Ez egy ostoba kérdésnek tűnhet, amelyre egy mondatban meg lehet válaszolni: A szilícium a periódusos rendszer 14. eleme. A szilíciumot azonban másoknál gyakrabban emlegetik az elektronikai oldalakon, mert nemcsak a legtöbb építőanyag fő alkotóeleme, hanem a modern számítógépes processzorok alapja is, sőt a legvalószínűbb jelölt a „nem” alapelem szerepére. -szénélettartam". Miben különleges a szilícium?
A szilícium, mint építőanyag
Az oxigén után a szilícium a leggyakoribb elem a földkéregben, megtalálása azonban nem olyan egyszerű, mert tiszta formájában szinte soha nem található meg. A természetben a legelterjedtebb a szilikát SiO4 vagy szilícium-dioxid SiO2. A szilícium-dioxid a homok fő összetevője is. Földpát, gránit, kvarc – ezek mind szilícium és oxigén kombinációján alapulnak.
A szilíciumvegyületek sokféle hasznos tulajdonsággal rendelkeznek, főként azért, mert összetett szerkezetekben nagyon szorosan képesek megkötni más atomokat. Különféle szilikátok, mint például a kalcium-szilikát, a cement fő alkotóelemei, a beton és a vakolat fő kötőanyaga. Néhány szilikát anyagot használnak a kerámiában, és természetesen az üvegben. Ezenkívül szilíciumot adnak olyan anyagokhoz, mint például az öntöttvas, hogy az ötvözet tartósabb legyen.
És igen, a szilícium a szintetikus anyag szilikon fő szerkezeti összetevője is, ezért a szilikont (szilikont) gyakran összekeverik a szilíciummal (szilíciummal). Híres példa a Szilícium-völgy, ami valójában szilícium.
A szilícium, mint számítógépes chip
A számítógépes tranzisztorok alapanyagának kiválasztásakor az ellenállás kulcsfontosságú tényező volt. A vezetők alacsony ellenállásúak és nagyon könnyen vezetnek áramot, míg a szigetelők nagy ellenállásuk miatt blokkolják az áramot. A tranzisztornak kombinálnia kell mindkét tulajdonságot.
A szilícium nem az egyetlen félvezető anyag a Földön – még csak nem is a legjobb félvezető. Azonban széles körben elérhető. Nem nehéz bányászni és könnyű vele dolgozni. És ami a legfontosabb, a tudósok megbízható módszert találtak arra, hogy rendezett kristályokat származtassanak belőle. Ezek a kristályok olyanok a szilíciumnak, mint a gyémánt a gyémántnak.
Az ideális kristályok felépítése a számítógépes chipek gyártásának egyik fő szempontja. Ezeket a kristályokat vékony ostyákra vágják, gravírozzák, feldolgozzák, és több száz kezelésen esnek át, mielőtt kereskedelmi feldolgozókká válnának. Lehet jobb tranzisztorokat készíteni szénből vagy olyan egzotikus anyagokból, mint a germánium, de egyik sem teszi lehetővé egy ilyen nagyszabású gyártás újrateremtését – legalábbis még nem.
Jelenleg a szilíciumkristályok 300 mm-es hengerekben készülnek, de a kutatás rohamosan közeledik a 450 mm-es mérföldkőhöz. Ennek csökkentenie kell a termelési költségeket, de meg kell őriznie a növekedési ütemet. Mi van ezután? Valószínűleg végre le kell mondanunk a szilíciumról egy fejlettebb anyag helyett – ez jó hír a fejlődéshez, de szinte biztosan rossz hír a pénztárcája számára.
A szilícium mint földönkívüli élet
A "szénélettartam" kifejezést elég gyakran emlegetik, de mit jelent ez? Ez azt jelenti, hogy szervezetünk alapvető szerkezeti molekulái (fehérjék, aminosavak, nukleinsavak, zsírsavak stb.) szénatomok alapján épülnek fel. Ez azért van, mert a szén lehet négy vegyértékű. Az oxigén egyidejűleg két stabil kémiai kötést tud kialakítani, a nitrogén csak hármat, de a szén akár négy különböző atomot is tartalmazhat egyszerre. Ez egy erőteljes alap a molekulák felépítéséhez és az élet kialakulásához.
Mert a periódusos rendszer úgy van rendezve, hogy a függőleges oszlopban lévő elemek hasonló kémiai tulajdonságokkal rendelkezzenek – a szén pedig közvetlenül alatta a szilícium. Sok teoretikus ezért figyel a "szilícium életére", az egyik mellettük szóló érv az a tény, hogy a szilícium is négyértékű.
Természetesen, tekintettel arra, hogy a Földön sokkal több szilícium található, mint szén, jó oka van annak, hogy a szerves élet a szénen alapul. És itt ismét a periódusos rendszerhez kell fordulnunk. A függőlegesen alacsonyabban fekvő elemeknek nehezebb a magjuk és nagyobb az elektronhéjuk, így a szilícium mérete miatt kevésbé alkalmas precíziós feladatokra, például DNS felépítésére. Így az Univerzum egy másik részén elméletileg lehetséges egy szilícium alapú organizmus kifejlődése, de bolygónkon ez nem valószínű.
A szilícium még sokáig fog szerepelni a hírekben, mert ha valamilyen elem helyettesíti is a számítógépes számítástechnika alapjaként, a teljes átállásig nagyon hosszú időnek kell eltelnie. Ezen túlmenően az alkalmazásának más területei is vannak, és lehetséges, hogy új módokat találnak ennek az anyagnak a felhasználására. Minden valószínűség szerint a szilícium továbbra is az egyik fő anyag marad az emberi tevékenység fizikai világában.
Hogyan készülnek a mikrochipek
Ahhoz, hogy megértsük, mi a fő különbség e két technológia között, szükséges rövid kitérő a modern processzorok vagy integrált áramkörök gyártásának technológiájában.
Mint az iskolai fizikatanfolyamból ismert, in modern elektronika az integrált áramkörök fő alkotóelemei a p- és n-típusú félvezetők (a vezetés típusától függően). A félvezető olyan anyag, amelynek vezetőképessége jobb, mint a dielektrikum, de alacsonyabb a fémeknél. Mindkét típusú félvezető alapja lehet szilícium (Si), amely tiszta formájában (ún. belső félvezető) rossz elektromos áramvezető, de bizonyos szennyeződés szilíciumba való hozzáadása (beépülése) lehetővé teszi radikálisan megváltoztatja vezető tulajdonságait. Kétféle szennyeződés létezik: donor és akceptor. A donor szennyeződés elektronikus típusú vezetőképességű n-típusú félvezetők, míg az akceptor szennyező p-típusú, lyuk típusú vezetőképességű félvezetők képződéséhez vezet. A p- és n-félvezetők érintkezői lehetővé teszik tranzisztorok, a modern mikroáramkörök fő szerkezeti elemeinek kialakítását. Az ilyen tranzisztorok, az úgynevezett CMOS tranzisztorok, két alapállapotban lehetnek: nyitottak, amikor áramot vezetnek, és zártak, amikor nem vezetnek áramot. Mivel a CMOS tranzisztorok a modern mikroáramkörök fő elemei, beszéljünk róluk részletesebben.
