Инновационные химические технологии в производстве компьютеров XXI века
А.
В. СмагинаБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Смагина
А.
В. Инновационные химические технологии в производстве компьютеров XXI века // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2016. – Т. 11. – С.
2636–2640. – URL:
http://e-koncept.ru/2016/86558.htm.
Аннотация. В статье рассматриваются современные технологии получения материалов для микроэлектроники, используемых в производстве интегральных схем и чипов. Установлена связь между последними достижениями в области компьютерных технологий и необходимыми для этого инновационными химическими технологиями.
Ключевые слова:
современные технологии
Текст статьи
Смагина АннаВладимировна,Студентка 1 курса СПОфилиала ФГБОУ ВО Кубанский государственный университетв г. Тихорецке, специальность Программирование в компьютерных системах, г. Тихорецк666.anna.98@mail.ru
Научный руководитель –Кулиш Наталья Григорьевна, кандидат химических наук, преподаватель филиала ФГБОУ ВО Кубанский государственный университет в г. Тихорецкеfffhause@mail.ru
Инновационныехимические технологиив производстве компьютеровXXI
века
Аннотация.В статье рассматриваются современные технологии получения материаловдля микроэлектроники, используемых в производстве интегральных схем и чипов.Установлена связь между последними достижениями в области компьютерных технологий и необходимых для этогоинновационных химических технологий.
Ключевые слова:интегральные схемы,чипы,кремний, высокочистые вещества,примеси,новые материалы,станен,графен,твердые сплавы.
Российская система образования направлена не только на подготовку высококвалифицированных специалистов в той или иной отрасли науки и техники, но и на формирование высокообразованной личности с целостным представлениеместественнонаучной картины мира, пониманием места каждой из естественных наук, наличия связей явлений и процессов [1].Одной из причин фрагментарности знаний студентов является предметная разобщенность. Чаще всего студенты знакомы с применением напрактике готовых продуктов и достиженийпо своей специальности [2,3].Очень важноизучение основных базисных дисциплин (математика, физика, химия) и дисциплин специализацииреализовывать на основе принципа интеграции.Целью настоящей работы является анализ комплексного развития технологий получения современных химических материалов для микроэлектроники и современных технологий производства интегральных микросхем и микропроцессоров.Сегодня практически у каждого человека есть банковские, социальные, SIMкарты, мобильные телефоны, планшеты, компьютеры, ноутбуки, цифровые фотои видеокамеры или чтото ещё, к чему мы так привыкли. Все эти вещи объединяет одно –в основе их работы лежат интегральные схемы и микрочипы. Все эти атрибуты жизни современного человека стали столь обыденны, что мы не задумываемся над тем, сколько труда, научной и инженерной мысли вложено в создание даже одного такого чипа. Микроэлектроника является одной из самых высокотехнологичных и наукоемких производств.Одновременно это и одна из ресурсоемких отраслей промышленности, производство даже одного полупроводникового кристалла по ресурсоемкости превышает строительство большого многоэтажного здания. Более 90 %инноваций, которые появляются в мире созданы, так или иначе, за счёт развития микроэлектроники. Микропроцессор –это интегральная схема, созданная на маленьком кристалле кремния. Кремний применяется в силу того, что он обладает полупроводниковыми свойствами: его электрическая проводимость больше, чем у диэлектриков, но меньше, чем у металлов. Кремний можно сделать как изолятором, так и проводником.Проводимостью полупроводника можно управлять путем введения примесей металлов и неметаллов, так называемым легированием. Таким образом, сердцем любого микропроцессора является кремний, и прогресс в области микроэлектроники связан либо с улучшением работы этого сердца, либо с его заменой.Рассмотрим кремний как основной строительный материал микропроцессора. Кремний в природе –это наиболее распространенный химический элемент, второй после кислорода.Он является природным полупроводником благодаря своему электронному строению и поэтому используется как основной материал для производства чипов и всевозможных микросхем. Наиболее распространенное химическое соединение кремния с самым высоким его содержание –это диоксид кремния в виде обычногопеска. Но путь, который он проходит, чтобы превратиться в кремниевое сердце IPADа, SIMкарты, флэшкарты или чегото еще огромен. Изготовление микропроцессора –это сложнейший процесс, включающий более300 этапов от старта до финиша [4].Первый этап это восстановление кварцевого песка до кремния. Это реакция восстановления, восстановление проводят коксом в печах при температуре 1800 градусов. В результате получаем технический кремний:
SiO2+ 2C=Si+2CO
Второй этап –очистка технического кремния до содержания основного компонента 99,9999% и выше. Очищают не сам кремний, а его летучее соединение трихлорсилан. Этому предшествует стадия хлорирования технического кремния и получения тетрахлорида кремния, который затем преобразуется в трихлорсилан:
3SiCl4+2H2+Si=4SiHCl3
Таких стадий очистки может быть несколько, прежде чем мы получим высокочистый кремний с требуемой степенью чистоты.
