Магия создания процессоров дзен
Жаль, что технологи всего мира не в курсе и, бедные, мучаются с тем, чтобы как-то уменьшать конусность получающихся при травлении отверстий.
Но необходимо признать, что в целом уровень материала радикально выше, чем у прошлой статьи. Молодцы, так держать.
Это транскрипт видео, которое несколько другой жанр, чем нормальный текст из слов, поэтому придираться к придурковато-восторженному тону мне кажется не очень корректным)
Плюс всем! Я не великий технолог. но делать вольфрамовые межсоединения. ага, в шестуиуме или в М1.
Нуууу, контакты от легированных областей к первому металлу обычно действительно вольфрамовые — что и показано на картинках, вполне корректно.
Разве контакты не вжигаемые? Честно говорю, не помню как в кремнии, а в соединениях вроде GaAs контакты вплавляются, причем там далеко не один металл. Вжигать титановый контакт? Да там вся структура развалится. Это уже к контактам разводку делают без особого нагрева. Но про вольфрам воспоминаний все равно нет. Мы подслой титана использовали.
Непосредственно омический контакт к полупроводнику делается при помощи силицида (обычно силицида кобальта) — там действительно сначала напыление металла, потом отжиг, чтобы получить силицид. А поверх силицида — вольфрамовые контакты.
Почему именно вольфрамовые — не знаю, я не технолог. Но совершенно точно, что во всех типовых кремниевых техпроцессах они именно вольфрамовые.
Полистал пару статей в интернете — как минимум, титан и палладий в качестве подслоя тоже упомянуты.
И это логично, ведь кремниевая технология считается самой простой. А о какой простоте может идти речь, если нужно испарение мишени электронным пучком.
Контакты делают вольфрамовые из-за возможности получения очень хорошей конформности осаждаемого слоя. Другим металлом просто не получится заполнить контактное окно с нужным аспектным отношением. Горловина окна зарастёт раньше, чем сформируется тело пробки, получится здоровенная полость и брак по отсутствию контакта. Но под вольфрам обязательно нужен Ti/TiN лайнер для обеспечения адгезии вольфрама и предотвращения диффузии в кремний. Больше подробностей не скажу, это не мои процессы, надо консультироваться у профильных технологов.
Я так понял, там наоборот, вольфрам служит ограничителем диффузии всякой активной гадости вроде индия, который с большинством других металлов образует хрупкие интерметаллиды.
На счет заполнения контактного окна — если там прямой клин, то никакого «горла» нет, если обратный, то с чего ему зарастать. Это ведь напыление, летят атомы, да потом по поверхности бегают немножко. Край маски для них гораздо менее энергетически выгоден, чем плоскость.
Правда, опять же, именно с кремниевой технологией я дела не имел, только с гетероструктурами на основе GaAs с довольно крупной литографией.
Я так понял, там наоборот, вольфрам служит ограничителем диффузии всякой активной гадости
Нет. Вольфрам и есть основной конструктивный материал контактных окон.
На счет заполнения контактного окна — если там прямой клин, то никакого «горла» нет
Это зависит, в первую очередь, от степени конформности процесса осаждения и аспектного отношения контактного окна. Процесс W CVD из гексафторида вольфрама имеет очень хорошую конформность. А вот с Al PVD так не выйдет. Посмотрите вот эту статью, например. Обратите внимание на картинку №7. Из этой статьи хабра-авторы как раз картинку выдернули, кстати, но дальше первой картинки читать не стали, к сожалению.
Вот, для примера, SEM снимок типичного контактного окна к активной области. Отмечено само окно и слои лайнера. Обратите внимание на аспектное отношение (это отношение глубины к ширине).
Мы-то все термическим распылением наносили, там окно зарасти не может.
Вы напрасно так категорично думаете. Я же не зря писал про аспектное отношение. Очень может зарасти и при PVD процессе. Вот, нагуглил более-менее подходящую иллюстрацию из статьи (см. DOI: 10.1063/1.1937476), это PVD:
Видите, из-за чего получаются войды? Статья, вообще-то про барьерные слои, но легко представить, что получится, если попробовать полностью заполнить окно. Всё очень сильно зависит и от требуемой геометрии, и от конкретного типа реактора, а их не два условных PVD и CVD, а достаточно много разновидностей каждого процесса и разных поколений. То, что в одной технологии делается легко и непринуждённо, в другой технологии может и не получиться на том же оборудовании или вообще не получится с тем же типом процесса. Не зря же под новые технологии меняется не только оборудование ФЛ, но и существенная часть всех остальных установок.
1886VE10… These bright cilinders — are tungsten via's left after metalization etch. This is an image from electron microprobing — sample is being bombarded by electron beam and X-Ray spectra is analyzed.
Занятный опыт, конечно. Только, для изучения технологии такой вандализм не пригоден, к сожалению. А что вы хотели этим сказать? У меня то нет сомнений, как мы делали контакты и переходные окна на этой схеме ;)
Я думал — алюминий или медь прямо на P+/N+ области напыляются. А там — "много гитик".
А для топологии относительно простых устройств — можно и так.
Никогда и ни за что. Особенно медь. Там в каждом маленьком кусочке всегда множество деталей, потому что нужно обеспечить адгезию, отсутствие ненужной диффузии, равномерность и качество слоев и т.д… и т.п.
Картинки, которые показывают широкой публике — это несколько процентов того, как оно выглядит на самом деле.
Удачи с изготовлением чего бы то ни было без ионной имплантации)
Если чего бы то ни было, то пожалуй что "да без базара", диффузию из слоя фосфор/боросиликатных стекол ещё не отменили :) Для субмикрона, конечно, опа. А вот без операций очистки действительно ничего не взлетит, хотя про них никто никогда не рассказывает.
