Редкий шанс увидеть своими глазами одно из самых секретных производств в мире получил сайт imaging-resource.com. Журналистов издания попросили не снимать внутри завода, предоставив взамен «вычищенные» фотографии. Но эти меры можно понять: даже по незначительным деталям производства, знающие люди могли бы лишить Sony конкурентных преимуществ. Несмотря на ограниченный доступ к производству, это все равно уникальная и информативная статья.

Сегодня Sony доминирует на глобальном рынке CMOS-сенсоров. C более чем 50% вероятностью сенсор в вашей камере или телефоне произведен на этом заводе.

Этот мокрый на вид снаряд – на самом деле очень чистый кремний. Внешне он неотличим от металлической болванки. Процесс его производства начинается еще за пределами завода Sony, в цехах компании, которая выращивает кристаллы чистого кремния. Из них Sony нарезает пластины-заготовки для CMOS-матриц.

Эти куски кремния называют «чашками» и они на самом деле огромные. Готовые «чашки» имеют диаметр 30 см, а их длина достигает 1.4-2 метра. «Чашки» получают плавлением больших объемов очень чистого кремния. Расплавленный полупроводник удерживают очень близко у температуры кристаллизации, а затем в него погружают небольшой, правильно ориентированный затравочный кристалл.

При точном контроле температуры расплавленный кремний начинает кристаллизоваться вокруг затравочного кристалла,  выстраиваясь в ту же атомарную структуру, что и затравка. Кристалл-«семя» медленно поднимают и удаляют из расплава. Большой монокристалл расплава поворачивают, чтобы поддерживать его однородность по мере роста.

Этот процесс назвали «метод Чохральского» в честь польского ученого Яна Чохральского, который изобрел его в 1915 году. Так сегодня изготавливается весь кремний для нужд полупроводниковой промышленности.

Габариты кремниевых пластин со временем стали очень большими. Более крупные пластины дают меньше брака и больше заготовок, и, как следствие, более дешевые чипы. В начале 1970-х годов стандартом были 75-миллиметровые пластины, теперь же норма – пластины с диаметром 300 миллиметров. Sony и другие компании продолжают работать над увеличением и этих размеров. Толщина «нарезанной» заготовки – меньше миллиметра. Она очень хрупкая и требует особой осторожности при работе.

Именно поставщик кремния разрезает «чашки» в тонкие пластины, стандартная толщина пластины 300 мм составляет 0,775 мм. Это должно дать вам некоторое представление о том, как трудно их нужно обрабатывать. Представьте себе 30-сантиметровый диск из хрупкого материала толщиной менее 1 мм. Ах да, и вы можете схватить его только за края. Это настоящий вызов!

Огромные 300-миллиметровые кремниевые пластины поступают на фабрику Kumamoto в Sony в специальных коробках, которые защищают их во время транспортировки от поставщика кремния, уберегая от поломки и сохраняя их достаточно чистыми относительно окружающей среды.

«Достаточной чистоты» и близко не достаточно даже чтобы просто допустить пластины внутрь завода. Поэтому первый шаг в их путешествии – станция для жидкой очистки, показанная на фотографии выше. Здесь пластины вынимают из ящика и помещают на вращающуюся платформу. Во время вращения пластины на нее подают воду высокой степени очистки, а вращающийся скруббер перемещается от центра заготовки к краю и обратно. В конце чистки он убирается и подается последняя струйка воды. Скорость вращения пластины увеличивают, чтобы стряхнуть с нее всю воду и оставить только чистую поверхность.

После этого механическая рука поднимает пластину и переносит ее на другую, уже очень чистую коробку-носитель. Она используется для переноса партий пластин между стадиями обработки через автоматизированную систему транспортировки материалов на заводе-изготовителе. Эти тележки произведены японской компанией Daifuku.

Узор электрической схемы наносят на пластины с использованием процесса фотолитографии. В производственном цикле CMOS-сенсоров это происходит десятки раз, так наносятся разные узоры для разных частей процесса. В некоторых случаях узоры определяют, куда наносить атомы легирующей примеси, которая может превращать заготовку в кремний N- и P-типа. Датчики Sony имеют довольно сложные схемы, и каждый узор требует отдельного этапа фотолитографии.

В процессе фотолитографии пластины покрывают тонкой пленкой светочувствительного материала, известного как «фоторезист». Изображение желаемой схемы проецируется на поверхность пластины и проявляется, оставляя некоторые области покрытыми фоторезистом, а некоторые чистыми. Интересно, что есть и «позитивные», и «негативные» резисты. Это означает, что нанесенный материал либо остается, либо удаляется в процессе проявки. Иногда резист действует как маска для процесса ионной имплантации (см. фото ниже), в в других случаях резист применяется на сплошном металле или слое. При этом образцы резиста определяют, какой металл/оксид будет вытравлен и что останется.

Первый шаг в процессе фотолитографии – нанесение фоторезиста невероятно тонким однородным слоем по всей поверхности пластины. Это то, что делается на фотографии выше. Вся установка выглядит очень похоже на станцию ​​жидкой очистки, которую вы видели чуть раньше. Но это потому, что основная часть оборудования на фотографии – такая же вращающаяся платформа.

Небольшое количество жидкого фоторезиста наносят на центр пластины, которая вращается с очень высокой скоростью для получения микроскопически тонкой равномерной пленки.

Это вид на один из проходов большого,  так называемого «чистого помещения» фабрики Кумамото. И хотя мы не знаем точной площади «чистых помещений» Sony, некоторые предположения сделать можно. Здание завода огромно, два целых этажа занимают чистые помещения.

Для поддержки работы одного этажа «чистых помещений» требуется три дополнительных этажа. Весь этаж над чистой комнатой предназначен для подачи воздуха, а весь пол под чистой комнатой – это воздушный поток, который нужно очистить и снова подать на производство. Под полом с воздухосборниками находится еще один этаж с техникой: насосами, фильтрацией воды и прочими коммуникациями для поддержки работы помещений выше.

Чистота помещения определяется количеством летающей в нем пыли. Главная чистая зона здесь на самом деле довольно «грязная» по современным стандартам, это чистое помещение «Класс 1000». Это значит, что в одном кубическом футе воздуха (1 фут = 30.5 см) допускается до 1000 частиц размером более 0,5 микрон. Количество кажется огромным, но это примерно в 35 000 (!) раз чище, чем обычный городской воздух.

Действительно чистые помещения, а точнее даже области, находятся внутри самих машин обработки и внутри так называемых ящиков FOUP, которые автоматически перемещаются по всему предприятию через систему подвесных дорожек на потолке. Эти меньшие площади относятся к Классу 1, что означает не более 1 частицы размером больше 0,5 микрон на кубический фут воздуха.

Этот проход, скорее всего включает в себя ионные имплантеры, диффузионные печи и системы фотолитографии. В общем, это область, в которой атомы легирующей примеси внедряются в кремний для создания электрически активных участков с различными характеристиками.

А вот фотография из другого чистого помещения. На этом снимке можно увидеть одного из несущих пластины роботов. Он транспортирует их между машинами в защитном контейнере с ультрачистой внутренней средой.

Этот снимок  немного необычен для завода Sony, поскольку на нем присутствуют люди. Фабрика Кумамото почти полностью автоматизирована, и люди тут редко даже близко появляются возле кремниевых пластин. Работа людей тут почти полностью ограничивается обслуживанием, настройкой и ремонтом самого производственного оборудования. Также стоит отметить, что большинство стадий производства на заводе проводятся круглосуточно и без вмешательства человека.

Высокий уровень автоматизации – отличный способ снизить издержки и добиться высокой производительности. Люди в производстве полупроводников – основная проблема. Даже специальные костюмы невероятно грязны, приносят много пыли и отмерших клеток кожи. Люди устают, болеют, впадают в депрессию и неизбежно совершают ошибки, как бы они не были осторожны и квалифицированы. А еще вы должны заплатить им деньги, дать отпуск, льготы и так далее…

В противовес людям, роботизированный конвейер работает день и ночь, никогда не устает и не болеет, а также всегда делает свою работу регулярно и точно.Спасибо вам, роботы, за электронику наших фотоаппаратов!

На этом снимке ясно видно, как ящик для пластин FOUP перевозится одним из роботизированных вагончиков под потолком. Когда тележка доезжает до нужного станка, FOUP-ящик опускается на то, что выглядит на фото как металлический стержень, но скорее всего является телескопической трубкой. FOUP-ящик в зависимости от задействованной машины, спускается на 1.5 – 2 метра вниз. Конструкция выглядит немного неустойчивой, но скорее всего без каких-либо неуклюжих людей, которые могут удариться в болтающийся на уровне лица FOUP-ящик, она и не должна выглядеть особенно стойкой.

Во время мощного землетрясения в Кумамото многие тележки FOUP и сами роботы-транспортировщики упали на пол, а в некоторых местах рухнул потолок. Почти невероятно, но весь завод возобновил производство (правда,  в ограниченном объеме) всего за полтора месяца.

Sony Kumamoto вернулся к полной работе спустя всего семь месяцев после землетрясения.

На фото вы также можете видеть шахматную сетку воздуховодов, усеявших весь потолок чистого помещения. Как мы писали раньше, целый этаж над чистым помещением приспособлен для подачи чистого воздуха и фильтрации. Учитывая площадь помещения и необходимость в непрерывном потоке ультрачистого воздуха, общий воздушный трафик на заводе огромен.

Также на фотографии можно легко увидеть решетку отверстий на полу, из которых засасывается воздух. Любые взлетевшие с пола пылинки будут просто уноситься прямо в систему фильтрации воздуха.

Как только чипы-сенсоры отпечатаны литографически, их тестируют на уровне пластины, а затем нарезают на отдельные датчики. Кремниевая пластина является очень дорогим материалом, поэтому нарезают ее  очень тонкими алмазными пилами. Типичное лезвие для нарезки пластины имеет толщину всего 20-30 микрон (0,02-0,03 мм) и вращается со скоростью 30 000 – 60 000 оборотов в минуту – это оптимальное значение, чтобы кремний не начал плавиться и при этом не сильно крошился. Несколько отдельных сопел распыляют жидкий охладитель высокой степени очистки на лезвие и пластину во время резки. Таким образом не допускается перегрев ее и полотна, а микроскопические пылинки кремния, которые неизбежно вылетают из-под пилы, смачиваются и удаляются из процесса.

Для обычных сенсоров (имеются в виду не монокристаллические решения (stacked sensor), в которых CMOS-датчик совмещен с процессором и памятью, как в современных Sony A9 и Sony RX100 V) следующей стадией идет объединение их в блоки и припаивание очень тонких проводов. Таким образом сенсор электрически подключается к микросхеме. Эта фотография показывает, как работает машина для припаивания контактов, но не показывает, насколько быстро она это делает. Время – деньги, так что чем больше проводов в час припаяет этот станок, тем лучше.

К сожалению, у нас нет подробностей о том, какие именно машины для этих целей использует Sony, но некоторое представление о скорости их работы должно дать видео выше.

Помимо прямой проводки «от точки к точке», которую делает станок на  видео, некоторые типы сенсоров и микросхем требуют, чтобы машины выполняли дополнительные действия. Например, после того как микросхема была первоначально связана с чипом, провод сгибают в определенной форме, прежде чем связать его с сенсором. Даже на этих невероятных скоростях работы механизм должен попадать в участки чипа с точностью около 50 микрометров. Монотонность температуры и силы нажима, с которыми машина припаивает проводки, также должна быть очень жестко контролируемой; даже перепады температуры и силы в 0,001% могут быть катастрофическими и приведут к непоправимому проценту брака.

На этом снимке изображена линия сборки сенсоров Sony. Готовые микросхемы и полупроводниковые заготовки поступают с одной стороны, готовые CMOS-сенсоры выходят из противоположной.

Есть ряд стадий, связанных с производством CMOS-сенсоров, которые производятся на этой линии. После того как пластины были нарезаны алмазной пилой, каждая матрица склеивается в модуль четырьмя каплями специальной смолы. Затем она соединяется с микросхемой при помощи проводков. После этого модуль заполняется герметизирующим полимером, наверх которого устанавливается покровное стекло.  Герметик отвердевает в лучах ультрафиолетового света, лазерная гравировальная система маркирует номера деталей и прочую информацию. Датчики отправляются на финальный тест качества изображения, упаковываются в коробки для транспортировки и отправляются на склад.

Первичные испытания проводят на уровне пластин: в это время проверяются электрические характеристики пикселей. Конечный же тест оценивает возможности визуализации изображений с каждого датчика. Неизвестно, как долго проходит тест изображений, но машины для тестирования сенсоров занимают отдельный этаж завода Sony..

CMOS-сеносоры как правило проверяют на утечки тока в полной темноте – именно они дают на фотографиях шум с фиксированной структурой при плохом освещении. Сенсор проверяют при слабом свете, при высокой яркости и при перегрузке от мощной засветки. Также тесты оценивают наличие мертвых или горячих пикселей.

Заключение

Сегодняшние технологии чрезвычайно продвинулись, но основные шаги производства практически не изменились.  Нам было приятно поделиться этой закулисной магией в рубрике «Как это работает?«. Если у вас есть вопросы, задавайте их в комментариях.