npokrit@yandex.ru

Главная / Блог / ​Как производят электронный кремний:
от песка до микропроцессора. Часть 2

обзор процесса очистки и выращивания монокристаллов кремния

Часть 2: от поликремния – до процессора

"Бог спал в скале,
Бог дремал в дереве,
Бог стал пробуждаться в животном,
Бог осознал Себя в Человеке
Бог улыбнулся в кристалле, выращенном Человеком"

Древняя суфийская мудрость c дополнением от КРИТа

В первой части статьи мы рассмотрели процессы получения исходного вещества микроэлектроники – поликремния. В настоящей статье подробно рассмотрены следующие стадии получения электронный приборов - от получения монокристаллического кремния до микроэлектронных приборов на его основе.

Краткое описание метода

Метод Чохральского (рис.), как гласят энциклопедии, это способ выращивания монокристаллов вытягиванием их вверх от свободной поверхности расплава, находящегося в тигле, с запуском кристаллизации путём приведения затравочного кристалла заданной структуры и кристаллографической ориентации в контакт со свободной поверхностью расплава. Получаемый монокристалл постепенно вытягивают из расплава. При выращивании монокристалла его внешняя форма определя­ется взаимодействием симметрии вещества и симметрии внешнего поля. В ре­зультате взаимодействия теплового поля, поверхностного натяжения, вращения слитка, растущий кристалл имеет внутреннюю симметрию, присущую данному веществу, но внешняя форма будет ци­линдрической. Температура регулируется, как правило, путем изменения прилагаемой мощности к нагревателю, окружающему тигель. Кристалл и фронт кристаллизации в процессе получения не имеет контакта с тиглем, что обуславливает высокое качество и чистоту. Поверхность расплава доступна для выполнения различных технологических приемов (легирование, подпитка), возможно прямое наблюдение за процессом и вмешательство вплоть до повторения процесса в случае неудачного начала. За все это и ценится метод Чохральского.

В настоящее время более половины технически важных кристаллов выращивают из расплава методом Чохральского. Этими методами выращивают элементарные полупроводники и металлы, оксиды, галогениды, халькогениды, вольфраматы, ниобаты и другие вещества. Без преувеличения, сегодня еженедельно в сотнях появляющихся по всему миру статей, посвященных проблемам материаловедения, тысячи раз упоминается имя профессора. Еще сложнее описать все области применения этого метода в современном мире, где вся электроника, оптоэлектроника, лазерная и космическая техника, мобильная связь и многое другое базируется на кристаллах, выращенных методом Чохральского.

Рис. Схематическое изображение способа получения монокристалла методом Чохральского

Историческое отступление

Немого найдет в мире фамилий, которые так часто повторяются в современной жизни, как имя профессора Яна Чохральского - польского исследователя-металлурга и ученого. По некоторым сведениям, 31-летний Ян Чохральский, работавший тогда в Берлине в компании Allegmenete Electricitats-Gesellschaft, открыл свой знаменитый метод в 1916 году, когда уронил свою ручку в тигель с расплавленным оловом. Вытягивая ручку из тигля, он обнаружил, что вслед за пером тянется нить застывшего олова. Чохральский установил, что образующаяся таким образом металлическая нить имеет монокристаллическую структуру. Может быть, это очаровательная легенда. Но, действительно, в экспериментах, проведенных Чохральским, впервые были получены монокристаллы металлов размером около одного миллиметра в диаметре и до 150 см длиной. Чохральский изложил суть своего открытия в статье «Новый метод измерения степени кристаллизации металлов», опубликованной в немецком журнале «Zeitschrift für Physikalische Chemie» (1918).

В 20-х и 30-х годах прошлого века разные исследователи в Германии и США использовали метод Чохральского в его первоначальном варианте для получения тонких монокристаллов различных металлов - Al, Pb, Zn, Sn, Cd, Bi. При этом уже в 1922 г. исследователь E. von Gomperz из Kaiser-Wilhelm-Institut в Faserstoffchemie предложил обдувать растущий кристалл потоком азота для регулирования теплоотвода. В 1937 г. Henry Walter (рис.) сотрудник американской корпорации «BellTelephoneLaboratories» опубликовал работу, где описал получение кристаллов NaCl методом Чохральского, при этом он первым использовал кварцевый тигель для расплава, систему постепенного нагрева тигля до 900 C c целью разращивания конуса и предложил вращать затравку с кристаллом с целью устранить тепловую асимметрию системы. Метод стал приобретать сегодняшние черты.

