Долгий путь микропроцессора на рынок или учимся читать новости про российские литографы
Пару дней назад Хабр в списке новостей вывел и эту — В России создали и тестируют собственный литограф. Новость не вызвала у меня особого интереса — кроме того, что на Хабре завелась особая математика, +68 — 24 = +58, и вот почему.
Перед дальнейшим чтением стоит перечитать статью 2022 года — Путь к сердцу полупроводниковой фабрики: какие литографы доступны России?
Для лиги лени: материал для 9 класса с уроков труда по теме «введение в любую специальность»
Благодарности: За эту статью попрошу благодарить патриотично размороженных граждан в целом, и @WebPeople (регистрация 2012, разморожен с первым комментарием 8 июл 2023 в 20:47) в частности, и иных участников дискуссий со свежей регистрацией, 0 (нолем) статей и активной патриотической позицией (@kbnrjlvfrfrf, @cat-chi), сопровождаемой техническим бредом в комментариях. Ничего не поделать, такая сегодня экологическая обстановка. Но, надеюсь, им старшие товарищи позорный недуг в подвиг определят.
Путь микропроцессора до планшета, или станка с ЧПУ, или до Шаттла и Хаббла, или даже до Бурана (где стояли IBM System/370 — купленные еще в 70е, и испорченные выпуском в СССП до уровня Бисер-4, о чем можно почитать в материалах НПЦАП имени Н.А. Пилюгина) начинается с обычного песка, оксида кремния.
1. От песка до поликремния
Песка в мире почти везде хватает. Почти — потому что с качественным строительным песком уже проблемы.
Кремний нужен в первую очередь в металлургии, для удаления кислорода из стали (раскисления). Производят металлургический кремний например в Казахстане — Silicium Kazakhstan. В РФ тоже производят —
РУСАЛ — «Кремний» в Шелехове.
Каменск-Уральский (СУАЛ-Кремний-Урал» , РУСАЛ Кремний Урал — то закрыт (2019) то снова открыт (2021)
Усолье-Сибирское (Nitol Solar, Усольехимпром и Усолье-Сибирский Силикон) — банкрот в 2014, закрыт, в 2022 году выполнен демонтаж 243 зданий и сооружений Усольехимпрома.
Кремний нужно очистить еще раз, от чистоты 98%.
Сначала до Especially pure polycrystalline silicon (PCS) — 99.999%, 99.9999% и лучше.
Потом (nine-9) — до 99.9999999%.
Для очистки нужен трихлорсилан, он же трихлорид кремния. Ничего сложного в производстве нет, берем кремний, льем соляную кислоту, кипятим при +300. Получаем трихлорсилан никакой чистоты (классов АБВ), потому что кремний нужной чистоты получают иначе.
Берется кремний металлургической чистоты, берется чистый водород и чистый хлор. Все это загоняется в каскад реакторов и дальше, как могли бы писать в учебнике химии
Silicon tetrachloride, STC > High-purity Trichlorosilane > SiH4 (силан).
Был еще алкоксисилановый способ (через триэтоксисилан), но как-то не нашел применения.
Полученный чистый силан идет в следующий реактор — на получение поликремния нужной чистоты.
На выбор — есть процесс REC Silicon«s Siemens process с осаждением на стержни, есть Silane-Based Fluidized Bed Reactor (FBR) с получением гранулированного продукта, и есть Dynatec Centrifugal Chemical Vapor Deposition Reactor (CCVDR) с осаждением на стенки центрифуги.
Получить из российского интернета что-то кроме маркетинга и рекламы, по поводу того, где осталось производство чистого водорода, и где именно получают поликремний нужной (nine-9) чистоты — достаточно сложно. Чуть не забыл — в кремнии еще и бор имеется, и он не полезен.
2. От поликремния к монокристаллу
Процесс выращивания монокристалла кремния не так прост. На картинках для учебника все выглядит просто — опускаем заготовку (которую надо где-то взять, а еще лучше и ее почистить от дефектов), и медленно вытаскиваем из расплава. Вот только в процессе нужно как-то добиться отсутствия дефектов монокристалла «потому что так вышло», так что в мире есть 2.5 метода — метод Чохральского (Czochralski) и метод зонной плавки (и куча вариантов таких как Bridgman–Stockbarger method). Примечание для зануд и душнил — методов роста кристаллов, конечно, больше — только в Википедии описано 16 штук, начиная с Laser-heated pedestal growth.
