Как из изображения сделать электронику?
В стандартной инженерной практике привычный процесс создания изделия или детали начинается с рутинного процесса разработки. Потом по сборочному чертежу собирается, например, целый редуктор. Делается это руками и с помощью "какой-то там матери".
Но есть и более привлекательная технология - сфотографировать нужную деталь и буквально из самой фотографии сделать нужное изделие. Речь идёт про фотолитографию, которая активно используется для создания процессоров и микроэлектроники.
Тот процессор, который обеспечивает сейчас работу устройства, с помощью которого вы читаете эти строки, тоже выполнен с применением фотолитографии.
Процессор
Фотолитография - это не новая технология. Сегодня речь идёт лишь о постоянном увеличении разрешения фотолитографических изделий. Сама же логика процесса появилась ещё аж в 1960 году. Но до сих пор процесс кажется чем-то волшебным. Действительно! Сфотографировал нужную деталь и получил её в рабочем виде. Примерно как 3D-принтер, который может распечатать то, что вы нарисовали на экране, но ещё круче!
Фотолитография и изготовление процессора
Процессор любого устройства - это полупроводниковый прибор. Полупроводники на аппаратном уровне позволяют обеспечивать простейшую логику и реализовывать цепочки, где электрический сигнал ассоциируется с набором 0 и 1, что является основой машинного кода.
В современных устройствах порой даже одного кристаллика полупроводника хватает для осуществления нужной функции. Поэтому, старые добрые транзисторы сегодня вполне можно изготовить в микро размерном диапазоне.
Вот только как изготовить? Идут весьма занятным и простым путём.
Делается изображение нужной схемы сборки и она переносится на подготовленный специальным образом образец. Дальше производятся дополнительные технологические операции и фактически из фотографии получается нужная, уже собранная деталь. Это и будет фотолитография. Но прежде, чем пойти дальше, нам нужны основные знания по устройству процессора или любого чипа.
Простецкое описание устройства процессора
Современный процессор состоит из транзисторов. Вот только те времена, когда для изготовления компьютерных чипов применяли полноразмерные транзисторы давно прошли. Или бы сейчас современный мобильный телефон имел, как в том анекдоте, две ручки для переноски :)...
Полупроводниковые транзисторы изготавливаются методом фотолитографии или ультралиторафии.
Полупроводниковый транзистор - это прибор, в котором по сути дела есть кремний и специальная примесь. В совместном их сочетании организуется управляемый переход p-n-p типа или n-p-n, который активируется сигналом. Процессор - это очень много таких транзисторов, объединенных в цепочку, способную обработать операцию нужным нам образом.
Для того, чтобы соединить транзисторы, можно использовать два способа.
Спаять ножки друг с другом
Просто спаять их ножки друг с другом правильным образом, что очень трудоемко и займет много времени, а также полностью исключит слово МИКРО, или же сделать сборку сразу из чего-то с нужными нам свойствами. Последний вариант значительно более технологичный.
Результат фотолитографии. Схематическая фотография, где видны результаты расположения полупроводников
Процессор делается из подложки, состоящей из оксида кремния, на которую наносится специальный слой диэлектрика. В нужных местах проводится зонная ионная имплантация. Например, имплантируют ионы бора, что позволяет получить сеть для p-n переходов. Затем пластину помещают в раствор сульфата меди, в котором под действием электрического тока атомы металла оседают в дорожках и образуются токопроводящие области. Они соединяют логические элементы в нужной последовательности.
Итак, проговорим ещё раз. Процессор состоит из подложки из оксида кремния, на ней в нужных местах нанесены ионы бора или другого элемента, содержащего "дырки" или "доноры", чтобы получилось множество транзисторов. Всё это увязано медными соединительными проводами, получившимися в следствие осаждения. Ну а к дорожкам из меди подпаяны выводы процессора.
Фотолитография в деле
Остаётся главный вопрос - как разметить на пластинке из оксида кремния те "нужные места", куда попадут ионы с донорами или акцепторами?
Можно нанести диэлектрическое покрытие, которое не пропустит там где не надо поток ионов и в этом диэлектрическом покрытии вырезать нужную схему расположения элементов. Но тогда размер процессора будет ограничен размерами фрезеровального инструмента. Получим чемодан :)...
Можно резать диэлектрик на подложке лазером. Но это дорого, сложно и резать диэлектрик - не самое простое занятие и опять-таки размер будет ограничен подвижностью привода источника КПЭ.
А можно нарисовать нужную схемку расположения будущих полупроводников на бумажке, потом уменьшить её, потом распечатать и перенести на диэлектрический слой. Затем останется протравить изделие зонами и получить практически готовое изделие. Переносится картинка примерно по той же логике, что и фотография на пленку. Свет просто засвечивает те точки, которые обозначены схемой.
Хорошая схема из неизвестного источника
Тут процесс не ограничен размером инструмента и упирается только в длину световой волны! Технологичность процесса огромная. Это и есть фотолитография.
В эту схему остаётся лишь добавить осаждение меди для контактов. Маска - это и есть рисунок того, где нужно расположить элементы
Если сильно упрощенно расписать процесс фотолитографии по пунктам, то он будет выглядеть примерно так:
- Взяли пластинку из оксида кремния, нанесли на неё специальный диэлектрический слой
- Поверх диэлектрического слоя нанесли дополнительно фото-слой, на которым засвечивается картинка нужной схемы расположения элементов полупроводников, как это было на строй фотопленке
- Перевели изображение с отрисованной схемы. Там, где фотослой засветился, изменились свойства диэлектрика и его растворимость. Проводим травление.
- После травления слой диэлектрика вытравился в тех зонах, где засветился. Проводится ионная имплантация, и в открытых зонах без диэлектрика ионы проникают в структуру подложки из кремния, а в зонах, накрытых диэлектрическим слоем - нет.
- Протравливаем всё ещё раз - получаем пластинку, где есть фактически напечатанная с картинки группа транзисторов. Ведь слой подложки кремния теперь сгруппирован со слоем, богатым ионами донора или акцептора.
- Остаётся увязать всё проводниками. Для этого проводится гальваническая обработка и в каналах осаждается медь. На выходе имеем множество транзисторов, увязанных в общую схему.
Выводы тех самых зон в виде ножек
Современные технологии стремятся к тому, чтобы максимально уменьшить такие "исходные фотографии". Вместе с уменьшением фотографий нужно корректировать и технологию. Сегодня активно продвигается ультралитография EUV или ультрафиолетовая литография. Логика остаётся прежней, но технология адаптируется для всё большего разрешения картинок и уменьшения размеров.
⚡ Если вам понравилась статья, то не забывайте подписываться на мой Telegram-канал, где ещё больше интересных эксклюзивных материалов.
🔹 Ну и читайте мои статьи на ДЗЕНе и смотрите ролики