Статьи
Производство микрочипов: как это работает

Производство микрочипов: как это работает


Semiconductors

В то время как число компаний-разработчиков микрочипов во всем мире исчисляется сотнями, если не тысячами, «штампуют» полупроводниковые изделия лишь три десятка крупных компаний. Причем ряд производителей загружает свои заводы исключительно сторонними заказами, ничего не выпуская под собственным брендом.

Специфика производства

Производство микрочипов – дело сложное, так как состоит из пяти основных этапов, каждый из которых включает множество мелких операций. Начинается все с механической обработки полупроводниковых пластин (чаще всего кремниевых), которые должны соответствовать высочайшим стандартам качества: правильная геометрия и кристаллографическая ориентация, а также стопроцентная чистота поверхности.

Чистота достигается путем тщательной химической обработки (жидкостным или газовым травлением), чтобы удалить поврежденный слой полупроводника, если таковой имеется. Очищенные пластины могут быть как заготовками для дальнейшего производства, так и всего лишь подложками.

Обыкновенное чудо: превращение песка в полупроводниковые микрочипы
Обыкновенное чудо: превращение песка в полупроводниковые микрочипы

На втором этапе наращивают слой полупроводника (опять-таки кремния) путем осаждения атомов на подложку. Так формируют новый слой полупроводника, по своей кристаллической структуре напоминающий подложку. Наращенный слой полупроводника легируют для защиты от последующих примесей.

Третий этап подразумевает фотолитографию рельефа на пластине, а затем добавление электрически активных примесей для разделения кремния на p- и n-зоны. Делается это методом термической диффузии фосфора и бора в слой кристаллического кремния.

Машина для «выпекания» полупроводниковых пластин
Машина для «выпекания» полупроводниковых пластин

На четвертом этапе формируют контакты и пассивные элементы на полупроводниковой пластине. Путем вакуумного напыления тончайшего слоя металла создают дорожки, а добавлением оксидов специальных сплавов – резисторы и конденсаторы.

Современные технологические нормы позволяют поверх основного слоя полупроводника наносить дополнительные слои (3D-архитектура), после чего все вышеупомянутые процедуры повторяются. Когда все необходимые слои и элементы нанесены на «вафлю», ее еще раз очищают от дефектов и загрязнений, а затем сушат в центрифуге или термошкафу.

Готовая к нарезке полупроводниковая «вафля»
Готовая к нарезке полупроводниковая «вафля»

На завершающем этапе полупроводниковые пластины тестируют зондовыми головками на специальных установках, после чего разрезают на отдельные кристаллы. К кристаллам крепятся контакты и все это вместе упаковывается в герметичный корпус. Готовые чипы еще раз тестируют, чтобы избежать попадания брака в продажу.

 

Intel (Санта-Клара, штат Калифорния, США)

В 1989 году Intel сумела первой среди производителей полупроводников преодолеть психологический рубеж в 1 мкм: с 1,5-мкм техпроцесса она перешла сразу на 0,8 мкм. И вот уже два десятилетия Intel, следуя закону Мура, с интервалом в два года переходит на новые, более утонченные нормы производства.

Заводов во владении компании Intel полтора десятка, причем разбросаны они по всему миру: США, Китай, Ирландия, Израиль. Покупая участок земли, Intel заведомо берет больше, чем нужно для строительства одного завода, чтобы в будущем достроить рядом дополнительные производственные мощности. Старейшие из нынче действующих заводов Intel – Fab 25 в городе Остин (штат Техас, США) и Fab 10 в Лейкслип (Ирландия) – были введены в эксплуатацию еще в 1994 году.

Производственный комплекс Intel (заводы Fab 10, Fab 14 и Fab 24) в Ирландии
Производственный комплекс Intel (заводы Fab 10, Fab 14 и Fab 24) в Ирландии

А в 2013 году заработали две американские «новостройки» Intel: завод D1X в Хиллсборо (штат Орегон) и Fab 42 в Чандлере (штат Аризона). Именно на них будут выпускаться 14-нм процессоры Intel Broadwell, которые уже в следующем году придут на смену 22-нм Haswell. Заводы D1X и Fab 42 построены как раз по принципу «пристройки»: в городе Хиллсборо это уже третий завод Intel, а в Чандлере – четвертый.

Новенький завод Intel D1X в Хиллсборо
Новенький завод Intel D1X в Хиллсборо

А вот в китайском городе Далянь у Intel всего лишь один завод под названием Fab 68, да и выпускаются на нем чипы, так сказать, не первой свежести – 65-нм. Выпускать в других странах чипы по новейшему техпроцессу, и соответственно подвергать научные разработки риску утечки, компании Intel строго-настрого запретили власти США.

На заводе Intel кипит работа
На заводе Intel кипит работа

Долгое время Intel выпускала на принадлежащих ей фабриках исключительно собственные процессоры и чипсеты. Но времена меняются и поговаривают, что вскоре заводы Intel откроют двери всем желающим. Первым же возможным заказчиком Intel называют американского гиганта сетевого оборудования Cisco.