Жаль, что технологи всего мира не в курсе и, бедные, мучаются с тем, чтобы как-то уменьшать конусность получающихся при травлении отверстий.
Ну, тут такое дело, конусность иногда и специально задают на нужном уровне, для правильного заполнения. Но в целом, есть такое. Хотя, как говорится, "есть способы". Хоть всю пластину насквозь, есть такая штука как бош-процесс. По принципу, это циклическое травление-пассивация боковой стенки. Можно "выгрызать по-частям" отверстия ну просто с очень неприличным аспектным отношением. Но они будут не "идеально гладкие", конечно.
Но необходимо признать, что в целом уровень материала радикально выше, чем у прошлой статьи.
Да ну нафиг, полно ляпов. Погнали:
Литография позволяет нам получить нужный трехмерный рисунок на поверхности чипа.
Трёхмерный рисунок в слое ФР? "Я должен это видеть!" Кстати, уже бывает, но это вообще не про планарную технологию.
Ну и наконец-то заливка бетоном вашего фундамента — это осаждение. Получение в конце концов именно того фундамента, который изначально был нанесен с помощью литографии.
Эм, хм. Неудачный пример. Осаждение покрывает всю пластину. Это как вытряхивать бетон из миксеров с вертолёта на стройплощадку. Для формирования "фундамента" как раз потребуется либо ФЛ после осаждения, либо ФЛ до осаждения и химико-механическая полировка (CMP) после, если дамасский процесс делаем.
В целом, есть два вида травления — сухое и мокрое.
Я вот знаю технолога, которая за "мокрое травление" может и сказать пару ласковых про автора. Жидкостное травление.
жидкость затекает во все места, ведь это жидкость и травление происходит равномерно во все стороны, а не вертикально вниз, как мы хотим. Это называется подтрав под маску!
Это называется изотропный процесс. А подтрав под маску - так называется результат. "Вертикально вниз" - это анизотропный процесс. ПХТ тоже может быть изотропным, так между прочим, а степень изотропности может быть даже управляемой. Если в создании материала участвовал технолог по ПХТ, то приведённое описание весьма странно.
При этом, как и в случае с жидким травлением, те участки, которые мы хотим сохранить, мы можем покрыть специальной маской, которая останется нетронутой в процессе сухого травления, а открытые участки просто улетят!
Вау! Мечта ПХТ'шника, бесконечная селективность к маске! Это же круче чем IDKFA. Пойду расскажу, у кого консультации брать, а то коллеги всё волнуются, хватит им резиста или не хватит. Оказывается ваще не проблема. Ну перепутали рабочий слой и маску, не вычитали, не разобрались и кинули текст как есть. Так сойдёт.
медь для контактов транзистора
Ы-ыыы! Тут уже все должны пасть ниц. Медь - быстродиффундирующая примесь, делать из неё контакты к транзисторам это как бы сказать. ну, не очень круто. Медь на производстве вообще любят убирать в отдельный участок. По началу, так вообще в отдельную изолированную чистую комнату выводили и даже меняли перчатки после каждой передачи контейнеров с "медными" пластинами. Потом немного убрали степень паранойи, но всё равно медные перекрёстные загрязнения могут в прямом смысле убить всё производство фаба. Поэтому с медью - очень осторожно и по специальному протоколу.
И ещё, даётся описание PVD процесса осаждения вольфрама, я даже специально посмотрел свои записи, от 0.5 мкм, как минимум, используется CVD процесс.
При чем самое крутое, что все эти процессы, как осаждения, так и травления, можно проводить для нескольких пластин одновременно,
Можно, но не нужно. Все промышленные установки травления и PVD на субмикроне для индивидуальной обработки пластин. Невозможно обеспечить достаточную равномерность по пластине и по партии в реакторах групповой обработки. CVD есть индивидуальные и в виде вертикальных групповых печек.
PS: Стал ли уровень материала выше? Не думаю. Так, для детского сада сойдёт. Уровень: "я взял Ардуину и три китайских модуля. "
Современное производство процессоров иначе как произведением технологического искусства назвать просто язык не поворачивается. Когда начинаешь разбираться с тем какое количество в нем тонкостей и элегантных технологических решений, то просто взрывается мозг. Сегодня мы вам расскажем о двух важнейших этапах при производстве процессоров, а также объясним что общего между созданием процессоров и ковровыми бомбардировками, зачем нужно греть материалы сфокусированным лучом электронов и как получают металлический пар из самого тугоплавкого металла в мире.
Начнем, как обычно у нас принято, с основ. Как мы уже не раз говорили: транзистор - основа всех процессоров. Но сам по себе одиночный транзистор мало что может. В современных чипах их миллиарды!
Кроме того, все эти транзисторы надо друг с другом связать в правильной последовательности, то есть фактически проложить провода от одного транзистора к другому.
Только вдумайтесь, вам надо в правильной последовательности связать друг с другом миллиард крошечных транзисторов. К каждому транзистору надо подвести по три провода - сток, исток и затвор. Плюс ко всему сам транзистор - это сложный сендвич, в котором в правильной последовательности расположены полупроводники различных типов, изоляторы и металлические контакты.
Давайте просто представим, забыв о том, что транзисторы в тысячи раз меньше толщины человеческого волоса, что вы весь из себя такой Флэш и умеете делать, скажем 100 транзисторов в секунду! Знаете сколько времени у вас уйдет на создание одного чипа М1 от Apple? Пять лет! На создание всего лишь одного чипа! Для одного MacBook! Этот метод явно не подходит, надо думать что-то другое.
Тут то и приходит на помощь наша святая троица, а именно процессы Фотолитографии, Травления и Осаждения ! Эти три типа процессов являются базой для создания всех современных процессоров. Да и не только процессоров: эти же процессы являются основой при создании экранов, будь то OLED или LCD, матриц фотокамер, различных модемов, датчиков и например МЕМСов.
