Все новости от 2 октября 2001 г.

Производство микропроцессоров проходит через медные трубы

Медь лучше проводит электрический ток, чем алюминий. Для конструкторов это шанс отодвинуть маячащие впереди физические барьеры, мешающие дальнейшему повышению производительности интегральных микросхем. Например, первые процессоры Pentium 4 с медными проводниками, начиная с тактовой частоты 2,2 ГГц, появятся в четвертом квартале этого года. В будущем году они достигнут отметки 3,5 ГГц.

Однако использование меди влечет за собой ряд серьезных проблем. С ней не действует метод нанесения металла на кремний посредством напыления. Не работают и традиционные методы травления микросхем. А минимальное отклонение при трассировке медных дорожек, прокладываемых на пластине, может привести к браку целой партии изделий. Аналитики предупреждали, что проблемы с производством чреваты неприятностями как для компаний среднего размера, так и для крупных корпораций, вплоть до финансовых катастроф.

«Вначале действительно было очень страшно», — говорит партнер и директор по архитектуре и интеграции Intel Марк Бор (Mark Bohr). Тем не менее переход прошел на удивление гладко. IBM, выпустившая первые «медные» чипы в 1998 году, теперь почти полностью перешла на эту технологию, а Advanced Micro Devices начала производить процессоры Athlon с медными проводниками в прошлом году — и тоже обошлась без эксцессов. В последние месяцы медные проводники освоили Intel, Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Via, Sun Microsystems и другие производители, которые в ближайшие месяцы рассчитывают перейти к массовому производству.

Важнейшим фактором, подтолкнувшим к этому переходу, стало быстродействие — точнее, его нехватка. IBM начала экспериментировать с медью еще в середине 80-х. Чтобы облегчить переход к массовому производству, IBM и Intel координировали свои действия с производителями оборудования, такими как Novellus. «Большинство компаний двигались очень медленно, так что индустрия производственного оборудования успела предложить готовое решение, — говорит выдающийся инженер IBM и менеджер отделения технологии проводников этой компании Джим Райан (Jim Ryan). — В 1998 году, когда мы перешли к полномасштабному производству, такого решения еще не было, но теперь оно есть».

«Этот переход прошел намного спокойнее, чем предполагалось», — констатирует главный аналитик Mercury Research Дин Маккаррон (Dean McCarron). Не менее важно, что компании пересмотрели свои производственные процессы, чтобы полностью изолировать металл и исключить возможность загрязнения. «Теперь на заводах есть целые зоны, куда запрещено проносить медь, — говорит аналитик Insight 64 Натан Бруквуд (Nathan Brookwood). — Если алюминий был относительно безопасным, то медь, попав на подложку, может полностью нарушить работу кристалла».

Почему медь?
Переход к медной технологии стал неизбежным следствием совершенствования конструкции микросхем. По закону Мура число транзисторов удваивается примерно каждые два года. Это происходит главным образом благодаря сокращению размеров транзисторов. В результате проектировщики получают возможность упаковывать в один кристалл больше функциональных блоков. Кроме того, сигналы переносятся быстрее, так как путь электронов сокращается.

Многие годы дизайнеры могли совершенствовать микросхемы, главным образом сокращая расстояние между транзисторами. Однако из-за уменьшения толщины проводников начались проблемы — чем тоньше проводники, тем выше их электрическое сопротивление. В поколении процессоров, предшествующем «медному», Intel частично решила эту проблему, изменив геометрию сечения проводников. И все же замены материалов было не избежать, ведь удельное сопротивление меди на 30-40% ниже, чем у алюминия. «Общая величина задержки в системе проводников становилась слишком большой, — говорит Райан из IBM. — Оставался единственный выход — освоение медной технологии. Серебро и золото непозволительно дороги». К тому же медь меньше подвержена эффекту электромиграции, добавляет Бор из Intel. Постоянный плотный поток электронов через алюминиевый проводник приводит к смещению атомов металла и образованию разрывов. В результате микросхемы выходят из строя.

К сожалению, алюминий и медь ведут себя неодинаково. Если алюминий можно наносить методом химического напыления, то медь этого не позволяет. «При попытке напыления медь проникает повсеместно», — поясняет Райан. В результате IBM остановилась на электролизе, когда металл наносится на поверхность посредством электрического поля.

