CC BY
31Владимир УРАЗАЕВ, к. т. н.
Все больше
Еще в 1916 году польский ученый Чохраль-ский, изучая скорость кристаллизации металлов, изобрел метод получения больших монокристаллов. Суть этого метода заключается в медленном вытягивании из расплава (с одновременным вращением) монокрис-талла-«зародыша». На поверхности «зародыша» образуется тонкая пленка, в которой атомы ориентируются так же, как и в исходном монокристалле. Диаметр получаемого слитка регулируется изменением температуры и скоростей вытягивания и вращения.
Оказалось, что метод универсален и может быть использован для «выращивания» монокристаллов полупроводников (кремния, германия, арсенида галлия и др.) [1]. Более того, этот метод получил очень широкое при-
Рис. 2
Выставка
SEMICON Korea 2009
Международная выставка SEMICON Korea 2009 проходила с 20 по 22 января этого года в городе Сеуле. Посетителям выставки были представлены экспонаты более 500 компаний, специализирующихся на производстве оборудования, материалов и разработке новых технологий для полупроводникового производства.
менение в современной микроэлектронике. На фотографии (рис. 1) показан монокристалл кремния. Его диаметр составляет 380 мм. Этого вполне достаточно для получения пластин кремния (wafer) наиболее распространенного ныне типоразмера — с диаметром 300 мм.
Другие экспонаты выставки (рис. 2) свидетельствуют о том, что привычный типоразмер в ближайшем будущем будет изменен в большую сторону — до 450 мм. Причина этого изменения очевидна. Чем больше кремниевая пластина, тем большее количество микросхем можно изготавливать в едином технологическом цикле и тем ниже себестоимость готовой продукции.
С учетом этих изменений и разрабатывается современное оборудование для полупроводникового производства.
Первые в мире
Такие слова и выражения с оценкой высокой степени, как “new”, “world first”, “world best”, неоднократно встречались на этой выставке (рис 3, 4). Завесой тайны была окутана экспозиция компании Oerlicon. Достаточно сказать, что фотография (рис. 4) была сделана украдкой. C техническими характеристиками установки Die Bonder 2100 sD, а также с перечнем другого оборудования, изготавливаемого этой компанией, можно ознакомиться, посетив сайт [2].
NAND флэш-память
В рамках выставки состоялась серия семинаров. С программной речью (Keynote Speech) выступил Dr. Masaki Momodomi, представитель подразделения компании Toshiba, которое специализируется в области Flash Memory (флэш-памяти).
Известны два типа флэш-памяти: NAND и NOR. Первый из-за своей дешевизны получил широкое распространение в современной цифровой технике, предназначенной для массового потребителя (USB Flash Memory, SD-card). Нетрудно заметить, что цены на этот вид памяти очень быстро снижаются. Однако относительная стоимость «единицы» памяти в зависимости от общего объема почти не изменяется. Так, увеличение объема памяти в два раза сопровождается примерно таким же увеличением ее цены.
Обычная планарная архитектура NAND Flash Memory, похоже, уже исчерпала свои внутренние ресурсы. Размещение транзисторов в одной плоскости все более и более увеличивает требования к литографическому процессу. Альтернатива — либо многоуровневые ячейки (MLC), либо переход в объем.
3D-структуры, как оказалось, также не лишены недостатков. Переход в объем позволил значительно увеличить объем памяти практически без изменения размера (площади) чипа. Транзисторы в этой конструкции располагаются слоями друг над другом. Но для то-
Рис. 3
NAND String
Bit line (BL)
Upper Selection Gate (USG)
Control Gate (CG)
Lower Selection Gate (LSG)
Source Line (SL)
Рис. 5
го чтобы изготовить каждый слой, необходимо проделать много операций, в том числе не менее двух литографий. Получается дорого!
Не так давно компания Toshiba заявила о рождении в ее лабораториях принципиально новой технологии изготовления NAND Flash Memory [3]. Новая технология изготовления 3D-структур NAND Flash Memory (Bit-Cost Scalable Technology) от фирмы Toshiba лишена этих недостатков (рис. 5). По этой технологии сначала получают чередующиеся проводящие и изолирующие слои, которые затем пронизываются кремниевыми столбиками. Если точнее — то полыми столбиками из поликристал-лического кремния, заполненными изолятором. Затем в едином технологическом цикле на боковой поверхности этих столбиков формируются транзисторы. Использование группового метода исключает жесткую зависимость количества технологических операций от числа слоев. Как следствие, NAND Flash Memory, изготовленная по такой технологии, должна быть очень дешевой. Очевидно, изменится и относительная стоимость «единицы» памяти в лучшую для потребителей сторону.
