Всегда стоит помнить, что изготовление микросхем оправдано экономически только при очень массовом производстве и очень небольшом проценте брака. То есть, при каждой литографии каждый рисунок нужно без искажений воспроизводить миллионы раз. При этом, чем меньше элементы рисунка, тем сложнее их воспроизводить и тем строже требования и к подложке (то, на чём рисунок должен быть напечатан), и к материалам (чистота), и к точности механических частей, и к соблюдению всех «рецептов приготовления» – технологических процессов. Этим и занимаются тысячи учёных, инженеров и высококвалифицированных специалистов.
Несколько примеров.
Основа - кремний
Микросхемы печатают на пластинах кристаллического кремния (подложках). Много одинаковых микросхем на одной пластине. Каждый рисунок повторяется много раз. Засветили один участок пластины, сдвинули пластину на один шаг/step – снова засветили и т. д. (Поэтому аппарат для экспонирования называется степпер). Чем больше микросхем хочется напечатать «за один цикл», тем больше должна быть пластина кристаллического кремния. Причём кристалл должен быть практически
идеально чистым (без примесей),
с идеальной структурой (без дефектов кристаллической решётки).
Рост диаметра пластин с 1970-х до 2020-х годов.
Итак, для начала надо вырастить большой (бездефектный) кристалл кремния (а большой кристалл вырастить сложнее чем маленький).
Затем кристалл надо распилить на достаточно тонкие (одинаковые) пластины и отшлифовать их. Каждая пластина должна быть практически идеально плоской. Иначе изображение не будет чётким. Если поверхность пластины (а значит и резиста) будет неровной - выше, или ниже - то изображение не будет сфокусированным. А ведь чем больше пластина – тем сложнее её сделать идеально плоской. Однако, размер имеет значение – в конце концов изготовление микросхем на больших пластинах становится выгоднее. И - размер пластин постоянно растёт. Это ещё одно из достижений учёных и инженеров.
Изображение с сайта
https://www.tel.com/museum/magazine/material/150430_report04_03/02.html
Совмещение изображений
Далее, количество слоёв в микросхеме – а значит и количество литографий - давно превышает десяток. То есть, на одних и тех же участках большой пластины нужно напечатать много разных изображений (от разных масок) одно поверх другого. Это – как напечатать цветную картинку с высоким разрешением в старой типографии. Сначала печатают один цвет, потом – другой, третий… Только с микросхемами всё ещё сложнее.
Каждое последующее изображение должно быть идеально совмещено с предыдущим. Иначе один проводник может пройти мимо другого и не обеспечить нужный контакт. Или создаст ненужный контакт. Даже просто недостаточный контакт увеличит сопротивление проводника, а значит – вся микросхема станет дефектной. Итак, перед каждым экспонированием (каждого чипа) пластину диаметром в десятки сантиметров нужно переместить/сдвинуть и установить с идеальной точностью. Ведь речь идёт о совмещении элементов размером в тысячи и десятки тысяч раз меньше толщины волоса!
Интересная информация (опубликовано в 2012 г):
"Сегодня самые мощные компьютерные чипы содержат миллиарды 20-нанометровых транзисторов. Поверх транзисторов уложены десятки изоляционных слоев с медными проводами. В самой маленькой точке, где провода соединяются с транзисторами, эти провода также имеют размер около 20 нанометров."
...
и ещё:
"Сегодняшние микросхемы содержат около 100 километров медных проводов, поэтому вероятность ошибок огромна. И если один из этих проводов не работает из-за ошибки в одном слое — что-то, что невозможно обнаружить, пока микросхема не будет завершена и протестирована, — микросхему придется выбросить. Мелкие ошибки имеют высокую цену: один дефект на миллиард приводит к 25-процентному падению производительности..."
Making Wiring that Doesn’t Trip Up Computer Chips. Katherine Bourzacarchive.
MIT Technology Review. July 10, 2012
https://www.technologyreview.com/2012/07/10/185008/making-wiring-that-doesnt-trip-up-computer-chips/
Инструменты нужны разные
Ещё стоит упомянуть, что требования к литографии меняются от слоя к слою. Рекордно малые размеры требуются при «рисовании» (печатании) самых первых, функциональных слоёв (здесь располагаются транзисторы и т.д.). Эти слои объединяют в группу FEOL (Front-End-Of-Line). Поверх функциональных слоёв располагаются слои металлических «проводов» для обеспечения электрических соединений. Количество «металлических» слоев может быть (обычно) от 5 до 12 (!). Эти слои (вместе с разделяющими слоями изолятора) объединяют в группу BEOL (Back-End-Of-Line). Размеры (ширина «проводов» и расстояния между ними) здесь существенно больше, чем у современных транзисторов. «Рисовать» такие слои с использованием той же техники (степперов), что используется в литографии транзисторов, всё равно, что лобзиком пилить брёвна: конечно, можно, но уж больно невыгодно.
То есть, в реальном массовом производстве нужны не только самые передовые инструменты (степперы). Без оборудования, обеспечивающего предыдущие уровни технологии, можно проводить исследования, делать единичные, уникальные (и о-о-о-очень дорогие) вещи. Но невозможно удовлетворить растущий рынок.
И ещё: снова напомним про задачу о совмещении слоёв (изображений). Эту задачу надо решать для разных степперов, работающих в одной «производственной цепочке».
И т. п.
Стоит ещё упомянуть космические требования к чистоте производственных помещений; к допустимому (или недопустимому? 😉) уровню вибраций. И т. п.
______________________
Только выполнение всех жёстких условий на каждом этапе производства позволило полупроводниковой промышленности стать необходимой, прийти и буквально во все «сферы» нашей жизни.