Hogyan működik a CMOS tranzisztor
A legegyszerűbb n-típusú CMOS tranzisztornak három elektródája van: forrás, kapu és lefolyó. Maga a tranzisztor lyukvezetőképességű p-típusú félvezetőben készül, az n-típusú, elektronikus vezetőképességű félvezetők pedig a lefolyó- és forrásterületen. Természetesen a lyukak diffúziója a p-régióból az n-régióba, valamint az elektronok fordított diffúziója az n-régióból a p-régióba, kimerült rétegek (olyan rétegek, amelyekben nincsenek fő töltéshordozók) keletkeznek. a p- és n-régiók átmeneti határain. Normál állapotban, vagyis amikor a kapura nincs feszültség, a tranzisztor "zárt" állapotban van, vagyis nem képes áramot vezetni a forrásból a lefolyóba. A helyzet akkor sem változik, ha a lefolyó és a forrás közé feszültséget kapcsolunk (nem vesszük figyelembe azokat a szivárgó áramokat, amelyeket a keletkezett elektromos mezők hatására kisebb töltéshordozók mozgása okoz, azaz a n-régió és elektronok a p-régióhoz).
Ha azonban pozitív potenciált alkalmazunk a kapura (1. ábra), akkor a helyzet gyökeresen megváltozik. A kapu elektromos mezőjének hatására a lyukak mélyen benyomódnak a p-félvezetőbe, és éppen ellenkezőleg, az elektronok behúzódnak a kapu alatti tartományba, és elektronban gazdag csatornát képeznek a forrás és a lefolyó között. Ha pozitív feszültséget kapcsolunk a kapura, ezek az elektronok elkezdenek mozogni a forrásból a lefolyóba. Ebben az esetben a tranzisztor áramot vezet, azt mondják, hogy a tranzisztor "nyit". Ha a feszültséget eltávolítják a kapuból, az elektronok megszűnnek beszívni a forrás és a lefolyó közötti tartományba, a vezető csatorna megsemmisül, és a tranzisztor nem engedi tovább az áramot, azaz „reteszelődik”. Így a kapu feszültségének változtatásával be- vagy kikapcsolhatja a tranzisztort, ugyanúgy, mint egy hagyományos billenőkapcsolót, amely szabályozza az áram áramlását az áramkörön. Ezért a tranzisztorokat néha elektronikus kapcsolóknak is nevezik. A hagyományos mechanikus kapcsolókkal ellentétben azonban a CMOS tranzisztoroknak gyakorlatilag nincs tehetetlensége, és másodpercenként billiószor képesek bekapcsolt állapotból kikapcsolt állapotba kapcsolni! Ez a jellemző, vagyis az azonnali váltás képessége határozza meg végső soron a több tízmillió ilyen egyszerű tranzisztorból álló processzor sebességét.
Tehát egy modern integrált áramkör több tízmillió legegyszerűbb CMOS tranzisztorból áll. Nézzük meg részletesebben a mikroáramkörök gyártási folyamatát, amelynek első szakasza a szilícium hordozók előkészítése.
1. lépés Nyersdarabok termesztése
Az ilyen hordozók létrehozása egy hengeres szilícium egykristály növekedésével kezdődik. Ezt követően kerek lemezeket (ostyákat) vágnak ki az ilyen egykristályos nyersdarabokból (nyersdarabok), amelyek vastagsága körülbelül 1/40 hüvelyk, átmérője pedig 200 mm (8 hüvelyk) vagy 300 mm (12 hüvelyk). Ez a mikroáramkörök gyártásához használt szilícium hordozó.
Szilícium egykristályokból ostya kialakításánál figyelembe veszik azt a körülményt, hogy ideális kristályszerkezeteknél a fizikai tulajdonságok nagymértékben függnek a választott iránytól (az anizotrópia tulajdonság). Például egy szilícium hordozó ellenállása eltérő lesz hossz- és keresztirányban. Hasonlóképpen, a kristályrács orientációjától függően a szilíciumkristály másképpen reagál a további feldolgozásával kapcsolatos külső hatásokra (például maratásra, porlasztásra stb.). Ezért a lemezt egykristályból úgy kell kivágni, hogy a kristályrács felülethez viszonyított orientációja egy bizonyos irányban szigorúan megmaradjon.
Mint már említettük, a szilícium egykristály nyersdarab átmérője 200 vagy 300 mm. Ráadásul a 300 mm-es átmérő viszonylagos új technológia, amelyet az alábbiakban tárgyalunk. Jól látható, hogy egy ilyen átmérőjű lemezen jóval több chip is elfér, még ha Intel Pentium 4 processzorról beszélünk.Valóban több tucat mikroáramkör (processzor) keletkezik egy ilyen hordozólapon, de az egyszerűség kedvéért csak azokat a folyamatokat veszi figyelembe, amelyek egy jövőbeli mikroprocesszor kis területén zajlanak.
2. lépés: Dielektrikumból (SiO2) készült védőfólia felvitele
A szilícium hordozó kialakítása után kezdődik a legbonyolultabb félvezető szerkezet létrehozásának szakasza.
Ehhez szükséges az úgynevezett donor és akceptor szennyeződések szilíciumba juttatása. Felmerül azonban a kérdés, hogyan lehet egy pontosan megadott minta-minta szerint végrehajtani a szennyeződések bejuttatását? Ennek érdekében azokat a területeket, ahol nincs szükség szennyeződésekre, speciális szilícium-dioxid fóliával védik, így csak azokat a területeket hagyják meg, amelyek további feldolgozásnak vannak kitéve (2. ábra). A kívánt mintázatú ilyen védőfólia kialakításának folyamata több szakaszból áll.
Az első szakaszban az egész szilícium ostyát teljesen beborítják vékony szilícium-dioxid filmmel (SiO2), amely nagyon jó szigetelő és védőfóliaként működik a szilíciumkristály további feldolgozása során. Az ostyákat egy kamrába helyezik, ahol magas hőmérsékleten (900-1100 °C) és nyomáson oxigén diffundál az ostya felületi rétegeibe, ami a szilícium oxidációjához és egy felületi szilícium-dioxid film kialakulásához vezet. Annak érdekében, hogy a szilícium-dioxid fólia pontosan meghatározott vastagságú legyen, és ne tartalmazzon hibákat, az oxidációs folyamat során szigorúan állandó hőmérsékletet kell tartani a lemez minden pontján. Ha nem az egész ostyát kell szilícium-dioxid fóliával lefedni, akkor előzetesen Si3N4 maszkot kell felvinni a szilícium hordozóra a nem kívánt oxidáció megelőzése érdekében.
3. lépés Alkalmazza a Photoresist
A szilícium szubsztrátum bevonása után védőréteg szilícium-dioxid, el kell távolítani ezt a filmet azokról a helyekről, amelyeket további feldolgozásnak vetnek alá. A filmet maratással távolítják el, és a megmaradt területek maratásának megóvása érdekében a lemez felületére úgynevezett fotoreziszt réteget visznek fel. A "fotoreziszt" kifejezés fényérzékeny és agresszív tényezőkkel szemben ellenálló összetételekre utal. A felhasznált kompozícióknak egyrészt rendelkezniük kell bizonyos fényképészeti tulajdonságokkal (az ultraibolya fény hatására oldhatóvá kell válniuk, és a maratási folyamat során kimosódniuk), másrészt ellenállónak kell lenniük, lehetővé téve, hogy ellenálljanak a savakban és lúgokban történő marásnak. , fűtés stb. A fotorezisztek fő célja a kívánt konfiguráció védődomborzatának létrehozása.
A fotoreziszt felvitelének és adott minta szerinti további ultraibolya besugárzásának folyamatát fotolitográfiának nevezzük, és a következő fő műveleteket foglalja magában: fotoreziszt réteg kialakítása (szubsztrátkezelés, lerakódás, szárítás), védő dombormű kialakítása (expozíció, előhívás). , szárítás) és képátvitel a hordozóra (maratás, lerakás stb.).
A fotoreziszt réteg (3. ábra) hordozóra történő felhordása előtt az utóbbit előkezelésnek vetjük alá, melynek eredményeként javul a tapadása a fotoreziszt réteggel. Az egyenletes fotoreziszt réteg felhordásához centrifugálási módszert alkalmazunk. A szubsztrátumot egy forgó korongra (centrifuga) helyezzük, és a centrifugális erők hatására a fotoreziszt szinte egyenletes rétegben oszlik el a hordozó felületén. (Gyakorlatilag egységes rétegről beszélve figyelembe kell venni azt a tényt, hogy centrifugális erő hatására a képződött film vastagsága a középponttól a szélek felé növekszik, azonban ez a fotoreziszt felhordási mód lehetővé teszi, hogy ellenálljon az ingadozásoknak rétegvastagság ± 10%-on belül.)
4. lépés: Litográfia
A fotoreziszt réteg felvitele és száradása után kezdődik a szükséges védődomborzat kialakulásának szakasza. A dombormű annak eredményeként jön létre, hogy a fotoreziszt réteg bizonyos területeire eső ultraibolya sugárzás hatására ez utóbbi megváltoztatja az oldhatósági tulajdonságokat, például a megvilágított területek megszűnnek oldódni az oldószerben, ami eltávolítja a területeket. a megvilágításnak nem kitett rétegből, vagy fordítva - a megvilágított területek feloldódnak. A dombormű kialakításának módja szerint a fotoreziszteket negatívra és pozitívra osztják. Az ultraibolya sugárzás hatására a negatív fotorezisztek a dombormű védőterületeit képezik. A pozitív fotorezisztek éppen ellenkezőleg, az ultraibolya sugárzás hatására megszerzik a folyékonyság tulajdonságait, és az oldószer kimossák. Ennek megfelelően védőréteg képződik azokon a területeken, amelyek nincsenek kitéve ultraibolya sugárzásnak.
A fotoreziszt réteg kívánt területeinek megvilágításához speciális maszksablont használnak. Leggyakrabban erre a célra fényképészeti vagy más módszerrel előállított, átlátszatlan elemekkel ellátott optikai üveglemezeket használnak. Valójában egy ilyen sablon a jövőbeli mikroáramkör egyik rétegének rajzát tartalmazza (összesen több száz ilyen réteg lehet). Mivel ez a minta referencia, nagy pontossággal kell elkészíteni. Ezen túlmenően, figyelembe véve azt a tényt, hogy egy fotómaszkkal sok fotólemez készül, annak tartósnak és sérülésállónak kell lennie. Ebből jól látszik, hogy a fotomaszk nagyon drága dolog: a mikroáramkör bonyolultságától függően akár több tízezer dollárba is kerülhet.
Az ilyen mintán áthaladó ultraibolya sugárzás (4. ábra) a fotoreziszt réteg felületének csak a kívánt területeit világítja meg. A besugárzást követően a fotorezisztet fejlesztésnek vetik alá, aminek eredményeként a réteg felesleges részeit eltávolítják. Ez megnyitja a szilícium-dioxid réteg megfelelő részét.
A fotolitográfiai eljárás látszólagos egyszerűsége ellenére a mikrochipgyártásnak ez a szakasza a legnehezebb. A helyzet az, hogy Moore előrejelzésének megfelelően az egyetlen chipen lévő tranzisztorok száma exponenciálisan növekszik (kétévente megduplázódik). A tranzisztorok számának ilyen mértékű növelése csak méretük csökkenése miatt lehetséges, de éppen a csökkenés „nyugszik” a litográfiai folyamaton. A tranzisztorok kicsinyítése érdekében csökkenteni kell a fotoreziszt rétegre felvitt vonalak geometriai méreteit. De mindennek van határa – nem olyan egyszerű a lézersugarat egy pontra fókuszálni. A helyzet az, hogy a hullámoptika törvényeinek megfelelően azt a minimális foltméretet, amelybe a lézersugár fókuszálódik (valójában ez nem csak egy folt, hanem egy diffrakciós mintázat), többek között a a fény hullámhossza. A litográfiai technológia fejlődése a 70-es évek eleji feltalálása óta a fény hullámhosszának lerövidítése irányába mutat. Ez tette lehetővé az elemek méretének csökkentését integrált áramkör. Az 1980-as évek közepe óta a lézerrel előállított ultraibolya sugárzást használják a fotolitográfiában. Az ötlet egyszerű: az ultraibolya sugárzás hullámhossza rövidebb, mint a látható fény hullámhossza, ezért finomabb vonalakat lehet kapni a fotoreziszt felületén. Egészen a közelmúltig 248 nm hullámhosszú mély ultraibolya sugárzást (Deep Ultra Violet, DUV) használtak a litográfiához. Amikor azonban a fotolitográfia átlépte a 200 nm-es határt, komoly problémák merültek fel, ami most először kérdőjelezte meg e technológia további felhasználásának lehetőségét. Például 200 µm-nél kisebb hullámhosszon túl sok fényt nyel el a fényérzékeny réteg, így az áramköri sablon processzorra való átvitele bonyolultabbá és lassabbá válik. Az ehhez hasonló problémák arra késztetik a kutatókat és a gyártókat, hogy alternatívákat keressenek a hagyományos litográfiai technológiával szemben.
Az EUV litográfia (Extreme UltraViolet ultraibolya sugárzás) elnevezésű új litográfiai technológia 13 nm hullámhosszú ultraibolya sugárzás alkalmazásán alapul.
A DUV litográfiáról az EUV litográfiára való áttérés több mint 10-szeres hullámhossz-csökkenést biztosít, és egy olyan tartományba való átmenetet biztosít, ahol csak néhány tíz atom méretéhez mérhető.
A jelenlegi litográfiai technológia lehetővé teszi a minimális vezetékszélesség 100 nm-es sablon alkalmazását, míg az EUV litográfia sokkal kisebb - akár 30 nm - szélességű vonalak nyomtatását teszi lehetővé. Az ultrarövid sugárzás szabályozása nem olyan egyszerű, mint amilyennek látszik. Mivel az EUV sugárzást az üveg jól elnyeli, az új technológia négy speciális domború tükörből álló sorozat használatát foglalja magában, amelyek csökkentik és fókuszálják a maszk felvitele után kapott képet (5. ábra, , ). Minden ilyen tükör 80 különálló, körülbelül 12 atom vastagságú fémréteget tartalmaz.
5. lépés Rézkarc
A fotoreziszt réteg megvilágítása után a maratási szakasz megkezdi a szilícium-dioxid film eltávolítását (8. ábra).
A pácolási folyamat gyakran társul savas fürdővel. Ez a savban való maratási módszer jól ismert a rádióamatőrök számára, akik maguk készítettek nyomtatott áramköri kártyákat. Ehhez a fólia textolitjára egy védőrétegként működő lakkal felhordják a leendő tábla pályamintáját, majd a lemezt salétromsavval ellátott fürdőbe engedik. A fólia felesleges részeit lemarja, így tiszta textolit szabadul fel. Ennek a módszernek számos hátránya van, amelyek közül a fő, hogy nem lehet pontosan szabályozni a rétegeltávolítási folyamatot, mivel túl sok tényező befolyásolja a maratási folyamatot: savkoncentráció, hőmérséklet, konvekció stb. Ráadásul a sav minden irányban kölcsönhatásba lép az anyaggal, és fokozatosan behatol a fotoreziszt maszk széle alá, vagyis oldalról roncsolja a fotoreziszt által fedett rétegeket. Ezért a processzorok gyártása során száraz maratási módszert, más néven plazmát alkalmaznak. Ez a módszer lehetővé teszi a maratási folyamat pontos szabályozását, és a maratott réteg tönkretétele szigorúan függőleges irányban történik.
A száraz maratáshoz ionizált gázt (plazmát) használnak a szilícium-dioxid eltávolítására az ostya felületéről, amely reakcióba lép a szilícium-dioxid felületével, és illékony melléktermékeket képez.
A maratási eljárás után, vagyis amikor a tiszta szilícium kívánt területeit feltárják, a fotoréteg többi részét eltávolítják. Így a szilícium-hordozón szilícium-dioxid-mintázat marad.
6. lépés: Diffúzió (ionbeültetés)
Emlékezzünk vissza, hogy a szükséges mintázat szilíciumhordozón való korábbi kialakítására azért volt szükség, hogy donor vagy akceptor szennyeződés bejuttatásával félvezető szerkezeteket hozzunk létre a megfelelő helyeken. A szennyeződések beépülési folyamata diffúzióval (9. ábra) történik, a szennyező atomok egyenletes beépülése a szilícium kristályrácsába. Az n-típusú félvezető előállításához általában antimont, arzént vagy foszfort használnak. A p-típusú félvezető előállításához bórt, galliumot vagy alumíniumot használnak szennyeződésként.
Az ionimplantációt az adalékanyag diffúziós folyamatához használják. A beültetés folyamata abból áll, hogy a szükséges szennyeződés ionjait „kilövik” a nagyfeszültségű gyorsítóból, és elegendő energiával behatolnak a szilícium felületi rétegeibe.
Tehát az ionbeültetési szakasz végén létrejött a félvezető szerkezet szükséges rétege. A mikroprocesszorokban azonban több ilyen réteg is lehet. Egy további vékony szilícium-dioxid réteget növesztünk, hogy létrehozzuk a következő réteget a kapott kapcsolási rajzon. Ezt követően egy réteg polikristályos szilíciumot és egy másik réteg fotoreziszt kerül felhordásra. Az ultraibolya sugárzás áthalad a második maszkon, és kiemeli a megfelelő mintát a fotórétegen. Ezután ismét a fotoréteg feloldásának, maratásának és ionbeültetésének szakaszai következnek.
7. lépés Porlasztás és lerakódás
Az új rétegek felrakása többször megtörténik, míg a fématomokkal feltöltött rétegekben „ablakok” maradnak a rétegközi csatlakozásokhoz; ennek eredményeként fémcsíkok jönnek létre a kristály - vezető tartományokon. Így a modern processzorokban kapcsolatok jönnek létre a rétegek között, amelyek egy összetett háromdimenziós sémát alkotnak. Az összes réteg termesztésének és feldolgozásának folyamata több hétig tart, és maga a gyártási ciklus több mint 300 szakaszból áll. Ennek eredményeként több száz azonos processzor jön létre egy szilícium lapkán.
Annak érdekében, hogy ellenálljanak az ostyáknak a rétegezési folyamat során kifejtett ütéseknek, a szilícium szubsztrátumokat kezdetben elég vastagra készítik. Ezért, mielőtt a lemezt egyes processzorokra vágnák, a vastagsága 33%-kal csökken, és a szennyeződés eltávolítható hátoldal. Ezután egy speciális anyagréteget visznek fel a hordozó hátoldalára, amely javítja a kristály rögzítését a jövőbeli processzor házához.
8. lépés Utolsó lépés
Az alapozási ciklus végén minden processzort alaposan tesztelnek. Ezután speciális eszközzel kivágják a hordozólemezből a teszten már átesett specifikus kristályokat (10. ábra).
Minden mikroprocesszor egy védőházba van beépítve, amely egyben a mikroprocesszor chipjének elektromos csatlakoztatását is biztosítja külső eszközökkel. A csomag típusa a mikroprocesszor típusától és tervezett alkalmazásától függ.
Miután lezárták a házba, minden mikroprocesszort újra tesztelnek. A hibás processzorokat elutasítják, a működőképeseket pedig stressztesztnek vetik alá. Ezután a processzorokat a viselkedésük szerint rendezik, különféle óra frekvenciák ah és tápfeszültségek.
Ígéretes technológiák
A mikroáramkörök (különösen a processzorok) gyártásának technológiai folyamatát mi nagyon leegyszerűsítetten vettük figyelembe. De még egy ilyen felületes bemutatás is lehetővé teszi azoknak a technológiai nehézségeknek a megértését, amelyekkel a tranzisztorok méretének csökkentése során szembe kell néznie.
Mielőtt azonban új, ígéretes technológiákat fontolgatnánk, válaszoljunk a cikk legelején feltett kérdésre: mi a technológiai folyamat tervezési normája, és valójában miben tér el a 130 nm-es tervezési norma a 180 nm-estől. ? A 130 nm vagy a 180 nm a mikroáramkör egy rétegében lévő két szomszédos elem közötti jellemző minimális távolság, vagyis egyfajta rácslépés, amelyhez a mikroáramköri elemek kötődnek. Ugyanakkor teljesen nyilvánvaló, hogy minél kisebb ez a karakterisztikus méret, annál több tranzisztor helyezhető el ugyanarra a chip területre.
Jelenleg az Intel processzorok 0,13 mikronos gyártási eljárást használnak. Ezzel a technológiával gyártják a Northwood magos Intel Pentium 4 processzort, a Tualatin magos Intel Pentium III processzort és az Intel Celeron processzort. Ilyen technológiai eljárás alkalmazása esetén a tranzisztorcsatorna hasznos szélessége 60 nm, a kapuoxid réteg vastagsága pedig nem haladja meg az 1,5 nm-t. Összességében az Intel Pentium 4 processzor 55 millió tranzisztort tartalmaz.
A processzorchipben lévő tranzisztorok sűrűségének növelése mellett a 0,18 mikronost felváltó 0,13 mikronos technológia további újításokat is tartalmaz. Először is réz csatlakozásokat használ az egyes tranzisztorok között (0,18 mikronos technológiában a csatlakozások alumíniumból készültek). Másodszor, a 0,13 mikronos technológia alacsonyabb energiafogyasztást biztosít. Ez például a mobiltechnológia esetében azt jelenti, hogy a mikroprocesszorok energiafogyasztása csökken, a működési idő pedig től akkumulátor több.
Nos, az utolsó újítás, amely a 0,13 mikronos technológiai folyamatra való átállásban testesült meg, a 300 mm átmérőjű szilícium lapkák (ostyák) alkalmazása. Emlékezzünk vissza, hogy ezt megelőzően a legtöbb processzort és mikroáramkört 200 mm-es lapkák alapján gyártották.
Az ostya átmérőjének növelése csökkenti az egyes processzorok költségeit és növeli a megfelelő minőségű termékek hozamát. Valójában egy 300 mm átmérőjű ostya területe 2,25-ször nagyobb, mint egy 200 mm átmérőjű ostya területe, és az egy 300 átmérőjű ostyából nyert processzorok száma. mm több mint kétszer akkora.
2003-ban egy új technológiai eljárás bevezetése várható még alacsonyabb tervezési standarddal, nevezetesen a 90 nanométeres. Az új technológiai technológiát, amellyel az Intel gyártja majd termékeinek nagy részét, beleértve a processzorokat, a lapkakészleteket és a kommunikációs berendezéseket, az Intel 300 mm-es szelet D1C kísérleti üzemében fejlesztették ki Hillsboróban, Oregon államban.
2002. október 23-án az Intel Corporation bejelentette, hogy új, 2 milliárd dolláros létesítményt nyit az új-mexikói Rio Ranchóban. Az új, F11X nevű üzem ezt fogja használni modern technológia, amely szerint a 300 mm-es hordozókon processzorokat 0,13 mikron tervezési normával rendelkező technológiai eljárással állítanak elő. 2003-ban az üzem 90 nm-es tervezési szabványú technológiai folyamatba kerül.
Emellett az Intel már bejelentette egy másik gyártóüzem építésének folytatását az írországi Leixlipben található Fab 24-ben, amely 300 mm-es szilícium lapkákon félvezető alkatrészeket kíván gyártani 90 nm-es tervezési szabály mellett. Az új vállalkozás több mint 1 millió négyzetméter összterülettel. láb különösen tiszta helyiségekkel, 160 ezer négyzetméter területtel. láb várhatóan 2004 első felében kezdi meg működését, és több mint ezer embernek ad majd munkát. Az objektum ára körülbelül 2 milliárd dollár.
A 90 nm-es folyamat számos fejlett technológiát használ. Ide tartoznak a világ legkisebb sorozatgyártású CMOS tranzisztorai, amelyek kapuhossza 50 nm (11. ábra), amely nagyobb teljesítményt biztosít, miközben csökkenti az energiafogyasztást, valamint a valaha gyártott tranzisztorok legvékonyabb kapu-oxid rétege, mindössze 1,2 nm (12. ábra). vagy 5 atomrétegnél kevesebb, és az iparág első nagy teljesítményű feszített szilícium technológiájának megvalósítása.
A felsorolt jellemzők közül talán csak a „feszített szilícium” fogalmát kell kommentálni (13. ábra). Az ilyen szilíciumban az atomok közötti távolság nagyobb, mint egy hagyományos félvezetőben. Ez pedig lehetővé teszi az áram szabadabb áramlását, hasonlóan ahhoz, ahogy a szélesebb sávokkal rendelkező járművek szabadabban és gyorsabban mozognak.
Minden újítás eredményeként a tranzisztorok teljesítménye 10-20%-kal javul, miközben a gyártási költségek mindössze 2%-kal nőnek.
Ezenkívül a 90 nm-es eljárás chipenként hét réteget használ (14. ábra), eggyel több réteget, mint a 130 nm-es eljárás, valamint rézcsatlakozásokat.
Mindezek a funkciók a 300 mm-es szilícium lapkákkal kombinálva teljesítmény-, mennyiség- és költségelőnyöket biztosítanak az Intel számára. A fogyasztók is hasznot húznak, mivel az Intel új folyamattechnológiája lehetővé teszi az ipar számára, hogy a Moore-törvénynek megfelelően fejlődjön tovább, és újra és újra javítsa a processzorok teljesítményét.
CPU ez minden modern számítógép szíve. Bármely mikroprocesszor lényegében egy nagy integrált áramkör, amelyen tranzisztorok találhatók. Az elektromos áram átadásával a tranzisztorok lehetővé teszik bináris logikai (be-ki) számítások létrehozását. A modern processzorok 45 nm-es technológián alapulnak. A 45 nm (nanométer) akkora, mint egyetlen tranzisztor egy processzorlapkán. Egészen a közelmúltig főként 90 nm-es technológiát alkalmaztak.
A lemezek szilíciumból készülnek, ami a 2. legnagyobb lerakódás a földkéregben.
A szilíciumot kémiai kezeléssel nyerik, megtisztítva a szennyeződésektől. Ezt követően megolvasztják, és 300 milliméter átmérőjű szilíciumhengert képeznek. Ezt a hengert gyémánthuzallal tovább lemezekre vágják. Mindegyik lemez vastagsága körülbelül 1 mm. Annak érdekében, hogy a lemez ideális felületű legyen, menetes vágás után speciális csiszolóval polírozzák.
Ezt követően a szilícium ostya felülete tökéletesen sima. Egyébként sok gyártó cég már bejelentette a 450 mm-es lemezekkel való munka lehetőségét. Minél nagyobb a felület, annál nagyobb a befogadandó tranzisztorok száma, és annál nagyobb a processzor teljesítménye.
CPU szilícium lapkából áll, melynek felületén legfeljebb kilenc szintnyi tranzisztor található, oxidrétegekkel elválasztva az izolálás céljából.
Processzorgyártási technológia fejlesztése
Gordon Moore, az Intel egyik alapítója, a világ processzorgyártásának egyik vezető vállalata 1965-ben megfigyelései alapján fedezte fel azt a törvényt, amely szerint rendszeres időközönként új processzormodellek és mikroáramkörök jelennek meg. A processzorokban lévő tranzisztorok számának növekedése 2 év alatt körülbelül kétszeresére nő. Gordon Moore törvénye immár 40 éve torzítás nélkül működik. A jövő technológiáinak fejlesztése már nincs messze – már léteznek működő prototípusok, amelyek 32 nm-es és 22 nm-es processzorgyártási technológián alapulnak. 2004 közepéig a processzor teljesítménye elsősorban a processzorfrekvenciától függött, 2005-től azonban gyakorlatilag megállt a processzorfrekvencia növekedése. Van egy új többmagos processzor technológia. Vagyis több processzormagot hoznak létre azonos órajel-frekvenciával, és működés közben összegzik a magok teljesítményét. Ez növeli a processzor teljes teljesítményét.
Az alábbiakban egy videót tekinthet meg a processzorok gyártásáról.
Szinte mindenki tudja, hogy a számítógépben az összes „vas” alkatrész között a központi egység a fő elem. De nagyon korlátozott azoknak a köre, akik elképzelik a processzor működését. A legtöbb felhasználónak fogalma sincs erről. És még akkor is, ha a rendszer hirtelen "lassulni" kezd, sokan úgy gondolják, hogy ez a processzor nem működik jól, és nem tulajdonítanak jelentőséget más tényezőknek. A helyzet teljes megértéséhez vegye figyelembe a CPU néhány szempontját.
Mi az a központi feldolgozó egység?
Miből készül a processzor?
Ha arról beszélünk, hogyan működik egy Intel processzor vagy versenytársa, az AMD, akkor meg kell néznie, hogyan vannak elrendezve ezek a chipek. Az első mikroprocesszor (mellesleg az Inteltől volt, 4040-es modell) 1971-ben jelent meg. Csak a legegyszerűbb összeadás és kivonás műveleteit tudta végrehajtani mindössze 4 bites információval, azaz 4 bites architektúrája volt.
A modern processzorok, mint az elsőszülöttek, tranzisztorokon alapulnak, és sokkal nagyobb sebességgel rendelkeznek. Ezeket fotolitográfiás módszerrel készítik bizonyos számú egyedi szilíciumlemezből, amelyek egyetlen kristályt alkotnak, amelyekbe mintegy tranzisztorokat nyomnak. A sémát egy speciális gyorsítón hozták létre, diszpergált bórionokkal. A processzorok belső felépítésében a fő összetevők a magok, buszok és a revízióknak nevezett funkcionális részecskék.
Főbb jellemzők
Mint minden más eszközt, a processzort is bizonyos paraméterek jellemzik, amelyeket a processzor működésére vonatkozó kérdés megválaszolása során nem lehet figyelmen kívül hagyni. Először is ez:
- Magok száma;
- szálak száma;
- gyorsítótár mérete (belső memória);
- órajel frekvencia;
- busz sebessége.
Egyelőre koncentráljunk az órajelre. Nem csoda, hogy a processzort a számítógép szívének nevezik. A szívhez hasonlóan ez is pulzációs üzemmódban működik, másodpercenként meghatározott számú ciklussal. Az órajel frekvenciáját MHz-ben vagy GHz-ben mérik. Minél magasabb, annál több műveletet tud végrehajtani a készülék.
Azt, hogy a processzor milyen frekvencián működik, a deklarált jellemzőiből megtudhatja, vagy megnézheti a De a parancsok feldolgozása során a frekvenciát, túlhúzás (overlocking) során pedig extrém határokig emelkedhet. Így a deklarált csak egy átlagos mutató.
A magok száma egy olyan mutató, amely meghatározza a processzor számítási központjainak számát (nem tévesztendő össze a szálakkal - előfordulhat, hogy a magok és a szálak száma nem egyezik). Ennek az elosztásnak köszönhetően lehetővé válik a műveletek átirányítása más magokhoz, ezáltal növelve az általános teljesítményt.
A processzor működése: utasításfeldolgozás
Most egy kicsit a végrehajtható parancsok szerkezetéről. Ha megnézi a processzor működését, világosan meg kell értenie, hogy minden utasításnak két összetevője van - egy működési és egy operandus.
A működési rész azt jelzi, hogy a számítógépes rendszernek mit kell tennie az adott pillanatban, az operandus pedig azt, hogy a processzor mit tegyen. Ezenkívül a processzormag két számítási központot (tárolókat, szálakat) tartalmazhat, amelyek a parancs végrehajtását több szakaszra osztják:
- Termelés;
- dekódolás;
- parancs végrehajtása;
- hozzáfér a processzor memóriájához
- az eredmény mentése.
Manapság külön gyorsítótárazást használnak a cache memória két szintjének használatában, ami lehetővé teszi, hogy elkerülhető legyen az egyik memóriablokk eléréséhez szükséges két vagy több parancs általi elfogás.
A processzorok az utasításfeldolgozás típusa szerint lineárisra (az utasítások végrehajtása írási sorrendben), ciklikusra és elágazóra (az utasítások végrehajtása az elágazási feltételek feldolgozása után) oszthatók.
Műveletek folyamatban
A processzorhoz rendelt fő funkciók között a végrehajtható parancsok vagy utasítások értelmében három fő feladat van:
- az aritmetikai-logikai eszközön alapuló matematikai műveletek;
- adatok (információk) áthelyezése egyik típusú memóriából a másikba;
- döntés meghozatala a parancs végrehajtásáról, és ennek alapján - a választás más parancskészletek végrehajtására való váltásról.
Interakció a memóriával (ROM és RAM)
Ebben a folyamatban meg kell jegyezni az olyan összetevőket, mint a busz és az olvasási/írási csatorna, amelyek a tárolóeszközökhöz csatlakoznak. A ROM állandó bájtkészletet tartalmaz. Először a címbusz kér egy adott bájtot a ROM-tól, majd átviszi az adatbuszra, ezután az olvasási csatorna állapotát megváltoztatja és a ROM biztosítja a kért bájtot.
De a processzorok nem csak adatokat tudnak olvasni véletlen hozzáférésű memória hanem írd is le őket. Ebben az esetben az írási csatorna kerül felhasználásra. De ha megnézzük, nagyjából modern számítógépek pusztán elméletileg RAM nélkül is meglennének, mivel a modern mikrokontrollerek képesek a szükséges adatbájtokat közvetlenül a processzorchip memóriájába helyezni. De ROM nélkül nem megy.
A rendszer többek között a hardverteszt módból (BIOS parancs) indul, és csak ezután kerül át a vezérlés a rendszerindító operációs rendszerre.
Hogyan lehet ellenőrizni, hogy a processzor működik-e?
Most nézzük meg a processzor állapotának ellenőrzésének néhány szempontját. Világosan meg kell érteni, hogy ha a processzor nem működne, a számítógép egyáltalán nem tudná elkezdeni a letöltést.
Egy másik dolog az, amikor a processzor képességeinek egy adott pillanatban való kihasználásának mutatóját szeretné megnézni. Ez megtehető a szabványos „Feladatkezelőből” (bármely folyamat előtt fel van tüntetve, hogy a processzorterhelés hány százalékát adja). A paraméter vizuális meghatározásához használhatja a Teljesítmény lapot, ahol a változások valós időben követhetők. A speciális opciók a segítségével láthatók speciális programok pl CPU-Z.
Ezenkívül több processzormagot is használhat az (msconfig) és az Extra lehetőségek letöltések.
Lehetséges problémák
Végül néhány szó a problémákról. Itt sok felhasználó gyakran kérdezi, azt mondják, miért működik a processzor, de a monitor nem kapcsol be? NAK NEK CPU ez a helyzet lényegtelen. A helyzet az, hogy amikor bekapcsol egy számítógépet, először tesztel grafikus adapter aztán minden más. Lehet, hogy a probléma csak a processzorban van grafikus chip(minden modern videógyorsítónak saját grafikus processzora van).
De az emberi test működésének példáján meg kell érteni, hogy szívleállás esetén az egész test meghal. Így van ez a számítógépekkel is. A processzor nem működik - az egész számítógépes rendszer „meghal”.
Digitális életstílusunk gyökerei minden bizonnyal a félvezetőkből erednek, amelyek lehetővé tették a kifinomult tranzisztor alapú számítási chipek létrehozását. Adatokat tárolnak és dolgoznak fel, ami a modern mikroprocesszorok alapja. A félvezetők, amelyek ma homokból készülnek, szinte minden termék kulcselemei elektronikai eszköz, a számítógépektől a laptopokig és mobiltelefonok. Ma már az autók sem nélkülözhetik a félvezetőket és az elektronikát, mivel a félvezetők irányítják a légkondicionáló rendszert, az üzemanyag-befecskendezési folyamatot, a gyújtást, a napfénytetőt, a tükröket és még a kormányzást is (BMW Active Steering). Ma szinte minden energiát fogyasztó eszköz félvezetőkre épül.
A mikroprocesszorok kétségtelenül a legbonyolultabb félvezető termékek közé tartoznak, hiszen a tranzisztorok száma hamarosan eléri a milliárdot, a funkcionalitás skálája pedig már ma is elképesztő. Hamarosan kétmagos Mag processzorok 2 egy majdnem kész 45 nm-es Intel folyamaton, és már 410 millió tranzisztort tartalmaznak majd (bár ezek nagy részét a 6 MB L2 gyorsítótárhoz használják majd). A 45 nm-es folyamat egyetlen tranzisztor méretéről kapta a nevét, amely ma körülbelül 1000-szer kisebb, mint egy emberi hajszál átmérője. Bizonyos mértékig ezért kezd az elektronika uralni mindent az életünkben: még amikor nagyobb volt a tranzisztor, nagyon olcsó volt a nem túl bonyolult mikroáramkörök előállítása, a tranzisztorok költségvetése meglehetősen nagy volt.
Ebben a cikkben megvizsgáljuk a mikroprocesszorok gyártásának alapjait, de érintjük a processzorok történetét, az architektúrát, és megvizsgáljuk a piacon lévő különböző termékeket. Az interneten sokat találhatsz érdekes információ, amelyek közül néhányat alább sorolunk fel.
- Wikipédia: Mikroprocesszor. Ezt a cikket áttekintették különböző típusok processzorokat, és hivatkozásokat biztosít a gyártókhoz, valamint további wiki-oldalakat a processzorokról.
- Wikipédia: Mikroprocesszorok (kategória). További hivatkozásokért és információkért tekintse meg a mikroprocesszor című részt.
PC-versenytársak: AMD és Intel
Az 1969-ben alapított Advanced Micro Devices Inc. központja a kaliforniai Sunnyvale-ben található, míg az alig egy évvel korábban alapított Intel szíve néhány mérföldnyire van Santa Clarában. Az AMD-nek ma két gyára van: Austinban (Texas, USA) és Drezdában (Németország). Az új üzem hamarosan beindul. Emellett az AMD az IBM-mel egyesítette erőit a processzortechnológia és a gyártás fejlesztésében. Mindez persze csak töredéke az Intel méretének, hiszen a piacvezető ma kilenc helyen közel 20 gyárral rendelkezik. Ezeknek körülbelül a felét mikroprocesszorok gyártására használják. Tehát amikor összehasonlítja az AMD-t és az Intelt, ne feledje, hogy Dávidot és Góliátot hasonlítja össze.
Az Intelnek vitathatatlan előnye van hatalmas formájában termelési kapacitás. Igen, a vállalat ma vezető szerepet tölt be a fejlett technológiai folyamatok megvalósításában. Az Intel ebben a tekintetben körülbelül egy évvel az AMD előtt jár. Ennek eredményeként az Intel használhatja a processzoraiban több tranzisztorok és több gyorsítótár. Az AMD-nek, az Intellel ellentétben, a lehető leghatékonyabban kell optimalizálnia a technikai folyamatokat, hogy lépést tartson a versenytárssal, és tisztességes processzorokat gyártson. Természetesen a processzorok kialakítása és architektúrája nagyon eltérő, de a gyártás technikai folyamata ugyanarra épül alapelvek. Bár persze sok különbség van benne.
Mikroprocesszor gyártás
A mikroprocesszorok gyártása két fontos szakaszból áll. Az első a hordozó gyártása, amit az AMD és az Intel végez gyáraikban. Ez magában foglalja a hordozónak vezető tulajdonságok kölcsönzését. A második szakasz a hordozók tesztelése, a processzor összeszerelése és csomagolása. Az utolsó műveletet általában olcsóbb országokban végzik el. Ha megnézzük az Intel processzorokat, azt találjuk, hogy a csomagolás Costa Ricában, Malajziában, a Fülöp-szigeteken stb.
Az AMD és az Intel most arra törekszik, hogy a lehető legtöbb piaci szegmens számára gyártson termékeket, ráadásul a lehető legkisebb kristályválaszték alapján. Jó példa erre a processzorok sora Intel Core 2 duó. Három processzor található itt, kódnévvel a különböző piacokhoz: Merom for mobil alkalmazások, Conroe - asztali verzió, Woodcrest - szerver verzió. Mindhárom processzor azonos technológiai alapra épül, ami lehetővé teszi a gyártó számára, hogy döntéseket hozzon a gyártás utolsó szakaszaiban. A funkciók engedélyezhetők vagy letilthatók, az aktuális órajel pedig kiváló chiphozamot biztosít az Intelnek. Ha megnő a piaci kereslet az iránt mobil processzorok, az Intel a Socket 479-es modellekre koncentrálhat.Ha az asztali modellek iránti kereslet növekszik, a vállalat a Socket 775-höz teszteli, érvényesíti és csomagolja a dies-t, míg a szerverprocesszorokat a Socket 771-hez csomagolják. A kétmagos matricák egy csomagban vannak telepítve, így négy magot kapunk.
Hogyan készül a chips
A chipek előállítása abból áll, hogy vékony rétegeket helyeznek fel összetett "mintázattal" a szilícium hordozókra. Először egy szigetelő réteget hoznak létre, amely elektromos redőnyként működik. Ezután fotoreziszt anyagot alkalmaznak a tetejére, és a nem kívánt területeket maszkokkal és nagy intenzitású besugárzással eltávolítják. A besugárzott területek eltávolításakor szilícium-dioxid-területek nyílnak meg alatta, amelyet maratással távolítanak el. Ezt követően a fotorezisztív anyagot is eltávolítjuk, és a szilícium felületén egy bizonyos szerkezetet kapunk. Aztán tartott további folyamatok fotolitográfia, különböző anyagokkal, amíg el nem éri a kívánt 3D szerkezetet. Minden réteg adalékolható egy bizonyos anyaggal vagy ionokkal, megváltoztatva az elektromos tulajdonságokat. Az ablakok minden rétegben létrejönnek, hogy aztán fémcsatlakozásokat hozzanak létre.
Ami a szubsztrátumok előállítását illeti, egyetlen egykristály-hengerből vékony "palacsintává" kell vágni, hogy később könnyen lehessen őket külön processzorkristályokká vágni. A minőség értékelése érdekében a gyártás minden lépésében kifinomult tesztelést végeznek. Elektromos szondákat használnak a hordozón lévő egyes chipek tesztelésére. Végül az aljzatot egyedi magokra vágják, a nem működő magokat azonnal eltávolítják. A jellemzőktől függően a mag egy vagy másik processzorrá válik, és egy csomagba van zárva, amely megkönnyíti a processzor telepítését alaplap. Minden funkcionális blokk intenzív stresszteszten megy keresztül.
Minden a betétekkel kezdődik
A processzorgyártás első lépése tiszta helyiségben történik. Egyébként fontos megjegyezni, hogy egy ilyen technológiai termelés hatalmas tőke felhalmozása négyzetméterenként. Egy modern üzem felépítése minden berendezéssel könnyen "elrepít" 2-3 milliárd dollárt, az új technológiák tesztelése pedig több hónapot vesz igénybe. Csak ezután tud az üzem tömegesen gyártani feldolgozókat.
Általában a chipgyártási folyamat több szubsztrátum-feldolgozási lépésből áll. Ez magában foglalja maguknak a szubsztrátumoknak a létrehozását, amelyeket végül egyedi kristályokra vágnak.
Az egész egy egykristály termesztésével kezdődik, amelyhez a magkristályt olvadt szilíciumfürdőbe ágyazzák, amely közvetlenül a polikristályos szilícium olvadáspontja felett helyezkedik el. Fontos, hogy a kristályok lassan növekedjenek (kb. egy nap), hogy biztosítsuk az atomok helyes elrendezését. A polikristályos vagy amorf szilícium számos különféle kristályból áll, amelyek nem kívánt felületi struktúrákat eredményeznek, gyenge elektromos tulajdonságokkal. Miután a szilícium megolvadt, más anyagokkal adalékolható, amelyek megváltoztatják elektromos tulajdonságait. Az egész folyamat egy zárt helyiségben zajlik, speciális légösszetétellel, hogy a szilícium ne oxidálódjon.
Az egykristályt körkörös gyémántfűrésszel "palacsintára" vágják, ami nagyon pontos és nem hoz létre nagy egyenetlenségeket az aljzatok felületén. Természetesen ebben az esetben az aljzatok felülete még mindig nem teljesen sík, ezért további műveletekre van szükség.
Először forgó acéllemezekkel és csiszolóanyaggal (például alumínium-oxiddal) egy vastag réteget távolítanak el az aljzatról (ezt a folyamatot lapolásnak nevezik). Ennek eredményeként a 0,05 mm-től körülbelül 0,002 mm-ig (2000 nm) terjedő méretű egyenetlenségek megszűnnek. Ezután minden hordozó szélét le kell kerekíteni, mivel az éles szélek a rétegek leválását okozhatják. Ezt követően a maratási eljárást alkalmazzuk, amikor különböző vegyszerek (hidrogén-fluorsav, ecetsav, salétromsav) segítségével kb. 50 mikronnal simítják a felületet. A felület fizikai károsodása nem következik be, mivel az egész folyamat teljesen kémiai. Lehetővé teszi a kristályszerkezet fennmaradó hibáinak eltávolítását, aminek eredményeként a felület az ideálishoz közeli lesz.
Az utolsó lépés a polírozás, ami a felületet érdességig, maximum 3 nm-ig simítja. A polírozás nátrium-hidroxid és szemcsés szilícium-dioxid keverékével történik.
Ma a mikroprocesszoros ostyák 200 vagy 300 mm átmérőjűek, így a chipgyártók minden ostyából sok processzort szerezhetnek be. A következő lépés a 450 mm-es aljzatok lesz, de 2013 előtt ezekre nem kell számítani. Általában minél nagyobb a hordozó átmérője, annál több azonos méretű forgács állítható elő. Egy 300 mm-es hordozó például kétszeresnél többet ad több processzor mint 200 mm.
Már említettük a doppingolást, amelyet egy kristály növekedése során hajtanak végre. De az adalékolást mind a kész szubsztrátummal, mind a későbbi fotolitográfiai eljárások során végzik. Ez lehetővé teszi bizonyos területek és rétegek elektromos tulajdonságainak megváltoztatását, nem pedig a kristály teljes szerkezetét.
Adalékanyag hozzáadása diffúzió útján történhet. A dópoló atomok töltik ki a kristályrács belsejében, a szilíciumszerkezetek közötti szabad teret. Bizonyos esetekben a meglévő szerkezet adalékolható is. A diffúziót gázok (nitrogén és argon) vagy szilárd anyagok vagy más adalékanyag-források segítségével hajtják végre.
Az adalékolás másik megközelítése az ionimplantáció, amely nagyon hasznos az adalékolt hordozó tulajdonságainak megváltoztatásában, mivel az ionimplantációt normál hőmérsékleten végzik. Ezért a meglévő szennyeződések nem diffundálnak. Az aljzatra maszkot lehet felvinni, amely csak bizonyos területek feldolgozását teszi lehetővé. Természetesen lehet hosszan beszélni az ionimplantációról, és tárgyalni a behatolási mélységet, az additív aktiválást magas hőmérsékleten, a csatornahatásokat, az oxidszintekbe való behatolást stb., de ez túlmutat cikkünk keretein. Az eljárás többször megismételhető a gyártás során.
Az integrált áramkör szakaszainak létrehozásához a fotolitográfiai eljárást használják. Mivel ebben az esetben nem szükséges az aljzat teljes felületét besugározni, ezért fontos az úgynevezett maszkok alkalmazása, amelyek csak bizonyos területekre továbbítják a nagy intenzitású sugárzást. A maszkokat egy fekete-fehér negatívhoz lehet hasonlítani. Az integrált áramkörök sok réteggel rendelkeznek (20 vagy több), és mindegyikhez saját maszk szükséges.
A kvarcüveg lemez felületére vékony krómfilm szerkezetet visznek fel sablon létrehozására. Ugyanakkor drága, elektronsugarat vagy lézert használó eszközök írják egy integrált áramkör szükséges adatait, aminek eredményeként egy kvarc hordozó felületén krómmintázatot kapunk. Fontos megérteni, hogy az integrált áramkör minden egyes módosítása új maszkok előállítását teszi szükségessé, így a változtatások teljes folyamata nagyon költséges. Nagyon is összetett sémák a maszkok nagyon hosszú ideig készülnek.
Fotolitográfia segítségével szilícium hordozón szerkezetet alakítanak ki. A folyamatot többször megismételjük, amíg sok réteg (több mint 20) létrejön. A rétegek különböző anyagokból állhatnak, sőt, át kell gondolni a mikroszkopikus huzalokkal történő csatlakozásokat is. Minden réteg ötvözhető.
A fotolitográfiai folyamat megkezdése előtt az aljzatot megtisztítják és felmelegítik, hogy eltávolítsák a ragacsos részecskéket és a vizet. Ezután az aljzatot egy speciális eszközzel szilícium-dioxiddal vonják be. Ezután egy kötőanyagot viszünk fel a hordozóra, amely biztosítja, hogy a következő lépésben felhordandó fotoreziszt anyag a hordozón maradjon. A fotoreziszt anyagot a hordozó közepére visszük fel, amely ezután nagy sebességgel forogni kezd, így a réteg egyenletesen oszlik el a hordozó teljes felületén. Ezután az aljzatot ismét felmelegítik.
A burkolatot ezután kvantumlézerrel, kemény ultraibolya sugárzással, röntgensugárzással, elektron- vagy ionsugárral besugározzák a maszkon keresztül – ezek a fény- vagy energiaforrások mindegyike felhasználható. Az elektronsugarat elsősorban maszkokhoz, röntgen- és kutatási célú ionsugarakhoz használják, az ipari termelést ma a kemény UV-sugárzás és a gázlézerek uralják.
A 13,5 nm hullámhosszú kemény UV-sugárzás besugározza a fotoreziszt anyagot, amikor az áthalad a maszkon.
A kívánt eredmény eléréséhez nagyon fontos a vetítési idő és a fókusz. A rossz fókuszálás extra részecskéket eredményez a fotoreziszt anyagból, mivel a maszk egyes lyukai nem kerülnek megfelelően besugárzásra. Ugyanez történik, ha a vetítési idő túl rövid. Ekkor a fotoreziszt szerkezet túl széles lesz, a lyukak alatti területek alulexponáltak lesznek. Másrészt a túlzott vetítési idő túl nagy területeket hoz létre a lyukak alatt, és túl szűk fotoreziszt szerkezetet hoz létre. Általában nagyon időigényes és nehéz a folyamat beállítása és optimalizálása. A sikertelen beállítás komoly eltérésekhez vezet a csatlakozó vezetékekben.
Egy speciális lépcsős vetítőegység mozgatja a hordozót a kívánt pozícióba. Ekkor egy vonal vagy egy szakasz vetíthető, leggyakrabban egy processzorchipnek megfelelő. A további mikrobeállítások további módosításokat hajthatnak végre. Hibakereshetik a meglévő technológiát és optimalizálhatják a folyamatot. A mikrotelepítések általában 1 négyzetméternél kisebb területeken működnek. mm, míg a hagyományos telepítések nagyobb területeket fednek le.
A hordozó ezután egy új szakaszba lép, ahol a meggyengült fotoreziszt anyagot eltávolítják, lehetővé téve a szilícium-dioxidhoz való hozzáférést. Vannak nedves és száraz marási eljárások, amelyek a szilícium-dioxid területeit kezelik. A nedves eljárásoknál kémiai vegyületeket, míg a száraz eljárásoknál gázt használnak. Külön eljárás a fotoreziszt anyag maradványainak eltávolítása. A gyártók gyakran kombinálják a nedves és száraz eltávolítást, hogy a fotoreziszt anyagot teljesen eltávolítsák. Ez azért fontos, mert a fotoreziszt anyag szerves, és ha nem távolítják el, az aljzathibákat okozhat. A maratás és tisztítás után folytathatja az aljzat ellenőrzését, amely általában mindegyiken megtörténik mérföldkő, vagy vigye át a szubsztrátumot egy új fotolitográfiai ciklusba.
Aljzatvizsgálat, összeszerelés, csomagolás
A kész szubsztrátumokat az úgynevezett szondavezérlő egységeken tesztelik. A teljes aljzattal dolgoznak. Az egyes kristályok érintkezőire szondaérintkezőket helyeznek, lehetővé téve az elektromos tesztek elvégzését. A szoftver teszteli az egyes magok összes funkcióját.
A szubsztrátból történő levágással egyedi magok nyerhetők. Jelenleg a szondavezérlő berendezések már azonosították, hogy mely kristályok tartalmaznak hibát, így vágás után elkülöníthetők a jóktól. Korábban a sérült kristályokat fizikailag megjelölték, most erre nincs szükség, minden információt egyetlen adatbázisban tárolnak.
Kristály tartó
Ezután a funkcionális magot ragasztóanyag segítségével a processzorcsomaghoz kell rögzíteni.
Ezután vezetékes csatlakozásokat kell létrehoznia, amelyek összekötik a csomagolás érintkezőit vagy lábait és magát a kristályt. Arany, alumínium vagy réz csatlakozások használhatók.
A legtöbb modern processzor hőelosztóval ellátott műanyag csomagolást használ.
Jellemzően a mag kerámia vagy műanyag csomagolásba van burkolva, hogy megakadályozza a sérüléseket. A modern processzorok úgynevezett hőelosztóval vannak felszerelve, amely további védelmet nyújt a kristály számára, valamint nagy érintkezési felületet biztosít a hűtővel.
Processzor tesztelése
Az utolsó szakasz a processzor tesztelését foglalja magában, amely megemelt hőmérsékleten történik, a processzor specifikációinak megfelelően. A processzor automatikusan telepítésre kerül teszt aljzat, amely után az összes szükséges funkciót elemzik.
Betöltés...