Само собой
В Интернете на сайте компании IBM можно прочитать очень интересную статью “Flash memories: Successes and challenges” [4]. В этой статье сделан акцент на ключевые инновации, благодаря использованию которых в течение многих лет выполнялся знаменитый закон Мура (уменьшение размера ячейки памяти на 50% каждые 2 года). Красной строкой в этих инновациях проходит использование технологий самосовмещения. Технологии са-мосовмещения (Self-Aligned Source, Self-Aligned Silicide, Self-Aligned Floating gate и др.) позволили уменьшить размер микросхем без использования добавочных литографических слоев и без предъявления дополнительных требований к точности совмещения. Причем уменьшение размеров сопровождалось уменьшением стоимости.
Рис. 6
Чуть дальше от идеальности находится другая серия изобретений, решающих задачу масштабирования. Для получения рисунка двойной плотности (Double Pattering) разработаны и практически используются различные варианты технических решений. Это Double Exposure, Double Exposure and Double Etch и вновь (!) Self-Aligned Spacer [5]. Оборудование для осуществления процесса Double Pattering предлагалось к продаже и на этой выставке (рис. 6).
Антирефлекторные покрытия
Повысить разрешающую способность процессов литографии можно также, используя менее изобретательные (более очевидные)
Ц Р Without ARC • АЯСвь
МЛ«с1>ол problem during Expoiuic » Mkw *»■ fcwritfN • ■ШЕМШ.ІЛ'МММ
< иу-stma W
ЕЕ ■»и
Рис. 7
способы. Компания Nissan Chemical Industries предлагает использовать антирефлекторные покрытия для микролитографии ARC (рис. 7). Поверхность кремниевых пластин только на первый (невооруженный) взгляд идеально ровная. В действительности она имеет микрошероховатость. Микрошероховатость является причиной рассеивания лучей при экспонировании и, следовательно, «размытости» боковой поверхности фоторезиста после проявления. Антирефлекторное покрытие наносится между поверхностью субстрата и фоторезистом. Оно предотвращает (или минимизирует) светорассеяние.
Мониторинг
Думаю, что не менее 30% экспонатов выставки составляло оборудование для мониторинга технологических процессов. И это не удивительно, ведь чем меньше размеры элементов микросхем, тем сложнее ограничиться обычными органолептическими методами оценки качества выполнения той или иной операции.
Оценить особенности и преимущества того или иного типа микроскопов, пожалуй, могли только специалисты. Всемирно известные компании Nikon, Hitachi, Olympus участвовали в этом негласном соревновании (рис. 8).
Рис. 8
К сожалению, не все дефекты в микросхемах можно обнаружить визуально. В последнее время очень широкое распространение получили микросхемы с шариковыми выводами. Более того, в некоторых микросхемах шариковые выводы имеются и внутри (bump), и снаружи (ball). Преимуществ у них очень много — компактные, дешевые и т. д. Недостаток, пожалуй, только один — соединение между печатной платой и микросхемой получается очень жестким. Как следствие, большие проблемы возникают при работе таких сборок в сложных условиях эксплуатации, особенно при термоциклировании с большим температурным диапазоном. Первоначально такие чипы использовались преимущественно в неответственной бытовой аппаратуре. Стремление к дешевизне быстро раздвигает рамки их практического исполь-
зования. Поэтому очень актуальной стала проблема выявления дефектных соединений. Компанией Sonix разработано специализированное оборудование для таких целей [6]. Принцип действия этого оборудования (рис. 9) основан на акустическом воздействии (Scanning Acoustic Tomography).
Три измерения
Микросхемы и/или изделия, в которых они применяются, очень часто работают в сложных условиях эксплуатации. Как следствие, возникает необходимость в испытательном оборудовании, имитирующем эти условия. Компания Wuilfert [7] называет себя лидером в производстве симуляторов движения. Ее рекламный проспект изобилует изображениями космических кораблей многоразового пользования, космических станций и т. д.
На рис. 10 показано высокоточное устройство TRI-400PV для тестирования и калибровки сенсоров, инерциальных систем и компонентов. Некоторые характеристики этого устройства:
• точность позиционирования 0,00001°;
• скорость вращения до 1000 °/с;
• ускорение до 15 000 °/с2.