2SiHCl3=SiH2Cl2+SiCl4
2SiH2Cl2=SiH3Cl+SiHCl3
2SiH3Cl=SiH4+SiH2Cl2
SiH4=Si+2H2
Следует сказать, что все процессы по очистке кремния, как и все последующие, выполняются в производственных помещениях с высокой степенью чистоты, оснащенных устройствами по обеспыливанию воздуха. Ведь в дальнейшем любая пылинка для чипа –что булыжник для человека. Работники трудятся в особых комбинезонах, пронизанных углеродной нитью и обладающих пылеотталкивающими свойствами. Они получили название “костюм кролика” изза белого цвета. Для того, чтобы требования к чистоте помещений постоянно соблюдались, производственный процесс идет круглосуточно, не останавливаясь, поэтому весь процесс автоматизирован. Третий этап –получение монокристалла кремния.Кремний расплавляют, опускают в него охлаждаемый стержень и, благодаря силам поверхностного натяжения, как бы “наматывают” вещество. Получают продольные заготовки (монокристаллы) круглого сечения, масса монокристалла может достигать 100 кг.Следующие этапы –нарезка монокристалла на кремниевые диски пластины, полировка пластин, воздействие жестким УФоблучением по трафаретам (фотолитография), вымывание протравленных УФизлучением участков, ионизация и все последующие –с химическими процессами мало связаны, но их значимость также не менееважна. Всего чтобы создать чип требуется несколько сотен различны технологических стадий, большинство которых проводят в суперчистых помещениях.Итак, мы получили чип с заданными свойствами. По каким характеристикам их можно сравнивать? Самая главная из них –это минимальный размер элемента на чипе. Он составляет от сотен до нескольких единиц нанометров. Технологические процессы так и различают, по нанометрам. В нашей стране действуют технологические схемы на 180 и 90 нанометров. Однаков Европе идет выпуск структур 65, 43, 32 нанометра. Чем меньше размер структуры, тем более быстродейственной, энергоемкой и надежной она является.Такие гиганты, как Intel, Nvidia, AMDпроизводят микрочипы, в которых отдельные элементы могут быть 90, 60,45 и 32 нанометра [5].Компьютерная техника продолжает интенсивно развиваться в последние 6070 лет. За это время она прошла путь от тяжелых военных компьютеров размером с дом до миниатюрных IPADов, от бумажных перфокарт до WINDOWS10. Остановимся на перспективных направлениях её развития в области использования новых материалов для микроэлектроники [6].1.Применение германиевых лазеров вместо миллионов тонких соединительных проводов. При увеличении количества ядер в процессорах они переполняются данными и становятся слабым звеном. Принципиально новый подход –использование фотонов вместо электронов.Германиевые лазеры способны передавать данные со скоростью света. Так же, как оптоволоконные линии улучшили эффективность телефонной связи, использование германиевых лазеров в микропроцессорах может сделать обработку данных сверхскоростной.2.Использование мемристоров в качестве альтернативы флэшпамяти. Мемристоры –это резисторы с памятью.Для их создания используются чередующиеся слои диоксида титана и платины. Мемристоры обладают большей скоростью, долговечностью и к тому же их производство намного дешевле.За счет использования мемристоров можно создать чипы с объемом памяти в пентабайт.Это путь к созданию 3Dпамяти.Но память –это только одна из возможностей применения мемристоров. Они позволят упростить архитектуру, дизайн и работу компьютеров.3.Использование графена вместо кремния. Миниатюризация элементов в чипе не может продолжаться бесконечно, проблемы начинаются уже с размера 14 нанометров. Вещество графен, представляющее собой слой атомов углерода, выстроенных в виде гексагональных ячеек, является уникальным материалом будущего. Его возможности превосходят кремний.Он скоростной, потребляет мало энергии и из него можно делать сверхминиатюрные элементы. 4.