Процесс травления — нанесения схемы на подложку — также пришлось модернизировать. При алюминиевой технологии вся поверхность пластины покрывается металлом, а затем производится травление, после чего остается рисунок из проводников, соответствующий электрической схеме. Для медных проводников конструкторы обратились к процессу «двойной насечки». Первоначально разработанный для вольфрамовых чипов в начале 1990-х, этот метод заключается в том, что сначала схема выдавливается на подложке, затем на всю поверхность наносится металл, который после травления остается только в канавках, составляющих электрическую схему.

Еще одна проблема: загрязнение. «Если на пластину попадет крупица меди, она быстро расползется по ней, — поясняет Бор. — Алюминий не диффундирует так быстро. Если на обратной стороне пластины есть мелкие следы алюминия, из нее все равно можно изготовить микросхемы». Конструкторам пришлось добавить изолирующие слои, обычно изготавливаемые из тантала, которые отделяют проводники от окиси кремния. Пришлось переобустраивать и производственные помещения. «С алюминием этапы технологического процесса можно было смешивать, — говорит Бор. — Эту проблему мы решили, установив разное оборудование в разных частях чистого производственного помещения... Крупных «проколов» не было, но примерно год или около этого происходили мелкие неприятности».

Первый чип с медными проводниками, IBM Power PC 400 МГц, появился в сентябре 1998 года. Затем медь успешно прошествовала по всей отрасли, если не считать случайных сбоев. «На самом деле работа с медью обходится дешевле. Несколько шагов можно исключить», — говорит Бруквуд из Insight 64. Аналитик Microprocessor Report Кевин Кривелл (Kevin Krewell) добавляет: «Смена материалов может показаться пугающей, но медь — не такая уж экзотика. Если все делать правильно, ничего страшного не произойдет. Парни в IBM знают свое дело, и у них все получилось».

Однако на горизонте уже новые проблемы. Для дальнейшей миниатюризации потребуются более совершенные методы изоляции. К тому же надо совершенствовать и технологию изготовления корпусов, внутри которых интегральные схемы соединяются с другими компонентами.

Но Райан и другие настроены оптимистично: «Главное — это решимость двигаться вперед», — говорит он.

 В продолжение темы:

Обсуждение и комментарии

	Волков 2 Oct 2001 10:44 PM
Вопрос к редакции: 1. почему статья названа "Производство микропроцессоров проходит через медные трубы" ? Ведь в статье ясно сказано что всё ОК ? Да и оригинал статьи назывался "Медь прекрасно подходит для быстрых микрух"... 2. Как вы умудрились выпустить новость с опозданием на 3 года ? ;)
	А.Попов - popovsssu.ru 6 Oct 2001 8:54 AM
"...Кроме того, сигналы переносятся быстрее, так как путь электронов сокращается..." Какой идиот это написал????? он что? всерьез полагает, что уменьшение расстояния на несколько микрон сократит время прохождения на заметную величину??? да и сигналы переносятся не электронами, а электрическим полем... учитывая скорость распространения поля в проводнике (около 300000 км/сек)расстояния внутри микросхемы не имеют никакого значения. не мешало бы автору повторить курс физики для 6-го класса общеобразовательной школы.
	Волков 8 Oct 2001 1:13 AM
Не знаю насчёт физики, но то что плотность упаковки транзисторов влияет на скорость микросхемы - это факт.
	Вкуц 8 Oct 2001 12:12 PM
2 А.Попов: Мда... Похоже, курс физике неплохо бы вспомнить тебе :((( Особенно изучить уравнения с электродинамической постоянной C- где С - скорость распостранения электромагнитных полей В ВАКУУМЕ!!! А зааодно вспомни, что полупроводники работают вовсе не с полями, а с реальными ЭЛЕКТРОНАМИ (или с "дырками") Отсюда и зависимость быстродействия от скорости перемещения ЭЛЕКТРОНОВ. Так вот... Для любопытных - http://www.mirea.ru/lab/ed/Ed.html ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ. (с формулами, кстати)
	Протопоп 15 Oct 2001 3:35 AM
С непередаваемым ужасом жду того момента, когда производители микросхем объявят о достигнутом пределе минитюаризации! Ведь это же будет концом всего, крушением надежд всего человечества, возлагаемых на прогресс вычислительной техники, искусственный интеллект, научный прогресс... Неужели так и не удастся создать систему, превосходящую по вычислительной мощности человеческий мозг?