Ignacio Mártil
Elektronikus professzor a madridi Complutense Egyetemen és a Spanyol Királyi Fizikai Társaság tagja
Az integrált áramkör, amelyet az angolszász terminológiában „chipnek” neveznek, az egyik eszköz, amely leginkább befolyásolta mindennapjainkat. Az olyan eszközök, mint a mobiltelefon, a személyi számítógép, az internetes böngészés, még a mai autókban sem képzelhetők el az integrált áramkör (IC) nélkül. Egyikük gyártása rendkívül összetett és kényes eljárás, amelyben nagyszámú folyamat, különböző anyagok, tervezési szabályok stb. Az ezt lehetővé tevő mikroelektronikai technológiát a tervezési szabályok, anyagok és technológiai folyamatok összességeként kell érteni, amelyek bizonyos sorrendben alkalmazva lehetővé teszik az ilyen eszközök egyikének megszerzését. A gyártáshoz szükséges technológiai lépések száma az alkalmazástól függően messze meghaladhatja az 500-at.
Egy korábbi cikkemben leírtam annak eredetét és későbbi fejlődését. Ebben arra összpontosítok, hogy leírjam azokat a követelményeket, amelyeknek a gyártási környezetnek meg kell felelniük, a főbb folyamatokat és a végeredményt: az IC-t.
1. A környezet: a „ tiszta szoba"
Az első dolog, ami kiemelkedik az IC megszerzésének folyamatában, az a környezet tisztaságának követelménye, ahol gyártják, ami rendkívül korlátozó. Ezt a környezetet "tiszta helyiségnek" nevezik, és a körülmények olyanok, hogy ehhez képest a műtő (rendkívüli aszepszis helye) mocsárnak tűnik.
Ezen rendkívül nagy tisztaságú feltételek elérése érdekében a tiszta helyiségnek részben hermetikus helynek kell lennie, ahol a belépő levegőt előzőleg megszűrik, hogy megszüntesse a szokásos légkörben szuszpenzióban lévő porszemcsék nagy részét. Ezzel a szűrési folyamattal együtt a műveletért és a bent végzett munkáért felelős kezelőnek speciális öltönyt kell viselnie, amely megakadályozza, hogy az emberi bőr kapcsolatba kerüljön a környezettel, mert a test folyamatosan elhullja az elhalt hámsejteket, hajat stb. Mindez szennyezheti a gyártási környezetet, és életképtelenné teheti az IC-t.
A következő ábra a tiszta helyiség vázlatos és tényleges képét mutatja:
A tiszta helyiségeket a környezet tisztaságának mértéke szerint osztályozzák a különböző osztályokba, majd egy szám követi, amely jelzi a szuszpenzióban lévő részecskék számát minden köbméter levegőben; minél alacsonyabb az osztály, annál alacsonyabb a részecskék száma, következésképpen annál magasabb a gyártási környezet tisztasága [1]. A tiszta helyiségben található az IC gyártásához szükséges összes gép, amelynek folyamatát az alábbiakban nagyon sematikusan ismertetem.
2. A tiszta helyiség belsejében: a folyamatok
A technológiák, anyagok, tervezési szabályok stb. az IC gyártásában részt vesz, rendkívül összetett. Az ábra egy ilyen eszköz gyártási sorrendjét mutatja:
Az IC különböző gyártási fázisainak sematikus rajza, a tervezéstől a gyártáson át, a kapszulázásig és a végső tesztelésig. A kép központi téglalapján belüli összes folyamat a tiszta helyiségben zajlik
Lényegében az IC olyan eszköz, amely egy félvezetőt (amely a kereskedelmi IC-k túlnyomó többségében szilíciumot tartalmaz) tartalmaz, ostyának nevezve, egy elektronikus áramkör elemeinek sokaságának: ellenállásoknak, kondenzátoroknak, különféle tranzisztoroknak. típusok, összekapcsolódó fémek, az elemek közötti szigetelőrétegek stb. Ezen elemek mindegyikének, valamint összekapcsolásának meghatározásához olyan műveletek sorozatát kell végrehajtani, amelyek lényegében a következők:
i) Dopping ("implantátum")
Ez a folyamat szelektíven beépíti az ostyába a szilíciumtól eltérő elemek atomjait, ami lehetővé teszi annak elektromos tulajdonságainak szabályozott módosítását. Ionimplantátorokkal hajtják végre, olyan gépekkel, amelyek a beépítendő kémiai elemek ionjait úgy generálják, hogy azokat nagyon nagy energiákra gyorsítják fel. A felgyorsult ionok beépülnek a szilíciumba, ezzel módosítva annak elektromos tulajdonságait.
ii) Komponensdefiníciós fotolitográfia („fotolitográfia”)
Etimológiailag a "fotolitográfia" azt jelenti, hogy fénynel (fotonokkal) marják a követ, vagyis a félvezető ostyát. Ez az egyik legkritikusabb és legfontosabb lépés az IC gyártásában. Fotolitográfia segítségével a geometriai minták átkerülnek a félvezető felületére, amelyek lehetővé teszik az alkotó elemek, azok összekapcsolódásának és a köztük lévő elektromos szigetelésnek a meghatározását. A fotolitográfiai folyamatok jelentik a mikroelektronikai technológia szűk keresztmetszetét, és látványos fejlődése vezetett nagy mértékben, hogy az alkatrészek méretei olyan meglepően kicsiek. A következő képen bemutatom a folyamat néhány részletét:
iii) Szelektív ártalmatlanítási folyamatok („Etch”)
Ez a folyamat lehetővé teszi a nem kívánt területekről a fémrétegek vagy szigetelők ellenőrzött módon és az IC előre meghatározott területein történő eltávolítását.
iv) Elkülönítés („Dielektromos lerakódás”)
Egy lépés, amelyen keresztül nagyon vékony szigetelő rétegeket raknak le, hogy elkerüljék a nem kívánt összekapcsolódást az IC aktív elemei között. Alapvető fontosságú, mivel az eszközök rendkívül szorosan záródnak.
v) Összekapcsolások („fémesítés”)
Ez az előzőhöz hasonló folyamat, de vezetőképes anyagrétegekkel hajtják végre, hogy összekapcsolják az IC különböző elemeit. Az izolációs és metallizálási folyamatok síkítási technikákat igényelnek („kémiai-mechanikus planarizáció (CMP)”), mivel több összekapcsolási réteg létezik, ezért elengedhetetlen az egymást követő szakaszok laposságának garantálása, hogy ne veszélyeztessük a következőket. Ezenkívül ezeket az eljárásokat, az adalékolással és a fotolitográfiával együtt, különféle melegítéssel („Themal-folyamat”) kell végrehajtani ellenőrzött atmoszférában, hogy optimális legyen.
vi) Kapszulázás és záró teszt („csomagolás” és „teszt”)
Végül a már gyártott IC-ket teszteljük az ostyán, külön-külön elválasztva, tokozva, újra tesztelve és használatra készen.
Az IC leállításához az összes leírt folyamatot meg kell ismételni. Ahhoz, hogy végeredményként előre meghatározott specifikációkkal rendelkező funkcionális eszközt érjünk el, el kell végezni egy előzetes tervezési eljárást az egyes gyártási lépésekhez és a fotolitográfiai folyamatokban használt maszkokhoz, amelyek ezt megvalósíthatják.
A jelenlegi IC-k beépítésének igen nagy száma olyan nagyságrendű, hogy a tranzisztorok egymással való összekapcsolása érdekében meg kell határozni az egymást követő metallizációs rétegeket, valamint a közöttük lévő megfelelő szigetelő rétegeket, mivel egyetlen réteggel ez lehetetlen lenne mindegyiket megfelelően összekapcsolni.Az elemek. Az élvonalbeli technológiákban a rétegek vagy a "padlók" száma akár tíz is lehet. A következő videóban olyan videót láthat, amely fokozatosan mutatja az egyik eszköz belsejét:
Nem nehéz elképzelni, hogy milyen magas költségekkel jár egy olyan gyár, amely képes megvalósítani a technológia ezen igazi csodáját. Jelenleg az IC-gyár beruházása messze meghaladja az 1000 millió eurót, és az előző szakaszban leírt lépések végrehajtásához szükséges berendezések mindegyike meghaladhatja az egymillió eurót.