Об одном из процесов мы уже вам рассказывали в нашем материале про Экстремальную Ультрафиолетовую литографию.
Литография позволяет нам получить нужный трехмерный рисунок на поверхности чипа.
Создание тразистора
Давайте представим, что создание транзистора - это как постройка дома. Вам необходимо сначала разметить землю, понять, где у вас будут коммуникации, где фундамент - это и есть литография.
Затем вы вызываете трактор, который приезжает и выкапывает для вас ровненькую траншею именно той геометрии, которую вы разметили - это и есть травление, то есть процесс удаления материала из только определенных областей. Чем глубже трактор копает - тем глубже получится траншея, также и с травлением.
Ну и наконец-то заливка бетоном вашего фундамента - это осаждение. Получение в конце концов именно того фундамента, который изначально был нанесен с помощью литографии.
Как создаются современные процессоры? Насколько это сложный и интересный процесс и почему так важна некая Экстремальная УФ-литография? В этот раз мы копнули действительно глубоко и готовы рассказать вам об этой магии технологий. Располагайтесь поудобнее, будет интересно.
Вот вам затравочка - 30-килоВаттный лазер в вакууме стреляет по капле олова и превращает ее в плазму - скажете фантастика?
А мы разберемся как это работает и расскажем об одной компании из Европы, которая стоит тенью за всеми гигантами Apple, AMD, Intel, Qualcomm, Samsung и другими и без нее никаких новых процессоров бы и не было. И нет это, к сожалению не Чебоксарский завод электроники.
Чтобы понять процесс экстремальной ультрафиолетовой литографии - нам надо для начала понять, что вообще такое фотолитография. Сам процесс по своей сути очень похож на то как печатаются фотографии с с пленочных негативов на фотобумагу! Не верите - сейчас все объясним.
Фотолитография
Начнем с простого примера - возьмем прозрачное стекло и нанесем на него какой-то геометрический рисунок, оставив при этом какие-то участки без краски. По сути, сделаем трафарет. Приложим этот кусок стекла к фонарику и включим его. Мы получим ровно тот же рисунок в виде тени, который мы нанесли на кусок стекла.
В производстве процессоров этот кусок стекла с рисунком называется маска. Маска позволяет получить на поверхности любого материала “засвеченные и незасвеченные” участки любой плоской формы.
Хорошо - рисунок на поверхности мы получили, но это всего лишь тень. Теперь надо как-то его там сохранить. Для этого на поверхность кремниевой пластины наносится специальный светочувствительный слой, который называют Фоторезистом. Для простоты мы не будем тут говорить о позитивных и негативных фоторезистах, почему они так реагируют, все-таки мы не на уроке Физической химии. Просто скажем, что это такое вещество, которое меняет свои свойства, когда на него попадает свет на определенной частоте, то есть на определенной длине волны.
Хорошо - рисунок на поверхности мы получили, но это всего лишь тень. Теперь надо как-то его там сохранить. Для этого на поверхность кремниевой пластины наносится специальный светочувствительный слой, который называют Фоторезистом. Для простоты мы не будем тут говорить о позитивных и негативных фоторезистах, почему они так реагируют, все-таки мы не на уроке Физической химии. Просто скажем, что это такое вещество, которое меняет свои свойства, когда на него попадает свет на определенной частоте, то есть на определенной длине волны.
Опять же как и на фотопленке или фотобумаге - специальные слои материалов реагируют на свет!
После того как нужные нам участки на кремнии мы засветили, именно их мы можем убрать, оставив при этом на месте остальные, то есть незасвеченные участки. В итоге мы получили тот рисунок, который и хотели. Это и есть фотолитография!
Конечно, кроме фотолитографии в производстве процессоров участвуют и другие процессы, такие как травление и осаждение, фактически комбинацией этих процессов вместе с фотолитографией транзисторы как-бы печатаются слой за слоем на кремнии.
Технология не новая, почти все процессоры начиная с 1960-х производятся при помощи фотолитографии. Именна эта технология открыла мир полевых транзисторов и путь ко всей современной микроэлектронике.
Но по-настоящему большой скачок в этой области произошел только недавно! С переходом на EUV. И всё из-за длинный волны 13.5 нм. Не переживайте, сейчас объясню!
Длина волны на которой светит наш “фонарик” - это невероятно важный параметр. Именно она и определяет насколько маленьким вы можете получить элементы на кристалле.
Правило максимально простое: Меньше длина волны - больше разрешение, и меньше техпроцесс!
Обратите внимание на картинку. Абсолютно все процессоры начиная с начала 90-х до 2019 года производились с использованием процесса Глубокой УФ-литографии, или DUV литографии. Это то, что было до Экстремальной.
Он основывался на использовании фторид-аргонового лазера, который испускает свет с длиной волны в 193 нанометра. Этот свет лежит в области глубокого ультрафиолета - отсюда и название.
Он проходит через систему линз, маску и попадает на наш кристалл покрытый фоторезистом, создавая необходимый рисунок.
Но у этой технологии тоже были свои ограничения, завязанные на фундаментальных законах физики.
Какой же минимальный техпроцесс возможен? Смотрим на формулу (только не пугайтесь):
Здесь Лямбда - это и есть наша длина волны, а CD - это critical dimension, то есть минимальный размер получаемой структуры. То есть с использованием “старой” DUV литографии нельзя получить структуры не меньше примерно 50 нм. Но как же это так спросите вы? Ведь производители отлично делали и 14 и 10 нм, а кто-то даже и 7 нм с использованием DUV литографии.
Они пошли на хитрости. Вместо одного засвета через одну единую маску, они стали использовать несколько масок, с разными рисунками, которые дополняют друг-друга. Это процесс получил название множественное экспонирование . Назовем это принципом слоеного пирога!
