записи.

Запись электронным пучком с изменяющимся размером и формой электронного пучка

В этом случае запись происходит «большим мазком», — по терминологии художников. Так как любой рисунок можно нарисовать с помощью прямоугольников, то нет необходимости растеризовать рисунок на элементарные пикселы, достаточно изменять форму и размер сфокусированного пучка, от маленького прямоугольника до большого. Запись при этом происходит ещё быстрее, чем в векторном способе.

Увеличение разрешающей способности

На протяжении последних десятилетий перед инженерами неизменно стояла задача уменьшения размеров кристаллов. Одним из способов является использование света с малой длиной волны, которое позволяет достичь большего разрешения. Нечто похожее можно наблюдать в электронном микроскопе. Использующиеся в нем короткие волны де Бройля обеспечили микроскопу выдающуюся разрешающую способность, которая во много раз превышает разрешение любого оптического микроскопа. Аналогично в фотолитографии можно повысить разрешение посредством использования источников света, генерирующих короткие волны.

В этой области инженерам удалось добиться значительного прогресса. Начиналось все с ртутных ламп, которые генерировали ультрафиолетовый свет с длиной волны порядка 400 нм. После того как потенциал таких ламп был исчерпан, индустрия переключилась на использование лазеров, которые смогли не только обеспечить более высокую разрешающую способность, но и ускоряли весь процесс производства. Первым таким устройством стал криптоно-фторидный лазер, генерирующий длину волны около 248 нм. Следующим шагом было использование аргоно-фторидного лазера. Длина волны в этом случае составляла всего 193 нм. Увы, но для того чтобы использовать еще более короткие волны (например, глубокий ультрафиолет) весь литографический процесс необходимо проводить в вакууме. Причина этого заключается в том, что воздух поглощает все излучение с длиной волны меньше 186 нм. На практике даже излучение с длиной волны 193 нм, которое вырабатывается аргоно-фторидным лазером, отчасти поглощается воздухом, что можно видеть на графике ниже.

Иммерсионная литография

Еще одним способом увеличения разрешающей способности является иммерсионная литография. Разные производители начали использовать эту технологию в разное время. Это произошло в период между выпуском первых 65-нм и 32-нм чипов. Иммерсионная литография является относительно простым процессом. Его смысл заключается в том, что воздушное пространство между последней линзой и пленкой фоторезиста заполняется жидкостью с показателем преломления больше единицы. Благодаря этому повышается числовая апертура оптической системы, потому как свет от источника лучше рассеивается. Кстати, в качестве иммерсионной жидкости, как правило, используется высокоочищенная (деионизированная) вода.

Нужно отметить, что в деионизированной воде должны отсутствовать какие-либо газы, поскольку под влиянием высокой температуры и давления они могут стать причиной появления пузырьков между линзой и пластиной. В этом случае коэффициент преломления в воде может непредсказуемо изменяться, что приведет к дефектам литографии. К слову, излучение с длиной волны 193 нм также может ионизировать воду, тем самым провоцируя реакции с фоторезистом.

Увы, но с появлением фотолитографии в глубоком ультрафиолете (EUV, Extreme ultraviolet lithography) использовать метод иммерсионной литографии стало невозможным, поскольку использующиеся жидкости поглощают всю выделяемую энергию.

Мультипаттернинг

А вот технологию мультипаттернинга (Multiple Patterning) использовать вместе с фотолитографией в глубоком ультрафиолете уже возможно. При этом существует далеко не один способ ее реализации. Суть мультипаттернинга заключается в следующем. К примеру, если определенная система умеет печатать линии на расстоянии 64 нм друг от друга за один проход, то во время второго прохода она сможет нанести еще две такие же линии с таким же интервалом, причем одна из них будет располагаться между линиями первого прохода. Как итог, всего будет нанесено 4 линии на расстоянии 32 нм друг от друга.

Одним из основных способов мультипаттернинга является двойное формирование рисунка LELE (Litho-Etch, Litho-Etch). В процессе LELE используется два отдельных фоторезистивных слоя. Во время первого прохода литография производится на твердой маске, после чего следует проявление. Очень важно использовать именно твердую маску, так как во время второго прохода используется еще один слой фоторезиста, который впоследствии также экспонируется и проявляется. Если бы не твердая маска, то после применения второго слоя фоторезиста от первого рисунка ничего бы не осталось. Что касается технологии LFLE (Litho-Freeze, Litho-Etch), то она является своего рода модификацией LELE. В LFLE не используется твердая маска. После начального литографического процесса фоторезист замораживают, покрывая его определенным химическим веществом, а затем проявляют. Тем самым первый резистивный слой отделяется от второго. После этого применяется второй литографический проход, и процесс завершается.

