Почему кремниевые пластины круглые?

Если вы когда-либо видели протравленную кремниевую пластину — большой цилиндрический диск, из которого нарезают компьютерные чипы, — у вас неизбежно возникал вопрос: почему она круглая?

Микрочипы прямоугольные или квадратные, так почему же мы вытравливаем их на круглых пластинах? По краям каждой пластины остаются неполные чипы, которые никогда не попадут в сервер, смартфон или ноутбук. Здравый смысл подсказывает, что круглая пластина тратит впустую пространство и энергию. Разве не было бы эффективнее начать с квадрата?

Простой ответ кроется в металлургии. В частности, в столетней процедуре выращивания кристаллов, называемой методом Чохральского, которая до сих пор остается промышленным стандартом производства кремниевых слитков. В производстве полупроводников используется кристаллический кремний, а получение безупречных кристаллов кремния требует тщательного процесса, в результате которого образуется крупный цилиндрический слиток. Затем этот слиток нарезается на тонкие пластины, которые мы знаем и используем.

Однако более интересный ответ выходит за рамки истории производства и включает в себя сочетание физики и экономики. Круглые пластины — это нечто большее, чем просто дань традиции. Их форма помогает производителям создавать исключительно однородные условия, необходимые для размещения миллиардов транзисторов на расстоянии всего нескольких нанометров друг от друга. По словам экспертов IBM Research, преимущества круглых пластин прослеживаются практически на каждом этапе производства полупроводников.

Метод Чохральского

Современную пластину нарезают из крупного цилиндрического кристалла кремния. Выращивание цилиндра — это закономерный результат процесса вытягивания кристалла, который используется полупроводниковой промышленностью на протяжении десятилетий. Очищенный кремний, обычно в форме кварца, нагревают до 1420 °C в печи, а один «зародыш» кристаллического кремния закрепляют на стержне и погружают в расплавленную массу. Стержень вращается в одном направлении при извлечении из тигля, в то время как емкость вращается в противоположном направлении, обеспечивая круглую форму по мере роста слитка.

Пластины для производства полупроводников сегодня производятся с помощью усовершенствованной версии изобретения польского химика Яна Чохральского. В 1916 году он написал работу о разработанном им методе выращивания крупных металлических кристаллов под названием «Ein Neues Verfahren zur Messung des Kristallisationsgeschwindigkeit der Metalle» («Новый метод измерения скорости кристаллизации металлов»). Он умер до того, как этот метод стали использовать для производства кремниевых пластин.

Как и многие другие изобретения, изменившие мир, такие как пенициллин и попкорн, метод Чохральского начался с沒有 случайности. Около 110 лет назад в лаборатории Чохральского на немецком предприятии по производству электрооборудования Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft перед ним была поставлена задача разработать и улучшить материалы для первых электрических кабелей и оборудования. Согласно истории, в момент рассеянной усталости химик случайно окунул перо в тигель с остывающим расплавленным оловом вместо чернильницы. Он вытянул нить олова, которая, как он впоследствии продемонстрировал, представляла собой монокристалл.

Он описал свои выводы, которые были опубликованы два года спустя в немецком химическом журнале Zeitschrift für Physikalische Chemie. Чохральский так и не нашел применения своему методу, который он предлагал в качестве способа измерения скорости кристаллизации металлов, а не для выращивания кристаллов в промышленных масштабах. В течение следующих нескольких десятилетий вплоть до своей смерти в 1953 году в возрасте 67 лет он продолжал работу в области материаловедения, в результате которой, в частности, был создан новый сплав для подшипников железнодорожных вагонов — изобретение, которому приписывают развитие железнодорожного транспорта в Европе и США. Лишь в 1954 году, через год после смерти Чохральского, группа ученых из Bell Labs создала первый кремниевый транзистор.

«Я не думаю, что многое изменилось с момента зарождения производства кремниевых пластин», — сказала Грисельда Бонилья (Griselda Bonilla), старший технический сотрудник IBM Research. По ее словам, отчасти это объясняется тем, что данный метод исключительно хорошо подходит для получения кремния без дефектов.

Идеальный круг

Рост кристаллов — это только начало. Существуют веские причины, почему полупроводниковая промышленность не спешит отказываться от круглых пластин. Круглая геометрия дает важные физические преимущества. Во-первых, это тепло. Круглая геометрия равномерно распределяет тепловые и механические напряжения от центра к краю.

«Исходя из обширной работы, которую мы проделали по управлению напряжениями в прямоугольных чипах, мы знаем, что острые углы являются значительными концентраторами напряжений», — сказала Бонилья. «Когда вы пытаетесь вырастить кристалл без дефектов, цилиндрическая геометрия по своей сути проще в управлении, потому что она распределяет напряжение более равномерно». Выращивание кристаллов стало настолько сложным, что в наши дни мы воспринимаем чистоту кремния как должное, но процессы имеют значение.