Симулятор движения TRI-400PV имеет три степени свободы вращения. Имеются модели с двумя или даже одной степенью свободы. В некоторых случаях этого бывает достаточно. Реализация такого варианта движения гораздо проще, а следовательно, и дешевле.
Три в одном
На этот раз речь пойдет не о трех измерениях, а об «ударном» сочетании трех физикохимических факторов. Органические полимеры и материалы на их основе очень широко используются ныне в различных областях техники. К сожалению, органические полимеры имеют существенный недостаток — склонность к деструкции. Деструкция — это разрушение полимеров под действием различных неблагоприятных внешних воздействий (температура, влажность, радиация и т. д.). Даже самые термостойкие полимеры необратимо разлагаются при температуре выше 350 °С. Проблема повышения стабильности свойств и долговечности полимеров — одна из важнейших научных и инженерных задач.
А что будет, если сделать наоборот — сократить срок жизни полимера до минимума? Если пофантазировать, то окажется, что таким способом можно решить много интересных изобретательских задач. Реализовать их поможет устройство UV-Ozone Stripper/ Cleaner UV-1 [8], которое было также представлено на выставке (рис. 11). Для минимизации жизненного цикла полимеров в этом устройстве используется одновременное воздействие тепла, ультрафиолетового излучения и озона.
Рис. 11
Если же отвлечься от решения изобретательских задач, то такое устройство может быть использовано для решения иных практических задач, например, для удаления органических материалов с различных носителей (кремния, металлов, керамики, кварца, стекла и т. д.). При помощи иУ-1 можно очищать носители, удалять фоторезисты, улучшать смачиваемость поверхности, проводить отверждение различных композиций ультрафиолетовым излучением, получать окисные пленки на поверхности кремниевых пластин.
Ножи
Итак, срезать (удалять) что-то с чего-то можно не только ножами, но и другими не менее эффективными способами. Да и ножи,
используемые в технологиях производства электронной техники, могут существенно отличаться от привычных традиционных приборов. Если сжатый воздух подать в очень узкую и длинную щель, то можно получить воздушный нож. Таким «ножом» можно очень быстро и эффективно (даже без дополнительного нагрева) высушить любую плоскую поверхность.
Рис. 12
Компания Simco [9] специализируется на изготовлении различного рода устройств и приспособлений для снятия статического электричества. Эта проблема актуальна для полупроводникового производства. Причем с увеличением степени интеграции микросхем она превращается в очень актуальную. Чем меньше диэлектрический зазор — тем меньший уровень напряжения достаточен для его пробоя. Среди оборудования, поставляемого этой компанией, можно было увидеть еще один вариант «ножа». На этот раз — электростатический нож (рис. 12). От простого воздушного ножа он отличается тем, что выходящий из него воздух электризован.
Старые знакомые
Компанию Asymtek [10] знают в России по ее революционному решению в области вла-гозащиты печатных узлов способом селективного нанесения покрытий. Однако область ее интересов, как оказалось, значительно шире. Так, например, созданная в этой компании установка AXIOM X-1020 (рис. 13) обладает поистине универсальными возможностями. В технологии изготовления микросхем она может быть использована для заполнения компаундом пространства между чипом и печатной платой — носителем чипа (underfill). Поскольку этот зазор очень мал, да еще и заполнен шариковыми выводами, это очень непростая задача.
То же самое данная установка позволяет сделать и на ином системном уровне: между микросхемой и печатной платой — носителем радиоэлементов. В сборочно-монтажном производстве такая установка, кроме того,
пригодится для прецизионного нанесения паяльной пасты и заливки микросхем компаундами.
Фокус
Несколько неожиданно было увидеть на этой выставке CRT-монитор — монитор позавчерашнего дня. Еще более неожиданным было то, что он работал, несмотря на то, что был наполовину залит водой (рис. 14). Десятки киловольт и в воде? Увы, чудес на свете не бывает. Прозрачная жидкость, в которую был погружен монитор, на поверку оказалась фторорганической жидкостью (торговая марка HT 200). А фторорганика, как известно, отличается очень высоким уровнем диэлектрических свойств.