Помимо LELE и LFLE, применяется способ под названием SADP (self-aligned double patterning) — двойное формирование рисунка с самовыравниванием. Этот способ также состоит из двух этапов. На первом шаге происходит травление временных шаблонов, которые впоследствии становятся линиями травления в финальном шаблоне. После этого временные шаблоны заполняются твердой маской, к которой несколько позже применяется процесс травления для экспонирования боковых стенок линий временного шаблона. Затем временный шаблон удаляется, а к экспонированному оксиду также применяется процесс травления. В результате получаются линии, расположенные вдвое ближе друг к другу, причем результат достигается только за один литографический проход.

В названии технологии SADP не зря указано слово «самовыравнивание». Благодаря тому, что после наложения временного шаблона нет повторного процесса экспонирования, беспокоиться о выравнивании линий не приходится. Вдобавок ко всему, из-за того, что боковые стенки создаются с помощью твердой маски, результирующие линии получаются максимально ровными и точными.

Мультипаттернинг может показаться идеальным способом дальнейшего увеличения разрешающей способности, однако это не совсем так. Главный его недостаток (и весьма существенный) — его дороговизна. Даже из-за самого минимального несоответствия выравниваний между двумя шаблонами пластина приходит в негодность.

Вычислительная литография

Вычислительная литография представлена двумя основными методами: технологией фазосдвигающихся масок (phase shifting masks, PSM) и оптической коррекцией близости (optical proximity correction, OPC). Суть первой заключается в коррекции толщины отдельных пикселей маски для изменения их прозрачности, что изменяет фазу проходящего сквозь них света. В результате достигается больший контраст между экспонированными и неэкспонированными зонами, что увеличивает разрешающую способность.

Процесс оптической коррекции близости кардинально отличается от технологии фазосдвигающихся масок. По сути, эти два метода вообще не связаны между собой. Одним из самых больших недостатков литографии является то, что рисунок с фотомаски переносится на фоторезист с искажениями. Например, ширина полученных линий во многом зависит от плотности шаблона около этих самых линий. В итоге результирующие полосы, как правило, получаются более узкими и располагаются не совсем так, как на маске. Технология OPC как раз отвечает за коррекцию искажений. С ее помощью создается такая фотомаска, чтобы в итоге все элементы располагались на нужных позициях.

Кремний — главный полупроводник

Так располагается запрещенная зона (bandgap) в кристалле полупроводника – между зоной валентности (valence band) и зоной проводимости (conduction band)

Наш рассказ мы начнем с самого важного материала для компьютерной индустрии — кремния. Его отличительной особенностью, как и у любого другого полупроводника, считается его зонная структура (band structure), которая представляет собой совокупность энергетических уровней, которые образуются большим числом орбитальных положений, на которых могут располагаться электроны. При этом каждый из уровней отделен друг от друга. Тем не менее, можно заметить, что между уровнями постоянно происходит распределение энергии. Происходит это как раз из-за очень большого количества орбитальных положений и их близкого расположения. Тут же стоит отметить, в структуре присутствуют и большие «зазоры», известные как запрещенные зоны (band gaps). По своей сути, запрещенные зоны — это те энергетические уровни, на которых электроны располагаться не могут.

Уровень Ферми для различных материалов: металлов, полуметаллов, полупроводников и изоляторов

В зонной структуре полупроводников существует такой показатель, как уровень Ферми, который на скриншоте выше обозначен как EF. Он отражает полное количество химической потенциальной энергии для электронов при абсолютном нуле, то есть при температуре 0 градусов по Кельвину. Поэтому если зона располагается над уровнем Ферми, то ее электроны могут отделяться от атомов. Следовательно, они также могут проводить ток. Такая зона называется зоной проводимости. Если же зона располагается ниже уровня Ферми, то ее электроны уже не могут покидать атом. Эта зона носит название зоны валентности.