На этом этапе начинает появляться экономика процесса. Сам по себе процесс обработки одиночной пластины, то есть ее нарезка, полировка, погрузка в каскад камер обработки, стоит каких-то денег, поэтому выгоднее ставить в обработку пластины диаметром побольше. Обработать одну пластину 100 мм и 400 мм стоит сопоставимой суммы, пусть 100$ — только с круга D100 \ R50 мм получим площадь чипов 7854 мм, а с D300 \ R150 — 70685 мм. Разница в диаметре в 3 раза — разница в площади в 9 раз, простая математика, 6 класс, площадь круга.
Открываем официальные новости 05.07.2022, цитата:
«Ростех освоил технологию собственного производства из российских материалов монокристаллического кремния с удельным электрическим сопротивлением более 1000 Ом-сантиметров. Благодаря этому возможно полностью импортозаместить поставки иностранного сырья, которое использовалось для производства кремниевых пластин для электронных силовых приборов, например, транзисторов, термисторов, силовых выпрямители тока. На «Иннопроме» мы демонстрируем опытный образец диаметром 107 мм», — рассказал генеральный директор НПП «Салют» Александр Бушуев.
Хабр — «Росэлектроника» создала кремний из российских материалов для производства электронных приборов
23.05.2023, цитата:
В марте на заводе «Энкор» в Черняховске начали монтировать установки для выращивания слитков монокристаллического кремния. В основе технологии — метод Чохральского. На следующем этапе слитки режутся на пластины, служащие основой для изготовления солнечных ячеек.
Источник 1 с ссылкой на Калининград ру
25 января 2024, цитата:
На заводе в Черняховске будут выращивать слитки и производить пластины монокристаллического кремния для солнечных ячеек суммарной мощностью до 1,3 ГВт в год.
Деловой Петербург
Сам по себе метод Чохральского (кстати, он поляк — Jan Czochralski, а методу больше 100 лет — официально с 1918), не плох и не хорош, но имеет ограничения, описанный в учебнике Мочалова, пп. 4.8 Недостатки метода Чохральского. Мировой промышленности это не мешает растить 300 мм кристаллы.
Но, 107 мм кристалла от Ростеха — это аналог стандартных пластин из 1976 года, 100 мм. К 1981 вышли 125 мм, к 1983 мировая индустрия перешла на 150 мм, 1992 — на 200 мм (8 дюймов), к 2002 — на 300 мм (12 дюймов). Переход на 450 мм — когда то будет.
Пока писал эту статью, возник казус. Нигде официально не указано, какого диаметра они тянут заготовки, но продают они, цитата:
анонсирован только объем выпуска кремниевых пластин — более 200 млн ед./год.
Номенклатура и размеры пластин не указаны.
Уровень цен:
пластина 50·50 мм — около 500 руб;
слиток Ø 76 мм — около 20 000 руб.
Источник
Поэтому когда участник Daemon2017, Зарегистрирован 26 декабря 2011, написал 0 статей и 3 (три) комментария — один в 2017 году, и две в комментариях к заметке про литограф — пишет про 200 мм со ссылкой на Дзен, то я как-то очень, очень сомневаюсь.
Дальше возникает небольшая проблема. Полученный кристалл надо
1) Нарезать на пластины толщиной 0.725 мм для 200 мм пластин и 0.775 для 300 мм. Для 100 мм процесса толщина была 0.525 мм.
2) Отшлифовать от 0.5… 0.7 мм до 0.03 (MEMS) …0.05 (DRAM).
Возникают такие названия как Shin Etsu, Sumco, GlobalWafers, Siltronic, SK Siltron.
3. И еще, полученные пластины надо как-то проверить, и не только взяв в руки штандартенциркуль и трафарет конструктора , но и посветив на них разнообразными приборами.
И ТОЛЬКО ПОСЛЕ ЭТОГО ГДЕ-ТО НА ГОРИЗОНТЕ ВИДЕН ЛИТОГРАФ, но.
Но на пути к загрузке порезанных и отполированных пластин в литограф возникают препятствия нескольких видов.
Первые — физические, все эти маски, фоторезисты (и прочие суспензии и эмульсии), производственные помещения, особо чистые газы, вибрации и виброзащита. Цитата:
В отличие от AMD, Apple и TSMC имена производителей этих материалов известных лишь среди специалистов: Air Liquide, Cabot, Linde, JSR, Sumco, GlobalWafer и другие.
