Ini mungkin tampak seperti pertanyaan konyol yang dapat dijawab dalam satu kalimat: Silikon adalah unsur ke-14 pada tabel periodik. Namun, silikon lebih sering disebutkan daripada yang lain di situs elektronik karena bukan hanya komponen utama dari sebagian besar bahan bangunan, tetapi juga dasar prosesor komputer modern, dan bahkan kandidat yang paling mungkin untuk peran elemen dasar "non -karbon hidup". Apa yang istimewa dari silikon?
silikon sebagai bahan bangunan
Setelah oksigen, silikon adalah unsur paling umum di kerak bumi, tetapi menemukannya tidaklah mudah, karena hampir tidak pernah ditemukan dalam bentuk murni. Yang paling umum di alam adalah silikat SiO4 atau silikon dioksida SiO2. Silika juga merupakan komponen utama pasir. Feldspar, granit, kuarsa - semuanya didasarkan pada kombinasi silikon dan oksigen.
Senyawa silikon memiliki berbagai sifat yang berguna, terutama karena mereka dapat mengikat atom lain dengan sangat erat dalam struktur yang kompleks. Berbagai silikat, seperti kalsium silikat, merupakan penyusun utama semen, pengikat utama beton bahkan plester. Beberapa bahan silikat digunakan dalam keramik, dan tentu saja kaca. Selain itu, silikon ditambahkan ke zat seperti besi tuang agar paduannya lebih tahan lama.
Dan ya, silikon juga merupakan komponen struktural utama dari silikon bahan sintetis, itulah sebabnya silikon (silikon) sering dikacaukan dengan silikon (silikon). Contoh yang terkenal adalah Silicon Valley, yang sebenarnya adalah silikon.
Silikon sebagai chip komputer
Saat memilih bahan untuk dasar transistor komputer, faktor kunci adalah resistansi. Konduktor memiliki resistansi rendah dan mengalirkan arus dengan sangat mudah, sedangkan isolator memblokir arus karena resistansinya yang tinggi. Transistor harus menggabungkan kedua sifat tersebut.
Silikon bukan satu-satunya zat semikonduktor di Bumi - bahkan bukan semikonduktor terbaik. Namun, itu tersedia secara luas. Tidak sulit untuk menambang dan mudah dikerjakan. Dan yang terpenting, para ilmuwan telah menemukan cara yang dapat diandalkan untuk mendapatkan kristal yang dipesan darinya. Kristal-kristal ini untuk silikon seperti berlian untuk berlian.
Konstruksi kristal ideal adalah salah satu aspek utama dari produksi chip komputer. Kristal-kristal ini kemudian diiris menjadi wafer tipis, diukir, diproses, dan melalui ratusan perawatan sebelum menjadi pengolah komersial. Dimungkinkan untuk membuat transistor yang lebih baik dari karbon atau bahan eksotis seperti germanium, tetapi tidak satu pun dari mereka yang memungkinkan untuk membuat ulang produksi skala besar - setidaknya belum.
Saat ini, kristal silikon dibuat dalam silinder 300 mm, tetapi penelitian dengan cepat mendekati tonggak sejarah 450 mm. Ini harus memotong biaya produksi, tetapi menjaga tingkat pertumbuhan kecepatan. Apa setelah itu? Kami mungkin akhirnya harus membuang silikon demi bahan yang lebih maju - kabar baik untuk kemajuan, tetapi hampir pasti kabar buruk untuk dompet Anda.
Silikon sebagai kehidupan di luar bumi
Ungkapan "kehidupan karbon" cukup sering disebutkan, tetapi apa artinya? Artinya, molekul struktural dasar tubuh kita (protein, asam amino, asam nukleat, asam lemak, dll.) Dibangun berdasarkan atom karbon. Ini karena karbon bisa tetravalen. Oksigen dapat membentuk dua ikatan kimia yang stabil pada saat yang sama, nitrogen hanya dapat membentuk tiga, tetapi karbon dapat menampung hingga empat atom berbeda sekaligus. Ini adalah dasar yang kuat untuk membangun molekul dan mengembangkan kehidupan.
Karena tabel periodik diatur sedemikian rupa sehingga unsur-unsur dalam kolom vertikal memiliki sifat kimia yang mirip - dan tepat di bawah karbon adalah silikon. Inilah mengapa begitu banyak ahli teori memperhatikan "kehidupan silikon", salah satu argumen yang mendukung mereka adalah fakta bahwa silikon juga tetravalen.
Tentu saja, mengingat silikon di Bumi jauh lebih banyak daripada karbon, pasti ada alasan bagus mengapa kehidupan organik didasarkan pada karbon. Dan di sini kita perlu kembali ke tabel periodik. Unsur-unsur yang secara vertikal lebih rendah memiliki inti yang lebih berat dan kulit elektron yang lebih besar, sehingga silikon kurang cocok untuk tugas presisi seperti membangun DNA karena ukurannya. Jadi, di bagian lain alam semesta, perkembangan organisme berdasarkan silikon secara teori dimungkinkan, tetapi ini tidak mungkin terjadi di planet kita.
Silikon akan menjadi berita untuk waktu yang lama, karena meskipun beberapa elemen menggantikannya sebagai dasar komputasi komputer, akan membutuhkan waktu yang sangat lama sebelum transisi penuh. Selain itu, ada bidang lain penerapannya, dan kemungkinan cara baru untuk menggunakan zat ini akan ditemukan. Kemungkinan besar, silikon akan tetap menjadi salah satu zat utama aktivitas manusia di dunia fisik.
Bagaimana microchip dibuat
Untuk memahami apa perbedaan utama antara kedua teknologi ini, perlu penyimpangan singkat dalam teknologi produksi prosesor modern atau sirkuit terintegrasi.
Seperti diketahui dari kursus fisika sekolah, di elektronik modern komponen utama sirkuit terpadu adalah semikonduktor tipe-p dan tipe-n (tergantung pada jenis konduksi). Semikonduktor adalah zat yang lebih unggul dalam konduktivitas daripada dielektrik, tetapi lebih rendah daripada logam. Kedua jenis semikonduktor dapat didasarkan pada silikon (Si), yang dalam bentuknya yang murni (yang disebut semikonduktor intrinsik) adalah konduktor arus listrik yang buruk, tetapi penambahan (penggabungan) pengotor tertentu ke dalam silikon memungkinkan untuk secara radikal mengubah sifat konduktifnya. Ada dua jenis pengotor: donor dan akseptor. Pengotor donor mengarah pada pembentukan semikonduktor tipe-n dengan konduktivitas tipe elektronik, sedangkan pengotor akseptor mengarah pada pembentukan semikonduktor tipe-p dengan konduktivitas tipe lubang. Kontak p- dan n-semikonduktor memungkinkan untuk membentuk transistor, elemen struktural utama dari sirkuit mikro modern. Transistor semacam itu, yang disebut transistor CMOS, dapat berada dalam dua keadaan dasar: terbuka, saat menghantarkan listrik, dan terkunci saat tidak menghantarkan listrik. Karena transistor CMOS adalah elemen utama dari sirkuit mikro modern, mari kita bahas lebih detail.
Cara kerja transistor CMOS
Transistor CMOS tipe-n yang paling sederhana memiliki tiga elektroda: sumber, gerbang, dan tiriskan. Transistor itu sendiri dibuat dalam semikonduktor tipe-p dengan konduktivitas lubang, dan semikonduktor tipe-n dengan konduktivitas elektronik dibentuk di daerah saluran dan sumber. Secara alami, karena difusi lubang dari wilayah-p ke wilayah-n dan difusi balik elektron dari wilayah-n ke wilayah-p, lapisan yang terkuras (lapisan di mana tidak ada pembawa muatan utama) terbentuk pada batas transisi wilayah p dan n. Dalam keadaan normal, yaitu ketika tidak ada tegangan yang diberikan ke gerbang, transistor dalam keadaan "terkunci", yaitu tidak dapat mengalirkan arus dari sumber ke saluran pembuangan. Situasi tidak berubah bahkan jika tegangan diterapkan antara saluran dan sumber (kami tidak memperhitungkan arus bocor yang disebabkan oleh pergerakan pembawa muatan kecil di bawah pengaruh medan listrik yang dihasilkan, yaitu lubang untuk wilayah-n dan elektron untuk wilayah-p).
Namun, jika potensial positif diterapkan ke gerbang (Gbr. 1), maka situasinya akan berubah secara radikal. Di bawah pengaruh medan listrik gerbang, lubang didorong jauh ke dalam p-semikonduktor, dan elektron, sebaliknya, ditarik ke wilayah di bawah gerbang, membentuk saluran kaya elektron antara sumber dan saluran. Jika tegangan positif diterapkan ke gerbang, elektron-elektron ini mulai bergerak dari sumber ke saluran pembuangan. Dalam hal ini, transistor menghantarkan arus, mereka mengatakan bahwa transistor "terbuka". Jika tegangan dilepas dari gerbang, elektron berhenti ditarik ke wilayah antara sumber dan saluran, saluran konduktif dihancurkan dan transistor berhenti mengalirkan arus, yaitu "mengunci". Jadi, dengan mengubah voltase di gerbang, Anda dapat menghidupkan atau mematikan transistor, dengan cara yang sama seperti menghidupkan atau mematikan sakelar sakelar konvensional, yang mengontrol aliran arus melalui rangkaian. Inilah sebabnya mengapa transistor terkadang disebut sakelar elektronik. Namun, tidak seperti sakelar mekanis konvensional, transistor CMOS hampir tidak memiliki kelembaman dan mampu beralih dari keadaan hidup ke mati triliunan kali per detik! Karakteristik inilah, yaitu kemampuan untuk beralih secara instan, yang pada akhirnya menentukan kecepatan prosesor, yang terdiri dari puluhan juta transistor sederhana.
Jadi, sirkuit terintegrasi modern terdiri dari puluhan juta transistor CMOS paling sederhana. Mari kita membahas lebih detail tentang proses pembuatan sirkuit mikro, tahap pertama yang merupakan persiapan substrat silikon.
Langkah 1. Menumbuhkan blanko
Penciptaan substrat tersebut dimulai dengan pertumbuhan kristal silikon tunggal berbentuk silinder. Selanjutnya, pelat bundar (wafer) dipotong dari blanko kristal tunggal (blank), yang ketebalannya kira-kira 1/40 inci, dan diameternya 200 mm (8 inci) atau 300 mm (12 inci). Ini adalah substrat silikon yang digunakan untuk produksi sirkuit mikro.
Saat membentuk wafer dari kristal tunggal silikon, keadaan diperhitungkan bahwa untuk struktur kristal yang ideal, sifat fisik sangat bergantung pada arah yang dipilih (sifat anisotropi). Misalnya, resistansi substrat silikon akan berbeda dalam arah memanjang dan melintang. Demikian pula, tergantung pada orientasi kisi kristal, kristal silikon akan bereaksi berbeda terhadap pengaruh eksternal yang terkait dengan pemrosesan lebih lanjut (misalnya, etsa, sputtering, dll.). Oleh karena itu, pelat harus dipotong dari satu kristal sedemikian rupa sehingga orientasi kisi kristal relatif terhadap permukaan dijaga dengan ketat dalam arah tertentu.
Seperti yang telah disebutkan, diameter blanko kristal tunggal silikon adalah 200 atau 300 mm. Apalagi diameter 300 mm relatif teknologi baru, yang akan kita bahas di bawah ini. Jelas bahwa pelat dengan diameter seperti itu dapat menampung lebih dari satu chip, bahkan jika kita berbicara tentang prosesor Intel Pentium 4. Memang, beberapa lusin sirkuit mikro (prosesor) dibentuk pada satu pelat media tersebut, tetapi untuk kesederhanaan kami hanya akan mempertimbangkan proses yang terjadi di area kecil dari satu mikroprosesor masa depan.
Langkah 2. Penerapan film pelindung dielektrik (SiO2)
Setelah pembentukan substrat silikon, tahap pembuatan struktur semikonduktor paling kompleks dimulai.
Untuk melakukan ini, perlu memasukkan apa yang disebut pengotor donor dan akseptor ke dalam silikon. Namun, timbul pertanyaan bagaimana cara melakukan pengenalan ketidakmurnian sesuai dengan pola-pola yang diberikan dengan tepat? Untuk memungkinkan hal ini, area di mana pengotor tidak diperlukan dilindungi dengan film silikon dioksida khusus, hanya menyisakan area yang terkena pemrosesan lebih lanjut (Gbr. 2). Proses pembentukan film pelindung dari pola yang diinginkan terdiri dari beberapa tahap.
Pada tahap pertama, seluruh wafer silikon sepenuhnya ditutupi dengan film tipis silikon dioksida (SiO2), yang merupakan isolator yang sangat baik dan bertindak sebagai film pelindung selama pemrosesan kristal silikon lebih lanjut. Wafer ditempatkan dalam ruangan di mana, pada suhu tinggi (dari 900 hingga 1100 °C) dan tekanan, oksigen berdifusi ke dalam lapisan permukaan wafer, menyebabkan oksidasi silikon dan pembentukan film permukaan silikon dioksida. Agar film silikon dioksida memiliki ketebalan yang ditentukan secara tepat dan tidak mengandung cacat, suhu konstan harus dijaga dengan ketat di semua titik pelat selama proses oksidasi. Jika tidak seluruh wafer ditutup dengan film silikon dioksida, maka masker Si3N4 terlebih dahulu diterapkan pada substrat silikon untuk mencegah oksidasi yang tidak diinginkan.
Langkah 3 Terapkan Photoresist
Setelah substrat silikon dilapisi film pelindung silikon dioksida, perlu untuk menghapus film ini dari tempat-tempat yang akan diproses lebih lanjut. Film dihilangkan dengan etsa, dan untuk melindungi area yang tersisa dari etsa, lapisan yang disebut photoresist diaplikasikan pada permukaan pelat. Istilah "photoresist" mengacu pada peka cahaya dan tahan terhadap komposisi faktor agresif. Komposisi yang digunakan harus, di satu sisi, memiliki sifat fotografi tertentu (menjadi larut di bawah pengaruh sinar ultraviolet dan dicuci selama proses etsa), dan di sisi lain, resistif, memungkinkannya menahan etsa dalam asam dan basa. , pemanasan, dll. Tujuan utama photoresists adalah untuk membuat relief pelindung dari konfigurasi yang diinginkan.
Proses penerapan photoresist dan iradiasi lebih lanjut dengan ultraviolet sesuai dengan pola tertentu disebut fotolitografi dan mencakup operasi utama berikut: pembentukan lapisan photoresist (perawatan substrat, pengendapan, pengeringan), pembentukan relief pelindung (pencahayaan, pengembangan , pengeringan) dan transfer gambar ke substrat (etsa, pengendapan, dll.).
Sebelum menerapkan lapisan photoresist (Gbr. 3) ke substrat, yang terakhir mengalami perlakuan awal, sehingga daya rekatnya ke lapisan photoresist ditingkatkan. Untuk menerapkan lapisan photoresist yang seragam, metode sentrifugasi digunakan. Substrat ditempatkan pada disk yang berputar (centrifuge), dan di bawah pengaruh gaya sentrifugal, photoresist didistribusikan ke permukaan substrat dalam lapisan yang hampir seragam. (Berbicara tentang lapisan yang hampir seragam, seseorang memperhitungkan fakta bahwa di bawah aksi gaya sentrifugal, ketebalan film yang terbentuk meningkat dari pusat ke tepi, namun metode penerapan photoresist ini memungkinkan seseorang untuk menahan fluktuasi dalam ketebalan lapisan dalam ± 10%).
Langkah 4. Litografi
Setelah aplikasi dan pengeringan lapisan photoresist, tahap pembentukan relief pelindung yang diperlukan dimulai. Relief terbentuk sebagai hasil dari fakta bahwa di bawah aksi radiasi ultraviolet yang mengenai area tertentu dari lapisan fotoresis, yang terakhir mengubah sifat kelarutan, misalnya, area yang diterangi berhenti larut dalam pelarut, yang menghilangkan area tersebut. dari lapisan yang belum terkena iluminasi, atau sebaliknya - area yang diterangi menghilang. Menurut cara pembentukan relief, photoresist dibagi menjadi negatif dan positif. Fotoresis negatif di bawah aksi radiasi ultraviolet membentuk area pelindung relief. Fotoresis positif, sebaliknya, di bawah pengaruh radiasi ultraviolet memperoleh sifat fluiditas dan dicuci oleh pelarut. Dengan demikian, lapisan pelindung terbentuk di area yang tidak terkena radiasi ultraviolet.
Untuk menerangi area yang diinginkan dari lapisan photoresist, template topeng khusus digunakan. Paling sering, pelat kaca optik dengan elemen buram yang diperoleh dengan metode fotografi atau lainnya digunakan untuk tujuan ini. Faktanya, templat semacam itu berisi gambar salah satu lapisan sirkuit mikro masa depan (totalnya mungkin ada beberapa ratus lapisan). Karena pola ini adalah acuan, maka harus dibuat dengan sangat teliti. Selain itu, mengingat banyaknya photoplate yang akan dibuat dengan menggunakan satu photomask, maka harus awet dan tahan terhadap kerusakan. Dari sini jelas bahwa photomask adalah barang yang sangat mahal: tergantung pada kerumitan sirkuit mikro, biayanya bisa mencapai puluhan ribu dolar.
Radiasi ultraviolet yang melewati pola seperti itu (Gbr. 4) hanya menerangi area yang diinginkan pada permukaan lapisan photoresist. Setelah iradiasi, photoresist mengalami pengembangan, akibatnya bagian lapisan yang tidak perlu dihilangkan. Ini membuka bagian yang sesuai dari lapisan silikon dioksida.
Terlepas dari kesederhanaan yang tampak dari proses fotolitografi, tahap produksi microchip inilah yang paling sulit. Faktanya adalah, sesuai dengan prediksi Moore, jumlah transistor pada satu chip tumbuh secara eksponensial (berlipat ganda setiap dua tahun). Peningkatan jumlah transistor seperti itu hanya dimungkinkan karena penurunan ukurannya, tetapi justru penurunan itulah yang "bertumpu" pada proses litografi. Untuk membuat transistor lebih kecil, perlu untuk mengurangi dimensi geometrik garis yang diterapkan pada lapisan photoresist. Tetapi semuanya ada batasnya - tidak mudah untuk memfokuskan sinar laser ke suatu titik. Faktanya adalah, sesuai dengan hukum optik gelombang, ukuran titik minimum yang menjadi fokus sinar laser (sebenarnya, ini bukan hanya titik, tetapi pola difraksi) ditentukan, antara lain, oleh faktor panjang gelombang cahaya. Perkembangan teknologi litografi sejak penemuannya di awal tahun 70-an mengarah pada pemendekan panjang gelombang cahaya. Inilah yang memungkinkan untuk mengurangi ukuran elemen sirkuit terpadu. Sejak pertengahan 1980-an, radiasi ultraviolet yang dihasilkan oleh laser telah digunakan dalam fotolitografi. Idenya sederhana: panjang gelombang radiasi ultraviolet lebih pendek dari panjang gelombang cahaya tampak, oleh karena itu dimungkinkan untuk mendapatkan garis yang lebih halus pada permukaan photoresist. Sampai saat ini, radiasi ultraviolet dalam (Deep Ultra Violet, DUV) dengan panjang gelombang 248 nm digunakan untuk litografi. Namun, ketika fotolitografi melintasi batas 200 nm, masalah serius muncul, untuk pertama kalinya mempertanyakan kemungkinan penggunaan lebih lanjut dari teknologi ini. Misalnya, pada panjang gelombang kurang dari 200 µm, terlalu banyak cahaya yang diserap oleh lapisan fotosensitif, sehingga proses pemindahan template sirkuit ke prosesor menjadi lebih rumit dan lambat. Masalah seperti ini mendorong para peneliti dan produsen untuk mencari alternatif teknologi litograf tradisional.
Teknologi litografi baru, yang disebut litografi EUV (radiasi ultraviolet UltraViolet Ekstrim), didasarkan pada penggunaan radiasi ultraviolet dengan panjang gelombang 13 nm.
Transisi dari litografi DUV ke EUV memberikan pengurangan panjang gelombang lebih dari 10 kali lipat dan transisi ke rentang yang sebanding dengan ukuran hanya beberapa puluh atom.
Teknologi litografi saat ini memungkinkan untuk menerapkan templat dengan lebar konduktor minimum 100 nm, sementara litografi EUV memungkinkan untuk mencetak garis dengan lebar yang jauh lebih kecil - hingga 30 nm. Mengontrol radiasi ultrashort tidak semudah kelihatannya. Karena radiasi EUV diserap dengan baik oleh kaca, teknologi baru ini melibatkan penggunaan serangkaian empat cermin cembung khusus yang mengurangi dan memfokuskan gambar yang diperoleh setelah menerapkan topeng (Gbr. 5 , , ). Setiap cermin tersebut mengandung 80 lapisan logam individu setebal sekitar 12 atom.
Langkah 5 Pengetsaan
Setelah lapisan photoresist menyala, tahap etsa mulai menghilangkan film silikon dioksida (Gbr. 8).
Proses pengawetan sering dikaitkan dengan rendaman asam. Metode etsa dalam asam ini sangat dikenal oleh amatir radio yang membuat papan sirkuit tercetak sendiri. Untuk melakukan ini, pola jejak papan masa depan diaplikasikan pada foil textolite dengan pernis yang berfungsi sebagai lapisan pelindung, dan kemudian pelat diturunkan ke dalam bak dengan asam nitrat. Bagian foil yang tidak perlu tergores, memperlihatkan textolite yang bersih. Metode ini memiliki sejumlah kelemahan, yang utamanya adalah ketidakmampuan untuk mengontrol proses penghilangan lapisan secara akurat, karena terlalu banyak faktor yang mempengaruhi proses etsa: konsentrasi asam, suhu, konveksi, dll. Selain itu, asam berinteraksi dengan material ke segala arah dan secara bertahap menembus di bawah tepi topeng fotoresis, yaitu menghancurkan lapisan yang ditutupi oleh fotoresis dari samping. Oleh karena itu, dalam produksi prosesor, digunakan metode etsa kering yang juga disebut plasma. Metode ini memungkinkan untuk mengontrol proses etsa secara akurat, dan penghancuran lapisan etsa terjadi secara ketat dalam arah vertikal.
Etsa kering menggunakan gas terionisasi (plasma) untuk menghilangkan silikon dioksida dari permukaan wafer, yang bereaksi dengan permukaan silikon dioksida untuk membentuk produk sampingan yang mudah menguap.
Setelah prosedur etsa, yaitu ketika area silikon murni yang diinginkan terbuka, sisa lapisan foto dihilangkan. Dengan demikian, pola silikon dioksida tetap ada pada substrat silikon.
Langkah 6. Difusi (implantasi ion)
Ingatlah bahwa proses pembentukan pola yang diperlukan sebelumnya pada substrat silikon diperlukan untuk membuat struktur semikonduktor di tempat yang tepat dengan memasukkan pengotor donor atau akseptor. Proses penggabungan pengotor dilakukan dengan cara difusi (Gbr. 9) penggabungan seragam atom pengotor ke dalam kisi kristal silikon. Untuk mendapatkan semikonduktor tipe-n, antimon, arsenik, atau fosfor biasanya digunakan. Untuk mendapatkan semikonduktor tipe-p, boron, galium atau aluminium digunakan sebagai pengotor.
Implantasi ion digunakan untuk proses difusi dopan. Proses implantasi terdiri dari fakta bahwa ion dari pengotor yang diperlukan "ditembakkan" dari akselerator tegangan tinggi dan, memiliki energi yang cukup, menembus lapisan permukaan silikon.
Jadi, pada akhir tahap implantasi ion, lapisan yang diperlukan dari struktur semikonduktor telah dibuat. Namun, mikroprosesor mungkin memiliki beberapa lapisan seperti itu. Lapisan tipis silikon dioksida tambahan ditanam untuk membuat lapisan berikutnya dalam diagram sirkuit yang dihasilkan. Setelah itu, lapisan silikon polikristalin dan lapisan photoresist lainnya diaplikasikan. Radiasi ultraviolet dilewatkan melalui topeng kedua dan menyoroti pola yang sesuai pada lapisan foto. Kemudian tahap pembubaran photolayer, etsa dan implantasi ion mengikuti lagi.
Langkah 7 Sputtering dan Deposisi
Pengenaan lapisan baru dilakukan beberapa kali, sementara "jendela" dibiarkan untuk koneksi antar lapisan di lapisan yang diisi dengan atom logam; akibatnya, strip logam dibuat pada kristal - daerah konduktif. Jadi, dalam prosesor modern, tautan dibuat antara lapisan yang membentuk skema tiga dimensi yang kompleks. Proses penanaman dan pemrosesan semua lapisan berlangsung beberapa minggu, dan siklus produksinya sendiri terdiri dari lebih dari 300 tahap. Akibatnya, ratusan prosesor identik terbentuk pada wafer silikon.
Untuk menahan dampak yang dialami wafer selama proses pelapisan, substrat silikon pada awalnya dibuat cukup tebal. Oleh karena itu, sebelum memotong pelat menjadi prosesor individu, ketebalannya berkurang 33% dan kotoran dihilangkan sisi sebaliknya. Kemudian, lapisan bahan khusus diterapkan ke bagian belakang media, yang meningkatkan pengikatan kristal ke casing prosesor masa depan.
Langkah 8. Langkah terakhir
Di akhir siklus pembentukan, semua prosesor diuji secara menyeluruh. Kemudian, kristal tertentu yang telah lulus uji dipotong dari pelat substrat menggunakan alat khusus (Gbr. 10).
Setiap mikroprosesor dibangun ke dalam wadah pelindung, yang juga menyediakan sambungan listrik dari chip mikroprosesor dengan perangkat eksternal. Jenis paket tergantung pada jenis dan tujuan aplikasi mikroprosesor.
Setelah disegel ke dalam rumahan, setiap mikroprosesor diuji ulang. Prosesor yang rusak ditolak, dan prosesor yang dapat diservis menjalani stress test. Kemudian prosesor disortir tergantung pada perilakunya di berbagai frekuensi jam ah dan tegangan suplai.
Teknologi yang menjanjikan
Proses teknologi untuk produksi sirkuit mikro (khususnya, prosesor) telah kami pertimbangkan dengan cara yang sangat disederhanakan. Tetapi bahkan presentasi yang dangkal seperti itu memungkinkan untuk memahami kesulitan teknologi yang harus dihadapi ketika mengurangi ukuran transistor.
Namun, sebelum mempertimbangkan teknologi baru yang menjanjikan, mari kita jawab pertanyaan yang diajukan di awal artikel: apa norma desain dari proses teknologi dan bagaimana sebenarnya norma desain 130 nm berbeda dari norma 180 nm ? 130 nm atau 180 nm adalah jarak minimum karakteristik antara dua elemen yang berdekatan dalam satu lapisan sirkuit mikro, yaitu, semacam langkah kisi yang mengikat elemen sirkuit mikro. Pada saat yang sama, cukup jelas bahwa semakin kecil ukuran karakteristik ini, semakin banyak transistor yang dapat ditempatkan pada area chip yang sama.
Saat ini, prosesor Intel menggunakan proses manufaktur 0,13 mikron. Teknologi ini digunakan untuk memproduksi prosesor Intel Pentium 4 dengan inti Northwood, prosesor Intel Pentium III dengan inti Tualatin, dan prosesor Intel Celeron. Dalam hal menggunakan proses teknologi seperti itu, lebar saluran transistor yang berguna adalah 60 nm, dan ketebalan lapisan oksida gerbang tidak melebihi 1,5 nm. Secara keseluruhan, prosesor Intel Pentium 4 mengandung 55 juta transistor.
Seiring dengan peningkatan kerapatan transistor dalam sebuah chip prosesor, teknologi 0,13 mikron, yang menggantikan 0,18 mikron, memiliki inovasi lain. Pertama, ia menggunakan sambungan tembaga antara masing-masing transistor (dalam teknologi 0,18 mikron, sambungannya adalah aluminium). Kedua, teknologi 0,13 mikron memberikan konsumsi daya yang lebih rendah. Untuk teknologi seluler, misalnya, ini berarti konsumsi daya mikroprosesor menjadi lebih sedikit, dan waktu pengoperasian berkurang baterai lagi.
Nah, inovasi terakhir yang diwujudkan dalam peralihan ke proses teknologi 0,13 mikron ini adalah penggunaan silikon wafer (wafer) dengan diameter 300 mm. Ingatlah bahwa sebelumnya, sebagian besar prosesor dan sirkuit mikro diproduksi berdasarkan wafer 200 mm.
Meningkatkan diameter wafer mengurangi biaya setiap prosesor dan meningkatkan hasil produk dengan kualitas yang memadai. Memang, luas wafer dengan diameter 300 mm adalah 2,25 kali lebih besar dari luas wafer dengan diameter masing-masing 200 mm, dan jumlah prosesor yang diperoleh dari satu wafer dengan diameter 300 mm lebih dari dua kali lebih besar.
Pada tahun 2003, diharapkan pengenalan proses teknologi baru dengan standar desain yang lebih rendah, yaitu 90 nanometer. Teknologi proses baru yang akan diproduksi oleh Intel untuk sebagian besar produknya, termasuk prosesor, chipset, dan peralatan komunikasi, dikembangkan di pabrik percontohan wafer 300mm Intel D1C di Hillsboro, Oregon.
Pada tanggal 23 Oktober 2002, Intel Corporation mengumumkan pembukaan fasilitas baru senilai $2 miliar di Rio Rancho, New Mexico. Pabrik baru, bernama F11X, akan digunakan teknologi modern, yang menurutnya prosesor pada substrat 300 mm akan diproduksi menggunakan proses teknologi dengan norma desain 0,13 mikron. Pada tahun 2003, pabrik akan dipindahkan ke proses teknologi dengan standar desain 90 nm.
Selain itu, Intel telah mengumumkan dimulainya kembali pembangunan fasilitas manufaktur lainnya di Fab 24 di Leixlip, Irlandia, yang dirancang untuk membuat komponen semikonduktor pada wafer silikon 300mm dengan aturan desain 90nm. Perusahaan baru dengan total luas lebih dari 1 juta meter persegi. kaki dengan kamar yang sangat bersih dengan luas 160 ribu meter persegi. kaki diharapkan akan beroperasi pada paruh pertama tahun 2004 dan akan mempekerjakan lebih dari seribu orang. Biaya objek tersebut sekitar 2 miliar dolar.
Proses 90nm menggunakan sejumlah teknologi canggih. Ini termasuk transistor CMOS produksi massal terkecil di dunia dengan panjang gerbang 50 nm (Gambar 11), yang memberikan peningkatan kinerja sekaligus mengurangi konsumsi daya, dan lapisan oksida gerbang tertipis dari semua transistor yang pernah diproduksi hanya 1,2 nm (Gambar 12), atau kurang dari 5 lapisan atom, dan penerapan teknologi silikon bertekanan tinggi pertama di industri.
Dari karakteristik yang terdaftar, mungkin hanya konsep "silikon bertekanan" yang perlu dikomentari (Gbr. 13). Dalam silikon seperti itu, jarak antar atom lebih besar daripada di semikonduktor konvensional. Ini, pada gilirannya, memungkinkan arus mengalir lebih bebas, mirip dengan bagaimana kendaraan dengan jalur yang lebih lebar bergerak lebih bebas dan lebih cepat.
Sebagai hasil dari semua inovasi, kinerja transistor ditingkatkan sebesar 10-20%, sekaligus meningkatkan biaya produksi hanya sebesar 2%.
Selain itu, proses 90nm menggunakan tujuh lapis per keping (Gambar 14), satu lapis lebih banyak dari proses 130nm, dan sambungan tembaga.
Semua fitur ini dipadukan dengan wafer silikon 300mm memberikan keunggulan kinerja, volume, dan biaya kepada Intel. Konsumen juga diuntungkan, karena teknologi proses baru Intel memungkinkan industri untuk terus berkembang sesuai dengan Hukum Moore, meningkatkan kinerja prosesor dari waktu ke waktu.
CPU itu adalah jantung dari setiap komputer modern. Mikroprosesor apa pun pada dasarnya adalah sirkuit terintegrasi besar tempat transistor berada. Dengan melewatkan arus listrik, transistor memungkinkan Anda membuat perhitungan logika biner (on - off). Prosesor modern didasarkan pada teknologi 45 nm. 45nm (nanometer) adalah ukuran transistor tunggal pada wafer prosesor. Sampai saat ini, teknologi 90 nm banyak digunakan.
Pelatnya terbuat dari silikon, yang merupakan deposit terbesar ke-2 di kerak bumi.
Silikon diperoleh dengan perlakuan kimiawi, memurnikannya dari kotoran. Setelah itu mulai dilebur membentuk silinder silikon dengan diameter 300 milimeter. Silinder ini selanjutnya dipotong menjadi pelat dengan kawat berlian. Ketebalan masing-masing pelat sekitar 1 mm. Agar pelat memiliki permukaan yang ideal, setelah dipotong dengan seutas benang, pelat tersebut dipoles dengan gerinda khusus.
Setelah itu, permukaan wafer silikon menjadi halus sempurna. Omong-omong, banyak perusahaan manufaktur telah mengumumkan kemungkinan bekerja dengan pelat 450 mm. Semakin besar permukaannya - semakin besar jumlah transistor yang dapat ditampung, dan semakin tinggi kinerja prosesor.
CPU terdiri dari wafer silikon, di permukaannya terdapat hingga sembilan tingkat transistor, dipisahkan oleh lapisan oksida, untuk isolasi.
Perkembangan teknologi pembuatan prosesor
Gordon Moore, salah satu pendiri Intel, salah satu pemimpin dalam produksi prosesor di dunia, pada tahun 1965, berdasarkan pengamatannya, menemukan hukum yang dengannya model prosesor dan sirkuit mikro baru muncul secara berkala. Pertumbuhan jumlah transistor dalam prosesor tumbuh sekitar 2 kali lipat dalam 2 tahun. Selama 40 tahun, hukum Gordon Moore telah bekerja tanpa distorsi. Perkembangan teknologi masa depan tidak jauh - sudah ada prototipe yang berfungsi berdasarkan teknologi pembuatan prosesor 32nm dan 22nm. Hingga pertengahan tahun 2004, daya prosesor sangat bergantung pada frekuensi prosesor, tetapi mulai tahun 2005, frekuensi prosesor praktis berhenti bertambah. Ada teknologi prosesor multi-core baru. Artinya, beberapa inti prosesor dibuat dengan frekuensi clock yang sama, dan selama operasi, kekuatan inti dijumlahkan. Ini meningkatkan daya prosesor secara keseluruhan.
Di bawah ini Anda dapat menonton video tentang produksi prosesor.
Hampir semua orang tahu bahwa di dalam komputer, elemen utama di antara semua komponen "besi" adalah unit pengolah pusat. Namun kalangan orang yang membayangkan cara kerja prosesor sangat terbatas. Sebagian besar pengguna tidak tahu tentang ini. Dan bahkan ketika sistem tiba-tiba mulai "melambat", banyak orang mengira prosesor ini tidak berfungsi dengan baik, dan tidak mementingkan faktor lain. Untuk memahami sepenuhnya situasinya, pertimbangkan beberapa aspek dari CPU.
Apa itu unit pemrosesan pusat?
Terbuat dari apa prosesor?
Jika kita berbicara tentang cara kerja prosesor Intel atau AMD pesaingnya, Anda perlu melihat bagaimana chip ini diatur. Mikroprosesor pertama (omong-omong, dari Intel, model 4040) muncul kembali pada tahun 1971. Itu hanya dapat melakukan operasi penjumlahan dan pengurangan yang paling sederhana dengan hanya 4 bit informasi, yaitu memiliki arsitektur 4-bit.
Prosesor modern, seperti yang sulung, didasarkan pada transistor dan memiliki kecepatan yang jauh lebih tinggi. Mereka dibuat dengan metode fotolitografi dari sejumlah pelat silikon individu yang membentuk satu kristal, di mana transistor dicetak, seolah-olah. Skema dibuat pada akselerator khusus dengan ion boron terdispersi. Dalam struktur internal prosesor, komponen utamanya adalah core, bus, dan partikel fungsional yang disebut revisi.
Karakter utama
Seperti perangkat lain, prosesor dicirikan oleh parameter tertentu, yang ketika menjawab pertanyaan tentang cara kerja prosesor, tidak dapat diabaikan. Pertama-tama itu adalah:
- Jumlah Inti;
- jumlah utas;
- ukuran cache (memori internal);
- frekuensi jam;
- kecepatan bis.
Untuk saat ini, mari fokus pada kecepatan jam. Tak heran jika prosesor disebut sebagai jantungnya komputer. Seperti jantung, ia bekerja dalam mode denyut dengan sejumlah siklus per detik. Frekuensi jam diukur dalam MHz atau GHz. Semakin tinggi, semakin banyak operasi yang dapat dilakukan perangkat.
Pada frekuensi berapa prosesor beroperasi, Anda dapat mengetahuinya dari karakteristik yang dinyatakan atau melihat informasi di Tetapi selama pemrosesan perintah, frekuensi dapat berubah, dan selama overclocking (overlocking) dapat meningkat hingga batas ekstrim. Jadi, yang dideklarasikan hanyalah indikator rata-rata.
Jumlah inti adalah indikator yang menentukan jumlah pusat komputasi prosesor (jangan bingung dengan utas - jumlah inti dan utas mungkin tidak cocok). Karena distribusi ini, dimungkinkan untuk mengalihkan operasi ke inti lain, sehingga meningkatkan kinerja secara keseluruhan.
Cara kerja prosesor: pemrosesan instruksi
Sekarang sedikit tentang struktur perintah yang dapat dieksekusi. Jika Anda melihat cara kerja prosesor, Anda perlu memahami dengan jelas bahwa instruksi apa pun memiliki dua komponen - operasional dan operan.
Bagian operasi menunjukkan apa yang harus dilakukan sistem komputer saat ini, operan menentukan prosesor apa yang harus bekerja. Selain itu, inti prosesor dapat berisi dua pusat komputasi (kontainer, utas), yang membagi eksekusi perintah menjadi beberapa tahap:
- produksi;
- dekripsi;
- eksekusi perintah;
- mengakses memori prosesor itu sendiri
- menyimpan hasilnya.
Saat ini, caching terpisah digunakan dalam bentuk penggunaan dua tingkat memori cache, yang memungkinkan untuk menghindari intersepsi dengan dua atau lebih perintah untuk mengakses salah satu blok memori.
Prosesor menurut jenis pemrosesan instruksi dibagi menjadi linier (eksekusi instruksi sesuai urutan penulisannya), siklik dan percabangan (eksekusi instruksi setelah memproses kondisi cabang).
Operasi sedang berlangsung
Di antara fungsi utama yang ditugaskan ke prosesor, dalam arti perintah atau instruksi yang dapat dieksekusi, ada tiga tugas utama:
- operasi matematika berdasarkan perangkat aritmatika-logis;
- memindahkan data (informasi) dari satu jenis memori ke jenis lainnya;
- membuat keputusan tentang eksekusi perintah, dan atas dasar itu - pilihan untuk beralih ke eksekusi set perintah lainnya.
Interaksi dengan memori (ROM dan RAM)
Dalam proses ini, komponen seperti bus dan saluran baca/tulis yang terhubung ke perangkat penyimpanan harus diperhatikan. ROM berisi kumpulan byte permanen. Pertama, bus alamat meminta byte tertentu dari ROM, kemudian mentransfernya ke bus data, setelah itu saluran baca mengubah statusnya dan ROM menyediakan byte yang diminta.
Tetapi prosesor tidak hanya dapat membaca data dari memori akses acak tetapi juga menuliskannya. Dalam hal ini, saluran tulis digunakan. Tapi, jika Anda melihat, pada umumnya komputer modern secara teori murni, mereka dapat melakukannya tanpa RAM sama sekali, karena mikrokontroler modern dapat menempatkan byte data yang diperlukan langsung di memori chip prosesor itu sendiri. Tetapi Anda tidak dapat melakukannya tanpa ROM.
Antara lain, sistem memulai dari mode pengujian perangkat keras (perintah BIOS), dan baru kemudian kontrol ditransfer ke sistem operasi yang dapat di-boot.
Bagaimana cara memeriksa apakah prosesor berfungsi?
Sekarang mari kita lihat beberapa aspek pemeriksaan kesehatan prosesor. Harus dipahami dengan jelas bahwa jika prosesor tidak berfungsi, komputer tidak akan dapat mengunduh sama sekali.
Lain halnya ketika ingin melihat indikator penggunaan kemampuan prosesor pada saat tertentu. Ini dapat dilakukan dari "Task Manager" standar (di depan proses apa pun, ditunjukkan berapa persen dari beban prosesor yang diberikannya). Untuk menentukan parameter ini secara visual, Anda dapat menggunakan tab kinerja, tempat perubahan dilacak secara waktu nyata. Opsi lanjutan dapat dilihat dengan program khusus misalnya CPU-Z.
Selain itu, Anda dapat menggunakan banyak inti prosesor menggunakan (msconfig) dan Opsi tambahan download.
Kemungkinan masalah
Akhirnya, beberapa kata tentang masalah. Di sini, banyak pengguna sering bertanya, kata mereka, mengapa prosesor bekerja, tetapi monitor tidak menyala? KE CPU situasi ini tidak relevan. Faktanya adalah ketika Anda menyalakan komputer mana pun, itu pertama kali diuji adaptor grafis dan kemudian segala sesuatu yang lain. Mungkin masalahnya hanya di prosesor chip grafis(semua akselerator video modern memiliki prosesor grafisnya sendiri).
Tetapi dengan menggunakan contoh fungsi tubuh manusia, harus dipahami bahwa jika terjadi henti jantung, seluruh tubuh mati. Begitu pula dengan komputer. Prosesor tidak berfungsi - seluruh sistem komputer "mati".
Akar dari gaya hidup digital kita tentu berasal dari semikonduktor, yang telah memungkinkan terciptanya chip komputer canggih berbasis transistor. Mereka menyimpan dan memproses data, yang merupakan dasar dari mikroprosesor modern. Semikonduktor, yang saat ini terbuat dari pasir, merupakan komponen kunci dari hampir semua bahan peralatan elektronik, dari komputer ke laptop dan Handphone. Bahkan mobil sekarang tidak dapat melakukannya tanpa semikonduktor dan elektronik, karena semikonduktor mengontrol sistem AC, proses injeksi bahan bakar, pengapian, sunroof, kaca spion, dan bahkan kemudi (BMW Active Steering). Saat ini, hampir semua perangkat yang mengonsumsi energi dibangun di atas semikonduktor.
Mikroprosesor tidak diragukan lagi merupakan salah satu produk semikonduktor yang paling kompleks, karena jumlah transistor akan segera mencapai satu miliar, dan jangkauan fungsinya sudah luar biasa saat ini. Dual core segera hadir Prosesor inti 2 pada proses Intel 45nm yang hampir selesai, dan mereka sudah berisi 410 juta transistor (walaupun sebagian besar akan digunakan untuk cache L2 6MB). Proses 45nm dinamai berdasarkan ukuran transistor tunggal, yang sekarang sekitar 1.000 kali lebih kecil dari diameter rambut manusia. Sampai batas tertentu, inilah mengapa elektronik mulai menguasai segalanya dalam hidup kita: bahkan ketika ukuran transistor lebih besar, sangat murah untuk memproduksi sirkuit mikro yang tidak terlalu rumit, anggaran transistor cukup besar.
Pada artikel ini, kita akan melihat dasar-dasar pembuatan mikroprosesor, tetapi juga menyentuh sejarah prosesor, arsitektur, dan melihat berbagai produk di pasar. Anda dapat menemukan banyak di Internet informasi yang menarik, beberapa di antaranya tercantum di bawah ini.
- Wikipedia: Mikroprosesor. Artikel ini diulas jenis yang berbeda prosesor dan menyediakan tautan ke produsen dan halaman wiki tambahan tentang prosesor.
- Wikipedia: Mikroprosesor (Kategori). Lihat bagian mikroprosesor untuk lebih banyak tautan dan informasi.
Pesaing PC: AMD dan Intel
Didirikan pada tahun 1969, Advanced Micro Devices Inc. berkantor pusat di Sunnyvale, California, sementara jantung Intel, yang didirikan hanya setahun sebelumnya, berada beberapa mil jauhnya di Santa Clara. AMD saat ini memiliki dua pabrik: di Austin (Texas, AS) dan di Dresden (Jerman). Pabrik baru akan segera beroperasi. Selain itu, AMD telah bergabung dengan IBM dalam pengembangan teknologi dan manufaktur prosesor. Tentu saja, semua ini hanyalah sebagian kecil dari ukuran Intel, karena pemimpin pasar saat ini memiliki hampir 20 pabrik di sembilan lokasi. Sekitar setengahnya digunakan untuk produksi mikroprosesor. Jadi saat Anda membandingkan AMD dan Intel, ingatlah bahwa Anda membandingkan David dan Goliath.
Intel memiliki keunggulan yang tak terbantahkan dalam bentuk yang sangat besar kapasitas produksi. Ya, perusahaan saat ini adalah pemimpin dalam penerapan proses teknologi canggih. Intel sekitar satu tahun lebih maju dari AMD dalam hal ini. Hasilnya, Intel dapat menggunakan prosesornya lagi transistor dan lebih banyak cache. AMD, tidak seperti Intel, harus mengoptimalkan proses teknis seefisien mungkin untuk mengimbangi pesaing dan merilis prosesor yang layak. Tentu saja, desain prosesor dan arsitekturnya sangat berbeda, tetapi proses teknis produksinya didasarkan pada hal yang sama prinsip dasar. Meskipun, tentu saja, ada banyak perbedaan di dalamnya.
Pembuatan mikroprosesor
Produksi mikroprosesor terdiri dari dua tahap penting. Yang pertama adalah produksi substrat, yang dilakukan AMD dan Intel di pabrik mereka. Ini termasuk memberikan sifat konduktif ke substrat. Tahap kedua adalah pengujian substrat, perakitan dan pengemasan prosesor. Operasi terakhir biasanya dilakukan di negara yang lebih murah. Jika Anda melihat prosesor Intel, Anda akan menemukan bahwa kemasannya dibuat di Kosta Rika, Malaysia, Filipina, dll.
AMD dan Intel sekarang mencoba untuk menghasilkan produk untuk jumlah segmen pasar maksimum, terlebih lagi, berdasarkan kemungkinan kristal seminimal mungkin. Contoh yang bagus adalah jajaran prosesor Intel Core 2 pasangan. Ada tiga prosesor di sini, dengan nama kode untuk pasar yang berbeda: Merom for aplikasi seluler, Conroe - versi desktop, Woodcrest - versi server. Ketiga prosesor tersebut dibuat dengan basis teknologi yang sama, yang memungkinkan pabrikan membuat keputusan pada tahap produksi terakhir. Fitur dapat diaktifkan atau dinonaktifkan, dan kecepatan jam saat ini memberi Intel tingkat hasil chip yang sangat baik. Jika ada peningkatan permintaan pasar untuk prosesor seluler, Intel mungkin fokus pada model Socket 479. Jika permintaan untuk model desktop meningkat, perusahaan akan menguji, memvalidasi, dan paket mati untuk Socket 775, sedangkan prosesor server dikemas untuk Socket 771. Bahkan prosesor quad-core dibuat dengan cara ini: dua mati dual-core dipasang dalam satu paket, jadi kami mendapatkan empat inti.
Bagaimana keripik dibuat
Produksi chip terdiri dari pengenaan lapisan tipis dengan "pola" kompleks pada substrat silikon. Pertama, lapisan isolasi dibuat yang berfungsi sebagai rana listrik. Bahan photoresist kemudian diterapkan di atas, dan area yang tidak diinginkan dihilangkan menggunakan masker dan iradiasi intensitas tinggi. Saat area yang diradiasi dihilangkan, area silikon dioksida akan terbuka di bawahnya, yang dihilangkan dengan etsa. Setelah itu, bahan fotoresistif juga dihilangkan, dan kami mendapatkan struktur tertentu pada permukaan silikon. Lalu diadakan proses tambahan fotolitografi, dengan bahan yang berbeda, hingga diperoleh struktur 3D yang diinginkan. Setiap lapisan dapat didoping dengan zat atau ion tertentu, mengubah sifat listriknya. Jendela dibuat di setiap lapisan untuk kemudian membawa sambungan logam.
Sedangkan untuk produksi substrat, mereka harus dipotong dari satu silinder kristal tunggal menjadi "panekuk" tipis agar nantinya mudah dipotong menjadi kristal prosesor terpisah. Pengujian canggih dilakukan di setiap langkah produksi untuk menilai kualitas. Probe listrik digunakan untuk menguji setiap chip pada substrat. Terakhir, substrat dipotong menjadi inti individu, inti yang tidak berfungsi segera dihilangkan. Bergantung pada karakteristiknya, inti menjadi satu atau beberapa prosesor dan disertakan dalam paket yang memfasilitasi pemasangan prosesor pada papan utama. Semua blok fungsional menjalani tes stres intensif.
Semuanya dimulai dengan pembalut
Langkah pertama dalam pembuatan prosesor dilakukan di ruangan yang bersih. Ngomong-ngomong, penting untuk dicatat bahwa produksi teknologi semacam itu merupakan akumulasi modal yang sangat besar per meter persegi. Pembangunan pabrik modern dengan semua peralatannya dengan mudah "menghabiskan" 2-3 miliar dolar, dan butuh beberapa bulan untuk menguji teknologi baru. Hanya dengan begitu pabrik dapat memproduksi prosesor secara massal.
Secara umum, proses pembuatan chip terdiri dari beberapa langkah pemrosesan substrat. Ini termasuk pembuatan substrat itu sendiri, yang pada akhirnya akan dipotong menjadi kristal individu.
Semuanya dimulai dengan menumbuhkan satu kristal, di mana benih kristal tertanam dalam bak silikon cair, yang terletak tepat di atas titik leleh silikon polikristalin. Penting agar kristal tumbuh perlahan (sekitar satu hari) untuk memastikan atom tersusun dengan benar. Silikon polikristalin atau amorf terdiri dari berbagai macam kristal yang akan menghasilkan struktur permukaan yang tidak diinginkan dengan sifat listrik yang buruk. Setelah silikon dilelehkan, ia dapat didoping dengan zat lain yang mengubah sifat kelistrikannya. Seluruh proses berlangsung di ruangan tertutup dengan komposisi udara khusus agar silikon tidak teroksidasi.
Kristal tunggal dipotong menjadi "panekuk" menggunakan gergaji berlian bundar, yang sangat akurat dan tidak menimbulkan ketidakteraturan yang besar pada permukaan media. Tentu saja, dalam hal ini permukaan media masih belum rata sempurna, sehingga diperlukan operasi tambahan.
Pertama, menggunakan pelat baja yang berputar dan bahan abrasif (seperti aluminium oksida), lapisan tebal dihilangkan dari substrat (proses yang disebut lapping). Akibatnya, ketidakteraturan dengan ukuran mulai dari 0,05 mm hingga kira-kira 0,002 mm (2.000 nm) dihilangkan. Tepi setiap media kemudian harus dibulatkan, karena tepi yang tajam dapat menyebabkan lapisan terkelupas. Selanjutnya digunakan proses etsa, bila menggunakan berbagai bahan kimia (asam fluorida, asam asetat, asam nitrat) permukaannya dihaluskan sekitar 50 mikron. Tidak ada kerusakan fisik pada permukaan karena seluruh proses sepenuhnya bersifat kimiawi. Ini memungkinkan Anda untuk menghilangkan kesalahan yang tersisa dalam struktur kristal, akibatnya permukaan akan mendekati ideal.
Langkah terakhir adalah pemolesan, yang menghaluskan permukaan hingga kekasaran, maksimum 3 nm. Pemolesan dilakukan dengan campuran natrium hidroksida dan butiran silika.
Saat ini, wafer mikroprosesor berdiameter 200 atau 300 mm, memungkinkan pembuat chip mendapatkan banyak prosesor dari setiap wafer. Langkah selanjutnya adalah media 450 mm, tetapi sebelum 2013 seharusnya tidak diharapkan. Secara umum, semakin besar diameter substrat, semakin banyak chip dengan ukuran yang sama dapat diproduksi. Substrat 300 mm, misalnya, menghasilkan lebih dari dua kali lipat lebih prosesor dari 200 mm.
Kami telah menyebutkan doping, yang dilakukan selama pertumbuhan kristal tunggal. Tetapi doping dilakukan baik dengan substrat yang sudah jadi maupun selama proses fotolitografi nanti. Ini memungkinkan Anda untuk mengubah sifat listrik dari area dan lapisan tertentu, dan bukan seluruh struktur kristal.
Penambahan dopan dapat terjadi melalui difusi. Atom dopan mengisi ruang kosong di dalam kisi kristal, di antara struktur silikon. Dalam beberapa kasus, struktur yang ada juga dapat didoping. Difusi dilakukan dengan bantuan gas (nitrogen dan argon) atau dengan bantuan padatan atau sumber dopan lainnya.
Pendekatan lain untuk doping adalah implantasi ion, yang sangat berguna dalam mengubah sifat substrat yang telah didoping, karena implantasi ion dilakukan pada suhu biasa. Oleh karena itu, pengotor yang ada tidak menyebar. Topeng dapat diterapkan ke media, yang memungkinkan Anda memproses hanya area tertentu. Tentu saja, seseorang dapat berbicara tentang implantasi ion untuk waktu yang lama dan membahas kedalaman penetrasi, aktivasi aditif pada suhu tinggi, efek saluran, penetrasi ke tingkat oksida, dll., Tetapi ini di luar cakupan artikel kami. Prosedur ini dapat diulangi beberapa kali selama produksi.
Untuk membuat bagian dari sirkuit terpadu, proses fotolitografi digunakan. Karena dalam hal ini tidak perlu menyinari seluruh permukaan substrat, penting untuk menggunakan apa yang disebut masker, yang mentransmisikan radiasi intensitas tinggi hanya ke area tertentu. Topeng dapat dibandingkan dengan negatif hitam dan putih. Sirkuit terpadu memiliki banyak lapisan (20 atau lebih), dan masing-masing membutuhkan topengnya sendiri.
Struktur film krom tipis diterapkan pada permukaan pelat kaca kuarsa untuk membuat templat. Pada saat yang sama, alat mahal yang menggunakan berkas elektron atau laser menulis data yang diperlukan dari sirkuit terintegrasi, sebagai hasilnya kita mendapatkan pola kromium pada permukaan substrat kuarsa. Penting untuk dipahami bahwa setiap modifikasi sirkuit terintegrasi mengarah pada kebutuhan untuk memproduksi masker baru, sehingga seluruh proses pembuatan perubahan sangat mahal. Untuk sangat skema yang kompleks topeng dibuat untuk waktu yang sangat lama.
Menggunakan fotolitografi, struktur dibentuk pada substrat silikon. Proses ini diulangi beberapa kali hingga tercipta banyak lapisan (lebih dari 20). Lapisan dapat terdiri dari bahan yang berbeda, terlebih lagi, Anda juga perlu memikirkan koneksi dengan kabel mikroskopis. Semua lapisan dapat dicampur.
Sebelum proses fotolitografi dimulai, substrat dibersihkan dan dipanaskan untuk menghilangkan partikel dan air yang lengket. Substrat kemudian dilapisi dengan silikon dioksida menggunakan alat khusus. Selanjutnya, bonding agent diaplikasikan pada substrat, yang memastikan bahwa bahan photoresist yang akan diterapkan pada langkah selanjutnya tetap berada pada substrat. Bahan photoresist diterapkan pada bagian tengah substrat, yang kemudian mulai berputar dengan kecepatan tinggi sehingga lapisan tersebut didistribusikan secara merata ke seluruh permukaan substrat. Substrat kemudian dipanaskan lagi.
Penutup kemudian disinari melalui topeng dengan laser kuantum, radiasi ultraviolet keras, sinar-X, berkas elektron atau berkas ion - semua sumber cahaya atau energi ini dapat digunakan. Sinar elektron terutama digunakan untuk masker, sinar-X dan sinar ion untuk tujuan penelitian, dan produksi industri saat ini didominasi oleh radiasi UV keras dan laser gas.
Radiasi UV keras pada panjang gelombang 13,5 nm menyinari bahan photoresist saat melewati topeng.
Waktu proyeksi dan fokus sangat penting untuk mendapatkan hasil yang diinginkan. Pemfokusan yang buruk akan menghasilkan partikel tambahan dari bahan fotoresis yang tersisa, karena beberapa lubang di masker tidak akan disinari dengan benar. Hal yang sama akan terjadi jika waktu proyeksi terlalu singkat. Maka struktur photoresist akan terlalu lebar, area di bawah lubang akan kurang terang. Sebaliknya, waktu proyeksi yang berlebihan menciptakan area yang terlalu luas di bawah lubang dan struktur fotoresis yang terlalu sempit. Sebagai aturan, sangat memakan waktu dan sulit untuk menyesuaikan dan mengoptimalkan prosesnya. Penyesuaian yang tidak berhasil akan menyebabkan penyimpangan serius pada konduktor penghubung.
Unit proyeksi pijakan khusus menggerakkan media ke posisi yang diinginkan. Kemudian garis atau satu bagian dapat diproyeksikan, paling sering sesuai dengan satu chip prosesor. Pengaturan mikro tambahan dapat membuat perubahan tambahan. Mereka dapat men-debug teknologi yang ada dan mengoptimalkan prosesnya. Instalasi mikro biasanya bekerja di area kurang dari 1 meter persegi. mm, sedangkan instalasi konvensional mencakup area yang lebih luas.
Substrat kemudian melanjutkan ke tahap baru di mana bahan photoresist yang melemah dihilangkan, memungkinkan akses ke silikon dioksida. Ada proses etsa basah dan kering yang mengolah area silikon dioksida. Proses basah menggunakan senyawa kimia, sedangkan proses kering menggunakan gas. Proses terpisah adalah menghilangkan sisa-sisa bahan photoresist. Pabrikan sering menggabungkan penghilangan basah dan kering sehingga bahan photoresist benar-benar hilang. Hal ini penting karena bahan photoresist bersifat organik dan jika dibiarkan dapat menyebabkan cacat pada substrat. Setelah mengetsa dan membersihkan, Anda dapat melanjutkan ke pemeriksaan media, yang biasanya terjadi pada masing-masing media tonggak pencapaian, atau transfer substrat ke siklus fotolitografi baru.
Uji substrat, perakitan, pengemasan
Substrat jadi diuji pada apa yang disebut unit kontrol probe. Mereka bekerja dengan seluruh media. Kontak probe ditumpangkan pada kontak masing-masing kristal, memungkinkan pengujian kelistrikan dilakukan. Perangkat lunak menguji semua fungsi dari setiap inti.
Dengan memotong dari substrat, inti individu dapat diperoleh. Saat ini, instalasi kontrol probe sudah mengidentifikasi kristal mana yang mengandung kesalahan, sehingga setelah dipotong dapat dipisahkan dari yang baik. Sebelumnya, kristal yang rusak ditandai secara fisik, sekarang tidak diperlukan, semua informasi disimpan dalam satu basis data.
Gunung kristal
Inti fungsional kemudian perlu diikat ke paket prosesor menggunakan bahan perekat.
Maka Anda perlu membuat sambungan kabel yang menghubungkan kontak atau kaki paket dan kristal itu sendiri. Sambungan emas, aluminium atau tembaga dapat digunakan.
Sebagian besar prosesor modern menggunakan kemasan plastik dengan penyebar panas.
Biasanya, inti dibungkus dalam kemasan keramik atau plastik untuk mencegah kerusakan. Prosesor modern dilengkapi dengan apa yang disebut penyebar panas, yang memberikan perlindungan tambahan untuk kristal, serta permukaan kontak yang besar dengan pendingin.
Pengujian prosesor
Tahap terakhir melibatkan pengujian prosesor, yang terjadi pada temperatur tinggi, sesuai dengan spesifikasi prosesor. Prosesor secara otomatis dipasang di soket uji, setelah itu semua fungsi yang diperlukan dianalisis.
Memuat...