Рис. Профессор Ян Чохральский в том возрасте, когда создал свой метод

После того, как в 1947 году первый точечный транзистор был собран физиками Wallter Brattain и John Bardin на поликристаллическом германии, огромные потенциальные возможности твердотельной микроэлектроники стали очевидны. Немедленно началась гонка по совершенствованию технологии получения кристаллов германия для изготовления транзисторов. В 1948 г. сотрудники той же «Bell Labs» Gordon K. Teal (фото 3а) и J.B. Little использовали метод Чохральского для выращивания первых монокристаллов германия (рис.).

Рис. Исследователь Henry Walter – автор современной версии метода.

В конце 1949 г. к ним присоединился Ernie Buehler, который усовершенствовал первую лабораторную установку выращивания кристаллов методом Чохральского и команда исследователей запатентовала различные варианты ее конструкции.

На рис. приведен рисунок одного из первых патентов на установку выращивания монокристаллов германия с разным типом легирования. Это позволило получить монокристалл германия с р-п переходом, из которого 12 апреля 1950 года W. Shockley был получен первый плоскостной п-р-п германиевый транзистор. Основные исторические вехи развития технологии выращивания м/к германия и кремния приведены в Табл.1

В 1949 г. физики W.J. Pietenpol и R.S. Ohl создали первый транзистор из кремния и в 1951 г. те же E. Buehler и G.K.Teal вырастили первые монокристаллы кремния. Загрузка составляла от 50 до 100 гр поли-кремния, вес кристалла 50-200 г, а диаметр первых слитков монокремния составлял 10-12 мм.

В 1952 г. «Bell Laboratories» стала продавать лицензии на технологию производства транзисторов, центральным пунктом которой была технология получения монокристаллов кремния. Стоимость первой лицензии составляла 25 тыс. долларов.

Первые монокристаллы кремния содержали дислокации в количестве 1-2 10 3 см-2 . Первый бездислокационный кристалл был получен американцем W.C. Dash в 1958 г. Вскоре после затравления, Dash слегка повысил температуру расплава, отчего растущий кристалл сузился и образовалась так называемая "шейка". Когда сечение "шейки" стало достаточно малым, он снизил температуру расплава до первоначального уровня и диаметр кристалла вновь вырос. Этот прием позволил уменьшить количество дислокаций, переходящих в растущий кристалл из затравки за счет выхода дислокаций на поверхность кристалла. Приблизительно в тоже время, первый бездислокационный монокристалл кремния был получен в СССР М.Я. Дашевским в ИМЕТ им. Байкова АН СССР.

В 1964 г. начались работы по автоматическому регулированию процесса выращивания кристалла. В отделении EastFishkill компании IBM в Нью-Йорке команда разработчиков E.J. Patzer, R.G. Dessauer и M.R. Poponiak создали первую систему автоматического управления скоростью выращивания слитка кремния на основе ИК-оптической системы измерения диаметра кристалла. Система управления была создана к 1966 г., а в октябре 1967 г. исследователи IBM опубликовали подробное ее описание. В 70-х гг в США, Германии, Великобритании и СССР было создано несколько типов автоматизированных систем роста кристаллов с микропроцессорным управлением.

Рис исследователь Gordon K. Teal,- автор первого монокристалла германия

Рис. современная установка выращивания кристаллов методом Чохральского (КРИТ)

Рис. современная установка выращивания кристаллов методом Чохральского (КРИТ)

Краткое описание процесса

Три наиболее важных этапа роста кристаллов методом Чохральского схематически показаны на рис.: (1) плавление поликремния, (2) затравка и (3) рост. Важными этапами стандартной последовательности выращивания кристаллов кремния являются следующие:

Куски или зерна поликремния помещают в кварцевый тигель и плавят при температуре выше точки плавления кремния (1420∘С) в инертном окружающем газе.