Таким оригинальным способом специалисты компании Solvay Solexis SpA [11-13] пытались привлечь внимание посетителей к своей продукции. И следует сказать, что удачно. Эта компания специализируется не только на изготовлении фторсодержащих жидкостей, но и фторорганических полимеров (PVDF, ECTFE, PFA). Уникальные свойства таких полимеров (исключительная химическая стойкость, термостойкость, влагостойкость, диэлектрические свойства и т. д.) делают их не-
заменимыми в различных областях техники, в том числе и в электронике.
Полупроводниковое производство — коммерчески очень привлекательная область для производителей различного рода химикатов. Без использования процессов химического осаждения Chemical Vapor Deposition (CVD), Atomic Layer Deposition (ALD) очень сложно, или даже невозможно, реализовать технологии изготовления современных микросхем. Такие процессы требуют использования особо чистых веществ. И это не удивительно. Ведь в процессе ALD осаждение атомов идет практически поштучно — слоями толщиной в 1 атом!
Есть спрос — есть предложение. Компания UP Chemical [14] специализируется на производстве «семейства» металлорганических соединений (precursors), предназначенных для ALD/CVD-процессов. В каталоге ее продукции можно найти химические соединения, необходимые для осаждения High-k материалов; кремния и его производных; металлов; нитридов металлов, сплава германий-сурь-ма-теллур (GST).
Левитация
Левитация, на первый взгляд, тоже фокус. Однако, как это следует из статьи [15], в технике — это объективная реальность. Известны различные варианты технической левитации: магнитная, электростатическая, оптическая, аэродинамическая, ультразвуковая и их комбинации.
С точки зрения практической реализации наиболее приемлема аэродинамическая левитация. В одной из разновидностей этого метода присутствует понятие «подушка». Воздушную подушку получить очень просто. Достаточно в подложке-носителе просверлить много отверстий и продувать через них сжатый воздух. Подъемная сила воздуха уравновешивает вес изделия (wafer), и оно начинает «парить» в воздухе.
Специалисты компании New Way Air Bearing [16] не стали сверлить много отверстий, а использовали в качестве транспортирующего устройства материал, в котором этих отверстий уже очень много готовых: пористый карбон. Компанией разработано много вариантов конструктивного исполнения «воздуш-
Рис. 15
ных подшипников». Один из них показан на фотографии (рис. 15).
Чтобы не сложилось ошибочное представление, отмечу, что транспортное устройство, в котором используется техническая левитация, было единичным на этой выставке на фоне великого множества обычных робототехнологических комплексов. Скорее всего, в недалеком будущем это соотношение может измениться в обратную сторону. Объективная необходимость использования бесконтактных методов в полупроводниковом производстве ощущается уже сейчас.
Заключение
С исторической точки зрения не так уж много времени прошло с тех пор, как на Корейском полуострове появилось производство полупроводниковых микросхем. Сегодня небольшая страна Южная Корея занимает одно из лидирующих мест в этой области. В первую очередь следует сказать о микросхемах памяти NAND Flash Memory и DRAM.
Самодостаточность — этим словом А. М. Медведев охарактеризовал ранее выставку оборудования для изготовления печатных плат, проводившуюся в том же городе и даже в том же выставочном комплексе COEX. Выставку SEMICON Korea 2009 можно охарактеризовать двумя словами: стремление к самодостаточности.
В этой статье рассказано лишь о некоторых экспонатах, на которые по тем или иным причинам обратил внимание автор. Так уж получилось, что акцент был сделан на разработки зарубежных гостей этой выставки. Если же смотреть шире, то можно сделать вывод, что корейские производители ныне сами освоили производство оборудования, предназначенного практически для всех этапов изготовления полупроводниковых микросхем, начиная с выращивания монокристаллов кремния и заканчивая упаковкой и контролем качества готовых микросхем. ■
Литература
1. http://en.wikipedia.org/wiki/Czochralski_process
2. www.oerlikon.com/esec/
3. www.toshiba.co.jp/about/press/2007_06/pr1201.htm
4. www.research.ibm.com/journal/rd/524/lai.html
5. http://en.wikipedia.org/wiki/Ddouble_pattering
6. www.sonix.com
7. www.wuilfert.com
8. www.samco.co.jp
9. www.simco.co.jp
10. www.asymtek.com
11. www.solvaysolexis.com
12. www.solvay.com
13. www.solvay-fluor.com
14. www.upchem.co.kr
15. Уразаев В. Техническая левитация: обзор методов // Технологии в электронной промышленности. 2007. № 6.
16. www.newwayairbearings.com