Полюса силы в мире чипов
Можно добавить Applied Materials Inc., Akrion Systems (Naura Microelectronics Equipment Co. Ltd), Ebara Corporation, Disco Corporation, Revasum Inc, Tokyo Seimitsu Co. Ltd. (Accretech Create Corp.).
В список надо добавить производителей фотомасок (фотошаблонов) — Dai Nippon Printing, Toppan Photomasks, Photronics Inc, Hoya Corporation, Taiwan Mask Corporation, Compugraphics и технологии типа Phase-shift mask (PSM) и Optical proximity correction (OPC).
Масок на один процесс нужно под сотню, цитата:
Графический процессор NVIDIA H100, например, требует при своём производстве 89 фотомасок
Источник Китай устроил дефицит фотомасок для производства чипов — это грозит очередной глобальной нехваткой полупроводников
Вторые — логические.
Нужно нарисовать отдельно — логику, все эти логические вентили, FSM, skid buffers, и отдельно — физику, как эти логические вентили будут выглядеть на схеме. Нужны разные Verilog
Придется как — то нарисовать перенос логики на физику, все эти DDR-SDRAM как Rambus, и в чем он это нарисует (Electronic Design Automation, EDA). Выбор широк — Synopsys, Cadence и Siemens (Mentor). И все это не очень похоже на Компас 3D. Ах, да — и потом это нарисовать на фотомаске.
Третьи — производственные. Само здание, и людей в нем, нужно обеспылить, причем не путем помывки. То есть, и помывки тоже, но не только:
Most chipmakers have «ISO class 1» cleanrooms that are «zero dust», meaning there are no more than 10 particles between 100 and 200 nm in size per cubic meter of air, and none larger than 200 nm. In comparison, a clean, modern hospital has about 10,000 dust particles per cubic meter.
Источник — ASML
И только тут, после того как у здания , построенного из беспылевых материалов, с встроенной виброзащитой, системами фильтрации воздуха и после того, как на складе сложены фотошаблоны, баллоны с газами, бочки с красной, желтой, зеленой жижами и серной кислотой, стопки нарезанных отполированных пластин, специальные малиновые беспылевые штаны для инженеров ПНР — практически скафандры, уже можно начинать говорить о том, что туда можно ставить литографы. Это я еще не сказал про гарантированное электроснабжение, систему фильтрации и водоподготовки входящей воды, системы фильтрации отводимой воды, системы фильтрации отводимых газов и так до системы стирки малиновых штанов, чтобы от них в атмосферу закрытого контура здания не летели 2 (две) частицы на кубический метр воздуха.
И только тут возникает литограф.
Вы думаете это все? А вот и нет.
После того, как на скольки-то миллиметровой пластине сделаны (и очищены от очисток) сами чипы, необходимо проверить, хотя бы выборочно — сколько же их сделано годными, а сколько не очень. Желательно еще до того, как они порезаны и скорпусированы. Оборудование делает … кто то делает,
1.ViSCO Technologies USA, Inc.,
2.TAKANO CO., LTD.,
3.UENO SEIKI CO., LTD…
4. YASUNAGA CORPORATION
5. JAI
(источник). Может еще Leica.
Hitachi делает — CS4800 critical dimension scanning electron microscope (CD-SEM) и Dark field wafer defect inspection system DI4200
Вы думали это все? А ВОТ И НЕТ, но уже почти все.
После того, как процессор или память нафотографированы (или нарезаны рентгеном, если эту машину все же сделают), отмыты от очисток, проверены, нарезаны на чипы, к самим чипам припаяны ножки, чипы проверены на работу на нужных частотах и брак отсеян, и все это упаковано в корпус, только тут можно говорить о том, что под процессор — память — прочую обвязку нужно сделать монтажную плату, развести на плате 20–24 (сейчас) слоя проводников и не только. Нужно добиться, чтобы одни слои не работали передатчиками помех до других, собрать этот слоистый бутерброд и напаять туда силовую и прочую электронику.
И только тут уже возникает вопрос –, а компилятор то под эту архитектуру у вас есть, точно ли ПО соберется из имеющихся исходников ? Но это уже другая история.
КАК ТО СЛОЖНО ЖЕ ! Можно ли без этого? Есть же эта, линия AMD!