Расплав некоторое время выдерживают при высокой температуре, чтобы обеспечить полное плавление и выброс из расплава крошечных пузырьков, которые могут вызвать пустоты или отрицательные дефекты кристаллов.

Кристалл затравки с желаемой ориентацией кристаллов погружают в расплав до тех пор, пока он не начнет плавиться. Затем затравку извлекают из расплава, так что шейка образуется за счет постепенного уменьшения диаметра; это самый деликатный шаг. Во время всего процесса роста кристаллов инертный газ (обычно аргон) течет вниз через вытяжную камеру, чтобы уносить продукты реакции, такие как SiO и CO.

Рис. исходная загрузка Si в кварцевом тигле

Рис. Затравливание кристалла Si из расплава на затравку

Рис. Схематическое описание процесса выращивания Si методом Чохральского

Рис. Разращивание кристалла Siдо заданного диаметра

Кристалл затравки с желаемой ориентацией кристаллов погружают в расплав до тех пор, пока он не начнет плавиться. Затем затравку извлекают из расплава, так что шейка образуется за счет постепенного уменьшения диаметра; это самый деликатный шаг. Во время всего процесса роста кристаллов инертный газ (обычно аргон) течет вниз через вытяжную камеру, чтобы уносить продукты реакции, такие как SiO и CO.

Кристалл затравки с желаемой ориентацией кристаллов погружают в расплав до тех пор, пока он не начнет плавиться. Затем затравку извлекают из расплава, так что шейка образуется за счет постепенного уменьшения диаметра; это самый деликатный шаг. Во время всего процесса роста кристаллов инертный газ (обычно аргон) течет вниз через вытяжную камеру, чтобы уносить продукты реакции, такие как SiO и CO.

Рис. выращивание цилиндрической части слитка Si

Рис. Снятие выращенного кристалла Si c затравки

Кристалл затравки с желаемой ориентацией кристаллов погружают в расплав до тех пор, пока он не начнет плавиться. Затем затравку извлекают из расплава, так что шейка образуется за счет постепенного уменьшения диаметра; это самый деликатный шаг. Во время всего процесса роста кристаллов инертный газ (обычно аргон) течет вниз через вытяжную камеру, чтобы уносить продукты реакции, такие как SiO и CO.

Графитовая оснастка для процесса Чохральского

Оснастка печи для выращивания монокристаллов кремния методом Чохральского состоит из графитовых и углеродных композитных материалов: из этих материалов изготавливают более 80% элементов оснастки печи. Использование независимых графитовых нагревателей в рабочей камере оборудования обеспечивает необходимый температурный градиент, как в зоне кристаллизации, так и в зоне послеростового отжига кристалла.

Физико-механические характеристики нагревательных элементов, используемых для производства кремния методом Чохральского, зависят от их состава, структуры и технологии изготовления. Основные характеристики включают в себя:

Предприятие КРИТ использует графитовые узлы собственной конструкции и изготовления. Важным свойством наших нагревательных элементов является их высокая термическая стабильность, то есть способность сохранять высокую температуру и предотвращать ее изменение в процессе роста монокристалла. Также важными параметрами являются высокая электропроводность и химическая инертность, которые обеспечивают долговечность и стабильность работы нагревательных элементов.

Для повышения стабильности температуры и долговечности нагревательных элементов мы используем специальные покрытия из карбида кремния или других материалов, которые увеличивают их термическую стабильность и защищают от окисления при высоких температурах.

Рис. Тепловой графитовый узел конструкции КРИТ для выращивания Si по Чохральскому (верхние экраны сняты)

Теплопроводность

Нагревательные элементы должны обладать высокой теплопроводностью, чтобы равномерно распределять тепло по всей камере и обеспечивать стабильность температуры во время процесса.

Механическая прочность

Нагревательные элементы должны обладать достаточной механической прочностью, чтобы выдерживать высокие температуры и давления, которые возникают в процессе роста монокристалла.