Еще одна замена кремнию –станен, материал на основе олова и графена. Он является топологическим изолятором –материалом, который внутри изолятор, а по поверхности проводит электрический ток. Важная особенность станена его способность к 100% проводимостипри комнатнойтемпературе.5.Создание и применение в технологии силицена –кремниево структуры толщиной в 1 атом [7]Уникальные электрические свойства силицена позволитсоздать силиценовые структуры и устройства при более низких температурах. Технология производства силицена предусматривает расположение основного компонента между двумя слоями серебра и оксида алюминия, они играют роль оболочки.6.Проводятся исследования разработки технологий производства процессоров на базе молекул ДНК, которые используют в качестве цепей, способных стать основой мощных и скоростных компьютеров. При этом используется главная особенность ДНК –способность самоорганизовываться.7.Применение нанопроводников не из кремния, а из трехкомпонентного материала на основе твердогораствора индийгаллиймышьяк [8]. Этот материал рассматривается не только как замена кремнию, но и как основа создания трехмерной структуры транзисторов вместо привычных планарных технологий изготовления интегральных микросхем. Состав индийгаллиймышьяк относится к числу потенциальных преемников кремния.Нанопроводники,изготовленные из твердого раствора индийгаллиймышьяк будут применяться в 10нанометровых интегральных схемах.Таким образом, рассматривая технологии производства микропроцессоров как в классическом варианте на основе кремниевых пластин, так и в современных перспективных технологиях будущего мы видим, как химические науки идут рядом, а иногда и опережая науки технические. Химия, создавая новые материалы и разрабатывая новые технологии получения высокочистых веществ, дает импульс микроэлектронике. А микроэлектроника, изучая свойства новых веществ и материалов, ставит перед химией все более сложные и заманчивые цели. Микроэлектроника сама создала себе технологии, рынок и целую эпоху в развитии цивилизации –информационную эру.
Ссылки на источники1.Трондина А.Х.Актуальные проблемы подготовки специалистов в системе среднего специального образования. –URL: http://www.nsportal.ru/shkola/materialymetodicheskikhobedinenii/library/2014/04/26/aktualnyeproblemypodgotovki.2.Кулиш Н.Г.О программном обеспечении в области экологии для предприятий и вузов//В сборнике: Фундаментальные и прикладные направления модернизации современногообщества: экономические, социальные, философские, политические, правовые, общенаучные аспекты: материалы международной (заочной) научнопрактической конференции (Тихорецк, Новосибирск, Саратов 09 октября 2015. –Саратов: Академия управления, 2015. –С.4143.)3.Чернухина Н.В. Информационнокоммуникационные технологии вобразовательном процессе вуза // Научнометодический электронный журнал Концепт.2014.№S30.С.5155.4.Современные микропроцессоры: технологии изготовления, секреты производства архитектур. –URL:http://www.hww.ru/contents/articles/modern_cpu_tech.htm5.Современные чипы –взгляд изнутри. URL:http://www.nanometer.ru/2011/09/22/nanotechnology_262064.html.6.Производство микросхем. –URL:http://www.sdelanounas.ru/blogs/31148.7.Силицен –материал будущего для чипов. –URL:http://www.hinews.ru/technology/siliconmaterialbudushhegodlyaproizvodstvakompyuternyxchipov.html.8.Трехмерные транзисторы: новые технологии изготовления микрочипов –URL: http://www.hwp.ru/articles/Trehmernie_tranzistori_novie_tehnologii_izgotovleniya_mikrochipov_99468/
Научный руководитель –Кулиш Наталья Григорьевна, кандидат химических наук, преподаватель филиала ФГБОУ ВО Кубанский государственный университет в г. Тихорецкеfffhause@mail.ru
Инновационныехимические технологиив производстве компьютеровXXI
века
Аннотация.В статье рассматриваются современные технологии получения материаловдля микроэлектроники, используемых в производстве интегральных схем и чипов.Установлена связь между последними достижениями в области компьютерных технологий и необходимых для этогоинновационных химических технологий.