Да - производители обошли прямые физические ограничения, но физику не обманули!
Появилась серьезная проблема: эти дополнительные шаги сделали производство каждого чипа гораздо дороже, из-за них увеличивается количества брака, есть и другие проблемы.
То есть в теории можно продолжить работать со старой технологией и путем игры с масками и экспонированием (двойная, тройная, четверная экспозиция) уменьшать размеры и дальше, но это сделает процы золотыми. Ведь с каждым слоем процент брака возрастает все выше, а ошибка накапливается!
То есть можно сказать, что DUV - это тупик! Что делать дальше, как уменьшать?
И тут на помощь приходит великая и ужасная технология Экстремальной УФ-литографии, или EUV-литографии!
Посмотрите на фото - оно прекрасно демонстрирует различие двух технологий. Обе получены с использованием 7-нанометрового техпроцесса, но та что слева получена с использованием DUV-литографии и с теми самыми хитростями о которых мы говорили - тройное экспонирование, то есть с поэтапным использованием 3 разных масок. Справа же - технология EUV литографии на 13.5 нанометрах, с использованием одной единственной маски - разница очевидна - границы гораздо четче, лучший контроль геометрии, ну и сам процесс намного быстрее, меньше процент брака, то есть в конце концов дешевле. Вот она дорога в светлое будущее, почему бы сразу так не делать, в чем проблема?
Как работает EUV-литография
Все дело в том, что хоть EUV это та же литография, внутри в деталях все гораздо сложнее и тут ученые и инженеры столкнулись с новыми проблемами!
Сама технология экстремальной УФ-литографии начала разрабатываться в самом начале 2000 гдов. В ней используется источник, который излучает свет с длинной волны в 13.5 нанометров - то есть на нижней границе УФ-спектра, близко к рентгену!
В теории этим способом можно создавать структуры уже критических размеров - настолько маленьких, что еще чуть-чуть и на них перестанут действовать законы обычной физики. То есть после 5 нм мы попадаем в квантовой мир!
Но даже эта проблема на данный момент решена. Есть источник - возьми, да и делай себе сколь угодно маленькие процессоры.
Все совсем не так просто!
Проблема таких коротких длин волн в том, что они поглощаются почти всеми материалами, поэтому обычные линзы что были раньше уже не подходят. Что делать?
Для управления таким светом было принято решение создать специальные отражающие зеркальные линзы. И эти линзы должны быть гладкими! Очень гладкими. Практически идеально гладкими!
Вот вом аналогия - растянем линзу до размеров, скажем, Германии, так вот ее площадь должна быть такой гладкой, что ничего не должно выпирать больше чем на 1 миллиметр. Этот параметр называется шероховатостью линзы и у нужной нам он должен быть меньше 0.5 нанометра. Это уже близко к размерам АТОМА! Кто же смодет подковать блоху?
Конечно, Zeiss - только они на это способны! Да - та самая компаиня Zeiss, чьи линзы стоят на моем фотике, были в Nokia или во флагманах Sony Xperia.
Одна проблема решена - линзы есть!
Есть и вторая - этот свет рассеивается даже в простом воздухе. Поэтому для того чтобы процесс прошел нормально его надо проводить в вакууме!
Про частички пыли и грязи я вообще молчу - понятно что их там вообще не должно быть. Чистые комнаты на таком производстве на порядки чище, чем операционные в больницах! Люди буквально ходят в скафандрах. Любая, даже самая маленькая частичка грязи кожи воздуха может испортить и маску и зеркала!
А что же с источником? Просто поставили специальный лазер на более короткую длину волны и все? Проблема в том, что ни лампочек, ни лазеров, ни каких-либо других нормальных источников света, которые излучают на такой длине волны просто не существует в природе.
И как же тогда получают нужное излучение? Элементарно, Ватсон - нам нужна плазма.
Надо нагреть оловянный пар до температур в 100 раз больших, чем температура поверхности солнца! Всего-то! И за этим стоит почти 2 десятилетия разработок.
В установке для производства процессоров по EUV-литографии, о которой мы поговорим отдельно установлен специальный углекислотный лазер, который опять же может производиться в тандеме всего двух компаний в мире - немецкой фирмой Trumpf и американской Cymer. Этот монстр мощностью в 30 киловатт стреляет по 2 импульса с частотой 50 килогерц.
Лазер попадает в капли олова, первый выстрел фактически плющит и превращает каплю в блин, которая становится легкой мишенью для второго залпа, который ее поджигает. И происходит это 50 тысяч раз в секунду! А образовавшаяся плазма и излучает этот свет в экстремальном УФ спектре.
И естественно, это только самая база, но мы попробовали нарисовать вам картину того насколько это сложный и крутой процесс.
Компания, стоящая за производством всех процессоров
О технологии рассказали, значит ее кто-то придумал и реализовал,но ее разработка оказалась настолько дорогой, что даже крупные гиганты и воротилы не способны потянуть такие бюджеты!
В итоге, чтобы это стало реальностью всем пришлось скинуться - Intel в 2012 году, а TSMC и Samsung где-то в 2015 году приняли участие в общем проекте. Суммарные инвестиции составили, по разным оценкам от 14 до 21 млрд долларов! Из которых почти 10 млрд были вложены в одну единственную нидерландскую компанию ASML. Именно она и стоит за всем производством процессоров в мире по методу EUV-литографии! Вау! Что за ASML и почему мы о ней ничего не слышали? Компания из Нидерландов - что за темная лошадка?
Все дело в том, что ASML создали тот самый инструмент без которого Apple, Самсунг и Intel с AMD фактически как без рук! Речь идёт об установке стоимостью более 120 миллионов долларов. Она огромная, 180-тонная, потребляет почти 1 мегаватт электроэнергии, и ей нужно почти 1.5 тонны воды в минуту для охлаждения! Но даже при такой цене очереди на них стоят годами ведь в год этих машин производится несколько десятков штук.