Термическая стабильность

Нагревательные элементы должны быть химически инертными, чтобы не взаимодействовать с полупроводниковым материалом и не вносить примеси в растущий монокристалл.

Химическая инертность

Нагревательные элементы должны быть способны сохранять стабильность температуры на высоком уровне, чтобы обеспечить

Электропроводность

Используемые изделия должны иметь высокую электропроводность, чтобы обеспечивать быстрый и эффективный нагрев.

Устойчивость к окислению

нагревательные элементы должны быть устойчивы к окислению при высоких температурах, чтобы не разрушаться и не вносить примеси в растущий монокристалл.

Этап 2. От слитка к чипу

Монокристаллические пластины из кремния составляют основу для изготовления многих полупроводниковых ИС различного конструктивно-технологического исполнения и функционального назначения. Подготовка пластин, получаемых из слитков монокристаллического кремния, является одним из важнейших этапов производства и включает в себя следующие операции:

Далее кремний нарезают на тонкие пластины с помощью алмазной проволоки. Затем пластины полируют алмазным же станком. Их края закругляют, чтобы пластины не раскололись при дальнейших жёстких нагрузках во время производства чипов. Их будут нагревать, окислять, испарять и облучать десятки раз.

Далее кремний нарезают на тонкие пластины с помощью алмазной проволоки. Затем пластины полируют алмазным же станком. Их края закругляют, чтобы пластины не раскололись при дальнейших жёстких нагрузках во время производства чипов.

Их будут нагревать, окислять, испарять и облучать десятки раз.

Чипы «печатают» на пластине кремния, который получают из этого кристалла. Чтобы сделать пластину идеально гладкой, пластина несколько этапов.

После «вытягивания» кристалл имеет верхний и нижний конус, которые отрезают ленточной пилой.

Рис. все этапы превращения кристалла кремния в чип

Рис. Нарезание кристалла на пластины

Рис. Шлифовка и полировка пластин

Рис. Схема резки слитка кремния на пластины на станке многопроволочной резки

Изготовление микросхем

Инженеры используют специальное ПО для проектирования микросхем. Таких программ огромное количество, в том числе и бесплатных, среди них нет единого стандарта.

Из полученных файлов на заводе делают фотомаски — шаблоны для печати микросхем. Они похожи на плёночные негативы, из которых на фотоувеличителе печатаются фотографии.

Машина весом 180 тонн размером с автобус продаётся по цене около $ 170 млн. Это самое сложное и дорогое оборудование на современном заводе микроэлектроники. Компоненты для такого степпера производят около 5000 поставщиков со всего мира: линзы Carl Zeiss (Германия), роботизированные манипуляторы VDL (Нидерланды), лазеры Cymer (США).Фиолетовым цветом показан маршрут световых импульсов от источника к прибору подсветки, затем к фотомаске с топологией кристалла — и через проекционную оптику на кремниевую пластину.

Засветка пластины лазером EUV — тоже весьма нетривиальный процесс. Вот описание из журнала IEEE Spectrum: «Внутри самой современной EUV-машины каждую секунду 50 тыс. капель расплавленного олова падают через камеру в её основании. Пара высокоэнергетических лазеров на углекислом газе ударяет по каждой капле, создавая плазму, которая, в свою очередь, испускает свет нужной длины волны. Первый импульс преобразует каплю олова в туманную форму блина, так что второй импульс, который является более мощным и следует за ним всего через 3 микросекунды, взрывает олово в плазму, которая светится на длине волны 13,5 нанометров. Затем этот свет собирается, фокусируется и отражается от узорчатой маски, чтобы проецировать узор на кремниевую пластину». Для 7-нм процессоров используется литография в экстремальном ультрафиолете с длиной волны 13,5 нм.

На засвеченных участках пластины обнажается слой SiO2, всё остальное защищено фоторезистом. Теперь наступает этап плазменного вытравливания (plasma etching), где с засвеченных участков снимается слой SiO2, создавая углубления. Вытравленные участки снова окисляют. Поверх SiO2 наносят электропроводящий слой поликристаллического кремния. Потом снова покрывают фоторезистом — и цикл повторяется несколько раз, создавая новые углубления уже во втором слое, затем в третьем, потом пластина покрывается слоем металла — и цикл повторяется. В итоге формируются те самые структуры полевых транзисторов с p-n переходом. Цикл повторяется многократно, пока не будет создана полная структура интегральной микросхемы со всеми необходимыми элементами.

По размеру они практически не отличаются, хотя TSMC плотнее размещает эти транзисторы на микросхеме. В зависимости от размера, на одной пластине помещается от нескольких десятков до нескольких тысяч микросхем. Пластины с готовым продуктом проверяют, а затем осуществляется сборка — упаковка чипов в корпуса, подключение контактов. Сборка полностью автоматизирована.

Потом чипы снова тестируют — и если всё удачно, то отправляют клиенту. Через несколько месяцев процессор уже вовсю работает в сервере или на домашнем компьютере, или в телефоне счастливого покупателя.

Неудивительно, что степпер для EUV по самому современному техпроцессу в мире умеет делать только одна голландская компания ASML, которая сейчас является фактически монополистом в этой нише.

Засветка пластины — не единственный шаг на производстве. Перед степпером пластины нагревают до 1000 °С и окисляют поверхность, чтобы сформировать непроводящий слой из диоксида кремния SiO2. Потом на этом слое диэлектрика равномерно распределяют фоточувствительный материал — фоторезист. И только потом помещают в степпер.

Несколько циклов нанесения разных материалов (фоторезист, поликристаллический кремний, диоксид кремния, металл), засветки и плазменного вытравливания создают многослойную структуру транзистора.

В зависимости от техпроцесса, размер минимальных элементов в этих структурах может быть 14 нм, 10 нм, 7 нм, 5 нм или меньше, но это весьма условная разница, которая не совсем отражает реальность. Например, на фотографиях под микроскопом ниже можно сравнить размер транзисторов в кэше L2 процессоров Intel (техпроцесс 14 нм+++) и TSMC (7 нм). У первого ширина затвора 24 нм, у второго 22 нм, высота одинаковая.

Вот как выглядит современный «фотоувеличитель», а именно, степпер компании ASML для фотолитографии в глубоком ультрафиолете (EUV).

В этом ПО выполняется симуляция электрических и физических свойств микросхемы и отдельных цепей, а также тестируется их функциональность.Проектированием занимаются целые отделы из сотен инженеров, ведь на современных микросхемах огромное количество элементов. У процессоров производства TSMC (AMD) по 7-нм техпроцессу 113,9 млн транзисторов на мм². Intel поставила смогла достичь плотности 100 млн транзисторов на мм² уже на техпроцессе 10 нм, почти как 7 нм у TSMC. Все слои микросхемы объединяются в итоговый проект — blueprint, который по электронной почте отправляют на завод в Китае или Тайване.

Рис. Динамика уровня технологических норм
(нажмите, чтобы открыть)

Рис. Литограф компании ASML для фотолитографии в глубоком ультрафиолете (EUV). Иллюстрация: ASML

Рис. маршрут световых импульсов

Фотомаска

Засветка кремниевой пластины

Засветка фоторезиста на кремниевой пластине в степпере

Сравнение транзисторов в кэше L2 процессоров Intel (14 нм+++) и TSMC (7 нм), сканирующий электронный микроскоп.

Микросхемы на кремниевой пластине

Сборка микросхем

Пластины из монокристаллического кремния помещаются в этот степпер, и здесь засвечиваются через фотомаску, распечатанную из файлов с проектного бюро. Это завершение всего технологического цикла.

Контакты

Позвоните нам

Напишите по email

npokrit@yandex.ru

Приезжайте в гости

142101, Московская область, г. Подольск, ул. Плещеевская, д. 15А, пом. 3

ООО «Научно-производственное объединение «Кремний интегральные технологии»
© Все права защищены

О нас

Главный офис:

142101, Московская область, г. Подольск, ул. Плещеевская, д. 15А, пом. 3

npokrit@yandex.ru