Ключевые слова:интегральные схемы,чипы,кремний, высокочистые вещества,примеси,новые материалы,станен,графен,твердые сплавы.
Российская система образования направлена не только на подготовку высококвалифицированных специалистов в той или иной отрасли науки и техники, но и на формирование высокообразованной личности с целостным представлениеместественнонаучной картины мира, пониманием места каждой из естественных наук, наличия связей явлений и процессов [1].Одной из причин фрагментарности знаний студентов является предметная разобщенность. Чаще всего студенты знакомы с применением напрактике готовых продуктов и достиженийпо своей специальности [2,3].Очень важноизучение основных базисных дисциплин (математика, физика, химия) и дисциплин специализацииреализовывать на основе принципа интеграции.Целью настоящей работы является анализ комплексного развития технологий получения современных химических материалов для микроэлектроники и современных технологий производства интегральных микросхем и микропроцессоров.Сегодня практически у каждого человека есть банковские, социальные, SIMкарты, мобильные телефоны, планшеты, компьютеры, ноутбуки, цифровые фотои видеокамеры или чтото ещё, к чему мы так привыкли. Все эти вещи объединяет одно –в основе их работы лежат интегральные схемы и микрочипы. Все эти атрибуты жизни современного человека стали столь обыденны, что мы не задумываемся над тем, сколько труда, научной и инженерной мысли вложено в создание даже одного такого чипа. Микроэлектроника является одной из самых высокотехнологичных и наукоемких производств.Одновременно это и одна из ресурсоемких отраслей промышленности, производство даже одного полупроводникового кристалла по ресурсоемкости превышает строительство большого многоэтажного здания. Более 90 %инноваций, которые появляются в мире созданы, так или иначе, за счёт развития микроэлектроники. Микропроцессор –это интегральная схема, созданная на маленьком кристалле кремния. Кремний применяется в силу того, что он обладает полупроводниковыми свойствами: его электрическая проводимость больше, чем у диэлектриков, но меньше, чем у металлов. Кремний можно сделать как изолятором, так и проводником.Проводимостью полупроводника можно управлять путем введения примесей металлов и неметаллов, так называемым легированием. Таким образом, сердцем любого микропроцессора является кремний, и прогресс в области микроэлектроники связан либо с улучшением работы этого сердца, либо с его заменой.Рассмотрим кремний как основной строительный материал микропроцессора. Кремний в природе –это наиболее распространенный химический элемент, второй после кислорода.Он является природным полупроводником благодаря своему электронному строению и поэтому используется как основной материал для производства чипов и всевозможных микросхем. Наиболее распространенное химическое соединение кремния с самым высоким его содержание –это диоксид кремния в виде обычногопеска. Но путь, который он проходит, чтобы превратиться в кремниевое сердце IPADа, SIMкарты, флэшкарты или чегото еще огромен. Изготовление микропроцессора –это сложнейший процесс, включающий более300 этапов от старта до финиша [4].Первый этап это восстановление кварцевого песка до кремния. Это реакция восстановления, восстановление проводят коксом в печах при температуре 1800 градусов. В результате получаем технический кремний:
SiO2+ 2C=Si+2CO
Второй этап –очистка технического кремния до содержания основного компонента 99,9999% и выше. Очищают не сам кремний, а его летучее соединение трихлорсилан. Этому предшествует стадия хлорирования технического кремния и получения тетрахлорида кремния, который затем преобразуется в трихлорсилан:
3SiCl4+2H2+Si=4SiHCl3
Таких стадий очистки может быть несколько, прежде чем мы получим высокочистый кремний с требуемой степенью чистоты.
2SiHCl3=SiH2Cl2+SiCl4
2SiH2Cl2=SiH3Cl+SiHCl3
2SiH3Cl=SiH4+SiH2Cl2
SiH4=Si+2H2
Следует сказать, что все процессы по очистке кремния, как и все последующие, выполняются в производственных помещениях с высокой степенью чистоты, оснащенных устройствами по обеспыливанию воздуха. Ведь в дальнейшем любая пылинка для чипа –что булыжник для человека. Работники трудятся в особых комбинезонах, пронизанных углеродной нитью и обладающих пылеотталкивающими свойствами. Они получили название “костюм кролика” изза белого цвета. Для того, чтобы требования к чистоте помещений постоянно соблюдались, производственный процесс идет круглосуточно, не останавливаясь, поэтому весь процесс автоматизирован. Третий этап –получение монокристалла кремния.Кремний расплавляют, опускают в него охлаждаемый стержень и, благодаря силам поверхностного натяжения, как бы “наматывают” вещество. Получают продольные заготовки (монокристаллы) круглого сечения, масса монокристалла может достигать 100 кг.Следующие этапы –нарезка монокристалла на кремниевые диски пластины, полировка пластин, воздействие жестким УФоблучением по трафаретам (фотолитография), вымывание протравленных УФизлучением участков, ионизация и все последующие –с химическими процессами мало связаны, но их значимость также не менееважна. Всего чтобы создать чип требуется несколько сотен различны технологических стадий, большинство которых проводят в суперчистых помещениях.Итак, мы получили чип с заданными свойствами. По каким характеристикам их можно сравнивать? Самая главная из них –это минимальный размер элемента на чипе. Он составляет от сотен до нескольких единиц нанометров. Технологические процессы так и различают, по нанометрам. В нашей стране действуют технологические схемы на 180 и 90 нанометров. Однаков Европе идет выпуск структур 65, 43, 32 нанометра. Чем меньше размер структуры, тем более быстродейственной, энергоемкой и надежной она является.Такие гиганты, как Intel, Nvidia, AMDпроизводят микрочипы, в которых отдельные элементы могут быть 90, 60,45 и 32 нанометра [5].Компьютерная техника продолжает интенсивно развиваться в последние 6070 лет. За это время она прошла путь от тяжелых военных компьютеров размером с дом до миниатюрных IPADов, от бумажных перфокарт до WINDOWS10. Остановимся на перспективных направлениях её развития в области использования новых материалов для микроэлектроники [6].1.Применение германиевых лазеров вместо миллионов тонких соединительных проводов. При увеличении количества ядер в процессорах они переполняются данными и становятся слабым звеном. Принципиально новый подход –использование фотонов вместо электронов.Германиевые лазеры способны передавать данные со скоростью света. Так же, как оптоволоконные линии улучшили эффективность телефонной связи, использование германиевых лазеров в микропроцессорах может сделать обработку данных сверхскоростной.2.Использование мемристоров в качестве альтернативы флэшпамяти. Мемристоры –это резисторы с памятью.Для их создания используются чередующиеся слои диоксида титана и платины. Мемристоры обладают большей скоростью, долговечностью и к тому же их производство намного дешевле.За счет использования мемристоров можно создать чипы с объемом памяти в пентабайт.Это путь к созданию 3Dпамяти.Но память –это только одна из возможностей применения мемристоров. Они позволят упростить архитектуру, дизайн и работу компьютеров.3.Использование графена вместо кремния. Миниатюризация элементов в чипе не может продолжаться бесконечно, проблемы начинаются уже с размера 14 нанометров. Вещество графен, представляющее собой слой атомов углерода, выстроенных в виде гексагональных ячеек, является уникальным материалом будущего. Его возможности превосходят кремний.Он скоростной, потребляет мало энергии и из него можно делать сверхминиатюрные элементы. 4.Еще одна замена кремнию –станен, материал на основе олова и графена. Он является топологическим изолятором –материалом, который внутри изолятор, а по поверхности проводит электрический ток. Важная особенность станена его способность к 100% проводимостипри комнатнойтемпературе.5.Создание и применение в технологии силицена –кремниево структуры толщиной в 1 атом [7]Уникальные электрические свойства силицена позволитсоздать силиценовые структуры и устройства при более низких температурах. Технология производства силицена предусматривает расположение основного компонента между двумя слоями серебра и оксида алюминия, они играют роль оболочки.6.Проводятся исследования разработки технологий производства процессоров на базе молекул ДНК, которые используют в качестве цепей, способных стать основой мощных и скоростных компьютеров. При этом используется главная особенность ДНК –способность самоорганизовываться.7.Применение нанопроводников не из кремния, а из трехкомпонентного материала на основе твердогораствора индийгаллиймышьяк [8]. Этот материал рассматривается не только как замена кремнию, но и как основа создания трехмерной структуры транзисторов вместо привычных планарных технологий изготовления интегральных микросхем. Состав индийгаллиймышьяк относится к числу потенциальных преемников кремния.Нанопроводники,изготовленные из твердого раствора индийгаллиймышьяк будут применяться в 10нанометровых интегральных схемах.Таким образом, рассматривая технологии производства микропроцессоров как в классическом варианте на основе кремниевых пластин, так и в современных перспективных технологиях будущего мы видим, как химические науки идут рядом, а иногда и опережая науки технические. Химия, создавая новые материалы и разрабатывая новые технологии получения высокочистых веществ, дает импульс микроэлектронике. А микроэлектроника, изучая свойства новых веществ и материалов, ставит перед химией все более сложные и заманчивые цели. Микроэлектроника сама создала себе технологии, рынок и целую эпоху в развитии цивилизации –информационную эру.
Ссылки на источники1.Трондина А.Х.Актуальные проблемы подготовки специалистов в системе среднего специального образования. –URL: http://www.nsportal.ru/shkola/materialymetodicheskikhobedinenii/library/2014/04/26/aktualnyeproblemypodgotovki.2.Кулиш Н.Г.О программном обеспечении в области экологии для предприятий и вузов//В сборнике: Фундаментальные и прикладные направления модернизации современногообщества: экономические, социальные, философские, политические, правовые, общенаучные аспекты: материалы международной (заочной) научнопрактической конференции (Тихорецк, Новосибирск, Саратов 09 октября 2015. –Саратов: Академия управления, 2015. –С.4143.)3.Чернухина Н.В. Информационнокоммуникационные технологии вобразовательном процессе вуза // Научнометодический электронный журнал Концепт.2014.№S30.С.5155.4.Современные микропроцессоры: технологии изготовления, секреты производства архитектур. –URL:http://www.hww.ru/contents/articles/modern_cpu_tech.htm5.Современные чипы –взгляд изнутри. URL:http://www.nanometer.ru/2011/09/22/nanotechnology_262064.html.6.Производство микросхем. –URL:http://www.sdelanounas.ru/blogs/31148.7.Силицен –материал будущего для чипов. –URL:http://www.hinews.ru/technology/siliconmaterialbudushhegodlyaproizvodstvakompyuternyxchipov.html.8.Трехмерные транзисторы: новые технологии изготовления микрочипов –URL: http://www.hwp.ru/articles/Trehmernie_tranzistori_novie_tehnologii_izgotovleniya_mikrochipov_99468/