 

TSMC (Синьчжу, Тайвань)

Если Intel является крупнейшим производителем полупроводников в мире, то TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) – крупнейшим контрактным производителем. Все производственные линии загружены сторонними заказами, тогда как под своим брендом компания чипы не выпускает. Лишь на некоторых чипах, помимо названия заказчика, проставляется крохотный, еле заметный логотип TSMC.

Завод TSMC Fab 6 в Синьчжу
Завод TSMC Fab 6 в Синьчжу

Заводов у TSMC двенадцать штук: большинство размещены рядом со штаб-квартирой, в тайваньском городе Синьчжу, и еще по одному построено в Китае и США. Среди заказчиков TSMC ходят всемирно известные компании. К примеру, по 28-нм техпроцессу производятся графические чипы AMD и NVIDIA. По слухам, мобильные гаджеты Apple образца 2014 года будут основываться на процессоре А8, который будет производиться на фабриках TSMC.

Оборудование на заводе TSMC
Оборудование на заводе TSMC

 

Samsung (Сеул, Южная Корея)

Компания Intel является примером производителя полупроводников, который штампует чипы исключительно для себя, а TSMC – наоборот только на сторону. Нейтральную же позицию заняла южнокорейская компания Samsung, которая помимо чипов оперативной памяти успевает производить ARM-процессоры не только для себя (линейка Exynos), но и для Apple (A5 и A6). Это при том что заводов у Samsung всего лишь два: Line-16 в городе Хвасон (Южная Корея) и S2 в Остине (штат Техас, США).

Производственные линии Samsung
Производственные линии Samsung

 

UMC (Синьчжу, Тайвань)

Второй по величине тайваньский производитель полупроводников UMC (United Microelectronics Corporation) построил свои заводы точно там же, где TSMC – в Парке науки и промышленности города Синьчжу. Видимо, власти Тайваня сумели создать действительно благоприятный инвестиционный климат. Пожалуй, самым известным клиентом UMC является компания Qualcomm, которая разместила на тайваньских фабриках крупный заказ на производство мобильных процессоров Snapdragon.

Завод UMC в Синьчжу
Завод UMC в Синьчжу

 

IBM (Армонк, штат Нью-Йорк, США)

В 1980-х и начале 1990-х годов IBM наравне с Intel проводили революции на рынке полупроводников – планку 0,8 мкм, а затем и 0,6 мкм компании взяли почти синхронно. Спустя два десятилетия IBM работает исключительно в серверном сегменте рынка ПК, что впрочем не мешает ей выпускать процессоры POWER на собственных производственных линиях. В отличие от исследовательских лабораторий, которые разбросаны по всему миру, заводов у IBM осталось всего два и оба находятся в США: Building 323 в городе Ист-Фишкилл (штат Нью-Йорк) и Burlington Fab в Эссекс-Джанкшн (штат Вермонт).

Завод IBM в Сан-Хосе, который в 1960 году посетил король Таиланда, больше не функционирует
Завод IBM в Сан-Хосе, который в 1960 году посетил король Таиланда, больше не функционирует

 

GlobalFoundries (Милпитас, штат Калифорния, США)

В 2009 году в процессе реорганизации бизнеса от компании AMD отделили подразделение, которое занималось непосредственно производством полупроводников, и превратили его в самостоятельное предприятие под названием GlobalFoundries. По наследству GlobalFoundries перешли восемь заводов в США, Германии и Сингапуре. Самые большие заказы GlobalFoundries получает от компаний AMD и IBM. А недавно клиентом GlobalFoundries стала Qualcomm, которой производственных мощностей UMC, видимо, оказалось мало.

Рабочий день на заводе GlobalFoundries в немецком городе Дрезден
Рабочий день на заводе GlobalFoundries в немецком городе Дрезден

 

STMicroelectronics (Женева, Швейцария)

Корпорация STMicroelectronics появилась в 1987 году в результате слияния итальянской компании Generale Semiconduttori и французской Thomson Semiconducteurs. Позже к STMicroelectronics присоединились и другие компании: британская Inmos, канадская Nortel и микроэлектронное подразделение Alcatel. Заводы STMicroelectronics находятся в Италии (города Катанья и Аграте-Брианца), а также во Франции (Кроль и Руссе). Выпускает STMicroelectronics контроллеры и сенсоры, которые применяются в измерительных приборах, медицинском оборудовании, наземном и воздушном транспорте.

Завод STMicroelectronics
Завод STMicroelectronics

 

Итоги

Немного жаль, что производители чипов находятся в тени куда более «публичных» компаний-разработчиков. Например, почти каждому пользователю ПК знакома корпорация AMD. Но уже намного меньше людей слышали о TSMC и GlobalFoundries, на заводах которых среди прочего производятся процессоры и графические ускорители AMD.

Но в этом-то и заключается главная особенность современной индустрии микрочипов: одни придумывают, а другие штампуют. В результате работа находится и для одних, и для других.


Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: