Публикации: Оптика и электроника (рубрикатор)
Современные чипы – взгляд изнутри
Сегодня практически у каждого есть телефон, плеер, компьютер, планшет или что-то ещё, что, так или иначе, содержит в себе интегральные микросхемы или чипы. Мы давно привыкли к этим вещам и часто даже не задумываемся над тем, сколько труда и инженерной мысли было вложено в создание одного такого чипа, первого тестового образца, чтобы затем конвейер и роботизированные системы размножили его в десятки, сотни тысяч и даже миллионы копий. В данной статье я расскажу о том, какой нелёгкий путь прошла индустрия производства микропроцессоров, как ей удалось выжить и какие основные этапы проходит обычный кварцевый песок, чтобы однажды превратиться в кремниевое сердце вашего ipad, видеокарты или мобильного телефона.
Для тех школьников, которые хотят глубже научиться разбираться с чудесами современной техники, идет олимпиада ЗДЕСЬ.
Краткая история экономики в экономике
Не знать истории — значит всегда быть ребенком.
Цицерон
20 век в сознании человечества останется одним из выдающихся столетий. Это век повсеместного внедрения электричества, грандиозных открытий, кровопролитных войн, беспрецедентных переворотов в промышленности и, конечно же, век, подготовившей человечество к переходу в информационное общество, со всеми его плюсами и минусами. Основой этого общества является очень простое устройство – транзистор, который позволяет усиливать, генерировать и преобразовывать электрические сигналы.
В 1928 году Юлий Эдгар Лилиенфельд в Германии зарегистрировал патент на принцип работы полевого транзистора, а уже в 1934 году немецкий физик Оскар Хейл запатентовал полевой транзистор [1], однако MOS (металл-оксид-полупроводник) транзистор был изготовлен лишь в 1960 году. Во время Второй Мировой Войны возникла острая потребность в использовании быстрых счётных машин, которые могли бы шифровать и дешифровать приказы, отправляемые в войска, а также, что гораздо важнее, дешифровать и подбирать ключи к директивам противника (ярким примером может служить британский «Колосс» [2]). А в послевоенные годы работы над различными элементами электронных машин продолжились, и 1947 году Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн в лабораториях Bell Labs впервые создали действующий биполярный транзистор, за что в 1956 году получили Нобелевскую премию по физики «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта» [1]. Конечно, полевые транзисторы работают на гораздо более простых физических принципах (напряжение, подаваемое на затвор, либо позволяет течь току, либо нет), однако изготовить такой полевой транзистор куда сложнее, чем биполярный (потребовались годы на разработку теории работы такого устройства), что и обусловило первенство последних в материальном исполнении.
Копия первого в мире работающего транзистора
Дальнейшее изобретение интегральных схем (1958 год [3] Джек Килби и Роберт Нойс) фактически предопределило развитие индустрии микроэлектроники. Через несколько лет, Гордон Мур, подготавливая своё очередное выступление в качестве главы департамента R&D (исследований и разработок) компании Fairchild Semiconductor, заметил интересный эмпирический факт: количество транзисторов в кристалле микропроцессора удваивается каждые два года [4]. В июле 1968 года Мур с Робертом Нойсом покинули, созданную ими компанию Fairchild Semiconductors, и основали корпорацию Intel, которая стала одним из титанов современной микропроцессорной промышленности.
Закон, а точнее эмпирическое правило, Мура, в которое сегодня приходится вносить коррективы [4]
Строго говоря, закон Мура не является законом, это всего лишь эмпирическое наблюдение, в которое мы периодически должны вносить изменения и дополнения, которые будут описывать современное положение отрасли.
Компании, обладающие технологиями производства микрочипов по соответствующим техпроцессам [5]
Как создать микрочип. Теория
Большинство теорий — лишь перевод старых мыслей на новую терминологию.
Григорий Ландау
Как мы уже поняли, транзисторы бывают двух основных видов: полевые и биполярные. На сегодняшний день биполярные транзисторы уступили своё место полевым транзисторам. Так как устроен полевой транзистор?!