С линией все очень и очень интересно. AMD Fab 30 (200 мм подложки, 130 нм) — линия была, мы этого не отрицаем. Но она самоликвидировалась. Возник интересный и нигде открыто не описанный процесс, про который участники по понятным причинам не хотят (или уже не могут) про это рассказать. Но, можно проследить за руками.
Шаг первый. Микрон еще в 2012 году заявляет, что технология 90 нм почти освоена, и уже они почти готовы начать производство.
Шаг второй. 17 июля 2014 года пресс-служба одного (как оказалось позже — волка в овечьей шкуре, обвиненного и осужденного в 2023 году по ч. 2 ст. 280 УК) публикует краткую заметку — »Птичка упала за террикон, жилой сектор не зацепила. Мирные люди не пострадали». Но что-то пошло не так, из 298 пострадавших человек — 283 пассажиров и 15 членов экипажа — 193 были из Нидерландов. Если кто-то не понял, то ASML — пока еще фирма из Нидерландов. Как раз производит литографы и проводит им ПНР и ТО.
Шаг третий. На Микроне почему-то очень ограничивается все, что связано с линиями менее 250 нм.
Что могло пойти не так?
Сейчас проще сказать, что купленной линии больше нет. Самоликвидировалась в процессе хранения.
Так, а как же раньше жили без этих нанометров? Нормально жили же!
нормально жили между прочим
текли в кубышку трудодни
Дело не в нанометрах и даже не в мегагерцах. Сам по себе отдельный процесс, как его не назови (P854, CS-34, CS-34EX, CMOS-6, CS-60, HiPerMOS 2, КМОП 0,35) не живет отдельно от остального цикла.
Кроме того, значение имеет время от теории до поставки. Nikon начал выпускать NSR-1755EX8A (resolution: 450 nm) в 1991, ASML доставили первый серийный PAS 5500/200 (350 нм) 9 мая 1991, цитата:
May 9, 2021 marks 30 years since the first-ever PAS 5500 platform was shipped.
Источник Three decades of PAS 5500. Lifecycle of a ground-breaking lithography platform
Странно, что комментаторы в соседнем треде что-то говорят про 1993.
Масштаб процесса постройки фабрики и перехода проще отследить по Digital Semiconductor — DEC, цитата:
Fab 6 was built by Digital Semiconductor, a new business unit formed last June by Digital Equipment Corp
Construction on the fab was begun in May 1992 and completed in June 1994. Equipment installation began in June and was completed by September, when test production of its wafers was initiated. Revenue production is slated to begin in early 1996.
Источник Digitals New Fab 6 Weighs in at Sub-Class 1
Дальше пояснять, или и так понятно?
Задание на внеклассное чтение
Трудности производства процессоров
От песка до процессора
От металлического кремния до SSD: как создаются твердотельные накопители OCZ
Как делают микропроцессоры. Польский химик, голландские монополисты и закон Мура
(2022) «Росэлектроника» создала кремний из российских материалов для производства электронных приборов
(2023) Российская GS Group планирует начать производство подложек для процессоров в Калининградской области
From the manufacturing of Signature Silane® through our diversified silicon gases and polysilicon product lines
From Metallurgical-Grade to Solar-Grade Silicon: An Overview
Отечественные микропроцессоры. Состояние и перспективы (часть 22)
И.В. Мочалов — ВЫРАЩИВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛОВ
Полюса силы в мире чипов
Demystified: CPU Manufacturing Process And Technology
Photomask and method of forming the same and methods of manufacturing electronic device and display device using the photomask
Semiconductor Inspection
Тем, кто дочитал
Если убрать сарказм, то огромное спасибо всем реальным участникам и комментаторам, которые пишут в комментарии всякие непонятные, но полезные слова Verilog, SMIF, FOUP, и вспоминает добрым словом Ленинградский Конденсаторный завод, с которым у меня многое в жизни было связано.
А для тех, кто пишет, что писать статьи это долго и сложно — вот эта статья, с перерывами на кофе, написана за 6 часов, и еще час уйдет на верстку, а написана для того, чтобы знакомым кидать в ответ на вопрос «где же твой, Григорий, оптимизм ?»
Все.
Все
Новореги и консервы могут срывать покровы, сообщать что к автору надо присмотреться, и иначе помогать соответствующим органам выявлять неблагонадежных элементов, в целом приближая возврат СССР. Я тоже хочу в СССР — накормят, оденут, в садик отведут… там целый день балду гоняешь, играешь спишь, ешь. Очень хочется в Советский Союз.
