IBM Research объяснила, почему кремниевые пластины для чипов круглые

Откуда взялась круглая форма

Современная пластина — это тонкий срез большого цилиндрического кристалла кремния, а цилиндр получается сам собой из метода выращивания кристаллов, который индустрия использует десятилетиями. Очищенный кремний, обычно в виде кварца, нагревают до 1 420 °C в печи, после чего в расплав опускают затравочный кристалл на стержне. Стержень вращают в одну сторону, а тигель — в противоположную, и именно это встречное вращение обеспечивает круглую форму растущего слитка.

Метод придумал польский химик Ян Чохральский: в 1916 году он опубликовал работу о выращивании крупных металлических кристаллов «Ein Neues Verfahren zur Messung des Kristallisationsgeschwindigkeit der Metalle» («Новый метод измерения скорости кристаллизации металлов»). Идея, как и многие важные открытия, началась со случайности: по рассказу, Чохральский в лаборатории немецкого производителя электрооборудования Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft от усталости обмакнул перо не в чернильницу, а в тигель с остывающим расплавленным оловом. Он вытянул нить олова и позже показал, что это монокристалл.

Работа вышла в немецком химическом журнале Zeitschrift für Physikalische Chemie двумя годами позже, но применения своей технике Чохральский так и не нашёл: до смерти в 1953 году в возрасте 67 лет он занимался другими материалами и, в частности, создал новый сплав для подшипников железнодорожных вагонов. Кремниевый транзистор в Bell Labs сделали только в 1954 году — через год после его смерти. По словам старшего технического сотрудника IBM Research Гризельды Бонильи, с начала производства кремниевых пластин мало что изменилось, и одна из причин в том, что метод исключительно хорошо работает для получения кремния без дефектов.

Почему круг выигрывает у квадрата

Ключевая причина — физика, а не привычка. Круглая геометрия равномерно распределяет тепловую и механическую нагрузку от центра к краю. Как объясняет Бонилья, работа над управлением напряжениями в прямоугольных чипах показала, что острые углы — серьёзные концентраторы напряжений, поэтому цилиндрическая геометрия изначально проще в управлении и распределяет стресс равномернее.

Второй фактор — вращение. Значительная часть операций в производстве завязана на него: при литографии фоторезист наносят центрифугированием, и пластина разгоняется так, что жидкость растекается по поверхности равномерно. По словам специалиста IBM Research по патернированию Люсианы Мели, именно вращательная симметрия круглой пластины позволяет химии распределяться идеально ровно, тогда как на квадрате материал накапливался бы у углов иначе, создавая нежелательные отклонения. Тот же принцип работает в химико-механической полировке (CMP), которая сглаживает поверхность между этапами: на круглой пластине процесс остаётся более однородным от края к краю.

Третий фактор — равномерность. На одной современной пластине могут размещаться десятки, сотни и даже тысячи отдельных кристаллов (die), и каждый нужно изготовить почти идентично: любое отклонение в структуре снижает выход годных и повышает себестоимость. По словам Эрика Миллера, который в IBM Research занимается плазменным травлением, круглая форма упрощает многие производственные задачи и делает их управляемее: большая часть вариаций процесса оказывается симметричной и компенсируется радиальными настройками в камере. Для плазменного травления это особенно важно — круглые камеры и круглые пластины естественно поддерживают симметричное распределение потока и температуры.

Почему не перейти на квадрат

Соблазн понятен: по краям каждой пластины остаются неполные чипы, которые никогда не попадут ни в сервер, ни в смартфон, — то есть круг как будто тратит площадь и энергию впустую. Однако переход на квадрат потребовал бы не переделать сами пластины, а перестроить целую экосистему: инструменты, камеры, системы транспортировки, рецепты процессов и средства контроля, которая оптимизировалась десятилетиями. И если уйти от круглой камеры, теряется встроенная симметрия — это и есть главная сложность отказа от круглой пластины.

Индустрия вместо формы меняла размер. Первые пластины были диаметром около 1,5 дюйма, затем выросли до нескольких дюймов, а сегодня стандартом стали 300 миллиметров (примерно 12 дюймов). Последние двадцать лет обсуждали переход на 450 миллиметров — это дало бы больше чипов с одной пластины, — но инвестиции, необходимые всей экосистеме производства, оказались слишком велики, и текущее оборудование по-прежнему рассчитано на 300 миллиметров, что индустрия считает приемлемым балансом между выходом годных и стоимостью.

Почему это важно именно сейчас

Требования к однородности растут вместе с уменьшением транзисторов. IBM уже представила первое поколение чипов с техпроцессом меньше 1 нанометра: транзисторы шириной 0,7 нанометра, то есть 7 ангстрем, а в чипе размером с ноготь умещается около 100 миллиардов транзисторов. По заявлению IBM, такие чипы на 70 % эффективнее или на 50 % мощнее, чем 2-нанометровые. Как отмечает Мели, с уменьшением элементов допуск на отклонения падает, поэтому однородность и точность воспроизведения рисунка становятся всё важнее.

Именно поэтому исследователи IBM считают критичными технологии вроде литографии High-NA EUV: будущие поколения патернирования и травления потребуют ещё более жёсткого контроля размеров, точности размещения и вариативности процесса. В Олбани, в комплексе Albany NanoTech, создан High NA EUV Center — первый и единственный в Северной Америке публично принадлежащий исследовательский центр с системой литографии High NA EUV. Эта машина ASML позволяет отрабатывать технологии для узлов меньше 2 нанометров.

Круглая пластина в этой картине — не анахронизм, а условие предсказуемости: небольшая потеря площади у краёв оказывается скромной ценой за постоянство процессов, от нанесения покрытия и полировки до осаждения и плазменного травления. И чем дальше идёт миниатюризация, тем дороже становится эта однородность.