A létesítmények fenntartása szintén nagyon költséges (szűrők a tiszta helyiségben, öltözőkben, különféle fogyóeszközökkel ellátott berendezések karbantartása stb.). Külön meg kell említeni az összes fogyóeszköz nagy tisztaságát, ami kritikus szempont a félvezetőkkel való munkavégzés során, ami logikailag több költséget jelent. Ehhez hozzá kell adni a munkaerőköltségeket, amelyek szintén magasak, tekintettel az üzemeltetők magas szintű képzésére. Mindez a panoráma azt jelenti, hogy nagyon kevés olyan ország van, ahol IC gyárak vannak. Valójában a múlt század 90-es évek eleje óta általános a „gyár nélküli” („fabless”) gyártók fogalma, vagyis azok az iparágak, amelyek a teljes IC-t megtervezik, de megbízzák egy másik gyártóval, általában az alacsony munkaerőköltségek miatt a távol-keleti országokban telepítik. Például a mobiltelefonok területén ez a spanyol BQ gyártó esete.
3. Az elektronikus technológia határai: Moore törvényének vége?
A technológiák és folyamatok ezen elképesztő és rendkívül összetett kombinációjának végeredménye, mint már említettük, az IC. A pillanat legfejlettebb termékei integrálódnak az 1000 milliót meghaladó tranzisztorokba. Az ábrán a Pentium 4 processzor fotója látható, amely a század első évtizedében nagyon híres volt:
Az óriás Intel által gyártott Pentium 4 Prescott nagyfelbontású mikroszkóppal készített kép. A képen látható IC-n 125 millió tranzisztor található 12 x 12 mm 2 térben .
Feltalálása óta az egyes tranzisztorok méretének és az egyes IC-kbe beépített tranzisztorok számának alakulása Moore törvényeként követi ezt a törvényt, amelyet elképesztő pontossággal követnek 1965 óta, abban az évben, amikor Gordon Moore az Intel alapítói közül egészen a legutóbbi időkig. Az utóbbi években azonban úgy tűnik, hogy e törvény érvényessége a végéhez közeledni látszik. Az ábra azt mutatja, hogy mi történik egy IC-ben, amikor a tranzisztorok száma eléri az egymillió feletti értéket:
Moore törvénye és az IC-k feldolgozási sebessége a kezdetektől a mai napig
A grafikon azt mutatja, hogy 2005 óta a tranzisztorok számának növekedése már nem eredményezte az IC sebességének növekedését; valójában az említett sebesség növekedése abban az évben stagnál. Másrészt a tranzisztorok méretének csökkentése nem folytatódhat a végtelenségig, így néhány év múlva az IC-re jutó tranzisztorok száma is stagnál. Ekkor felmerül a kérdés: milyen következményei lehetnek ennek a pangásnak?
Az IC-feldolgozóipar „ütemterve” (Nemzetközi technológiai ütemterv a félvezetők számára) nemrégiben meghatározott egy kutatási és fejlesztési tervet, amely megalakulása óta először nem Moore törvényének középpontjában áll. Eddig az IC-gyárak által követett folyamat a következő volt: először az IC-t tervezték, majd gondolták, hol és hogyan használják. Ezentúl a nagy gyártók fordított stratégiát követnek, amelyet középen „Több mint Moore” néven ismernek. Lényegében abból áll, hogy az IC-k fő alkalmazásaira összpontosít (okostelefonok, szuperszámítógépek és a felhő-felhőhöz és a Big Data-hez kapcsolódó adatfeldolgozás), majd megtervezi az IC-ket, amelyek képesek megfelelni a megállapított követelményeknek.
Mindenesetre a folyamatsebesség stagnálása nem jelenti az IC-k teljesítményének és kapacitásának csökkenését. Valami hasonló történt a gépjárművek fejlődésével; A 70-es és 80-as évek útjain közlekedő autók (Seat 1430, Renault 12 stb.) A jelenlegi Seat Leónhoz vagy a Renault Megane-hoz hasonló maximális sebességet értek el, de az utóbbiak teljesen különböző járművek, mind koncepciójukban, mind használatukban. biztonsági technológiák, gyártás stb. Valami hasonló történik a közeljövőben az IC-kkel.
[1] Javaslom a kérdés iránt érdeklődő olvasót, hogy olvassa el ezt a cikket.