Полевой транзистор состоит из 3 основных элементов: стока (drain), истока (source) и затвора (gate). Металлический затвор отделён от токопроводящего канала между истоком и стоком с помощью, так называемого, high-k материала (или материала с высокой диэлектрической проницаемостью). Данный материал позволяет, во-первых, надёжно изолировать затвор от канала, по которому течёт ток, а, во-вторых, уменьшить геометрические размеры отдельного элемента микрочипа. В качестве такого материала на сегодняшний день используют оксид или силицид гафния, а также соединения на их основе.
Принцип работы полевого транзистора заключается в создании некоторой разности потенциалов между затвором и кремниевым монокристаллом, в зависимости от знака подаваемого напряжения ток между стоком и истоком либо течёт, либо нет, т.е. электроны с истока под действием электрического поля затвора отклоняются и не достигают стока. Именно это и является основой того, что мы привыкли именовать микроэлектроникой.
Слева – принципиальная схема устройства полевого транзистора, справа – микрофотография среза полевого транзистора, полученная с помощью просвечивающего электронного микроскопа.
Следующий вопрос, который каждый читатель захочет задать: как создать слои, толщиной 3 нм, «наклеить» стоки, истоки и затворы, чтобы, в конечном счёте, получить микропроцессор? Эта процедура состоит из нескольких этапов. Первый этап заключается в особой подготовке кварцевого песка – его восстановлении коксом в дуговых печах, где тысячи ампер электрического тока разогревают окружающее пространство до температуры около 1800°C, в результате чего образуется, так называемый, технический кремний:
Далее путем хлорирования технического кремния получают тетрахлорид кремния (SiCl4), который затем преобразуется в трихлорсилан (SiHCl3):
Пройдя ещё несколько стадий, мы получаем высокочистый кремний, очищенный от посторонних примесей и содержащий всего 1 чужеродный атом на миллиарды атомов кремния:
После такой очистки кремний плавят в специальных печах, а затем выращивают огромный монокристалл по методу Чохральского [7], вытягивая его из расплава со скоростью несколько миллиметров в минуту. Получившуюся колонну весом более 100 кг распиливают на тысячи тонких (толщиной всего 1 мм) пластин – «вафлей». Далее каждую такую вафлю полируют до зеркального блеска, и лишь потом приступают к формированию десятков и сотен чипов на подложке с помощью процесса литографии.
Слева – принципиальная схема литографического процесса, справа – длина волны используемого лазера и характерный размер транзистора.
Непосредственно перед началом литографического процесса на вафле формируют тонкий слой оксида, и посредством магнетронного распыления при высокой температуре наносят ещё более тонкий слой high k материала. Далее на подложку при вращении капают небольшое количество фоточувствительного полимера, который формирует очередной тонкий слой на поверхности. Такой полимер способен менять свои свойства под действием ультрафиолетового излучения. Затем «вафлю» помещают под специальную систему линз, за которой находится фотомаска и источник лазерного УФ-излучения. Теперь роботизированная система проходит сотни раз по подложке и оставляет на ней «отпечатки». После окончания данного процесса вафля помещается в растворитель, под действием которого засвеченные области полимера растворяются и удаляются с пластины. Таким образом, на подложке формируется трёхмерный рельеф, «впадины» в таком рельефе заполняют определёнными веществами, а литографический процесс (т.е. экспонирование пластины под лазерным пучком) повторяется ещё несколько десятков раз. Всего чтобы «напечатать» чип требуется несколько сотен различных технологических стадий, большинство из которых проводят в суперчистых комнатах.
Итак, слой за слоем на одной из сторон «вафли» возникает превосходная трехмерная композиция из медных проводников и транзисторов, которая через небольшой период времени будет вырезана из «вафли» и станет сердцем компьютера.
Когда слой за слоем сформированы отдельные элементы транзистора, наступает очередь «вырастить» контакты [5]
До не давнего времени литографический процесс был прост, так как длина волны излучения была меньше или сопоставима с размерами отдельных «печатаемых» элементов на подложке. На рубеже 21 века ведущий компании-производители микропроцессоров перешагнули через так называемый дифракционный предел, т.е. с помощью лазера с длинной волны 248 нм стали производить чипы, отдельные элементы которых имели всего-навсего 190, 130, 90 нм, что было бы немыслимо при использовании классической оптики. Соответственно, были разработаны и внедрены инновационные подходы к конструированию масок (например, так называемые, маски со сдвигом фазы), стали использовать вычислительную мощь компьютеров для проектирования микрочипов и учёта волновой природы света. Например, мы хотим напечатать элемент в виде двух сочленённых букв Т и просим компьютер нам помочь. То, что нарисует компьютер, будет слегка отличаться от того, что мы задумали. Но структура маски будет отличаться ещё больше, а напечатанная структура на подложке едва будет напоминать задуманную. Но что поделать, мы работаем на грани человеческих возможностей и уже несколько раз обманули природу и волновые свойства света.