Стоит сказать, что в идеальном кристалле полупроводника при температуре, стремящейся к абсолютному нулю, уровень Ферми располагается ровно посередине запрещенной зоны. Такое утверждение справедливо также и для изоляторов. Однако, в отличие от изоляторов у полупроводников, запрещенная зона, как правило, довольно узкая, что можно увидеть на скриншоте вверху. В действительности она настолько малая, что электроны даже могут «перепрыгивать» ее. Это происходит потому, что в реальных условиях всегда присутствует еще и тепловая энергия, которая оказывает дополнительное влияние на поведение электронов. Это свойство полупроводников не столь полезно для цифровой логики, как процесс легирования, который может оказывать реальное влияние на структуру каждой зоны. Другими словами, легирование позволяет изменять распределение электронов в зоне валентности и зоне проводимости.

В зависимости от того, как меняется распределение электронов, полупроводники могут быть двух типов: p и n. Если зонная структура изменяется таким образом, что свободные электроны генерируются легче и их становится больше, то такой материал становится полупроводником n-типа. Ну а если создаются электронные «дырки», то это уже полупроводник p-типа. Сама «дырка» представляет собой место, где мог бы располагаться электрон, но его там нет. Несмотря на отсутствие электрона в этом месте, «дырка» все равно может проводить ток. Если еще раз взглянуть на диаграмму полупроводника p-типа, то становится ясно, что его зона валентности находится в непосредственной близости от уровня Ферми. Из-за этого электроны, как правило, остаются в зоне валентности на низших орбиталях. Это означает, что на месте «дырок» могли быть электроны, что делает их носителями заряда. При этом нужно сказать, что приведенная диаграмма зон не совсем корректна. Объясним, почему. Обычно в процессе легирования зоны не только меняют свое расположение. Кроме этого, создаются и новые зоны, что не показано на диаграмме.

Положение равновесия в pn-соединении

Самые интересные процессы начинаются, когда полупроводники p- и n-типов располагаются друг с другом. Поскольку у полупроводников p-типа имеются «дырки», а у материалов n-типа — избыток электронов, то между ними начинается движение (диффузия) электронов, которое пытается уравнять заряд в соединении. Из-за диффузии область соединения полупроводником n-типа становится положительно заряженной, а p-типа — отрицательно заряженной. Это происходит потому, что в процессе диффузии часть соединения n-типа теряет электроны, то есть становится положительно заряженной. Область p-типа, наоборот, получает их и становится отрицательно заряженной. В результате образуется электрическое поле, препятствующее диффузии, и достигается положение равновесия. Та область, где происходит этот процесс, называется слоем обеднения. Такое название этот слой получил по той причине, что в нем практически отсутствуют подвижные носители заряда, из-за чего он не умеет проводить ток.

P-n-соединения чрезвычайно важны в микроэлектронике. Вообще описанная выше система может быть использована как диод, который представляет собой устройство, позволяющее протекать току только в одном направлении. Если подключить аккумулятор положительным полюсом к полупроводнику p-типа, а отрицательным — к полупроводнику n-типа, то электроны и «дырки» обоих полупроводников устремятся к соединению, и слой обеднения значительно уменьшится. И уже это приведет к тому, что через соединение начнет протекать ток.

Завершающие операции при производстве микросхем

По завершении операций по формированию приборов на пластине производится разделение пластины на малые кристаллы, содержащие единственный готовый прибор.

Изначально разделение пластины на отдельные кристаллы велось путём процарапывания её на глубину 2/3 от толщины пластины алмазным резцом с последующим раскалыванием по процарапанной линии. Этот принцип разделения дал название всей операции разделения пластин на кристаллы: «скрайбирование» (от англ. scribe — «размечать»).

В настоящее время скрайбирование может выполняться как с прорезанием на полную толщину пластины с образованием отдельных кристаллов, так и на часть толщины пластины с последующим раскалыванием на кристаллы.

Скрайбирование с некоторой натяжкой можно отнести к завершающим этапам планарной технологии.

Прорезание может выполняться различными путями:

После прорезания рисок пластины разделяют на кристаллы. Существует три основных метода:

Крепление кристаллов к корпусу

После скрайбирования кристаллы присоединяют к основанию корпуса:

Присоединение выводов к кристаллу

методы присоединения выводов:

методы герметизации — выбор метода зависит от материала и формы корпуса. Корпуса бывают герметичные (металло-стеклянные, металло-керамические, керамические, стеклянные) и негерметичные (пластмассовые, керамические).
Сварка:
холодная сварка;
электроконтактная сварка:
контурная,
роликовая,
микроплазменная,
аргонно-дуговая,
лазерная,
электронно лучевая;
Пайка:
конвективная в печах,
струёй горячего газа;
склеивание;
герметизация пластмассой.

При тестировании контролируется качество крепления выводов, а также устойчивость приборов (кроме негерметичных) к экстремальным климатическим условиям на стенде тепла и влаги и механическим воздействиям на ударном и вибростенде, а также их электрические свойства.
После тестирования приборы окрашивают и маркируют.

7 нм от ИПФ/ИФМ РАН

Буквально совсем недавно в российском сегменте сети Интернет прогремела новость о том, что «В России создадут литограф для выпуска чипов с топологией 7 нм».

Новость сопровождалась вот таким схематичным описанием установки:

И вот тут есть некоторые интересные моменты.

Вообще говоря, изначально данную новость я списал на очередную шумиху по поводу безмасочного литографа из п. 3. Казалось бы, то же рентгеновское излучение, те же люди из ИПФ/ИФМ РАН, те же слова о том, что «В России настолько скоростные машины попросту никому не нужны», т.е. речь о невысокой производительности. Но более внимательное рассмотрение вопроса выявило некоторые нестыковки:

Собственно, без более подробной информации или комментариев людей, имеющих непосредственное отношение к данному проекту, трудно сказать, является ли данный 7 нм литограф идейным продолжением НИР из п.3, или всё же мы имеем дело с классическим масочным EUV-литографом, пусть и создаваемого на базе разработок данного НИР. Если последнее, то это выглядит достаточно амбициозно, и если к 2028-ому году действительно удастся создать реальный промышленный EUV-литограф – это будет, несомненно, огромным успехом, т.к. напомню, на текущий момент такие установки в мире делает только ASML.

Ещё интересный момент, что в данном случае в качестве источника излучения выбран газ ксенон. На заре зарождения EUV-литографии газ ксенон считался наиболее перспективным вариантом, но дальнейшие исследования привели индустрию к выбору олова, а промышленые рабочие установки на ксеноне так и не получили билет в жизнь. Чем обусловлен выбор ксенона и каким образом создателям данной литографической установки удалось победить его проблемы — крайне интригующий вопрос.

Китай

Из всей заграницы есть только одна страна, которая потенциально может нам помочь – Китай.

На текущий момент главный (и единственный достоверно известный) производитель литографического оборудования в Китае – это компания Shanghai Microelectronics Equipment. Из представленной на сайте продукции наиболее совершенным литографом является 90 нм модель SSA600/20. Т.е. это примерно соответствует уровню литографического оборудования, которое имеется на данный момент на заводе Микрон.

Правда, тут есть один важный нюанс. В найденной на просторах интернета отчётности SMEE есть данные о выручке с разбиением по классам литографических систем, и выглядят они вот так:

Статистика заканчивается 2019-ым годом. Если она верна, то можно сделать вывод, что по факту основным продаваемым продуктом компании SMEE является i-line степпер на 280 нм. Было некоторое количество продаж KrF-степперов на 110 нм, последние из которых датируются 2014-ым годом. Поставка 90 нм ArF-степперов на момент окончания 2019-го года в отчёте не фигурирует, и никакой достоверной информации о том, работают ли такие степперы на промышленном производстве мне найти не удалось.

Также последние 2 года в китайском интернете активно распространялась информация о разработке иммерсионного литографа SSA800/10W на 28 нм (с потенциалом чуть ли не до 7 нм). Но опять-таки, никакой достоверной информации о том, в каком состоянии находится данная разработка, мне найти не удалось. Есть только сообщения такого рода:

В последнее время в Интернете появились слухи о том, что станок Shanghai Microelectronics с «28-нм литографией» (по слухам, модель SSA800/10W) не прошел национальную приемку по спецпроекту 02 и не сможет быть завершен к концу 2021 года

А также информация, что компания Beijing GuoWang Optical Technology Co. столкнулась с трудностями при введении нового завода, где планировалось производство оптических систем для передовых китайских литографов, и его запуск был перенесён с 2019-го на 2023-ий год.

Резюмируя, на данный момент Китай не имеет в наличии готовых литографов собственной разработки, которые могут помочь России сократить технологическое отставание в области промышленного производства микроэлектроники на более тонких нанометрах. Возможно, что данная ситуация изменится в ближайшие годы, но предсказать развитие событий здесь крайне сложно.