Тут же стоит упомянуть немалый вклад российских умов. Например, один из создателей этой технологии - Банин Вадим Евгеньевич, сейчас директор по разработке в ASML. Также в компании работают и другие наши соотечественники!
Мы выяснили, что эта компания делает одни из самых технологичных девайсов, в котором собраны все знания человечества и на них производят процессоры все IT-гиганты сразу!
Но не только ASML стоит за спиной нам известных IT-гигантов. Их установки состоят из более чем 100 тысяч деталей, которые производятся более чем тысячей компаний по всему миру. Все эти компании связаны друг с другом!
Будущее
Но что же будет дальше! Вы что - думали, что мы оставим вас оставим в дне сегодняшнем? Нет - мы подглядели в будущее! Мы раздобыли информацию что будет после пяти или даже двух нм!
Во-первых, прямо сейчас, пока вы смотрите это видео TSMC уже штампует новые процессоры для HUAWEI, Apple и Samsung с использованием EUV-литографии, но не на 7 нм, как было с Apple A13 и Kirin 990, а на 5 нм техпроцессе! И этому есть множества потверждений! И о них мы услышим уже этой осенью. Как вам такое - A14 Bionic будет 5нм! Так же ждем новые Exynos на 5нм и процессоры Google, о которых мы рассказывали отдельно! Qualcomm наверняка тоже подтянется за ними, но тут мы не располагаем данными!
А во-вторых, и это вообще взрывает мозг, ASML уже заканчивает разработку установок, которые позволят производить процессоры на 2 нанометровом техпроцессе и даже меньше всего через 4-5 лет!
Для этого ребята из нидерландской компании совместно с немецкой Zeiss разработали новые зеркальные линзы, с высокими значениями апертуры. Это анаморфная оптика - она и многое другое позволит увеличить разрешающую способность.
Сам процесс по сути тот же EUV, но с приставкой High-NA EUV. А сами агрегаты буду занимать еще большие размеры, посмотрите вот так для них делают оптику!
Этот год тяжелый для всех, но в тоже время - посмотрите какими шагами начинают развиваться технологии, все шире и шире. Нас ждут новые процессоры с мощностями, которые нам и не снились.
Кроме этого развиваются совершенно новые типы процессоров такие как NPU - для нейровычислений.
Современное производство процессоров иначе как произведением технологического искусства назвать просто язык не поворачивается. Когда начинаешь разбираться с тем какое количество в нем тонкостей и элегантных технологических решений, то просто взрывается мозг. Сегодня мы вам расскажем о двух важнейших этапах при производстве процессоров, а также объясним что общего между созданием процессоров и ковровыми бомбардировками, зачем нужно греть материалы сфокусированным лучом электронов и как получают металлический пар из самого тугоплавкого металла в мире.
Начнем, как обычно у нас принято, с основ. Как мы уже не раз говорили: транзистор — основа всех процессоров. Но сам по себе одиночный транзистор мало что может. В современных чипах их миллиарды!
Кроме того, все эти транзисторы надо друг с другом связать в правильной последовательности, то есть фактически проложить провода от одного транзистора к другому.
Только вдумайтесь, вам надо в правильной последовательности связать друг с другом миллиард крошечных транзисторов. К каждому транзистору надо подвести по три провода — сток, исток и затвор. Плюс ко всему сам транзистор — это сложный сендвич, в котором в правильной последовательности расположены полупроводники различных типов, изоляторы и металлические контакты.
Давайте просто представим, забыв о том, что транзисторы в тысячи раз меньше толщины человеческого волоса, что вы весь из себя такой Флэш и умеете делать, скажем 100 транзисторов в секунду! Знаете сколько времени у вас уйдет на создание одного чипа М1 от Apple? Пять лет! На создание всего лишь одного чипа! Для одного MacBook! Этот метод явно не подходит, надо думать что-то другое.
Тут то и приходит на помощь наша святая троица, а именно процессы Фотолитографии, Травления и Осаждения! Эти три типа процессов являются базой для создания всех современных процессоров. Да и не только процессоров: эти же процессы являются основой при создании экранов, будь то OLED или LCD, матриц фотокамер, различных модемов, датчиков и например МЕМСов.
Об одном из процесов мы уже вам рассказывали в нашем материале про Экстремальную Ультрафиолетовую литографию.
Литография позволяет нам получить нужный трехмерный рисунок на поверхности чипа.
Создание транзистора
Давайте представим, что создание транзистора — это как постройка дома. Вам необходимо сначала разметить землю, понять, где у вас будут коммуникации, где фундамент — это и есть литография.
Затем вы вызываете трактор, который приезжает и выкапывает для вас ровненькую траншею именно той геометрии, которую вы разметили — это и есть травление, то есть процесс удаления материала из только определенных областей. Чем глубже трактор копает — тем глубже получится траншея, так же и с травлением.
Ну и наконец-то заливка бетоном вашего фундамента — это осаждение. Получение в конце концов именно того фундамента, который изначально был нанесен с помощью литографии.
Комбинацией этих процессов и создается наш дом, мы размечаем участок, травим и осаждаем где надо и наш дом растет слой за слоем, так же и с транзисторами. В результате получаем сложную слоистую структуру из разных материалов. Только таких домов надо строить сотни миллиардов одновременно!
Травление
Давайте перейдем к травлению. Как мы можем убрать какой-то материал? Ведь трактором траншею в несколько нанометров не вырыть.
