Ovo može izgledati kao glupo pitanje na koje se može odgovoriti u jednoj rečenici: Silicijum je element 14 u periodnom sistemu. Međutim, silicij se češće od ostalih spominje na sajtovima o elektronici jer on nije samo glavna komponenta većine građevinskih materijala, već i osnova za moderne kompjuterske procesore, pa čak i najvjerovatniji kandidat za ulogu osnovnog elementa "ne" -život ugljika". Šta silicijum čini posebno?
Silicijum kao građevinski materijal
Nakon kiseonika, silicijum je najčešći element u zemljinoj kori, ali ga pronaći nije tako lako, jer se gotovo nikada ne nalazi u čistom obliku. Najčešći u prirodi je silikat SiO4 ili silicijum dioksid SiO2. Silicijum je takođe glavna komponenta peska. Feldspat, granit, kvarc - svi su bazirani na kombinaciji silicija i kiseonika.
Jedinjenja silicijuma imaju širok spektar korisnih svojstava, uglavnom zato što mogu vrlo čvrsto vezati druge atome u složenim strukturama. Različiti silikati, kao što je kalcijev silikat, glavni su sastojak cementa, glavno vezivo betona, pa čak i gipsa. Neki silikatni materijali se koriste u keramici, naravno i staklu. Osim toga, silicijum se dodaje supstancama kao što je liveno gvožđe kako bi legura bila izdržljivija.
I, da, silicij je također glavna strukturna komponenta sintetičkog materijala silikona, zbog čega se silikon (silikon) često miješa sa silicijumom (silicijum). Čuveni primjer je Silicijumska dolina, koja je zapravo silicijum.
Silicijum kao kompjuterski čip
Prilikom odabira materijala za osnovu kompjuterskih tranzistora, otpor je bio ključni faktor. Provodnici imaju mali otpor i vrlo lako provode struju, dok izolatori blokiraju struju zbog svog velikog otpora. Tranzistor mora kombinovati oba svojstva.
Silicijum nije jedina poluprovodnička supstanca na Zemlji – nije čak ni najbolji poluprovodnik. Međutim, široko je dostupan. Nije teško kopati i lako je raditi. I što je najvažnije, naučnici su pronašli pouzdan način da iz njega izvuku naručene kristale. Ovi kristali su za silicijum ono što je dijamant za dijamant.
Konstrukcija idealnih kristala jedan je od glavnih aspekata proizvodnje kompjuterskih čipova. Ovi kristali se zatim režu u tanke pločice, graviraju, obrađuju i prolaze kroz stotine tretmana prije nego što postanu komercijalni prerađivači. Moguće je napraviti bolje tranzistore od ugljika ili egzotičnih materijala poput germanija, ali nijedan od njih neće omogućiti ponovno stvaranje tako velike proizvodnje - barem ne još.
Trenutno se kristali silikona stvaraju u cilindrima od 300 mm, ali istraživanja se brzo približavaju prekretnici od 450 mm. Ovo bi trebalo smanjiti troškove proizvodnje, ali zadržati stopu rasta brzine. Šta je nakon toga? Vjerovatno ćemo konačno morati odbaciti silicijum u korist naprednijeg materijala - dobre vijesti za napredak, ali gotovo sigurno loše vijesti za vaš novčanik.
Silicijum kao vanzemaljski život
Izraz "život ugljika" se pominje prilično često, ali šta to znači? To znači da su osnovne strukturne molekule našeg tijela (proteini, aminokiseline, nukleinske kiseline, masne kiseline itd.) izgrađene na bazi ugljikovih atoma. To je zato što ugljenik može biti četverovalentan. Kiseonik može formirati dve stabilne hemijske veze u isto vreme, azot može formirati samo tri, ali ugljenik može da zadrži do četiri različita atoma odjednom. Ovo je moćna osnova za izgradnju molekula i razvoj života.
Zato što je periodni sistem uređen tako da elementi u vertikalnoj koloni imaju slična hemijska svojstva - a odmah ispod ugljenika nalazi se silicijum. Zbog toga mnogi teoretičari obraćaju pažnju na "silicijumski život", jedan od argumenata u njihovu korist je činjenica da je silicijum takođe četvorovalentan.
Naravno, s obzirom da na Zemlji ima mnogo više silicijuma nego ugljika, mora postojati dobar razlog zašto se organski život temelji na ugljiku. I ovdje se trebamo ponovo okrenuti periodnom sistemu. Elementi koji su okomito niži imaju teže jezgre i veće elektronske ljuske, tako da je silicij manje pogodan za precizne zadatke poput izgradnje DNK zbog svoje veličine. Dakle, u drugom dijelu svemira teoretski je moguć razvoj organizma na bazi silicijuma, ali je malo vjerovatno da će se to dogoditi na našoj planeti.
Silicijum će još dugo biti u vijestima, jer čak i ako ga neki element zamijeni kao osnovu za kompjutersko računarstvo, proći će jako puno vremena prije pune tranzicije. Osim toga, postoje i druga područja njegove primjene, te je moguće da će se pronaći novi načini korištenja ove tvari. Po svoj prilici, silicijum će i dalje ostati jedna od glavnih supstanci u fizičkom svetu ljudske aktivnosti.
Kako se prave mikročipovi
Da bismo shvatili koja je glavna razlika između ove dvije tehnologije, potrebno je kratka digresija u samoj tehnologiji proizvodnje savremenih procesora ili integrisanih kola.
Kao što je poznato iz školskog kursa fizike, u savremena elektronika glavne komponente integrisanih kola su poluprovodnici p-tipa i n-tipa (u zavisnosti od vrste provodljivosti). Poluprovodnik je supstanca koja je bolja u vodljivosti od dielektrika, ali inferiornija od metala. Oba tipa poluprovodnika mogu biti zasnovana na silicijumu (Si), koji je u svom čistom obliku (tzv. intrinzični poluprovodnik) loš provodnik električne struje, ali dodavanje (ugradnja) određene nečistoće u silicijum omogućava radikalno mijenjaju njegova provodna svojstva. Postoje dvije vrste nečistoća: donor i akceptor. Donorska nečistoća dovodi do formiranja poluvodiča n-tipa sa elektronskom vrstom provodljivosti, dok akceptorska nečistoća dovodi do formiranja poluprovodnika p-tipa sa provodljivošću rupa. Kontakti p- i n-poluprovodnika omogućavaju formiranje tranzistora, glavnih strukturnih elemenata modernih mikro kola. Takvi tranzistori, nazvani CMOS tranzistori, mogu biti u dva osnovna stanja: otvoreni, kada provode struju, i zaključani dok ne provode električnu energiju. Budući da su CMOS tranzistori glavni elementi modernih mikro krugova, razgovarajmo o njima detaljnije.
Kako radi CMOS tranzistor
Najjednostavniji CMOS tranzistor n-tipa ima tri elektrode: izvor, kapiju i odvod. Sam tranzistor je napravljen u poluprovodniku p-tipa sa provodljivošću rupa, a poluprovodnici n-tipa sa elektronskom provodljivošću se formiraju u oblastima odvoda i izvora. Naravno, zbog difuzije rupa iz p-područja u n-područje i reverzne difuzije elektrona iz n-područja u p-područje, nastaju osiromašeni slojevi (slojevi u kojima nema glavnih nosilaca naboja). na prelaznim granicama p- i n-regija. U normalnom stanju, odnosno kada se na gejtu ne dovodi napon, tranzistor je u "zaključanom" stanju, odnosno nije u stanju da provodi struju od izvora do drena. Situacija se ne mijenja čak ni ako se između drena i izvora dovede napon (ne uzimamo u obzir struje curenja uzrokovane kretanjem manjih nositelja naboja pod utjecajem generiranih električnih polja, odnosno rupa za n-područje i elektroni za p-područje).
Međutim, ako se na kapiju primijeni pozitivan potencijal (slika 1), situacija će se radikalno promijeniti. Pod uticajem električnog polja kapije, rupe se guraju duboko u p-poluprovodnik, a elektroni se, naprotiv, uvlače u područje ispod kapije, formirajući kanal bogat elektronima između izvora i drena. Ako se na gejtu primeni pozitivan napon, ovi elektroni počinju da se kreću od izvora ka drenažu. U ovom slučaju, tranzistor provodi struju, kažu da se tranzistor "otvara". Ako se napon ukloni sa gejta, elektroni prestaju da se uvlače u područje između izvora i odvoda, provodni kanal se uništava i tranzistor prestaje da propušta struju, odnosno "zaključava". Dakle, promjenom napona na kapiji, možete uključiti ili isključiti tranzistor, na isti način kao što možete uključiti ili isključiti konvencionalni prekidač, kontrolirajući protok struje kroz krug. Zbog toga se tranzistori ponekad nazivaju elektronskim prekidačima. Međutim, za razliku od konvencionalnih mehaničkih prekidača, CMOS tranzistori nemaju praktički nikakvu inerciju i sposobni su za prebacivanje iz stanja uključeno u isključeno trilione puta u sekundi! Upravo ta karakteristika, odnosno sposobnost trenutnog prebacivanja, u konačnici određuje brzinu procesora, koji se sastoji od desetina miliona takvih jednostavnih tranzistora.
Dakle, moderno integrirano kolo sastoji se od desetina miliona najjednostavnijih CMOS tranzistora. Zaustavimo se detaljnije na procesu proizvodnje mikro krugova, čija je prva faza priprema silikonskih supstrata.
Korak 1. Uzgajanje praznina
Stvaranje takvih supstrata počinje rastom cilindričnog silicijumskog monokristala. Zatim se od takvih monokristalnih blankova (praznica) izrezuju okrugle ploče (vafle), čija je debljina približno 1/40 inča, a prečnik 200 mm (8 inča) ili 300 mm (12 inča). Ovo su silikonski supstrati koji se koriste za proizvodnju mikro kola.
Prilikom formiranja pločica od monokristala silicija, uzima se u obzir okolnost da za idealne kristalne strukture fizička svojstva u velikoj mjeri ovise o odabranom smjeru (svojstvo anizotropije). Na primjer, otpor silikonske podloge bit će različit u uzdužnom i poprečnom smjeru. Slično, u zavisnosti od orijentacije kristalne rešetke, kristal silicijuma će različito reagovati na sve spoljašnje uticaje povezane sa njegovom daljom obradom (na primer, jetkanje, prskanje, itd.). Stoga se ploča mora izrezati od jednog kristala na takav način da se orijentacija kristalne rešetke u odnosu na površinu striktno održava u određenom smjeru.
Kao što je već napomenuto, prečnik silikonskog monokristalnog blanka je 200 ili 300 mm. Štaviše, prečnik od 300 mm je relativno nova tehnologija, o čemu ćemo govoriti u nastavku. Jasno je da ploča takvog promjera može primiti daleko više od jednog čipa, čak i ako govorimo o procesoru Intel Pentium 4. Doista, nekoliko desetina mikro krugova (procesora) je formirano na jednoj takvoj ploči supstrata, ali radi jednostavnosti razmatrat će se samo procesi koji se odvijaju na maloj površini jednog budućeg mikroprocesora.
Korak 2. Nanošenje zaštitnog filma od dielektrika (SiO2)
Nakon formiranja silicijumske podloge, počinje faza stvaranja najsloženije poluvodičke strukture.
Da bi se to postiglo, potrebno je u silicijum uvesti takozvane donorske i akceptorske nečistoće. Međutim, postavlja se pitanje kako izvršiti unošenje nečistoća po tačno zadatom obrascu-obrasci? Da bi to bilo moguće, ona područja na kojima nečistoće nisu potrebna su zaštićena posebnim filmom od silicijum dioksida, ostavljajući samo ona područja koja su izložena daljoj obradi (slika 2). Proces formiranja takvog zaštitnog filma željenog uzorka sastoji se od nekoliko faza.
U prvoj fazi, cijela silikonska pločica je u potpunosti prekrivena tankim filmom silicijum dioksida (SiO2), koji je vrlo dobar izolator i djeluje kao zaštitni film prilikom daljnje obrade silicijumskog kristala. Oblatne se postavljaju u komoru u kojoj pri visokoj temperaturi (od 900 do 1100 °C) i pritisku kisik difundira u površinske slojeve vafla, što dovodi do oksidacije silicija i stvaranja površinskog filma silicijum dioksida. Da bi film silicijum dioksida imao tačno određenu debljinu i ne bi sadržavao defekte, potrebno je striktno održavati konstantnu temperaturu na svim tačkama ploče tokom procesa oksidacije. Ako se cijela pločica ne prekriva filmom od silicijum dioksida, tada se na silicijumsku podlogu preliminarno nanosi maska Si3N4 kako bi se spriječila neželjena oksidacija.
Korak 3 Nanesite Photoresist
Nakon što je silikonska podloga premazana zaštitni film silicijum dioksida, potrebno je ukloniti ovaj film s onih mjesta koja će biti podvrgnuta daljoj obradi. Film se uklanja jetkanjem, a da bi se preostale površine zaštitile od jetkanja, na površinu ploče nanosi se sloj takozvanog fotorezista. Termin "fotorezist" odnosi se na kompozicije osjetljive na svjetlost i otporne na agresivne faktore. Kompozicije koje se koriste moraju, s jedne strane, imati određena fotografska svojstva (postati topljive pod utjecajem ultraljubičastog svjetla i biti isprane tokom procesa jetkanja), as druge strane, otporne, što im omogućava da izdrže jetkanje u kiselinama i alkalijama. , grijanje itd. Glavna svrha fotorezista je stvaranje zaštitnog reljefa željene konfiguracije.
Proces nanošenja fotorezista i njegovo daljnje zračenje ultraljubičastim prema datom uzorku naziva se fotolitografija i uključuje sljedeće glavne operacije: formiranje fotorezistnog sloja (obrada podloge, taloženje, sušenje), formiranje zaštitnog reljefa (izlaganje, razvoj , sušenje) i prijenos slike na podlogu (jetkanje, taloženje itd.).
Prije nanošenja sloja fotorezista (slika 3) na podlogu, potonji se podvrgava prethodnoj obradi, zbog čega se poboljšava njegovo prianjanje na sloj fotorezista. Za nanošenje jednolikog sloja fotorezista koristi se metoda centrifugiranja. Podloga se postavlja na rotirajući disk (centrifuga), a pod uticajem centrifugalnih sila fotorezist se raspoređuje po površini supstrata u gotovo jednolikom sloju. (Govoreći o praktično ujednačenom sloju, uzima se u obzir činjenica da se pod djelovanjem centrifugalnih sila debljina formiranog filma povećava od središta prema rubovima, međutim, ovaj način nanošenja fotorezista omogućava da se izdrže fluktuacije u debljina sloja unutar ± 10%.)
Korak 4. Litografija
Nakon nanošenja i sušenja sloja fotorezista, počinje faza formiranja potrebnog zaštitnog reljefa. Reljef nastaje kao rezultat činjenice da pod djelovanjem ultraljubičastog zračenja koje pada na određene dijelove sloja fotorezista, potonji mijenja svojstva topljivosti, na primjer, osvijetljena područja prestaju da se otapaju u otapalu, što uklanja područja sloja koji nisu bili izloženi osvjetljenju, ili obrnuto - osvijetljena područja se rastvaraju. Prema načinu formiranja reljefa fotorezisti se dijele na negativne i pozitivne. Negativni fotorezisti pod dejstvom ultraljubičastog zračenja formiraju zaštitna područja reljefa. Pozitivni fotorezisti, naprotiv, pod uticajem ultraljubičastog zračenja dobijaju svojstva tečnosti i ispiru se rastvaračem. U skladu s tim, zaštitni sloj se formira u onim područjima koja nisu izložena ultraljubičastom zračenju.
Za osvjetljavanje željenih područja sloja fotorezista koristi se poseban šablon maske. Najčešće se u tu svrhu koriste optičke staklene ploče s neprozirnim elementima dobivenim fotografskom ili drugom metodom. Zapravo, takav predložak sadrži crtež jednog od slojeva budućeg mikrokola (ukupno može biti nekoliko stotina takvih slojeva). Budući da je ovaj uzorak referenca, mora se izraditi s velikom preciznošću. Osim toga, uzimajući u obzir činjenicu da će se od jedne fotomaske izraditi mnogo foto ploča, ona mora biti izdržljiva i otporna na oštećenja. Iz ovoga je jasno da je fotomaska vrlo skupa stvar: u zavisnosti od složenosti mikrokola, može koštati desetine hiljada dolara.
Ultraljubičasto zračenje koje prolazi kroz takav uzorak (slika 4) osvjetljava samo željena područja površine sloja fotorezista. Nakon zračenja, fotorezist se podvrgava razvoju, zbog čega se uklanjaju nepotrebni dijelovi sloja. Time se otvara odgovarajući dio sloja silicijum dioksida.
Unatoč prividnoj jednostavnosti fotolitografskog procesa, upravo je ova faza proizvodnje mikročipa najteža. Činjenica je da, u skladu s Murovim predviđanjem, broj tranzistora na jednom čipu raste eksponencijalno (udvostručuje se svake dvije godine). Ovakvo povećanje broja tranzistora moguće je samo zbog smanjenja njihove veličine, ali upravo smanjenje „počiva“ na procesu litografije. Da bi tranzistori bili manji, potrebno je smanjiti geometrijske dimenzije linija nanesenih na sloj fotootpornika. Ali postoji granica za sve - nije tako lako fokusirati laserski snop na tačku. Činjenica je da je, u skladu sa zakonima valne optike, minimalna veličina tačke u koju je fokusiran laserski snop (u stvari, ovo nije samo tačka, već difrakcijski uzorak) određena, između ostalih faktora, i talasnu dužinu svetlosti. Razvoj litografske tehnologije od njenog pronalaska ranih 70-ih godina išao je u pravcu skraćivanja talasne dužine svetlosti. To je ono što je omogućilo smanjenje veličine elemenata integralno kolo. Od sredine 1980-ih, ultraljubičasto zračenje proizvedeno laserom se koristi u fotolitografiji. Ideja je jednostavna: talasna dužina ultraljubičastog zračenja je kraća od talasne dužine vidljive svetlosti, stoga je moguće dobiti finije linije na površini fotorezista. Donedavno se za litografiju koristilo duboko ultraljubičasto zračenje (Deep Ultra Violet, DUV) s talasnom dužinom od 248 nm. Međutim, kada je fotolitografija prešla granicu od 200 nm, pojavili su se ozbiljni problemi, koji su prvi put doveli u pitanje mogućnost daljeg korišćenja ove tehnologije. Na primjer, na talasnoj dužini manjoj od 200 µm, fotoosjetljivi sloj apsorbira previše svjetla, tako da proces prijenosa šablona kola u procesor postaje složeniji i sporiji. Problemi poput ovih navode istraživače i proizvođače da traže alternative tradicionalnoj litografskoj tehnologiji.
Nova tehnologija litografije, nazvana EUV litografija (Extreme Ultraviolet ultraviolet radiation), zasnovana je na upotrebi ultraljubičastog zračenja talasne dužine od 13 nm.
Prelazak sa DUV na EUV litografiju obezbeđuje više od 10 puta smanjenje talasne dužine i prelazak na opseg u kome je ona uporediva sa veličinom od samo nekoliko desetina atoma.
Trenutna litografska tehnologija omogućava primenu šablona sa minimalnom širinom provodnika od 100 nm, dok EUV litografija omogućava štampanje linija znatno manjih širina - do 30 nm. Kontrola ultrakratkog zračenja nije tako laka kao što se čini. Budući da staklo dobro apsorbira EUV zračenje, nova tehnologija uključuje korištenje serije od četiri posebna konveksna ogledala koja smanjuju i fokusiraju sliku dobivenu nakon nanošenja maske (sl. 5, , ). Svako takvo ogledalo sadrži 80 pojedinačnih metalnih slojeva debljine oko 12 atoma.
Korak 5 Etching
Nakon što je sloj fotorezista osvijetljen, faza jetkanja počinje da uklanja film silicijum dioksida (slika 8).
Proces kiseljenja često je povezan s kiselim kupkama. Ova metoda jetkanja u kiselini dobro je poznata radio-amaterima koji su sami pravili štampane ploče. Da biste to učinili, uzorak tragova buduće ploče nanosi se na folijski tekstolit s lakom koji djeluje kao zaštitni sloj, a zatim se ploča spušta u kadu s dušičnom kiselinom. Nepotrebni dijelovi folije su urezani, otkrivajući čisti tekstolit. Ova metoda ima niz nedostataka, od kojih je glavni nemogućnost precizne kontrole procesa uklanjanja sloja, jer previše faktora utiče na proces jetkanja: koncentracija kiseline, temperatura, konvekcija itd. Osim toga, kiselina stupa u interakciju s materijalom u svim smjerovima i postepeno prodire ispod ruba fotorezist maske, odnosno uništava slojeve prekrivene fotorezistom sa strane. Stoga se u proizvodnji procesora koristi metoda suhog jetkanja, koja se naziva i plazma. Ova metoda omogućava preciznu kontrolu procesa jetkanja, a uništavanje ugraviranog sloja događa se strogo u vertikalnom smjeru.
Suvo jetkanje koristi ionizirani plin (plazmu) za uklanjanje silicijum dioksida s površine pločice, koji reagira s površinom silicijum dioksida i formira isparljive nusproizvode.
Nakon postupka jetkanja, odnosno kada su željena područja čistog silicijuma izložena, ostatak fotosloja se uklanja. Dakle, uzorak silicijum dioksida ostaje na silicijumskoj podlozi.
Korak 6. Difuzija (ionska implantacija)
Podsjetimo da je prethodni proces formiranja potrebnog uzorka na silikonskoj podlozi bio neophodan da bi se unošenjem donorske ili akceptorske nečistoće stvorile poluvodičke strukture na pravim mjestima. Proces ugradnje nečistoća odvija se putem difuzije (slika 9) ravnomjernog ugrađivanja atoma nečistoća u kristalnu rešetku silicijuma. Za dobivanje poluvodiča n-tipa obično se koriste antimon, arsen ili fosfor. Da bi se dobio poluvodič p-tipa, kao nečistoća se koristi bor, galijum ili aluminijum.
Ionska implantacija se koristi za proces difuzije dopanta. Proces implantacije sastoji se u tome da se ioni potrebne nečistoće „izbacuju“ iz visokonaponskog akceleratora i, imajući dovoljno energije, prodiru u površinske slojeve silicija.
Dakle, na kraju faze ionske implantacije stvoren je potreban sloj poluvodičke strukture. Međutim, u mikroprocesorima može postojati nekoliko takvih slojeva. Dodatni tanak sloj silicijum dioksida se uzgaja kako bi se stvorio sljedeći sloj u rezultirajućem dijagramu strujnog kola. Nakon toga se nanosi sloj polikristalnog silicijuma i drugi sloj fotorezista. Ultraljubičasto zračenje prolazi kroz drugu masku i naglašava odgovarajući uzorak na foto sloju. Zatim ponovo slijede faze rastvaranja fotosloja, jetkanja i ionske implantacije.
Korak 7 Raspršivanje i taloženje
Nametanje novih slojeva se vrši više puta, dok se ostavljaju „prozori“ za međuslojne veze u slojevima, koji su ispunjeni atomima metala; kao rezultat, stvaraju se metalne trake na kristalno - vodljivim područjima. Tako se u modernim procesorima uspostavljaju veze između slojeva koji formiraju složenu trodimenzionalnu šemu. Proces uzgoja i obrade svih slojeva traje nekoliko sedmica, a sam proizvodni ciklus se sastoji od više od 300 faza. Kao rezultat, stotine identičnih procesora se formiraju na silikonskoj pločici.
Da bi izdržale udare kojima su pločice izložene tokom procesa nanošenja slojeva, silikonske podloge se u početku prave dovoljno debele. Stoga se prije rezanja ploče na pojedinačne procesore njena debljina smanjuje za 33% i uklanja se prljavština sa poleđina. Zatim se na zadnju stranu podloge nanosi sloj posebnog materijala koji poboljšava pričvršćivanje kristala na kućište budućeg procesora.
Korak 8. Završni korak
Na kraju ciklusa formiranja, svi procesori se temeljno testiraju. Zatim se iz ploče supstrata posebnim uređajem izrezuju specifični kristali koji su već prošli test (Sl. 10).
Svaki mikroprocesor je ugrađen u zaštitno kućište koje omogućava i električnu vezu mikroprocesorskog čipa sa eksternim uređajima. Vrsta paketa ovisi o vrsti i namjeravanoj primjeni mikroprocesora.
Nakon zatvaranja u kućište, svaki mikroprocesor se ponovo testira. Neispravni procesori se odbijaju, a ispravni se podvrgavaju stres testovima. Zatim se procesori sortiraju ovisno o njihovom ponašanju pod raznim frekvencije sata ah i naponi napajanja.
Obećavajuće tehnologije
Tehnološki proces proizvodnje mikrokola (posebno procesora) sagledali smo na vrlo pojednostavljen način. Ali čak i tako površna prezentacija omogućava razumijevanje tehnoloških poteškoća s kojima se čovjek mora suočiti pri smanjenju veličine tranzistora.
Međutim, prije razmatranja novih obećavajućih tehnologija, odgovorimo na pitanje postavljeno na samom početku članka: koja je norma dizajna tehnološkog procesa i kako se, zapravo, norma dizajna od 130 nm razlikuje od norme od 180 nm ? 130 nm ili 180 nm je karakteristično minimalno rastojanje između dva susjedna elementa u jednom sloju mikrokola, odnosno neka vrsta koraka mreže na koju su elementi mikrokola vezani. Istovremeno, sasvim je očigledno da što je manja ova karakteristična veličina, to se više tranzistora može postaviti na istu površinu čipa.
Trenutno, Intel procesori koriste proizvodni proces od 0,13 mikrona. Ova tehnologija se koristi za proizvodnju Intel Pentium 4 procesora sa Northwood jezgrom, Intel Pentium III procesora sa Tualatin jezgrom i Intel Celeron procesora. U slučaju korištenja takvog tehnološkog procesa, korisna širina kanala tranzistora je 60 nm, a debljina oksidnog sloja gejta ne prelazi 1,5 nm. Sve u svemu, Intel Pentium 4 procesor sadrži 55 miliona tranzistora.
Uz povećanje gustine tranzistora u procesorskom čipu, tehnologija od 0,13 mikrona, koja je zamijenila 0,18 mikrona, ima i druge inovacije. Prvo, koristi bakrene veze između pojedinačnih tranzistora (u tehnologiji od 0,18 mikrona, veze su bile aluminijumske). Drugo, tehnologija od 0,13 mikrona omogućava nižu potrošnju energije. Za mobilnu tehnologiju, na primjer, to znači da potrošnja energije mikroprocesora postaje manja, a vrijeme rada od baterija više.
Pa, posljednja inovacija koja je utjelovljena u prelasku na tehnološki proces od 0,13 mikrona je upotreba silikonskih pločica (wafer) promjera 300 mm. Podsjetimo da se prije toga većina procesora i mikro krugova proizvodila na bazi ploča od 200 mm.
Povećanje prečnika pločice smanjuje cenu svakog procesora i povećava prinos proizvoda odgovarajućeg kvaliteta. Zaista, površina vafla prečnika 300 mm je 2,25 puta veća od površine vafla prečnika 200 mm, respektivno, a broj procesora dobijenih iz jedne vafla prečnika 300 mm je više nego dvostruko veći.
U 2003. godini očekuje se uvođenje novog tehnološkog procesa sa još nižim standardom dizajna, odnosno 90-nanometarskim. Nova procesna tehnologija kojom će Intel proizvoditi većinu svojih proizvoda, uključujući procesore, skupove čipova i komunikacionu opremu, razvijena je u Intelovoj pilot fabrici D1C od 300 mm wafer u Hillsborou, Oregon.
Intel Corporation je 23. oktobra 2002. objavila otvaranje novog pogona vrijednog 2 milijarde dolara u Rio Ranchu, Novi Meksiko. Nova fabrika, nazvana F11X, će se koristiti moderna tehnologija, prema kojem će se procesori na podlogama od 300 mm proizvoditi tehnološkim postupkom sa projektnom normom od 0,13 mikrona. 2003. godine postrojenje će biti prebačeno na tehnološki proces sa projektnim standardom od 90 nm.
Osim toga, Intel je već najavio nastavak izgradnje drugog proizvodnog pogona u Fab 24 u Leixlipu u Irskoj, koji je dizajniran za proizvodnju poluvodičkih komponenti na 300 mm silikonskim pločicama sa 90 nm pravilom dizajna. Novo preduzeće ukupne površine više od milion kvadratnih metara. stopa sa posebno čistim sobama površine 160 hiljada kvadratnih metara. Očekuje se da će stopa biti operativna u prvoj polovini 2004. godine i zapošljavat će više od hiljadu ljudi. Cijena objekta je oko 2 milijarde dolara.
90nm proces koristi brojne napredne tehnologije. To uključuje najmanji masovno proizvedeni CMOS tranzistor na svijetu s dužinom gejta od 50 nm (Slika 11), koji pruža povećane performanse uz smanjenje potrošnje energije, i najtanji sloj oksida gejta od bilo kojeg tranzistora ikada proizveden od samo 1,2 nm (Slika 12), ili manje od 5 atomskih slojeva, i prva implementacija silikonske tehnologije visokih performansi u industriji.
Od navedenih karakteristika, možda samo treba prokomentarisati koncept „napregnutog silicijuma“ (Sl. 13). U takvom silicijumu je razmak između atoma veći nego u konvencionalnom poluvodiču. Ovo, zauzvrat, omogućava da struja teče slobodnije, slično kao što se vozila sa širim trakama kreću slobodnije i brže.
Kao rezultat svih inovacija, performanse tranzistora su poboljšane za 10-20%, dok su troškovi proizvodnje povećani za samo 2%.
Osim toga, 90nm proces koristi sedam slojeva po čipu (slika 14), jedan sloj više od 130nm procesa i bakarne veze.
Sve ove karakteristike u kombinaciji sa silikonskim pločicama od 300 mm pružaju Intelu prednosti u pogledu performansi, zapremine i cene. Potrošači takođe imaju koristi, jer Intelova nova procesna tehnologija omogućava industriji da nastavi da se razvija u skladu sa Mooreovim zakonom, poboljšavajući performanse procesora iznova i iznova.
CPU to je srce svakog modernog kompjutera. Svaki mikroprocesor je u suštini veliko integrisano kolo na kojem se nalaze tranzistori. Propuštanjem električne struje, tranzistori vam omogućavaju da kreirate binarne logičke (on-off) proračune. Moderni procesori su bazirani na 45 nm tehnologiji. 45nm (nanometar) je veličina jednog tranzistora na pločici procesora. Do nedavno se uglavnom koristila 90 nm tehnologija.
Ploče su napravljene od silicijuma, koji je 2. najveće nalazište u zemljinoj kori.
Silicijum se dobija hemijskim tretmanom, pročišćavajući ga od nečistoća. Nakon toga počinje se topiti, formirajući silikonski cilindar promjera 300 milimetara. Ovaj cilindar se dalje reže na ploče dijamantskom žicom. Debljina svake ploče je oko 1 mm. Da bi ploča imala idealnu površinu, nakon rezanja navojem, polira se posebnom brusilicom.
Nakon toga, površina silikonske pločice je savršeno ravna. Inače, mnoge proizvodne kompanije su već najavile mogućnost rada sa pločama od 450 mm. Što je veća površina - veći je broj tranzistora za smještaj, a performanse procesora su veće.
CPU sastoji se od silicijumske pločice, na čijoj površini se nalazi do devet nivoa tranzistora, odvojenih slojevima oksida, radi izolacije.
Razvoj tehnologije proizvodnje procesora
Gordon Moore, jedan od osnivača Intela, jednog od vodećih u proizvodnji procesora u svijetu, 1965. godine, na osnovu svojih zapažanja, otkrio je zakon po kojem su se u pravilnim intervalima pojavljivali novi modeli procesora i mikrokola. Rast broja tranzistora u procesorima raste oko 2 puta u 2 godine. Već 40 godina zakon Gordona Moorea funkcionira bez izobličenja. Razvoj budućih tehnologija nije daleko - već postoje prototipovi koji rade na bazi 32nm i 22nm proizvodnih tehnologija procesora. Do sredine 2004. godine snaga procesora zavisila je prvenstveno od frekvencije procesora, ali od 2005. godine frekvencija procesora je praktično prestala da raste. Postoji nova tehnologija višejezgrenog procesora. Odnosno, kreira se nekoliko procesorskih jezgara sa jednakom frekvencijom takta, a tokom rada snaga jezgri se zbraja. Ovo povećava ukupnu snagu procesora.
U nastavku možete pogledati video o proizvodnji procesora.
Gotovo svi znaju da je u računaru glavni element među svim "gvozdenim" komponentama centralna procesorska jedinica. Ali krug ljudi koji zamišljaju kako procesor radi je vrlo ograničen. Većina korisnika nema pojma o tome. Čak i kada sistem odjednom počne da "usporava", mnogi misle da ovaj procesor ne radi dobro, i ne pridaju značaj drugim faktorima. Da biste u potpunosti razumjeli situaciju, razmotrite neke aspekte CPU-a.
Šta je centralna procesorska jedinica?
Od čega je napravljen procesor?
Ako govorimo o tome kako radi Intel procesor ili njegov konkurent AMD, morate pogledati kako su ovi čipovi raspoređeni. Prvi mikroprocesor (inače, bio je iz Intela, model 4040) pojavio se davne 1971. godine. Mogao je izvoditi samo najjednostavnije operacije sabiranja i oduzimanja sa samo 4 bita informacija, odnosno imao je 4-bitnu arhitekturu.
Moderni procesori, kao i prvorođeni, bazirani su na tranzistorima i imaju mnogo veću brzinu. Izrađuju se metodom fotolitografije od određenog broja pojedinačnih silikonskih ploča koje čine jedan kristal, u koji su takoreći utisnuti tranzistori. Shema je kreirana na posebnom akceleratoru s dispergiranim ionima bora. U unutrašnjoj strukturi procesora, glavne komponente su jezgra, magistrale i funkcionalne čestice koje se nazivaju revizije.
Glavne karakteristike
Kao i svaki drugi uređaj, procesor karakteriziraju određeni parametri, koji se ne mogu zanemariti kada se odgovori na pitanje kako procesor radi. Prije svega to je:
- Broj jezgara;
- broj niti;
- veličina keš memorije (interna memorija);
- frekvencija sata;
- brzina autobusa.
Za sada, fokusirajmo se na brzinu takta. Nije ni čudo što se procesor naziva srcem računara. Kao i srce, radi u pulsirajućem režimu sa određenim brojem ciklusa u sekundi. Frekvencija takta se mjeri u MHz ili GHz. Što je veći, uređaj može izvršiti više operacija.
Na kojoj frekvenciji procesor radi, možete saznati iz njegovih deklariranih karakteristika ili pogledati informacije u Ali tokom obrade naredbi, frekvencija se može promijeniti, a tijekom overkloka (overlocking) može se povećati do ekstremnih granica. Dakle, deklarisani je samo prosječan pokazatelj.
Broj jezgara je indikator koji određuje broj računskih centara procesora (ne treba se brkati s nitima - broj jezgara i niti se možda neće podudarati). Zbog ove distribucije, postaje moguće preusmjeriti operacije na druga jezgra, čime se povećavaju ukupne performanse.
Kako procesor radi: obrada instrukcija
Sada malo o strukturi izvršnih naredbi. Ako pogledate kako procesor radi, morate jasno razumjeti da svaka instrukcija ima dvije komponente - operativnu i operand.
Operativni dio pokazuje šta bi računarski sistem trebao da radi u ovom trenutku, operand određuje na čemu bi procesor trebao raditi. Osim toga, jezgro procesora može sadržavati dva računska centra (kontejneri, niti), koji dijele izvršenje naredbe u nekoliko faza:
- proizvodnja;
- dešifriranje;
- izvršenje naredbi;
- pristup memoriji samog procesora
- čuvanje rezultata.
Danas se koristi odvojeno keširanje u obliku korištenja dva nivoa keš memorije, što omogućava izbjegavanje presretanja od strane dvije ili više naredbi za pristup jednom od memorijskih blokova.
Procesori prema vrsti obrade instrukcija dijele se na linearne (izvršavanje instrukcija redoslijedom kojim su napisane), ciklične i granajuće (izvršavanje instrukcija nakon obrade uslova grananja).
Operacije u toku
Među glavnim funkcijama koje su dodijeljene procesoru, u smislu izvršnih naredbi ili instrukcija, postoje tri glavna zadatka:
- matematičke operacije zasnovane na aritmetičko-logičkom uređaju;
- premještanje podataka (informacija) iz jedne vrste memorije u drugu;
- donošenje odluke o izvršenju naredbe, a na njenoj osnovi - izbor prelaska na izvršenje drugih skupova naredbi.
Interakcija sa memorijom (ROM i RAM)
U ovom procesu treba uzeti u obzir komponente kao što su magistrala i kanal za čitanje/pisanje koji su povezani sa uređajima za skladištenje. ROM sadrži trajni skup bajtova. Prvo, adresna sabirnica traži određeni bajt od ROM-a, zatim ga prenosi u sabirnicu podataka, nakon čega kanal za čitanje mijenja svoje stanje i ROM daje traženi bajt.
Ali procesori ne mogu samo čitati podatke ram memorija ali i zapišite ih. U ovom slučaju se koristi kanal za upisivanje. Ali, ako pogledate, uglavnom savremenih kompjuteraČisto teoretski, mogli bi uopće bez RAM-a, budući da moderni mikrokontroleri mogu smjestiti potrebne bajtove podataka direktno u memoriju samog procesorskog čipa. Ali ne možete bez ROM-a.
Između ostalog, sistem počinje iz režima testiranja hardvera (BIOS komanda), a tek tada se kontrola prenosi na operativni sistem za pokretanje.
Kako provjeriti da li procesor radi?
Pogledajmo sada neke aspekte provjere ispravnosti procesora. Mora se jasno shvatiti da ako procesor ne radi, računar uopće ne bi mogao započeti preuzimanje.
Druga stvar je kada želite da pogledate indikator korišćenja mogućnosti procesora u određenom trenutku. To se može učiniti iz standardnog "Task Managera" (ispred bilo kojeg procesa je naznačeno koliko posto opterećenja procesora daje). Da biste vizualno odredili ovaj parametar, možete koristiti karticu performansi, gdje se promjene prate u realnom vremenu. Napredne opcije se mogu vidjeti sa specijalni programi npr. CPU-Z.
Osim toga, možete koristiti više procesorskih jezgri koristeći (msconfig) i Dodatne opcije preuzimanja.
Mogući problemi
Na kraju, nekoliko riječi o problemima. Ovdje se mnogi korisnici često pitaju, kažu, zašto procesor radi, a monitor se ne uključuje? TO CPU ova situacija je nebitna. Činjenica je da kada uključite bilo koji računar, on prvo testira grafički adapter a onda sve ostalo. Možda je problem samo u procesoru grafički čip(svi moderni video akceleratori imaju svoje grafičke procesore).
Ali na primjeru funkcioniranja ljudskog tijela, mora se shvatiti da u slučaju srčanog zastoja umire cijelo tijelo. Tako je i sa kompjuterima. Procesor ne radi - cijeli kompjuterski sistem "umire".
Korijeni našeg digitalnog načina života svakako potiču od poluvodiča, koji su omogućili stvaranje sofisticiranih kompjuterskih čipova baziranih na tranzistorima. Oni pohranjuju i obrađuju podatke, što je osnova modernih mikroprocesora. Poluprovodnici, koji se danas prave od pijeska, ključna su komponenta gotovo svih elektronski uređaj, od kompjutera do laptopa i mobiteli. Čak ni automobili sada ne mogu bez poluprovodnika i elektronike, jer poluprovodnici kontrolišu sistem klimatizacije, proces ubrizgavanja goriva, paljenje, krov, retrovizore, pa čak i upravljanje (BMW Active Steering). Danas je gotovo svaki uređaj koji troši energiju izgrađen na poluvodičima.
Mikroprocesori su bez sumnje među najkompleksnijim poluvodičkim proizvodima, jer će broj tranzistora uskoro dostići milijardu, a raspon funkcionalnosti je već danas nevjerovatan. Dual core stiže uskoro Core procesori 2 na skoro završenom 45nm Intel procesu, i već će sadržavati 410 miliona tranzistora (iako će većina njih biti korištena za 6MB L2 keš memorije). 45nm proces je dobio ime po veličini jednog tranzistora, koji je sada oko 1000 puta manji od prečnika ljudske kose. U određenoj mjeri, to je razlog zašto elektronika počinje vladati svime u našim životima: čak i kada je veličina tranzistora bila veća, bilo je vrlo jeftino proizvoditi ne baš složena mikro kola, budžet tranzistora je bio prilično velik.
U ovom članku ćemo se osvrnuti na osnove proizvodnje mikroprocesora, ali i dotaknuti se povijesti procesora, arhitekture i pogledati različite proizvode na tržištu. Na internetu možete pronaći mnoge zanimljive informacije, od kojih su neki navedeni u nastavku.
- Wikipedia: Mikroprocesor. Ovaj članak je pregledan različite vrste procesore i pruža veze do proizvođača i dodatne wiki stranice o procesorima.
- Wikipedija: Mikroprocesori (Kategorija). Pogledajte odjeljak o mikroprocesorima za još više veza i informacija.
PC konkurenti: AMD i Intel
Osnovan 1969. godine, Advanced Micro Devices Inc. ima sjedište u Sunnyvaleu u Kaliforniji, dok je srce Intela, koje je osnovano samo godinu dana ranije, nekoliko milja dalje u Santa Clari. AMD danas ima dve fabrike: u Austinu (Teksas, SAD) i u Drezdenu (Nemačka). Nova fabrika će uskoro početi sa radom. Osim toga, AMD je udružio snage sa IBM-om u razvoju procesorske tehnologije i proizvodnje. Naravno, sve je ovo samo delić veličine Intela, budući da lider na tržištu danas ima skoro 20 fabrika na devet lokacija. Otprilike polovina njih se koristi za proizvodnju mikroprocesora. Dakle, kada uporedite AMD i Intel, zapamtite da poredite Davida i Golijata.