Равномерный баланс вращения круга также важен для процессов производства чипов. Эти преимущества становятся еще более значительными, когда пластина попадает на предприятие по производству.

Многие процессы производства полупроводников зависят от вращения. Например, во время литографии светочувствительный материал, называемый фоторезистом, наносится на пластину с помощью процесса, известного как центробежное нанесение. Пластина вращается на высокой скорости, позволяя жидкого фоторезисту равномерно распределяться по поверхности.

«Тот факт, что у вас есть эта вращающаяся круглая пластина, позволяет химическому веществу распространяться абсолютно равномерно по этой круглой поверхности благодаря ее вращательной симметрии», — сказала Лучана Мели (Luciana Meli), эксперт по шаблонам из IBM Research. На квадратной пластине материал скапливался бы по-разному в углах, создавая нежелательные отклонения.

Тот же принцип применим и к другим этапам, таким как химико-механическая полировка (ХМП), которая сглаживает поверхность пластины между этапами производства. Круглая пластина позволяет поддерживать большую стабильность процесса полировки от края до края.

Круглые пластины также упрощают одну из важнейших задач современного производства полупроводников: однородность. Современные передовые чипы могут содержать десятки, сотни или даже тысячи отдельных кристаллов на одной пластине. Каждый кристалл должен быть изготовлен практически идентично. Любые вариации в структуре могут снизить выход годной продукции и увеличить затраты. По словам Эрика Миллера (Eric Miller), чья работа в IBM Research сосредоточена на плазменном травлении, круглая форма упрощает многие производственные задачи, делая их более управляемыми.

«Поскольку пластины круглые, большинство вариаций процесса будут симметричными, и с ними можно бороться с помощью радиальных регулировок в технологической камере», — сказал Миллер. Это особенно важно для травления на основе плазмы. Круглые технологические камеры и круглые пластины естественным образом поддерживают симметричный поток и распределение температуры.

Меньше транзисторы, пластины прежнего размера

Потребность в единообразии только растет по мере того, как транзисторы продолжают уменьшаться. Недавно компания IBM анонсировала техпроцесс с нормами менее 1 нм, что привело к созданию самого маленького транзистора в мире. По словам Мели, единообразие является ключевой связью между формой пластин и будущим полупроводниковой промышленности. Поскольку производители стремятся к созданию все более мелких элементов, у них остается все меньше допусков на отклонения. «Становится все важнее обеспечивать единообразие и точность воспроизведения рисунка», — сказала она.

Этот акцент на точности — одна из причин, по которой исследователи IBM считают такие технологии, как литография High-NA EUV, столь важными. Будущие поколения процессов формирования рисунка и травления потребуют еще более жесткого контроля размеров, точности размещения и вариативности технологических процессов.

Так почему бы не перейти на квадратные пластины и не получить больше полезной площади? Консенсус в отрасли заключается в том, что такой компромисс того не стоит. «Существует множество процессов, которые действительно выигрывают от того, что пластины круглые», — отметила Мели. Изменение формы пластин сегодня потребовало бы гораздо большего, чем просто их перепроектирование. Это означало бы перестройку целой экосистемы инструментов, камер, систем обработки, рецептур и средств управления процессами — экосистемы, которая оптимизировалась на протяжении десятилетий.

«Если отказаться от круглой камеры, вы потеряете эту встроенную симметрию, — сказал Миллер. — Это стало бы самой большой проблемой при отказе от круглых пластин».

Тем не менее, по словам Бонильи, отрасль экспериментировала с изменением размера пластин — возможно, это единственное, что в них изменилось. Некоторые из первых пластин имели диаметр около 1,5 дюйма, с годами они выросли до нескольких дюймов, а затем до современного стандарта в 300 миллиметров (примерно 12 дюймов). За последние 20 лет в отрасли предпринимались попытки увеличить размер пластин до 450 миллиметров, что позволило бы получать больше чипов с одной пластины. Хотя пластины большего размера давали некоторые технические преимущества, требуемые инвестиции во всю экосистему производства полупроводников для перехода были значительными. Текущая экосистема оснастки по-прежнему настроена на 300-миллиметровые пластины, которые обеспечивают баланс между выходом годных изделий и стоимостью, который полупроводниковая промышленность сочла приемлемым.

В конечном счете, кремниевые пластины круглые не только потому, что кристаллы растут именно так. Круглые пластины создают единообразные условия, необходимые практически для каждого важного этапа производства: от нанесения покрытий и полировки до осаждения и плазменного травления. Небольшое количество потерянной площади по краям оказывается скромной ценой за стабильность, необходимую для производства самых передовых чипов в мире. По мере дальнейшего развития полупроводниковых технологий единообразие, обеспечиваемое круглыми пластинами, может стать ценнее, чем когда-либо.