Слева – отличие обычной маски от маски, использующей фазовый сдвиг, справа – яркий пример геометрического несоответствия между желаемым и реально получаемым рисунком на подложке
«Там внизу много места». Практика
Нельзя иметь верного понятия о том, что не испытано.
Вольтер Франсуа Мари Аруэ
Года 3-4 назад судьба распорядилась так, что в руки мне попал ноутбук Asus G2S. Счастье моё длилось ровно до прошлой зимы, когда ни с того, ни с сего на экране стали появляться артефакты (различные искажения изображения), особенно при запуске игрушек или «мощных» приложений, активно работающих с видеочипом. В результате оказалось, что проблема именно в нём. Nvidia для практически всей геймерской линейки G2 поставляла видеочипы с браком (отслоение контактов между самим кристаллом и подложкой), который обнаруживался лишь через пару лет интенсивной работы. Решение было однозначным – замена видеочипа. Но что делать со старым?! Ответ на этот вопрос пришёл на редкость быстро… Через день старенький видеочип лежал под алмазным кругом микротома (прибора для тонкой резки материалов и образцов).
О пользе полировки
К моему глубокому сожалению микротом разрезал чип довольно грубо, хотя и без заменых сколов и трещин на самом кремниевом чипе. Поэтому далее пришлось долго и упорно шлифовать и полировать поверхность среза, чтобы она приняла нужный вид. Польза от полировки видна невооружённым взглядом, точнее вооружённым, но только оптическим микроскопом:
Слева фотографии до полировки, справа – после. Верхний ряд фотографий – увеличение 50x, нижний – 100x
После полировки (фотографии справа) уже на увеличении 50x видны медные контакты, соединяющие отдельные структуры чипа. До полировки, они, конечно же, тоже проглядывают сквозь пыль и крошку, образовавшуюся после резки, но разглядеть отдельные контакты вряд ли удастся.
Электронная микроскопия
Оптическая микроскопия даёт 100-200 крат увеличения, однако это не идёт ни в какое сравнение с 100 000 или даже 1 000 000 крат увеличения, которое может выдать электронный микроскоп (теоретически для ПЭМ разрешение составляет десятые и даже сотые доли ангстрема, однако в силу некоторых реалий жизни такое разрешение не достигается). К тому же, чип изготовлен по техпроцессу 90 нм, и увидеть с помощью оптики отдельные элементы интегральной схемы довольно проблематично, опять-таки мешает дифракционный предел. А вот электроны вкупе с определёнными типами детектирования (например, SE2 – вторичные электроны) позволяют визуализировать разницу в химическом составе материала и, таким образом, заглянуть в самое кремниевое сердце нашего пациента, а именно узреть сток/исток, но об этом чуть ниже.
Печатная плата
Итак, приступим. Первое, что мы видим – печатная плата, на которой смонтирован сам кремниевый кристалл. К материнской плате ноутбука он крепится с помощью BGA пайки. BGA – Ball Grid Array – массив оловянных шариков диаметром около 500 мкм, размещённых определённым образом, которые выполняют ту же роль, что и ножки у процессора, т.е. обеспечивают связь электронных компонентов материнской платы и микрочипа. Конечно, никто вручную не расставляет эти шарики на плате из текстолита, это делает специальная машина, которая перекатывает шарики по «маске» с дырочками, соответствующего размера.
Сама плата выполнена из текстолита и имеет 8 слоёв из меди, которые связаны определённым образом друг с другом. На такую подложку монтируется кристалл с помощью некоторого аналога BGA, давайте назовём его «mini»-BGA. Это те же шарики из олова, которые соединяют маленький кусочек кремния с печатной платой, только диаметр этих шариков гораздо меньше, меньше 100 мкм, что сопоставимо с толщиной человеческого волоса.