Intel ima neospornu prednost u vidu ogromne proizvodni kapacitet. Da, kompanija je danas lider u implementaciji naprednih tehnoloških procesa. Intel je u tom pogledu godinu dana ispred AMD-a. Kao rezultat toga, Intel može koristiti u svojim procesorima više tranzistori i više keša. AMD, za razliku od Intela, mora što efikasnije da optimizuje tehnički proces kako bi držao korak sa konkurencijom i proizvodio pristojne procesore. Naravno, dizajn procesora i njihova arhitektura su veoma različiti, ali je tehnički proces proizvodnje izgrađen na istom osnovni principi. Iako, naravno, ima mnogo razlika u tome.
Proizvodnja mikroprocesora
Proizvodnja mikroprocesora sastoji se od dvije važne faze. Prvi je u proizvodnji supstrata, što AMD i Intel rade u svojim fabrikama. Ovo uključuje davanje provodljivih svojstava podlozi. Druga faza je testiranje podloga, montaža i pakovanje procesora. Posljednja operacija se obično izvodi u jeftinijim zemljama. Ako pogledate Intelove procesore, vidjet ćete da je pakovanje napravljeno u Kostariki, Maleziji, Filipinima, itd.
AMD i Intel sada pokušavaju da proizvode proizvode za maksimalan broj tržišnih segmenata, štaviše, na osnovu minimalnog mogućeg asortimana kristala. Odličan primjer je linija procesora Intel Core 2 dvojca. Ovdje postoje tri procesora, kodnih naziva za različita tržišta: Merom za mobilne aplikacije, Conroe - desktop verzija, Woodcrest - serverska verzija. Sva tri procesora su izgrađena na istoj tehnološkoj osnovi, što omogućava proizvođaču da donosi odluke u posljednjim fazama proizvodnje. Funkcije se mogu omogućiti ili onemogućiti, a trenutni takt daje Intelu odličnu stopu prinosa čipova. Ukoliko dođe do povećanja tržišne potražnje za mobilni procesori, Intel bi se mogao fokusirati na modele Socket 479. Ako se potražnja za desktop modelima poveća, kompanija će testirati, validirati i paketirati za Socket 775, dok su serverski procesori pakirani za Socket 771. Čak se i četverojezgarni procesori kreiraju na ovaj način: dva dual-core matrice su instalirane u jednom paketu, tako da dobijamo četiri jezgre.
Kako se prave čips
Proizvodnja čipova se sastoji u nametanju tankih slojeva sa složenim "šablom" na silikonske podloge. Prvo se stvara izolacijski sloj koji djeluje kao električni zatvarač. Na vrh se zatim nanosi fotootporni materijal, a neželjena područja se uklanjaju maskama i zračenjem visokog intenziteta. Kada se ozračena područja uklone, ispod njih će se otvoriti područja silicijum dioksida, koji se uklanjaju jetkanjem. Nakon toga, fotootporni materijal se također uklanja i dobijamo određenu strukturu na površini silikona. Zatim održano dodatni procesi fotolitografija, sa različitim materijalima, dok se ne dobije željena 3D struktura. Svaki sloj može biti dopiran određenom tvari ili ionima, mijenjajući električna svojstva. U svakom sloju se kreiraju prozori kako bi se potom doveli metalni spojevi.
Što se tiče proizvodnje supstrata, one se iz jednog monokristalnog cilindra moraju izrezati u tanke "palačinke" da bi se kasnije lakše izrezale u zasebne kristale procesora. Sofisticirano testiranje se provodi u svakom koraku proizvodnje kako bi se procijenio kvalitet. Električne sonde se koriste za testiranje svakog čipa na podlozi. Na kraju, podloga se reže na pojedinačna jezgra, a neradna jezgra se odmah eliminišu. U zavisnosti od karakteristika, jezgro postaje jedan ili drugi procesor i zatvoreno je u paket koji olakšava instalaciju procesora na matična ploča. Svi funkcionalni blokovi prolaze kroz intenzivne testove na stres.
Sve počinje sa jastučićima
Prvi korak u proizvodnji procesora obavlja se u čistoj prostoriji. Inače, važno je napomenuti da je takva tehnološka proizvodnja akumulacija ogromnog kapitala po kvadratnom metru. Izgradnja modernog pogona sa svom opremom lako "odleti" 2-3 milijarde dolara, a za testiranje novih tehnologija potrebno je nekoliko mjeseci. Tek tada fabrika može masovno proizvoditi prerađivače.
Općenito, proces proizvodnje čipova sastoji se od nekoliko koraka obrade supstrata. Ovo uključuje stvaranje samih supstrata, koji će na kraju biti izrezani u pojedinačne kristale.
Sve počinje uzgojem jednog kristala, za koji se sjemenski kristal ugrađuje u kupku od rastopljenog silicijuma, koja se nalazi neposredno iznad tačke topljenja polikristalnog silicijuma. Važno je da kristali rastu sporo (oko jednog dana) kako bi se osiguralo da su atomi pravilno raspoređeni. Polikristalni ili amorfni silicijum se sastoji od mnogih različitih kristala koji će rezultirati neželjenim površinskim strukturama sa lošim električnim svojstvima. Kada se silicijum otopi, može se dopirati drugim supstancama koje mijenjaju njegova električna svojstva. Cijeli proces se odvija u zatvorenoj prostoriji sa posebnim sastavom zraka kako silicijum ne oksidira.
Monokristal se reže na "palačinke" pomoću kružne dijamantske testere, koja je vrlo precizna i ne stvara velike nepravilnosti na površini podloge. Naravno, u ovom slučaju površina podloge još uvijek nije savršeno ravna, pa su potrebne dodatne operacije.
Prvo, pomoću rotirajućih čeličnih ploča i abrazivnog materijala (kao što je aluminij oksid), debeo sloj se uklanja sa podloge (proces koji se naziva lapping). Kao rezultat, eliminiraju se nepravilnosti veličine od 0,05 mm do približno 0,002 mm (2000 nm). Rubove svake podloge tada treba zaokružiti, jer oštri rubovi mogu uzrokovati ljuštenje slojeva. Zatim se koristi proces jetkanja, kada se upotrebom raznih kemikalija (fluorovodonična kiselina, octena kiselina, dušična kiselina) površina zaglađuje za oko 50 mikrona. Nema fizičkog propadanja površine jer je cijeli proces potpuno kemijski. Omogućuje vam da uklonite preostale greške u kristalnoj strukturi, zbog čega će površina biti blizu idealne.
Posljednji korak je poliranje, kojim se površina zaglađuje do hrapavosti, maksimalno 3 nm. Poliranje se vrši mješavinom natrijum hidroksida i granuliranog silicijum dioksida.
Danas su mikroprocesorske pločice prečnika 200 ili 300 mm, što omogućava proizvođačima čipova da dobiju mnogo procesora iz svake pločice. Sljedeći korak će biti podloge od 450 mm, ali ih prije 2013. ne treba očekivati. Općenito, što je veći promjer podloge, može se proizvesti više čipova iste veličine. Podloga od 300 mm, na primjer, daje više od dva puta više procesora od 200 mm.
Već smo spomenuli doping, koji se provodi tokom rasta jednog kristala. Ali doping se vrši i sa gotovim supstratom i tokom procesa fotolitografije kasnije. To vam omogućava da promijenite električna svojstva određenih područja i slojeva, a ne cijele strukture kristala.
Dodavanje dopanta može se dogoditi difuzijom. Dopantni atomi ispunjavaju slobodni prostor unutar kristalne rešetke, između silicijskih struktura. U nekim slučajevima, postojeća struktura može biti dopirana. Difuzija se vrši uz pomoć plinova (dušik i argon) ili uz pomoć čvrstih tvari ili drugih izvora dopanta.
Drugi pristup dopingu je ionska implantacija, koja je vrlo korisna u promjeni svojstava supstrata koji je dopiran, budući da se ionska implantacija provodi na običnoj temperaturi. Stoga se postojeće nečistoće ne difundiraju. Na podlogu se može nanijeti maska koja vam omogućava da obrađujete samo određena područja. Naravno, može se dugo pričati o ionskoj implantaciji i raspravljati o dubini penetracije, aktivaciji aditiva na visokoj temperaturi, efektima kanala, prodiranju u nivoe oksida itd., ali to je izvan okvira našeg članka. Postupak se može ponoviti nekoliko puta tokom proizvodnje.
Za kreiranje dijelova integriranog kola koristi se proces fotolitografije. Budući da u ovom slučaju nije potrebno zračenje cijele površine podloge, važno je koristiti tzv. maske koje prenose zračenje visokog intenziteta samo na određena područja. Maske se mogu uporediti sa crno-bijelim negativom. Integrirana kola imaju mnogo slojeva (20 ili više), a svaki od njih zahtijeva svoju masku.
Struktura tankog kromiranog filma nanosi se na površinu ploče od kvarcnog stakla kako bi se stvorio šablon. Istovremeno, skupi alati koji koriste elektronski snop ili laser zapisuju potrebne podatke integriranog kruga, zbog čega dobivamo uzorak kroma na površini kvarcne podloge. Važno je shvatiti da svaka modifikacija integriranog kola dovodi do potrebe za proizvodnjom novih maski, tako da je cijeli proces unošenja izmjena vrlo skup. Za veoma složene šeme maske se stvaraju jako dugo.
Koristeći fotolitografiju, struktura se formira na silikonskoj podlozi. Proces se ponavlja nekoliko puta dok se ne stvori mnogo slojeva (više od 20). Slojevi se mogu sastojati od različitih materijala, štoviše, potrebno je razmisliti i o spojevima sa mikroskopskim žicama. Svi slojevi mogu biti legirani.
Prije početka procesa fotolitografije, podloga se čisti i zagrijava kako bi se uklonile ljepljive čestice i voda. Podloga se zatim premazuje silicijum dioksidom pomoću posebnog uređaja. Zatim se na podlogu nanosi vezivo, koje osigurava da fotootporni materijal koji će se nanijeti u sljedećem koraku ostane na podlozi. Fotootporni materijal se nanosi na sredinu podloge, koja tada počinje da se okreće velikom brzinom tako da se sloj ravnomjerno raspoređuje po cijeloj površini podloge. Podloga se zatim ponovo zagreva.
Poklopac se zatim zrači kroz masku kvantnim laserom, tvrdim ultraljubičastim zračenjem, rendgenskim zracima, elektronskim ili jonskim snopovima - svi ovi izvori svjetlosti ili energije se mogu koristiti. Elektronski snopovi se uglavnom koriste za maske, rendgenske i jonske zrake u istraživačke svrhe, a industrijskom proizvodnjom danas dominiraju tvrdo UV zračenje i gasni laseri.
Čvrsto UV zračenje na talasnoj dužini od 13,5 nm zrači fotootporni materijal dok prolazi kroz masku.
Vrijeme projekcije i fokus su vrlo važni za postizanje željenog rezultata. Loše fokusiranje će rezultirati dodatnim česticama fotootpornog materijala, jer neke rupe na maski neće biti pravilno ozračene. Isto će se dogoditi ako je vrijeme projekcije prekratko. Tada će struktura fotorezista biti preširoka, područja ispod rupa će biti podeksponirana. S druge strane, prekomjerno vrijeme projekcije stvara prevelike površine ispod rupa i preusku strukturu fotootpora. Po pravilu, proces je veoma dugotrajan i teško je prilagoditi i optimizirati. Neuspješno podešavanje će dovesti do ozbiljnih odstupanja u spojnim provodnicima.
Specijalna jedinica za projekciju pomera podlogu u željeni položaj. Tada se može projektovati linija ili jedna sekcija, koja najčešće odgovara jednom procesorskom čipu. Dodatne mikro postavke mogu donijeti dodatne promjene. Oni mogu otkloniti greške u postojećoj tehnologiji i optimizirati proces. Mikroinstalacije obično rade na površinama manjim od 1 m2. mm, dok konvencionalne instalacije pokrivaju veće površine.
Supstrat zatim prelazi u novu fazu gdje se uklanja oslabljeni fotootporni materijal, omogućavajući pristup silicijum dioksidu. Postoje mokri i suvi procesi jetkanja koji tretiraju područja silicijum dioksida. Mokri procesi koriste hemijska jedinjenja, dok suvi procesi koriste gas. Zaseban proces je uklanjanje ostataka fotootpornog materijala. Proizvođači često kombinuju mokro i suho uklanjanje tako da se fotootporni materijal potpuno ukloni. Ovo je važno jer je fotootporni materijal organski i, ako se ne ukloni, može uzrokovati defekte na podlozi. Nakon nagrizanja i čišćenja možete pristupiti pregledu podloge, što se obično dešava na svakom prekretnica, ili prebaciti supstrat u novi ciklus fotolitografije.
Ispitivanje podloge, montaža, pakovanje
Gotove podloge testiraju se na takozvanim kontrolnim jedinicama sonde. Rade sa cijelom podlogom. Kontakti sonde su postavljeni na kontakte svakog kristala, što omogućava izvođenje električnih testova. Softver testira sve funkcije svake jezgre.
Rezanjem iz podloge mogu se dobiti pojedinačne jezgre. Trenutno su instalacije za kontrolu sonde već identifikovale koji kristali sadrže greške, pa se nakon rezanja mogu odvojiti od onih dobrih. Ranije su oštećeni kristali bili fizički označeni, sada to nije potrebno, sve informacije se pohranjuju u jednu bazu podataka.
Kristalni nosač
Funkcionalno jezgro tada treba da bude vezano za paket procesora pomoću ljepljivog materijala.
Zatim morate napraviti žičane veze koje spajaju kontakte ili noge paketa i sam kristal. Mogu se koristiti zlatne, aluminijske ili bakrene veze.
Većina modernih procesora koristi plastičnu ambalažu s raspršivačem topline.
Obično je jezgro zatvoreno u keramičku ili plastičnu ambalažu kako bi se spriječilo oštećenje. Savremeni procesori su opremljeni takozvanim raspršivačem toplote, koji obezbeđuje dodatnu zaštitu kristala, kao i veliku kontaktnu površinu sa hladnjakom.
Testiranje procesora
Posljednja faza uključuje testiranje procesora, koje se dešava na povišenim temperaturama, u skladu sa specifikacijama procesora. Procesor se automatski instalira test utičnica, nakon čega se analiziraju sve potrebne funkcije.
Učitavanje...