В целом, есть два вида травления — сухое и мокрое. При использовании мокрого травления наш материал помещается в специальную ванну или поливается сверху определенным раствором. Этот раствор химически реагирует и растворяет тот материал, который мы хотим убрать, это и удаляет материал с поверхности. Но у такого метода есть минусы, которые при создании маленьких транзисторов очень важны — жидкость затекает во все места, ведь это жидкость и травление происходит равномерно во все стороны, а не вертикально вниз, как мы хотим. Это называется подтрав под маску! Здесь маска закрывает на нашем чипе те участки, которые мы не хотим удалять, то есть травить!
Поэтому при производстве часто используют сухое травление. Для этого надо создать плазму! Как и в Экстремальной УФ-литографии нам нужно прибегнуть к помощи четвертого агрегатного состояния вещества! Только если там плазма нужна была для создания света с определенной длинной волны, то здесь она нужна совсем для другого.
Видите ли, плазма это не просто светящийся газ — она полна разных частиц, атомов, электронов, а также различных положительных и отрицательных ионов. Вот в этих ионах и кроется ключевая особенность. Ведь ионы мало того, что имеют какой-то заряд, так еще и очень реактивны, а это нам и нужно! Сейчас объясним…
Это и есть та самая ковровая бомбардировка, ведь ионы наши относительно тяжелые и если подать достаточное напряжение, то они врезаются в поверхность материала как бомбы в землю, и просто разносят всю его поверхность! Это процесс, кстати, так и называется — ионная бомбардировка поверхности.
Это физическая составляющая процесса плазмохимического травления материала. Но есть и вторая — химическая.
Как я уже говорил, наши ионы очень активны и если правильно подобрать газ, из которого сделана наша плазма, то ионы будут химически реагировать с материалом чипа и просто образовывать новые соединения, которые будут просто улетать!
Например, при травлении Кремния или Нитрида Галлия, про которые мы вам недавно рассказывали, применяют плазму из гексафторида серы, в смеси с аргоном, или кислородом!
При этом, как и в случае с жидким травлением, те участки, которые мы хотим сохранить, мы можем покрыть специальной маской, которая останется нетронутой в процессе сухого травления, а открытые участки просто улетят!
Вот так путем игры с разными параметрами в процессе травления можно получать идеально гладкие, вертикальные отверстия абсолютно любой формы и глубины.
И более того травление можно осуществлять одновременно по всей поверхности огромной пластины кремния!
Осаждение
С траншеями для нашего дома, ой то есть транзистора, мы разобрались. Теперь надо в них залить наш фундамент, сделать стены и проложить коммуникации.
Для этого надо осадить различные материалы — это могут быть как металлы, например, медь для контактов транзистора или диэлектрики для изоляции в тех местах, где нам надо.
Ну или например нам надо осадить другой тип полупроводника на чип, как нам это нужно делать, например, в новых LTPO экранах, где используются транзисторы на основе поликристаллического кремния и соседний транзистор на основе оксида индия цинка и галлия!
В принципе, методов осаждения целая куча! Мы же расскажем вам о двух основных и начнем с самого взрывного.
Представьте, что вам надо нанести куда-то очень тонкий слой Вольфрама. Просто отрезать и приклеить точно не получится — я напоминаю что мы тут говорим контактах в несколько единиц нанометров. Как это сделать?
И тут, вы удивитесь, но принцип несильно отличается от того, когда вы наливаете холодное пиво в бокал в теплый летний день. Ведь на холодном бокале тут же начинают образовываться капельки воды: эти капельки — конденсат пара из воздуха. Вот с Вольфрамом надо сделать точно так же.
Но только тут есть одна проблема — если для того, чтобы образовался водяной пар нужно 100 градусов, то у вольфрама температура парообразования составляет почти 6000 градусов! Пока его так разогреешь, все вокруг уже расплавится. Как же его испарить вообще?
Для этого надо прибегнуть к так называемым электронно-лучевым технологиям, а по факту используют сфокусированный в одну точку луч электронов с очень большими энергиями!
А источником такого луча зачастую тоже является вольфрамовая нить, прям как в старых лампах накаливания, только тут она сильно толще. На эту нить подается ток, и она начинает во все стороны испускать электроны. Часть из них ускоряют до нескольких тысяч вольт и фокусируют в единую точку на поверхности того материала, который мы хотим испарить, в данном случае на Вольфраме.
Думали ли вы, что с помощью лампочки Ильича можно делать процессоры для современных iPhone?
Так вот эта точка может разогреваться до безумных температур! Таких высоких, что даже Вольфрам, который является самым тугоплавким металлом в мире, превращается в пар. Фактически локально формируется маленькую лужа Вольфрама и часть этой лужи и испаряют.
Этот пар летит и конденсируется на любой холодной поверхности, в частности на нашем чипе, где он осаждается, формируя необходимые нам контакты для наших транзисторов!
Но это опять же физические процесс, а есть и химические, когда, как в случае с травлением, на поверхности нашего материала, в нужных местах происходят специальные химические реакции.
Хорошим примером такого процесса является так называемое химическое осаждение из газовой фазы. Она активно применяется не только для производства процессоров, но и для создания органических светодиодов для гибких OLED-экранов!
Кстати, CVD — Chemical Vapor Deposition (химическое осаждение пара) — это один из методов выращивания искусственного алмаза, которые потом применяют, например, для алмазных резаков!
При чем самое крутое, что все эти процессы, как осаждения, так и травления, можно проводить для нескольких пластин одновременно, на каждой из которых сотни, а то и тысячи процессоров! Если бы не эта возможность, то каждый процессор стоил бы просто баснословных денег!
Выводы
Конечно, здесь мы перечислили только самые базовые процессы, но даже они дают понимание о том, какие невероятные технологические решения стоят за производством того, чем мы пользуемся каждый день.
А ведь есть и другие потрясающие процессы на современных производствах. Например, атомно-слоевое осаждение, которое позволяет получить идеальные пленки с возможностью контроля толщины до одного атома, или процессы ионной имплантации.