Сравнение BGA и mini-BGA пайки (на каждой микрофотографии снизу обычный BGA, сверху – “mini”BGA)
Для повышения прочности печатной платы, её армируют стекловолокном. Эти волокна хорошо видны на микрофотографиях, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа.
Текстолит – настоящий композитный материал, состоящий из матрицы и армирующего волокна
Пространство между кристаллом и печатной платой заполнено множеством «шариков», которые, по всей видимости, служат для теплоотвода и препятствуют смещению кристалла со своего «правильного» положения.
Множество шарообразных частиц заполняют пространство между чипом и печатной платой
Элемент обвязки. SMD-компоненты
Вся прелесть использования микротома в том, что в отличие от прочих режущих инструментов, он позволил аккуратно разрезать один из элементов обвязки, который, судя по слоистой структуре, является SMD (Surface-mount device, т.е. устройство, которое монтируется непосредствено на поверхность печатной платы) твердотельным конденсатором. Как оптическая, так и электронная микроскопия показали одинаково полосатый результат.
Фотографии SMD конденсатора видеочипа: слева – оптическая микроскопия, справа – сканирующая электронная микроскопия
Кристалл NVidia 8600M GT собственной персоной
Выше я подробно описал, как производятся микропроцессоры, в том числе и видео чипы. Несмотря на красивые картинки, всегда хочется самому посмотреть и ответить на вопрос: а не обманывают ли нас производители, говоря о техпроцессе 90 нм (т.е. размер отдельного элемента – транзистора – составляет 90 нм)?
Самое сердце любой кремниевой электроники:
Отдельные логические элементы современной компьютерной техник
Еле заметная разница в контрасте на выше приведённой микрофотографии – это и есть те самые стоки/истоки, которые помогают нам с Вами работать за компьютером, играть в компьютерные игры, смотреть фильмы, слушать музыку и т.д. Размер структур составляет, по моим подсчётам, около 114 нм, учитывая
10% в шкале и расчётах, а также особенности литографии, эта цифра очень хорошо согласуется с заявленным техпроцессом. Теперь мы можем спать спокойно, зная, что такие гиганты, как Intel, Nvidia, AMD действительно производят микрочипы, в которых отдельные элементы могут быть и 90, и 60, и 45, и даже 32 нм.
Внутреннее устройство микрочипа Nvidia 8600M GT
Заключение
Многое из увиденного внутри видеочипа меня поразило. Твердотельный конденсатор в разрезе – это просто потрясающе. Конечно, публикации от Intel, фото, найденные в Интернете с помощью поисковиков, красивые картинки и анимация – отличная вещь, позволяющая быстро получить требуемую информацию и знание. Однако когда лично ты разрезаешь чип, изучаешь его, не отрываясь от экрана монитора часами, и видишь, что техпроцесс действительно 90 нм, что кто-то смог создать, просчитать всю эту конструкцию до мельчайших деталей, то в этот момент чувствуешь радость и гордость за человечество, которое создало такой совершенный продукт.
Компьютерная техника, так или иначе, развивается на протяжении последних 60-70 лет. За это время она преодолела тяжёлый путь от военных компьютеров размером с дом до ipad, от перфокарт до windows 7. Эта индустрия сама создала для себя рынок и целую эпоху – информационную эру. На сегодняшний день индустрия информационных технологий (не только производства компьютерных комплектующих) – один из самых быстроразвивающихся сегментов мировой экономики.
Нет никаких сомнений, что информационный век, в который мы уже вступили, подтолкнёт развитие компьютерной техники, ускорит темпы инноваций и внедрения всё более совершенных технологий. В скором будущем нас ждёт переход от кремния к углероду, как основы вычислительной техники, от электронов к фотонам, как переносчика информации. Всё это позволит в несколько раз снизить вес устройств, многократно увеличить производительность, разработать новые встраиваемые системы и полностью погрузить человека в цифровой мир с его достоинствами и недостатками.
Заглядываем внутрь советской интегральной схемы с ТТЛ
Перевод статьи из блога Кена Ширриффа
В данной статье мы изучим чип 1980-х годов, использовавшийся в часах для космического корабля «Союз». На фото через микроскоп видно кремниевый кристалл внутри корпуса с чёткой геометрической планировкой. Кремний на фотографии выглядит розовато-фиолетовым, а слой с металлическими проводниками – белым. По краям чипа соединительные проводники (чёрные) соединяют площадки чипа с его контактами. Крохотные структуры – это резисторы и транзисторы.
Чип используется в часах на фото ниже. Недавно эти часы, летавшие в космос на корабле «Союз» (неизвестно, на каком из рейсов – судя по маркировке, часы изготовлены в 1984 году), попали в наш музей. Левый верхний дисплей показывает время, а нижний – таймер. Функция «будильника» в заданное время активирует внешний контур. Сначала я думал, что у этих часов внутри окажется единственный чип, однако они оказались неожиданно сложными, содержащими более 100 ИС на десяти платах.
Печатные платы часов открываются на манер книги, после чего становится видно ИС и другие компоненты – это позволяют сделать гибкие крепежи для проводов, соединяющих платы. Среди ИС больше всего встречаются 14-контактные плоские чипы в металлическом корпусе с поверхностным монтажом. Мне захотелось узнать побольше об этих ИС, так что я вскрыл один из них, сфотографировал и провёл обратный инжиниринг его схемы (не волнуйтесь, мы не стали уничтожать чипы из часов – мы просто купили на eBay аналогичные; их было неожиданно просто найти).
Жгуты проводов расположены так, чтобы платы могли раскрываться. Кварцевый кристалл, служащий таймером, виден вверху в центре. Питание расположено на платах справа, с несколькими круглыми индукторами.
Советские интегральные схемы
Часы собраны на ИС с ТТЛ – эта цифровая логика была популярной с 1970-х по 1990-е, поскольку была надёжной, недорогой и простой в использовании (если вы занимались любительской электроникой в то время, вам наверняка знакомы модели серии 7400). В простейшем ТТЛ-чипе содержалось лишь несколько логических вентилей – к примеру, 4 И-НЕ вентиля или 6 инвертеров, а более сложные чипы могли реализовывать такие функциональные модули, как 4-битный счётчик. В итоге ТТЛ уступили место чипам КМОП, использующимся в современных компьютерах, которые потребляют меньше энергии и имеют большую плотность.
ИС со снятой металлической крышкой
Маркировка чипа — 134ЛА8 0684 (134 – чип с низким энергопотреблением, Л – логический, А – вентиль И-НЕ, 8 – подтип данной категории, 0684 – изготовлен в 6-м месяце 1984 года). Он реализует четыре вентиля И-НЕ с открытым коллектором. Вентиль И-НЕ – стандартный логический вентиль, выдающий 0 если оба входа равны 1, а в противном случае – 1. Выход открытого коллектора немного отличается от стандартного.
В случае 0 напряжение на выходном контакте будет низким, а в случае 1 – плавающим («высокоимпедансное состояние»). Требуется внешний подтягивающий резистор, чтобы подтянуть выход в случае результата 1. В часах используется три таких чипа: один в схеме с кварцевым осциллятором, и два в роли инверторов в других частях часов.
Логическая схема 134ЛА8
По мнению ЦРУ, СССР отставал от США в вопросе разработки ИС примерно на 9 лет. И отставание было бы гораздо большим, если бы СССР не скопировал множество западных ИС. В итоге у большей части советских ТТЛ-чипов имеются западные эквиваленты. Однако исследованный мною чип 134ЛА8 отличается от западных двумя особенностями. Во-первых, для уменьшения количества внешних резисторов на чипе расположено два подтягивающих резистора, которые можно подключить как угодно. Во-вторых, у чипа два общих входных вывода, что освобождает два контакта, используемые резисторами. Так что, хотя СССР и копировал ИС, он также творчески разрабатывал собственные чипы.
Компоненты ИС
Под микроскопом видны компоненты ИС, транзисторы и резисторы. Участки кремниевого кристалла, в зависимости от примесей, имеют оттенки розового, фиолетового или зелёного. Примешивая к кремнию другие материалы, можно менять его полупроводниковые свойства, получая кремний n-типа и p-типа. Расположенные сверху белые линии – это металлические дорожки, соединяющие компоненты кремниевого слоя.
На фото ниже видно резистор на кремниевой подложке. Резистор формируется добавлением примесей к кремнию, порождающих дорожку с высоким сопротивлением – это красноватая линия на фото. Чем длиннее дорожка, тем больше сопротивление, поэтому резисторы часто выполняются в виде зигзагов, чтобы получить требуемое сопротивление. Резистор подсоединяется к металлическому слою с обоих сторон, а другая дорожка проходит над ним.
Резистор на кристалле ИС
Этот чип, как и другие ТТЛ-чипы, использует биполярные n-p-n-транзисторы. У этих транзисторов эмиттер n-типа, база p-типа и коллектор n-типа. В ИС транзисторы изготовляются путём добавления в кремний примесей, формирующих слои с различными свойствами. Внизу стопки коллектор, при помощи добавок превращённый в кремний n-типа, формирует большую часть транзистора (большая зелёная область). Над ним находится тонкий участок кремния p-типа, формирующий базу; это красноватый участок в середине. Наконец, небольшой прямоугольник эмиттера n-типа формируется над базой. Эти слои формируют структуру n-p-n. Заметьте, что металлическое соединение коллектора и базы находится сбоку от основной части транзистора.
ТТЛ-схемы обычно использовали транзисторы с несколькими эмиттерами, по одному на вывод, что можно видеть выше. Такой транзистор может показаться странным, однако его довольно просто сделать в ИС. У транзистора выше подключено два эмиттера. Если присмотреться, видно, что эмиттеров четыре, и неиспользуемые закорочены на базу.
Выводные транзисторы на чипе выдают внешний сигнал с чипа, поэтому они должны поддерживать гораздо большие токи по сравнению с другими. В итоге они и сами крупнее других транзисторов. Как и ранее, у транзистора есть большая область коллектора n-типа (зелёная) с базой выше (розовая) и с эмиттером на самом верху. У выходного транзистора есть длинные контакты, соединяющие металлический слой и кремний, вместо небольших квадратных контактов, как у предыдущего. Эмиттер (с проводником в виде U) тоже крупнее. Это позволяет пропускать через него больше тока. На фото ниже у транзистора слева нет металлического слоя, поэтому его подробности легче рассмотреть. У транзистора справа видны металлические проводники.
Как работает ТТЛ И-НЕ вентиль
На диаграмме ниже показан один из логических вентилей И-НЕ с открытым коллектором. Чтобы понять, как работает схема (самое подробное описание работы можно найти по ссылке), сначала предположим, что на вход ей приходит 0. Ток, идущий через резистор R1 и базу транзистора Q1 выйдет через эмиттер транзистора. Транзистор Q2 будет выключен, поэтому R3 притягивает базу Q3 вниз и выключает его. Таким образом выход будет плавающим (то есть, выход открытого коллектора 1). Теперь представим, что на оба входа подаётся 1. Теперь ток, идущий через R1, не может пройти через вход, поэтому он выйдет через коллектор Q1 (в обратном направлении) и в базу Q2, что отключит Q2. Q2 притянет базу Q3 вверх, включая Q3 и вытягивая низкое напряжение выхода. Таким образом схема реализует вентиль И-НЕ, выдавая 0, если на оба входа идёт высокое напряжение. Заметьте, что Q1 работает не как нормальный транзистор – вместо этого он «управляет током», направляя ток от R1 в ту или иную сторону.
На диаграмме ниже показаны компоненты одного из вентилей И-НЕ, размеченные в соответствии со схемой выше (три остальных вентиля И-НЕ на чипе похожи на этот). Разводка вентиля проста по сравнению с большинством ИС; металлические дорожки (белые) можно сопоставить с проводниками на схеме. Обратите внимание на извилистую дорожку от земли к Q3. У транзистора Q1 два эмиттера, а Q3 – большой выходной транзистор. Два неиспользуемых транзистора находятся ниже Q2.
Заключение
Советский чип 1984 года достаточно прост, чтобы разобраться в работе схемы, иллюстрирующей конструкцию ТТЛ вентиля И-НЕ. Минус простых чипов в том, что часам с «Союза» потребовалось более 100 чипов для реализации простейшей функциональности часов. Даже в то время уже существовали чипы, целиком реализующие работу наручных часов и будильников. Сегодня на чипах могут содержаться миллиарды транзисторов, из-за чего они обладают огромным набором функций, однако их работу невозможно понять, просто разглядывая.
Видео, на котором CuriousMarc разбирает космические часы: