ნახევარგამტარი მოწყობილობების წარმოება

[მინი|[HP Labs-ის ნახევარგამტარული მოწყობილობების  საწარმოო ობიექტი]]
**ნახევარგამტარი მოწყობილობების წარმოება** — რთული მრავალსაფეხურიანი პროცესი, ნახევარგამტარული მოწყობილობების, ინტეგრირებული მიკროსქემების დასამზადებლად. ამ უკანასკნელში იგულისხმება: მიკროპროცესორი, მიკროკონტროლერი, მეხსიერების მოწყობილებები (ოპერატიული მეხსიერება და ფლეშ მეხსიერება). ეს არის მრავალსაფეხუროვანი ფოტოლითოგრაფული და ფიზიკურ-ქიმიური პროცესი (აერთიანებს თერმული ოქსიდაციის, თხელი შრის დალექვის, იონური იმპლანტაციისა და კაწვრის პროცესებს), რომლის დროსაც ელექტრონული სქემები ფირფიტაზე შრეებად იქმნება. თავად ფირფიტა წარმოადგენს სუფთა მონოკრისტალოვან, ნახევარგამტარ მასალას, როგორიცაა სილიციუმი. კონკრეტული მოწყობილობის დასამზადებლად შესაძლოა გამოიყენონ სხვა ქიმიური შემადგენლობის ნახევარგამტარებიც. კაწვრისა და ფოტოლითოგრაფიის მსგავს ეტაპებს აგრეთვე იყენებენ, LCD და OLED ეკრანების დასამზადებლადაც.

დამზადების პროცესი მაღალტექნოლოგიურ ქარხნებში მიმდინარეობს, რომლის ცენტრალურ განყოფილებასაც „სუფთა ოთახი“ ეწოდება. სწორედ აქ მზადდება თანამედროვე 14/10/7 ნანომეტრის კვანძები. დამზადებას არაუმეტეს 15 კვირამდე, სტანდარტულად კი 11-13 კვირა სჭირდება. დამზადების პროცესი სრულად ავტომატურია. ფირფიტის ერთი მოწყობილობიდან მეორეში გადატანას ავტომატური მასალების მართვის სისტემები უზრუნველყოფს.

ერთ ფირფიტას, ხშირად, რამდენიმე ინტეგრირებული სქემა აქვს, სქემები ფირფიტისგან გამოჭრილი ნაწილებია და ჩიპები, ან კრისტალები ეწოდება. საბოლოოდ ჩიპები, ფირფიტის დაჭრის პროცესით, ერთმანეთისგან ცალკევდება და მზადდება შემდგომი ეტაპებისთვის.

ქარხნებში ფირფიტების ტრანსპორტირებისთვის იყენებენ სპეციალურ, აზოტის აირით დალუქულ კონტეინერებს, დამამუშავებელი დანადგარებისა და ტრანსპორტირების კონტეინერის შიდა ნაწილი უფრო სუფთაა, ვიდრე „სუფთა ოთახის“ გარემო. ეს შიდა „ატმოსფერო“ ცნობილია, როგორც მინი-გარემო და ხელს უწყობს *მოსავლიანობის გაუმჯობესებას* - ფირფიტაზე არამუშა ჩიპების რაოდენობის შემცირებას. მინი გარემო აღჭურვილობის ფრონტალურ მოდულშიც(Equipment Front End Module) გვხვდება, ის დანადგარს კონტეინერებიდან ჩიპების დაუბინძურებლად ამოღებასა და ტრანსპორტირებაში ეხმარება. მარავალი ქარხანა ფირფიტებს სუფთა აზოტის ან ვაკუუმის პირობებშიც ამუშავებს, ფირფიტაზე ნიმუშის დატანა გულისხმობს ფოტოლითოგრაფიის პორიცესს, რაც მოწყობილობის დიზაინს განსაზღვრავს. დატანისას აგრეთვე მნიშვნელოვანია მინიმალური გეომეტრიული ზომა F². მრავალი ნახევარგამტარული მოწყობილობა დაყოფილია *უჯრედად* წოდებულ სექციებად. თითოეულ უჯრედს თავისი ფუნქცია გააჩნია. მაგალითად, ოპერატიულ მეხსიერებაზე დატანილი თითოეული ჩიპი, დაყოფილია მეხსიერების პატარა უჯრედებად - მონაცემების შესანახად. შესაბამისად, F² ერთეული უჯრედის დაკავებულ ფართობს განსაზღვრავს.

ნებისმიერი ნახევარგამტარი სტანდარტული, წინასწარ განსაზღვრული მინიმალური ზომითა და ელემენტებს შორის მინიმალური დაშორებით იქმნება. და ტრანზისტორების სიმკვრივე (ტრანზისტორების რაოდენობა ერთეულ ფართობზე). მცირდება ახალი დიზაინის შექმნის მოთხოვნილებაც.

ნახევარგამტარების შექმნისას ადრეულ პროცესებს თვითნებური სახელები ჰქონდათ (HMOS I/II/III/IV და CHMOS III/III-E/IV/V). მოგვიანებით ახალი თაობების ნახევარგამტარები ცნობილი, როგორც *ტექნოლოგიური კვანძი*  (technology node), ან *პროცესის კვანძი*(process node). განისაზღვრებოდა შექმნისას გამოყენებული ტრანზისტორების *კარიბჭის სიგრძის* (gate length) ზომით. მაგალითად „90 ნმ პროცესი“ - გამოყენებული ტრანზისტორის კარიბჭის სიგრძე 90 ნანომეტრია. 1994 წლიდან ეს შეიცვალა და პროცესის კვანძის ზომა *მარკეტინგულ ტერმინად* გადაიქცა, ტერმინს კი აღარ აქვს ფუნქციური კავშირი ელემენტების რეალურ ზომებთან ან ტრანზისტორების სიმკვრივესთან.

თავდაპირველად, ტრანზისტორების კარიბჭის სიგანე, მის სახელში ნახსენებ ზომაზე, ნაკლები იყო. ეს ტენდენცია 2009 წელს შეიცვალა]]
1995 წელს, Bell-ის სატელეფონო ლაბორატორიაში კარლ ფროშმა და ლინკოლნ დერიკმა, ფირფიტაზე შემთხვევით გაზარდეს სილიციუმის დიოქსიდის ფენა, რის შედეგადაც სილიციუმის პასივაციის ეფექტი შენიშნეს. 1957 წლისთვის ნიღბვისა და პრედეპოზიციის (წინასწარი დალექვის) მეთოდების გამოყენებით შეძლეს სილიციუმის დიოქსიდის ტრანზისტორების დამზადება. ეს იყო პირველი პლანარული ველის ტრანზისტორები, რომლებშიც „საკეტი“ (drain) და „წყარო“ (source) ერთსა და იმავე ზედაპირზე, გვერდიგვერდ მდებარეობდა. Bell Labs-ში ამ აღმოჩენების მნიშვნელობა მყისიერად გააცნობიერეს, ფროშისა და დერიკის შედეგების ამსახველი მემორანდუმები Bell Labs-ში 1957 წლამდე, მათ ოფიციალურ გამოქვეყნებამდე ვრცელდებოდა. Shockley Semiconductor-ში, უილიამ შოკლიმ სტატიის წინასწარი ვერსია 1956 წლის დეკემბერში თავის ზედამხედველებს გააცნო, მათ შორის ჟან ჰორნის. ამ უკანასკნელმა 1959 წელს Fairchild Semiconductor-ში მუშაობისას გამოიგონა პლანარული პროცესი.

1948 წელს ბარდინმა ინვერსიული ფენის მქონე, იზოლირებული საკეტის ტრანზისტორები დააპატენტა (**IGFET**). ბარდინის ეს კონცეფცია საფუძვლად უდევს თანამედროვე **MOSFET** ტექნოლოგიას. 1963 წელს, Fairchild Semiconductor-ში, ჩი-ტანგ სჰამ და გრენკ ვანლასმა შექმნეს **MOSFET** ტექნოლოგიის გაუმჯობესებული ტიპი – **CMOS**. **CMOS**-ის კომერციალიზაცია 1960-იანი წლების ბოლოს კომპანია RCA-მ დაიწყო. ნახევარგამტარული მოწყობილობების ადრეულმა მწარმოებლებმა თავადვე შექმნეს საკუთარი აღჭურვილობა, მაგალითად, იონური იმპლამენტატორები.

1963 წელს, North American Aviation-ის (ამჟამინდელი Boeing) ქვედანაყოფ Autonetics-ში მუშაობისას, ჰაროლდ მანასევიტმა პირველად აღწერა საფირონზე სილიციუმის ეპიტაქსიალური ზრდის პროცესი. 1964 წელს მან თავისი კვლევის შედეგები უილიამ სიმპსონთან ერთად ჟურნალ „Journal of Applied Physics“-ში გამოაქვეყნა. 1965 წელს, RCA-ის ლაბორატორიაში, კ. ვ. მიულერმა და ჰ. ჰ. რობინსონმა საფირონზე სილიციუმის (silicon-on-sapphire) ტექნოლოგიის გამოყენებით დაამზადეს ლითონ-ოქსიდ-ნახევარგამტარული ველის ტრანზისტორები - MOSFET.

1960-იანი წლებიდან ნახევარგამტარული მოწყობილობების წარმოება ტეხასიდან და კალიფორნიიდან მთელ მსოფლიოში გავრცელდა, მათ შორის აზიაში, ევროპასა და ახლო აღმოსავლეთში. 

ფირფიტოს ფართობი დროთა განმავლობაში იზრდებოდა, თუ 1960 წელს მისი დიამეტრი 25 მილიმეტრი იყო 1992 წლისთვის 200 მილიმეტრამდე გაიზარდა.

25 მილიმეტირანი ფირფიტების ეპოქაში მათზე ხელით, პინცეტების გამოყენებით მუშაობდნენ. პინცეტითვე ეჭირათ ფირფიტა კონკრეტული პროცესისთვის საჭირო დროით. მოგვიანებით, პინცეტები ვაკუუმურმა „ჯოხებმა“ ჩაანაცვლა, ნაწილაკური დაბინძურების შესამცირებლად. პროცესის სხვადასხვა ეტაპებს შორის რამდენიმე ფირფიტის ერთდროულად გადასატანად სპეციალური კასეტები შეიქმნა. თავდაპირველად, თითოეული ფირფიტა ინდივიდუალურად უნდა ამოეღოთ კასეტიდან, დაემუშავებინათ და ისევ უკან დაებრუნებინათ. ამ შრომატებადი პროცესის თავიდან ასაცილებლად შეიქმნა მჟავაგამძლე საკეტები, რაც საშუალებას იძლეოდა, მთლიანი კასეტა, ფირფიტებთან ერთად, პირდაპირ ჩაეშვათ სველი ამოჭრისა და წმენდის ავზებში. 100 მილიმეტრიანი ფირფიტების დამუშავებისას კასეტა თანაბრად ვეღარ იჟღინთებოდა, რის გამოც ფირფიტის ზედაპირზე დამუშავების ხარისხის კონტროლი გართულდა. 150 მილიმეტრიანი ფირფიტების გამოჩენისას, კასეტებს ხსნარებში აღარ ავლებდნენ და მათ მხოლოდ ფირფიტების გადასატანად და შესანახად იყენებდნენ. უშუალოდ ფირფიტების გადაადგილება რობო სისტემებმა გადაიბარეს. 200 მილიმეტრიანი ფირფიტების შემთხვევაში, კასეტების ხელით ტარება სარისკო გახდა, სიმძიმსი გამო.

1970-იან და 1980-იან წლებში რამდენიმე კომპანია ნახევარგამტარების წარმოების ბიპოლარული ტექნოლოგიიდან, MOSFET ტექნოლოგიით წარმოებაზე გადავიდა. 1978 წლიდან ნახევარგამტარების საწარმოო აღჭურვილობა საკმაოდ ძვირადღირებულად ითვლება.

1984 წელს კომპანია KLA-მ პირველი ავტომატური ხელსაწყო შექმნა, ფოტოშაბლონებისა (reticle) და ფოტომასკების (photomask) შესამოწმებლად.  1985 წელს კი შეიმუშავა სილიციუმის ფირფიტების ავტომატური ინსპექტირების ხელსაწყო, რომელმაც ჩაანაცვლა მიკროსკოპით ხელით შემოწმების პროცესი.

1985 წელს კომპანია SGS-მა გამოიყენა BCD, ასევე ცნობილი, როგორც BCDMOS, ნახევარგამტარების წარმოების პროცესი. პროცესში ერთდროულად გამოიყენება ბიპოლარული, CMOS და DMOS მოწყობილობები. ამავე პერიოდში, Applied Materials-მა შეიმუშავა ფირფიტების დამუშავების პირველი პრაქტიკული მრავალკამერიანი, „კლასტერული“ ხელსაწყო **Precision 5000**.

1980-იან წლებამდე ფირფიტებზე მასალების დასატან ძირითად მეთოდად ფიზიკური ორთქლის დალექვა (PVD) გამოიყენებოდა, რაც მოგვიანებით ქიმიური ორთქლის დალექვამ (CVD) ჩაანაცვლა.
დიფუზიური ტუმბოებით აღჭურვილი დანადგარება კი ტურბომოლეკულური ტუმბოებით შეიცვალა, რადგან ეს უკანასკნელი არ საჭიროებს ზეთს.

200 მილიმეტრი დიამეტრის ფირფიტები პირველად 1990 წელს გამოიყენეს და 2000 წლამდე, 300 მილიმეტრიანი ფირფიტების დანერგვამდე, სტანდარტად დარჩა. 150 დან 200 მილიმეტრზე და შემდეგ 200 დან 300 მილიმეტრზე გადასვლის პერიოდში „გარდამავალი დანადგარები“ გამოიყენებოდა (bridge tools). ნახევარგამტარების ინდუსტრიამ უფრო დიდი ზომის ფირფიტები ჩიპებზე გაზრდილი მოთხოვნის დასაკმაყოფილებლად აითვისა. დროთა განმავლობაში ინდუსტრია გადავიდა 300 მილიმეტრიან ფირფიტებზე, რასაც თან ახლდა **FOUP**-ების (წინა მხრიდან გახსნადი უნივერსალური კონტეინერების) დანერგვა. თუმცა, ბევრი პროდუქტი, რომელიც არ საჭიროებს უახლეს ტექნოლოგიურ პროცესებს, კვლავ 200 მილიმეტრიან ფირფიტებზე იწარმოება. მათ შორისაა ანალოგური ინტეგრირებული სქემები (IC), რადიოსიხშირული (RF) ჩიპები, კვების მართვის სქმემები, BCDMOS და MEMS (მიკროელექტრომექანიკური სისტემები) მოწყობილობები.

შედეგების ხარისხის მუდმივად გასაუმჯობესებლად, წმენდის, იონური იმპლანტაციის, ამოჭრის, მოწვისა და ოქსიდაციის, ფირფიტების ჯგუფური დამუშავების პროცესები ჩანაცვლდა თითოეული ფირფიტის ინდივიდუალური დამუშავებით. მსგავსი ტენდენცია გამოიკვეთა MEMS-ის წაწრმოებაშიც.

1998 წელს Applied Materials-მა წარადგინა Producer – კლასტერული დანადგარი, წყვილებად დაჯგუფებული კამერებით, რასაც საერთო ვაკუუმისა და მომარაგების ხაზები ჰქონდა, თუმცა სხვა მხრივ იზოლირებული იყო. ეს იმ დროისთვის რევოლუციური გადაწყვეტა, ხარისხის შენარჩუნებით გაცილებით მაღალ წარმოებას უზრუნველყოფდა.

### 21-ე საუკუნე
მინი|ინტელის საწარმო ჩენდლერი, არიზონა

დღეს ნახევარგამტარების ინდუსტრია გლობალური ბიზნესია. წამყვანი მწარმოებლების საწარმოები მთელ მსოფლიოშია განლაგებული. Samsung Electronic-ს ნახევარგამტარების უმსხვილეს მწარმოებელს, ქარხნები სამხრეთ კორეასა და აშშ-ში აქვს. სიდიდით მეორე მწარმოებელი, intel-ი, საწარმოო ფაბრიკებს როგორც აშშ-ში, ისე ევროპასა და აზიაში ფლობს. TSMC-ს, მსოფლიოს უდიდეს სპეციალიზირებულ კონტრაქტორ მწარმოებელს, საწარმოო ხაზები ტაივანში, ჩინეთში, სინგაპურსა და აშშ-ში აქვს. Qualcomm-ი და Broadcom-ი საკუთარი წარმოების არმქონე უმსხვილესი კომპანიებია, რომლებსაც ნახევარგამტარებით TSMC ამარაგებთ. ნახევარგამტარული მოწყობილობების გამოყენების ზრდასთან ერთად, დღის წესრიგში დადგა გამძლეობის საკითხიც. მწარმოებლებმა დაიწყეს მოწყობილობების ხანგრძლივი მდგრადობის უზრუნველყოფა. პროდუქტის მდგრადობის ხანგრძლივობის სტანდარტი გამოითვლება ბაზრის საჭიროების მიხედვით.

**სილიციუმი იზოლატორზე** (Silicon on insulator) ტექნოლოგიას იყენებს AMD თავის 130, 90, 65, 45 და 32 ნანომეტრიან – ერთ, ორ, ოთხ, ექვს და რვა ბირთვიან პროცესებში, რომლებიც 2001 წლიდან იწარმოება. 2001 წელს, 200 მილიმეტრიდან 300 მილიმეტრი დიამეტრის ფირფიტებზე გადასვლისას, აქტიურად გამოიყენებოდა „შუალედური დანადგარები“ (Bridge tools), რომლებსაც ორივე ზომის ფირფიტის დამუშავება შეეძლოთ. იმ დროისთვის, მოწინავე 130 ნმ ტექნოლოგიური პროცესით ჩიპებს 18 კომპანია აწარმოებდა.

2006 წელს, 2012 წლისთვის 450 მილიმეტრიანი ფირფიტების დანერგვას ვარაუდობდნენ, ხოლო 2021 წლისთვის 675 მილიმეტრიანი ფირფიტებს ელოდნენ.

მინი|ნახევარგამტარის ფოტოშაბლონი (რეტიკულა)

2009 წლიდან ტერმინი „კვანძი“ (node) კომერციულ სახელწოდებად დამკვიდრდა, რაც ტექნოლოგიური პროცესის ახალ თაობებს აღნიშნავს და კავშირი არ აქვს ფიზიკურ მახასიათებლებთან: კარიბჭის სიგრძე (gate pitch), მეტალის ბიჯი (metal pitch) ან კარიბჭის ბიჯი (gate pitch). მაგალითად GlobalFoundries-ის 7 ნანომეტრიანი კვანძი intel-ის 10 ნანომეტრიანი კვანძის მსგავსი იყო, რის გამოც ტექნოლოგიური კვანძის ტრადიციული გაგება ბუნდოვანი გახდა. უფრო მეტიც TSMC-ისა და Samsung-ის 10 ნანომეტრიანი კვანძები, ტრანზისტორების სიმკვრივით მხოლოდ მცირედით აღემატება intel-ის 14 ნანომეტრიან კვანძს. intel-მა 10 ნანომეტრიანი კვანძის სახელი 7 ნანომეტრიან კვანძად გადააკეთა, თავისი პროდუქტის „intel 7“-ის გამო. ტრანზისტორების ზომის შემცირებას ახალი ფაქტორები მოყვა, რომლებმაც ნახევარგამტარების დაპროექტებაზე დიდი გავლენა იქონია. ესენია ტრანზისტორების თვითგაცხელება და ელექტრომიგრაცია – ეს უკანასკნელი 16 ნანომეტრიანი კვანძიდან მოყოლებული, მეტად თვალსაჩინო გახდა.

2011 წელს intel-მა წარმოადინა FinFET (ფარფლიანი ველის ეფექტის) ტრანზისტორები, რომელშიც კარიბჭე (gate) არხს სამი მხრიდან ერტყმის. ამ ტიპის ტრანზისტორებმა 22 ნანომეტრიან კვანძზე, ტრადიციულ პლანარულ (ბრტყელ) ტრანზისტორებთან შედარებით, გაზარდა ენერგოეფექტურობა და წარმადობაც, აღმოფხვრა კარიბჭის დაყოვნების პრობლემაც. პლანარულ ტრანზისტორებს, რომელთა არხიც მხოლოდ ერთ ზედაპირზე მოქმედებდა „მოკლე არხის ეფექტის“ პრობლემა ჰქონდათ.

2018 წლისთვის FinFET-ის საბოლოოდ ჩასანაცვლებლად ტრანზისტორების მრავალი არქიტექტურა შეიმუშავეს, რომელთა უმრავლესობაც GAAFET (Gate-All-Around FET) კონცეფციას ეფუძვნება. ეს არქიტექტურებია: ჰორიზონტალური და ვერტიკალური ნანომავთულები, ჰორიზონტალური ნანოფურცლოვანი ტრანზისტორები, ვერტიკალური FET და სხვა სახის ვერტიკალური ტრანზისტორები, კომპლემენტარული FET (CFET), ერთმანეთზე დალაგებული FET და ვერტიკალური TFET-ები, III-V ჯგუფის ნახევარგამტარი მასალებისგან დამზადებული FinFET-ები. ამათ გარდა წარმოდგენილი იყო ყოველი მხრიდან კარიბჭის მქონე ტრანზისტორების რამდენიმე სახეობა: ნანორგოლი, ექვსკუთხა, კვადრატული და მრგვალი მავთულის ფორმის ტრანზისტორები და უარყოფითი მუხტის FET. ამ უკანასკნელში გამოიყენება სრულიად განსხვავებული მასალები.

2019 წლისთვის, 14 და 10 ნანომეტრიანი პროცესის ჩიპებს მასობრივად აწარმოებდნენ, intel, UMC, TSMC, Samsung, Micron, SK Hynx, Toshiba Memory და GlobalFoundries. ამასთან, 7 ნანომეტრი პროცესის ჩიპებს მასობრივად TSMC-ი და Samsung-ი აწარმოებს თუმცა მათი 7 ნანომეტრიანი კვანძი მსგავსია intel-ის 10 ნანომეტრიანი პროცესისა. Samsung-მა 5 ნანომეტრი პროცესის წარმოება 2018 წელს დაიწყო. 2019 წლის მდგომარეობით, ტრანზისტორების ყველაზე მაღალი სიმკვრივის მქონე TSMC-ის 5 ნანომეტრიანი კვანძია, რომლის სიმკვრივეც კვადრატულ მილიმეტრზე 171.3 მილიონ ტრანზისტორს შეადგენს. 2019 წელს Samsung-მა და TSMC-მ დაანონსეს 3 ნანომეტრის პროცესის კვანძები. მათ ფონზე კომპანია GlobalFoundries-მა 12 ნანომეტრის შემდეგ ახალი კვანძების განვითარება შეწყვიტა. კომპანიის რესურსების დაზოგვის მიზნით. რადგან 12 ნანომეტრზე მცირე შეკვეთებისთვის ქარხანას ახალი მოწყობა სჭირდებოდა, რაც კომპანიის ფინანსურ შესაძლებლობებს აღემატება.

## სქოლიო
კატეგორია:MOSFETs