Стоит также сказать, что для процессов, о которых мы сегодня вам рассказали, надо зачастую сначала создавать очень глубокий вакуум в установках, иногда даже больше, чем в космосе, однако это тема для отдельного материала! В общем, вы поняли — нам есть что вам рассказать интересного! Мы готовим вам целую серию материалов.
Кстати, автор сценария этого ролика Глеб Янкевич со своими коллегами тоже занимается травлением. Если интересно, почитать их последнюю статью о травлении карбида кремния в Nature Scientific Reports.
Во вселенной Гарри Поттера и Аватара магические системы являются "жесткими", так как что они объясняют читателю (более или менее убедительно) все проявления магии и правила по которым она существует. Аудитория знает правила, так как видит как персонажи постоянно пользуются магией. Эти системы, хоть и базируются на неизвестных магических аспектах не удивляют читателя, так как они вполне понятны.
Властелин Колец и Игра Престолов, в противоположность, используют "мягкую" магию. Главные персонажи непосредственно не используют магию и аудитория не до конца понимает как она работает. Это остается тайной.
Тогда как гораздо сложнее допустить что мягкая магическая система является рациональной, можно допустить что Игра Престолов использует рациональную магическую систему, которая находит проявление через огонь или лед. Когда Джон Сноу убивает белого ходока валлирийской сталью, это имеет смысл. Хотя мы и не видели как кто-то делал нечто подобное ранее. Это потому что мы знаем что драконье стекло может убить ходока и оба оружия закалены в пламени дракона. Даже без понимания всех тонкостей, читателем это принимается весьма гармонично. Скажем больше, если бы Джорж Мартин и другие сценаристы поднапряглись бы, то без труда бы описали логическое обоснование данной магической системы.
Для того чтобы магическая система оставалась таинственной, как в Игре Престолов, автор не должен показывать как она работает. Аудитория должна наблюдать лишь результат её применения, но не причины. Размыть правила будет проще, если причина и следствие применения магии будут разделены временем и пространством, а также не будут связанны непосредственно. В Игре Престолов женщина бросает некое вещество в огонь и где-то далеко умирает несколько лордов. Аудитория, тем не мене, не вполне уверенна, что сжигание вещества вызвало данные смерти. Причина этих смертей Это остается загадкой, хотя они стали свидетелями магического ритуала из первых рук.
Создание базового набора правил для магической системы
Первый шаг это создание метафизического каркаса, который бы объяснял, как и почему магия работает в данной, отдельно взятой вселенной. Хорошо проработанный набор правил должен содержать так же и ограничения на использование магии. Например, если произношение заклинания часть применения магии, то немые персонажи не могут колдовать.
Чтобы создать набор правил, которые достаточно плотно покрывают все аспекты магической системы, надо ответить на следующие вопросы:
Каков источник магии?
Ниже приведены примеры самых распространенных типов источников магии в произведениях. Достаточно одного.
Многие системы рассматривают магию как энергию, подобною теплоте, магнетизму или электричеству. Во многих вселенных, данная энергия генерируется живыми существами, астрально или черпается из эмоций.
Системы основанные на энергии очень удобны, так как содержат естественное ограничение. Чем больше гора, тем больше силы надо приложить чтобы её двинуть и соответственно больше магической энергии. Маги не могут взрывать планеты силой мысли, так не на это требуется колоссальное количество энергии, которое они не могут в себе собрать.
Высшие существа
Иногда боги или иные высшие существа являются источником силы. Это тяжелее для описания, ведь автору необходимо дополнительно описать поведение и мотивацию этих же высших существ. Например, в романе "Проклятье Шалиона" боги могли влиять на мир лишь через действия простых людей, которые добровольно бы выполняли их волю.
В романе Дюна, те кто находятся под воздействием пряностей (специй, меланджи) получали силу, но лишь на некоторое время. Магические субстанции позволяют легко установить лимит возможностей на использование магии - он эквивалентен лимиту на данную субстанцию. Однако, должны присутствовать правила по которым люди реагируют на неё. Если одни начинают летать, а другие телепортироваться, то тут что-то не так.
Сдвиги в реальности
Некоторые магические системы базируются на идее что реальность более податлива к изменениям чем кажется, позволяя некоторым людям влиять на неё. Однако использование данного приема требует ответа на вопрос о природе реальности - может это виртуальная реальность или сон?
Эти приемы адаптируют ограничения из физики даже если сама физика не является ограничением. В Матрице, например, подъем более тяжелого тела есть более затратный по энергии процесс. Технически, ограничения являются больше ментальной установкой на то что нечто тяжелое более тяжело поднять. В фильме это работает только для Нео, но если бы мы поместили бесконечное число "избранных" то за какое-то время один из них сумел бы столкнуть две планеты. Неконтролируемо мощная магия оставляет очень заметный в мире, и если автор не ограничит супер мощных персонажей то это заруинить весь сюжет или превратит его в фарс.
Как черпают и контролируют магию?
То каким образом маги получают доступ к источнику и черпают из него силу может разниться от источника к источнику. Субстанции могут продаваться, Богам можно молиться, а также определенные люди могут быть более чувствительны к магии - или существует технология которая все делает за них. Не бойтесь пробовать что-то новое.
Каковы аспекты процесса использование магии?
Процесс реализации намерений мага через заклинания может происходит с использованием:
Сила воли: Персонажи имеют непосредственный доступ к магии через концентрацию либо напряжение воли, однако необходимо ввести ограничения, что бы это не превратилось в deus ex machina
Коммуникации: Персонажи обращаются к богам или суперкомпьютерам со своими желаниями. Это добавляет изюминку, ведь персонажи могут получать не совсем то что они просят.
Заклинания: персонажи не говорят то чего они хотят, а вместо этого пользуются проверенными заклинаниями, рецептам и способами намереваясь получить определенный результат. Ритуалы также подходят под эту категорию.
Чем более разношерстные способы использования магии, тем тщательнее автор должен их проработать, чтобы они выглядели рациональными. Если персонажи вызывают магию путем комбинации веществ, ритуальных танцев и символов нанесенных углем, то у каждого из слагаемых должна быть определенная цель. Автор (в идеале читатель тоже) должен понимать, к примеру, для чего некоторые заклинания вызываются теми же символами, но разными танцами. Придание смысла всему может оказаться довольно затяжным процессом.
Каковы ограничения системы?
Теперь пора разобраться почему магия не может делать все чего хочет применяющий её колдун.
Во-первых, автор должен знать на что способна магия в теоретически самом благоприятном сценарии. Это может быть список от абсолютно ничего до единичного эффекта типа телекинеза до остановки времени. В романе "Сокрушитель войн" Сандерсона, магия берет начало от жизненной силы называемой "дыхание". Сандерсон мог бы позволить "дыханию" делать все что угодно, но он ограничился оживлением мертвых и обострением чувств мага. "Дыхание" не может вызвать дождь или сделать кого-то невидимым. Ограничение того что магия может теоретически сделать, слишком сильно ограничивает количество сюжетных ходов которые можно использовать.
Во-вторых, проследить за процессом использования магии и подумать что может испортить или ослабить результат на каждом из шагов. Например, магия основанная на субстанции, которую добывают из почвы.
Люди потребляют и усваивают её, поедая растения. Она накапливается в организме, пока человек не захочет использовать магию приложив к этому определенные усилия.
Что же может пойти не так?
Доступность вещества: вещество может проникать лишь в определенные растения. К тому же области с веществом в почве весьма ограничены. Что если в таком месте будет неподходящий климат для необходимого растения либо весь урожай погибнет?
Съедобность растений: у некоторых людей может быть непереносимость данного вида растений. Люди могут отравиться или умереть, съев их слишком много, или спустя время, усвоив в организме слишком много вещества. Растение может иметь отвратительный вкус или быстро погибать. К тому же, при сушке или хранении растения, эффект вещества ослабевает.
Наличие в организме: перед тем как начать колдовать человек должен иметь определенные запаса вещества в организме, путем поедания растений какое-то время. Его сила ограниченна количеством вещества в нем. Либо тем когда он последний раз употреблял его.
Сила воли: способность людей эффективно использовать магию зависит от их состояния. Они могут слишком уставшие, слишком пьяны или злы чтобы сосредоточиться на чем то определенном. К тому же, им может быть необходимо знания как магия работает. Практиковать её какое-то время, чтобы знать как направлять дабы получить ожидаемый результат.
Большой список ограничений поможет при создании конфликтов в истории. Например, во время казалось бы небольшого промежутка времени, около 5 секунд, необходимых чтобы исполнить заклинание, с магом может что-то случиться. Если применение магии может быть ненадежным или привести к неожиданным последствиям, то это открывает простор для создания драмы, конфликтов и тяжелых ситуаций для персонажей.
Разнообразие
Если магическая система будет основываться лишь на базовых правилах, то она будет скучна. Есть несколько способов как можно добавить разнообразия сохранив при этом целостность.
Разделения на категории
Аватар это хороший пример разделения одной и той же формы магии на разные типы. Чаще всего различие основывается на различных источниках магии и различных эффектов от их использования. Однако, можно экспериментировать и с различными техниками вызова.
Однако разделение должно быть естественным, дабы не вызывать у читателя чувства произвола в системе.
Завершенность
После создания категорий и распределения заклинаний по ним, необходимо найти любые крупные пробелы там где должны быть категория и две категории с похожими элементами. Деление должно такое, что каждый элемент однозначно подходил только в одну категорию.
Категории могут быть какими угодно странными, если убедительное обоснование для этого. Например, источником магии есть некий пантеон богов. У богини океанов есть три ребенка, которые управляют ветром, волнами и глубинами. Тогда не может показаться странным, что нет, скажем, бога грязи, ведь богиня земли еще родила такого ребенка.
Созданные категории нуждаются в согласовании. Сильные и слабые стороны каждой из сторон должны быть эквиваленты. Как в игре камень - ножницы - бумага. Где каждый элемент бьет другой, но и бит другим.
Система может иметь отклонения, если (опять же) есть правила которые его объясняют. Например магию генерируют вибрация континентальных плит. И в разных регионах размер плит и сила вибрации разные, что и вносит локальный дисбаланс в магическую систему.
Экстраполяция
Имея гениального человека с нестандартным мышлением, который знает все правила магической системы, волне уместно задать вопрос как он может использовать магическую систему иначе - для достижения ранее не обозначенных результатов. Какие новые методы использования или применения он может придумать?
В Аватаре большинство адептов может манипулировать элементами лишь в их естественной форме. Однако, некоторые могут использовать элементы в любой форме или смешанные с другими.
В примере с магией получаемой из земли, талантливый алхимик может особым образом приготовить растение и сделать эликсир, который быстрее усваивается. С другой стороны может существовать группа людей с аллергией на это растение. У них нет иммунитета, употребление вредит им, однако от этого их сила растет.
Естественно что в сюжете понадобится несколько человек, чьи возможности превышают обычные. Что бы сюжет включал в себя исключительного персонажа у него должна быть способность, нарушающая ранее установленное правило. Но только одно. В Аватаре есть только один человек на все поколение который может подчинять себе все 4 элемента.
В примере с растением некоторые люди могут поглощать волшебное вещество непосредственно. Тогда отпадает целая линия ограничений связанных с растениями, таких как переедание, приспособляемость растений или их наличие.
Читайте также: