Aceasta poate părea o întrebare prostească la care se poate răspunde într-o singură propoziție: Siliciul este elementul 14 din tabelul periodic. Cu toate acestea, siliciul este menționat mai des decât altele pe site-urile de electronice, deoarece nu este doar componenta principală a majorității materialelor de construcție, ci și baza pentru procesoarele de computer moderne și chiar candidatul cel mai probabil pentru rolul elementului de bază al „non”. -carbon life". Ce face special siliciul?
Siliciu ca material de construcție
După oxigen, siliciul este cel mai comun element din scoarța terestră, dar găsirea lui nu este atât de ușoară, deoarece nu se găsește aproape niciodată în forma sa pură. Cel mai comun în natură este silicatul SiO4 sau dioxidul de siliciu SiO2. Siliciul este, de asemenea, componenta principală a nisipului. Feldspat, granit, cuarț - toate se bazează pe o combinație de siliciu și oxigen.
Compușii de siliciu au o gamă largă de proprietăți utile, în principal pentru că pot lega alți atomi foarte strâns în structuri complexe. Diferiți silicați, cum ar fi silicatul de calciu, sunt constituentul principal al cimentului, principalul liant al betonului și chiar al tencuielii. Unele materiale silicate sunt folosite în ceramică și, desigur, sticlă. În plus, siliciul este adăugat la substanțe precum fonta pentru a face aliajul mai durabil.
Și, da, siliciul este, de asemenea, principala componentă structurală a siliconului materialului sintetic, motiv pentru care siliconul (siliconul) este adesea confundat cu siliciul (siliconul). Un exemplu celebru este Silicon Valley, care este de fapt siliciu.
Siliciu ca cip de calculator
La alegerea unui material pentru baza tranzistorilor de calculator, rezistența a fost un factor cheie. Conductorii au rezistență scăzută și conduc curentul foarte ușor, în timp ce izolatoarele blochează curentul datorită rezistenței lor ridicate. Tranzistorul trebuie să combine ambele proprietăți.
Siliciul nu este singura substanță semiconductoare de pe Pământ - nici măcar nu este cel mai bun semiconductor. Cu toate acestea, este disponibil pe scară largă. Nu este greu de mine și ușor de lucrat. Și, cel mai important, oamenii de știință au găsit o modalitate fiabilă de a obține cristale ordonate din acesta. Aceste cristale sunt pentru silicon ceea ce diamantul este pentru diamant.
Construcția cristalelor ideale este unul dintre principalele aspecte ale producției de cipuri de calculator. Aceste cristale sunt apoi tăiate în napolitane subțiri, gravate, procesate și trec prin sute de tratamente înainte de a deveni procesatori comerciali. Este posibil să se facă tranzistori mai buni din carbon sau materiale exotice precum germaniul, dar niciunul dintre ele nu va face posibilă recrearea unei astfel de producții la scară largă - cel puțin nu încă.
În momentul de față, cristalele de siliciu sunt create în cilindri de 300 mm, dar cercetările se apropie rapid de pragul de 450 mm. Acest lucru ar trebui să reducă costurile de producție, dar să mențină viteza de creștere. Ce după aceea? Probabil că în sfârșit va trebui să renunțăm la siliciu în favoarea unui material mai avansat - vești bune pentru progres, dar aproape sigur vești proaste pentru portofelul tău.
Siliciul ca viață extraterestră
Expresia „viață de carbon” este menționată destul de des, dar ce înseamnă? Aceasta înseamnă că moleculele structurale de bază ale corpului nostru (proteine, aminoacizi, acizi nucleici, acizi grași etc.) sunt construite pe baza atomilor de carbon. Acest lucru se datorează faptului că carbonul poate fi tetravalent. Oxigenul poate forma două legături chimice stabile în același timp, azotul poate forma doar trei, dar carbonul poate conține până la patru atomi diferiți simultan. Aceasta este o bază puternică pentru construirea de molecule și dezvoltarea vieții.
Deoarece tabelul periodic este ordonat astfel încât elementele din coloana verticală să aibă proprietăți chimice similare - iar chiar sub carbon este siliciul. Acesta este motivul pentru care atât de mulți teoreticieni acordă atenție „vieții de siliciu”, unul dintre argumentele în favoarea lor este faptul că siliciul este și tetravalent.
Desigur, având în vedere că pe Pământ există mult mai mult siliciu decât carbon, trebuie să existe un motiv întemeiat pentru care viața organică se bazează pe carbon. Și aici trebuie să ne întoarcem din nou la tabelul periodic. Elementele care sunt mai jos pe verticală au nuclee mai grele și învelișuri de electroni mai mari, astfel încât siliciul este mai puțin potrivit pentru sarcini de precizie precum construirea ADN-ului din cauza dimensiunii sale. Astfel, într-o altă parte a Universului, dezvoltarea unui organism bazat pe siliciu este teoretic posibilă, dar acest lucru este puțin probabil să se întâmple pe planeta noastră.
Siliciul va fi în știri pentru o lungă perioadă de timp de acum încolo, deoarece chiar dacă un element îl înlocuiește ca bază pentru calculul computerizat, va dura foarte mult timp înainte de tranziția completă. În plus, există și alte domenii de aplicare a acestuia și este posibil să se găsească noi modalități de utilizare a acestei substanțe. După toate probabilitățile, siliciul va rămâne în continuare una dintre principalele substanțe din lumea fizică a activității umane.
Cum se fac microcipurile
Pentru a înțelege care este principala diferență dintre aceste două tehnologii, este necesar scurtă digresiuneîn însăși tehnologia de producție a procesoarelor moderne sau a circuitelor integrate.
După cum se știe de la cursul școlar de fizică, în electronice moderne principalele componente ale circuitelor integrate sunt semiconductori de tip p și de tip n (în funcție de tipul conducției). Un semiconductor este o substanță cu conductivitate superioară dielectricilor, dar inferioară metalelor. Ambele tipuri de semiconductori pot avea la bază siliciu (Si), care în forma sa pură (așa-numitul semiconductor intrinsec) este un slab conductor al curentului electric, dar adăugarea (încorporarea) unei anumite impurități în siliciu face posibilă își schimbă radical proprietățile conductoare. Există două tipuri de impurități: donor și acceptor. Impuritatea donor duce la formarea de semiconductori de tip n cu un tip de conductivitate electronică, în timp ce impuritatea acceptoare duce la formarea de semiconductori de tip p cu o conductivitate de tip orificiu. Contactele p- și n-conductori fac posibilă formarea tranzistoarelor, principalele elemente structurale ale microcircuitelor moderne. Astfel de tranzistori, numiti tranzistori CMOS, pot fi în două stări de bază: deschise, când conduc electricitatea, și blocate în timp ce nu conduc electricitatea. Deoarece tranzistoarele CMOS sunt elementele principale ale microcircuitelor moderne, haideți să vorbim despre ele mai detaliat.
Cum funcționează un tranzistor CMOS
Cel mai simplu tranzistor CMOS de tip n are trei electrozi: sursă, poartă și scurgere. Tranzistorul în sine este realizat într-un semiconductor de tip p cu conductivitate în orificii, iar semiconductorii de tip n cu conductivitate electronică sunt formați în regiunile de dren și sursă. În mod natural, datorită difuziei găurilor din regiunea p în regiunea n și difuzarea inversă a electronilor din regiunea n în regiunea p, se formează straturi epuizate (straturi în care nu există purtători de sarcină principali). la limitele de tranziție ale regiunilor p și n. În stare normală, adică atunci când nu se aplică nicio tensiune pe poartă, tranzistorul este într-o stare „blocat”, adică nu este capabil să conducă curentul de la sursă la dren. Situația nu se schimbă chiar dacă se aplică o tensiune între dren și sursă (nu ținem cont de curenții de scurgere provocați de mișcarea purtătorilor de sarcină minori sub influența câmpurilor electrice generate, adică găurile pentru regiune n şi electroni pentru regiunea p).
Cu toate acestea, dacă se aplică un potențial pozitiv porții (Fig. 1), atunci situația se va schimba radical. Sub influența câmpului electric al porții, găurile sunt împinse adânc în p-semiconductor, iar electronii, dimpotrivă, sunt atrași în regiunea de sub poartă, formând un canal bogat în electroni între sursă și scurgere. Dacă se aplică o tensiune pozitivă la poartă, acești electroni încep să se deplaseze de la sursă la dren. În acest caz, tranzistorul conduce curent, ei spun că tranzistorul „se deschide”. Dacă tensiunea este îndepărtată de la poartă, electronii încetează să fie atrași în regiunea dintre sursă și scurgere, canalul conductor este distrus și tranzistorul încetează să treacă curent, adică se „blochează”. Astfel, prin schimbarea tensiunii la poartă, puteți porni sau opri tranzistorul, în același mod în care puteți porni sau opri un comutator basculant convențional, controlând fluxul de curent prin circuit. Acesta este motivul pentru care tranzistoarele sunt uneori numite comutatoare electronice. Cu toate acestea, spre deosebire de comutatoarele mecanice convenționale, tranzistoarele CMOS nu au practic nicio inerție și sunt capabile să comute de la starea de pornire la starea oprită de trilioane de ori pe secundă! Această caracteristică, adică capacitatea de a comuta instantaneu, determină în cele din urmă viteza procesorului, care constă din zeci de milioane de astfel de tranzistori simpli.
Deci, un circuit integrat modern este format din zeci de milioane dintre cele mai simple tranzistoare CMOS. Să ne oprim mai în detaliu asupra procesului de fabricație a microcircuitelor, a cărui primă etapă este pregătirea substraturilor de siliciu.
Pasul 1. Creșterea spațiilor libere
Crearea unor astfel de substraturi începe cu creșterea unui monocristal de siliciu cilindric. Ulterior, plăci rotunde (napolitane) sunt tăiate din astfel de semifabricate de un singur cristal (marturi), a căror grosime este de aproximativ 1/40 inch, iar diametrul este de 200 mm (8 inchi) sau 300 mm (12 inci). Acestea sunt substraturile de siliciu utilizate pentru producerea de microcircuite.
La formarea plachetelor din monocristale de siliciu, se ține cont de circumstanța că pentru structurile cristaline ideale, proprietățile fizice depind în mare măsură de direcția aleasă (proprietatea de anizotropie). De exemplu, rezistența unui substrat de siliciu va fi diferită în direcțiile longitudinale și transversale. În mod similar, în funcție de orientarea rețelei cristaline, cristalul de siliciu va reacționa diferit la orice influențe externe asociate cu prelucrarea sa ulterioară (de exemplu, gravare, pulverizare etc.). Prin urmare, placa trebuie tăiată dintr-un singur cristal în așa fel încât orientarea rețelei cristaline față de suprafață să fie strict menținută într-o anumită direcție.
După cum sa menționat deja, diametrul unui semifabricat de siliciu monocristal este fie de 200, fie de 300 mm. Mai mult, diametrul de 300 mm este relativ tehnologie nouă, despre care vom discuta mai jos. Este clar că o placă cu un astfel de diametru poate găzdui mult mai mult de un cip, chiar dacă vorbim de un procesor Intel Pentium 4. Într-adevăr, pe o astfel de placă de substrat sunt formate câteva zeci de microcircuite (procesoare), dar pentru simplitate avem va lua în considerare numai procesele care au loc o zonă mică a unui viitor microprocesor.
Pasul 2. Aplicarea unei pelicule protectoare de dielectric (SiO2)
După formarea substratului de siliciu, începe etapa creării celei mai complexe structuri semiconductoare.
Pentru a face acest lucru, este necesar să se introducă în siliciu așa-numitele impurități donor și acceptor. Cu toate acestea, se pune întrebarea cum se efectuează introducerea impurităților conform unui model-model precis? Pentru a face acest lucru posibil, acele zone în care impuritățile nu sunt necesare sunt protejate cu o peliculă specială de dioxid de siliciu, lăsând doar acele zone care sunt expuse procesării ulterioare (Fig. 2). Procesul de formare a unei astfel de pelicule de protecție a modelului dorit constă în mai multe etape.
În prima etapă, întreaga placă de siliciu este acoperită complet cu o peliculă subțire de dioxid de siliciu (SiO2), care este un izolator foarte bun și acționează ca o peliculă de protecție în timpul prelucrării ulterioare a cristalului de siliciu. Placile sunt plasate într-o cameră în care, la temperatură ridicată (de la 900 la 1100 °C) și presiune, oxigenul difuzează în straturile de suprafață ale plachetei, ducând la oxidarea siliciului și formarea unei pelicule la suprafață de dioxid de siliciu. Pentru ca filmul de dioxid de siliciu să aibă o grosime precis specificată și să nu conțină defecte, este necesar să se mențină cu strictețe o temperatură constantă în toate punctele plăcii în timpul procesului de oxidare. Dacă nu întreaga placă trebuie acoperită cu o peliculă de dioxid de siliciu, atunci se aplică în prealabil o mască de Si3N4 pe substratul de siliciu pentru a preveni oxidarea nedorită.
Pasul 3 Aplicați Photoresist
După ce substratul de siliciu este acoperit folie protectoare dioxid de siliciu, este necesar să îndepărtați această peliculă din acele locuri care vor fi supuse unei prelucrări ulterioare. Filmul este îndepărtat prin gravare și pentru a proteja zonele rămase de gravare, pe suprafața plăcii se aplică un strat de așa-numit fotorezist. Termenul "fotorezistent" se referă la compoziții sensibile la lumină și rezistente la factorii agresivi. Compozițiile utilizate trebuie să aibă, pe de o parte, anumite proprietăți fotografice (devin solubile sub influența luminii ultraviolete și să fie spălate în timpul procesului de gravare) și, pe de altă parte, rezistive, permițându-le să reziste la gravarea în acizi și alcaline. , incalzire etc. Scopul principal al fotorezistelor este de a crea un relief de protecție a configurației dorite.
Procesul de aplicare a unui fotorezist și iradierea ulterioară a acestuia cu ultraviolete conform unui model dat se numește fotolitografie și include următoarele operații principale: formarea unui strat de fotorezist (tratarea substratului, depunere, uscare), formarea unui relief protector (expunere, dezvoltare). , uscare) și transferul imaginii pe substrat (gravare, depunere etc.).
Înainte de aplicarea stratului de fotorezist (fig. 3) pe substrat, acesta din urmă este supus unui pretratament, în urma căruia aderența sa la stratul de fotorezist este îmbunătățită. Pentru aplicarea unui strat uniform de fotorezist se folosește metoda centrifugării. Substratul este plasat pe un disc rotativ (centrifugă), iar sub influența forțelor centrifuge, fotorezistul este distribuit pe suprafața substratului într-un strat aproape uniform. (Vorbind despre un strat practic uniform, se ține cont de faptul că sub acțiunea forțelor centrifuge grosimea peliculei formate crește de la centru spre margini, totuși, această metodă de aplicare a fotorezistului permite să reziste la fluctuațiile de grosimea stratului de ± 10%).
Pasul 4. Litografia
După aplicarea și uscarea stratului de fotorezist începe etapa de formare a reliefului protector necesar. Relieful se formează ca urmare a faptului că, sub acțiunea radiațiilor ultraviolete care cad pe anumite zone ale stratului fotorezistent, acesta din urmă modifică proprietățile de solubilitate, de exemplu, zonele iluminate încetează să se dizolve în solvent, care elimină zonele. a stratului care nu a fost expus la iluminare, sau invers - zonele iluminate se dizolvă. În funcție de modul în care se formează relieful, fotorezistele sunt împărțite în negative și pozitive. Fotorezistele negative sub acțiunea radiațiilor ultraviolete formează zone de protecție ale reliefului. Fotorezistele pozitive, dimpotrivă, sub influența radiațiilor ultraviolete dobândesc proprietăți de fluiditate și sunt spălate de solvent. În consecință, se formează un strat protector în acele zone care nu sunt expuse la radiații ultraviolete.
Pentru a ilumina zonele dorite ale stratului fotorezistent, se folosește un șablon special de mască. Cel mai adesea, plăci de sticlă optică cu elemente opace obținute printr-o metodă fotografică sau altă metodă sunt utilizate în acest scop. De fapt, un astfel de șablon conține un desen al unuia dintre straturile viitorului microcircuit (pot fi câteva sute de astfel de straturi în total). Deoarece acest model este o referință, trebuie realizat cu mare precizie. În plus, ținând cont de faptul că o mulțime de fotoplăci vor fi realizate folosind o singură fotomască, aceasta trebuie să fie durabilă și rezistentă la deteriorare. Din aceasta rezultă clar că o fotomască este un lucru foarte scump: în funcție de complexitatea microcircuitului, poate costa zeci de mii de dolari.
Radiația ultravioletă care trece printr-un astfel de model (Fig. 4) luminează doar zonele dorite ale suprafeței stratului de fotorezist. După iradiere, fotorezistul este supus dezvoltării, în urma căreia părțile inutile ale stratului sunt îndepărtate. Aceasta deschide partea corespunzătoare a stratului de dioxid de siliciu.
În ciuda simplității aparente a procesului fotolitografic, această etapă a producției de microcip este cea mai dificilă. Cert este că, în conformitate cu predicția lui Moore, numărul de tranzistori de pe un singur cip crește exponențial (se dublează la fiecare doi ani). O astfel de creștere a numărului de tranzistori este posibilă numai datorită unei scăderi a dimensiunii acestora, dar tocmai scăderea „se sprijină” pe procesul litografiei. Pentru a face tranzistorii mai mici, este necesar să se reducă dimensiunile geometrice ale liniilor aplicate stratului de fotorezist. Dar există o limită pentru orice - nu este atât de ușor să focalizezi un fascicul laser într-un punct. Faptul este că, în conformitate cu legile opticii undelor, dimensiunea minimă a spotului în care este focalizat fasciculul laser (de fapt, acesta nu este doar un punct, ci un model de difracție) este determinată, printre alți factori, de lungimea de undă a luminii. Dezvoltarea tehnologiei litografice de la inventarea ei la începutul anilor 70 a fost în direcția scurtării lungimii de undă a luminii. Acesta este ceea ce a făcut posibilă reducerea dimensiunii elementelor circuit integrat. De la mijlocul anilor 1980, radiația ultravioletă produsă de un laser a fost folosită în fotolitografie. Ideea este simplă: lungimea de undă a radiației ultraviolete este mai scurtă decât lungimea de undă a luminii vizibile, prin urmare este posibil să se obțină linii mai fine pe suprafața fotorezistului. Până de curând, pentru litografie era folosită radiația ultravioletă profundă (Deep Ultra Violet, DUV) cu o lungime de undă de 248 nm. Cu toate acestea, atunci când fotolitografia a trecut granița de 200 nm, au apărut probleme serioase, punând pentru prima dată sub semnul întrebării posibilitatea utilizării în continuare a acestei tehnologii. De exemplu, la o lungime de undă mai mică de 200 µm, prea multă lumină este absorbită de stratul fotosensibil, astfel încât procesul de transfer al șablonului de circuit la procesor devine mai complicat și mai lent. Probleme ca acestea îi determină pe cercetători și producători să caute alternative la tehnologia litografică tradițională.
Noua tehnologie de litografie, numită litografie EUV (Extreme UltraViolet ultraviolet radiation), se bazează pe utilizarea radiației ultraviolete cu o lungime de undă de 13 nm.
Trecerea de la litografia DUV la EUV oferă o reducere de peste 10 ori a lungimii de undă și o tranziție la un interval în care este comparabilă cu dimensiunea de doar câteva zeci de atomi.
Tehnologia litografică actuală face posibilă aplicarea unui șablon cu o lățime minimă a conductorului de 100 nm, în timp ce litografia EUV face posibilă imprimarea liniilor cu lățimi mult mai mici - până la 30 nm. Controlul radiațiilor ultrascurte nu este atât de ușor pe cât pare. Deoarece radiația EUV este bine absorbită de sticlă, noua tehnologie presupune utilizarea unei serii de patru oglinzi convexe speciale care reduc și focalizează imaginea obținută după aplicarea măștii (Fig. 5 , , ). Fiecare astfel de oglindă conține 80 de straturi individuale de metal cu o grosime de aproximativ 12 atomi.
Pasul 5 Gravare
După ce stratul fotorezistent este iluminat, etapa de gravare începe să îndepărteze filmul de dioxid de siliciu (Fig. 8).
Procesul de decapare este adesea asociat cu băi acide. Această metodă de gravare în acid este bine cunoscută radioamatorilor care au făcut singuri plăci de circuite imprimate. Pentru a face acest lucru, un model de piste ale viitoarei plăci este aplicat pe folie de textolit cu un lac care acționează ca un strat protector, apoi placa este coborâtă într-o baie cu acid azotic. Secțiunile inutile ale foliei sunt gravate, expunând un textolit curat. Această metodă are o serie de dezavantaje, principalul dintre acestea fiind incapacitatea de a controla cu precizie procesul de îndepărtare a stratului, deoarece prea mulți factori afectează procesul de gravare: concentrația acidului, temperatura, convecția etc. În plus, acidul interacționează cu materialul în toate direcțiile și pătrunde treptat sub marginea măștii de fotorezist, adică distruge straturile acoperite de fotorezist din lateral. Prin urmare, în producția de procesoare, se folosește o metodă de gravare uscată, numită și plasmă. Această metodă face posibilă controlul cu precizie a procesului de gravare, iar distrugerea stratului gravat are loc strict în direcția verticală.
Gravarea uscată folosește un gaz ionizat (plasmă) pentru a îndepărta dioxidul de siliciu de pe suprafața plachetei, care reacționează cu suprafața dioxidului de siliciu pentru a forma produse secundare volatile.
După procedura de gravare, adică atunci când zonele dorite de siliciu pur sunt expuse, restul fotostratului este îndepărtat. Astfel, un model de dioxid de siliciu rămâne pe substratul de siliciu.
Pasul 6. Difuzia (implantare ionică)
Reamintim că procesul anterior de formare a modelului necesar pe un substrat de siliciu a fost necesar pentru a crea structuri semiconductoare în locurile potrivite prin introducerea unei impurități donor sau acceptor. Procesul de încorporare a impurităților se realizează prin difuzie (Fig. 9) încorporare uniformă a atomilor de impurități în rețeaua cristalină de siliciu. Pentru a obține un semiconductor de tip n, se utilizează de obicei antimoniu, arsen sau fosfor. Pentru a obține un semiconductor de tip p, ca impuritate se folosește bor, galiu sau aluminiu.
Implantarea ionică este utilizată pentru procesul de difuzie a dopantului. Procesul de implantare constă în faptul că ionii impurității necesare sunt „împușcați” din acceleratorul de înaltă tensiune și, având suficientă energie, pătrund în straturile de suprafață de siliciu.
Deci, la sfârșitul etapei de implantare ionică, a fost creat stratul necesar al structurii semiconductoare. Cu toate acestea, în microprocesoare pot exista mai multe astfel de straturi. Un strat subțire suplimentar de dioxid de siliciu este crescut pentru a crea următorul strat din schema de circuit rezultată. După aceea, se aplică un strat de siliciu policristalin și un alt strat de fotorezist. Radiația ultravioletă este trecută prin a doua mască și evidențiază modelul corespunzător pe stratul foto. Apoi urmează din nou etapele de dizolvare a stratului foto, gravare și implantare ionică.
Pasul 7 Pulverizare și depunere
Impunerea de noi straturi se efectuează de mai multe ori, în timp ce „ferestre” sunt lăsate pentru conexiunile interstraturilor în straturi, care sunt umplute cu atomi de metal; ca urmare, se creează benzi metalice pe regiunile cristal-conductoare. Astfel, la procesoarele moderne, se stabilesc legături între straturi care formează o schemă tridimensională complexă. Procesul de creștere și prelucrare a tuturor straturilor durează câteva săptămâni, iar ciclul de producție în sine constă din mai mult de 300 de etape. Ca rezultat, sute de procesoare identice sunt formate pe o placă de siliciu.
Pentru a rezista la impacturile la care sunt supuse plachetele în timpul procesului de stratificare, substraturile de siliciu sunt inițial făcute suficient de groase. Prin urmare, înainte de a tăia placa în procesoare individuale, grosimea acesteia este redusă cu 33% și murdăria este îndepărtată de pe reversul. Apoi, pe partea din spate a substratului se aplică un strat dintr-un material special, ceea ce îmbunătățește fixarea cristalului pe carcasa viitorului procesor.
Pasul 8. Pasul final
La sfârșitul ciclului de formare, toate procesoarele sunt testate temeinic. Apoi, cristalele specifice care au trecut deja testul sunt tăiate de pe placa substrat folosind un dispozitiv special (Fig. 10).
Fiecare microprocesor este încorporat într-o carcasă de protecție, care asigură, de asemenea, conexiunea electrică a cipului microprocesorului cu dispozitive externe. Tipul pachetului depinde de tipul și de aplicația prevăzută a microprocesorului.
După ce a fost sigilat în carcasă, fiecare microprocesor este retestat. Procesoarele defecte sunt respinse, iar cele reparabile sunt supuse unor teste de stres. Apoi procesoarele sunt sortate în funcție de comportamentul lor sub diferite frecvențele de ceas ah și tensiuni de alimentare.
Tehnologii promițătoare
Procesul tehnologic de producere a microcircuitelor (în special, procesoarelor) a fost considerat de noi într-un mod foarte simplificat. Dar chiar și o prezentare atât de superficială face posibilă înțelegerea dificultăților tehnologice cu care se confruntă atunci când se reduce dimensiunea tranzistoarelor.
Cu toate acestea, înainte de a lua în considerare noile tehnologii promițătoare, să răspundem la întrebarea pusă chiar la începutul articolului: care este norma de proiectare a procesului tehnologic și cum, de fapt, diferă norma de proiectare de 130 nm de norma de 180 nm ? 130 nm sau 180 nm este o distanță minimă caracteristică între două elemente adiacente dintr-un strat al microcircuitului, adică un fel de pas de grilă la care sunt legate elementele de microcircuit. În același timp, este destul de evident că cu cât această dimensiune caracteristică este mai mică, cu atât mai mulți tranzistori pot fi plasați pe aceeași zonă de cip.
În prezent, procesoarele Intel folosesc un proces de fabricație de 0,13 microni. Această tehnologie este utilizată pentru fabricarea procesorului Intel Pentium 4 cu nucleu Northwood, procesorului Intel Pentium III cu nucleu Tualatin și procesorului Intel Celeron. În cazul utilizării unui astfel de proces tehnologic, lățimea utilă a canalului tranzistorului este de 60 nm, iar grosimea stratului de oxid de poartă nu depășește 1,5 nm. În total, procesorul Intel Pentium 4 conține 55 de milioane de tranzistori.
Odată cu creșterea densității tranzistorilor într-un cip de procesor, tehnologia de 0,13 microni, care l-a înlocuit pe cea de 0,18 microni, are și alte inovații. În primul rând, folosește conexiuni de cupru între tranzistoarele individuale (în tehnologia de 0,18 microni, conexiunile erau din aluminiu). În al doilea rând, tehnologia de 0,13 microni asigură un consum mai mic de energie. Pentru tehnologia mobilă, de exemplu, aceasta înseamnă că consumul de energie al microprocesoarelor devine mai mic, iar durata de viață a bateriei mai lungă.
Ei bine, ultima inovație care a fost întruchipată în trecerea la un proces tehnologic de 0,13 microni este utilizarea plachetelor de siliciu (plachete) cu diametrul de 300 mm. Amintiți-vă că înainte de aceasta, majoritatea procesoarelor și microcircuitelor erau fabricate pe baza de wafer-uri de 200 mm.
Creșterea diametrului plachetei reduce costul fiecărui procesor și crește randamentul produselor de calitate adecvată. Într-adevăr, aria unei napolitane cu diametrul de 300 mm este de 2,25 ori mai mare decât aria unei napolitane cu diametrul de 200 mm, respectiv, și numărul de procesoare obținute dintr-o napolitană cu diametrul de 300 mm este de două ori mai mare.
În 2003, se preconizează introducerea unui nou proces tehnologic cu un standard de proiectare și mai scăzut, și anume 90 de nanometri. Noua tehnologie de proces pe care Intel le va fabrica majoritatea produselor sale, inclusiv procesoare, chipset-uri și echipamente de comunicații, a fost dezvoltată la uzina pilot de wafer de 300 mm a Intel D1C din Hillsboro, Oregon.
Pe 23 octombrie 2002, Intel Corporation a anunțat deschiderea unei noi unități de 2 miliarde de dolari în Rio Rancho, New Mexico. Noua fabrică, denumită F11X, va folosi tehnologie moderna, conform căruia procesoare pe substraturi de 300 mm vor fi produse folosind un proces tehnologic cu o normă de proiectare de 0,13 microni. În 2003, instalația va fi transferată la un proces tehnologic cu un standard de proiectare de 90 nm.
În plus, Intel a anunțat deja reluarea construcției unei alte unități de producție la Fab 24 din Leixlip, Irlanda, care este concepută pentru a fabrica componente semiconductoare pe plăci de siliciu de 300 mm cu o regulă de proiectare de 90 nm. Noua întreprindere cu o suprafață totală de peste 1 milion de metri pătrați. picioare cu camere deosebit de curate cu o suprafață de 160 mii de metri pătrați. feet este de așteptat să fie operațional în prima jumătate a anului 2004 și va angaja peste o mie de oameni. Costul obiectului este de aproximativ 2 miliarde de dolari.
Procesul de 90 nm folosește o serie de tehnologii avansate. Acestea includ cele mai mici tranzistoare CMOS produse în masă din lume, cu o lungime a porții de 50 nm (Figura 11), care oferă o performanță sporită, reducând în același timp consumul de energie, și cel mai subțire strat de oxid de poartă al oricărui tranzistor fabricat vreodată de numai 1,2 nm (Figura 12), sau mai puțin de 5 straturi atomice și prima implementare din industrie a tehnologiei de siliciu stresat de înaltă performanță.
Dintre caracteristicile enumerate, poate că trebuie comentat doar conceptul de „siliciu tensionat” (Fig. 13). Într-un astfel de siliciu, distanța dintre atomi este mai mare decât într-un semiconductor convențional. Acest lucru, la rândul său, permite curentului să curgă mai liber, similar modului în care vehiculele cu benzi mai largi se mișcă mai liber și mai rapid.
Ca urmare a tuturor inovațiilor, performanța tranzistoarelor este îmbunătățită cu 10-20%, în timp ce costurile de producție cresc cu doar 2%.
În plus, procesul de 90 nm utilizează șapte straturi per cip (Figura 14), un strat în plus decât procesul de 130 nm și conexiuni de cupru.
Toate aceste caracteristici combinate cu wafer-uri de siliciu de 300 mm oferă Intel avantaje de performanță, volum și cost. Consumatorii beneficiază, de asemenea, deoarece noua tehnologie de proces a Intel permite industriei să continue să evolueze în conformitate cu Legea lui Moore, îmbunătățind performanța procesorului din nou și din nou.
CPU este inima oricărui computer modern. Orice microprocesor este în esență un circuit integrat mare pe care sunt amplasate tranzistoarele. Prin trecerea unui curent electric, tranzistoarele vă permit să creați calcule logice binare (pornit - oprit). Procesoarele moderne se bazează pe tehnologia 45 nm. 45nm (nanometru) este dimensiunea unui singur tranzistor pe o placă de procesor. Până de curând, tehnologia 90 nm era folosită în principal.
Plăcile sunt făcute din siliciu, care este al 2-lea cel mai mare depozit din scoarța terestră.
Siliciul este obtinut prin tratament chimic, purificandu-l de impuritati. După aceea, începe să fie topită, formând un cilindru de siliciu cu un diametru de 300 de milimetri. Acest cilindru este mai departe tăiat în plăci cu un fir de diamant. Grosimea fiecărei plăci este de aproximativ 1 mm. Pentru ca placa sa aiba o suprafata ideala, dupa taierea cu fir se lustruieste cu o polizor speciala.
După aceea, suprafața plachetei de siliciu este perfect plată. Apropo, multe companii producătoare au anunțat deja posibilitatea de a lucra cu plăci de 450 mm. Cu cât suprafața este mai mare - cu atât este mai mare numărul de tranzistori pentru a găzdui și performanța procesorului este mai mare.
CPU constă dintr-o plachetă de siliciu, pe suprafața căreia se află până la nouă nivele de tranzistoare, separate prin straturi de oxid, pentru izolare.
Dezvoltarea tehnologiei de fabricare a procesoarelor
Gordon Moore, unul dintre fondatorii Intel, unul dintre liderii în producția de procesoare din lume, în 1965, pe baza observațiilor sale, a descoperit legea conform căreia au apărut la intervale regulate noi modele de procesoare și microcircuite. Creșterea numărului de tranzistori în procesoare crește de aproximativ 2 ori în 2 ani. De 40 de ani, legea lui Gordon Moore funcționează fără distorsiuni. Dezvoltarea tehnologiilor viitoare nu este departe - există deja prototipuri de lucru bazate pe tehnologii de fabricație a procesoarelor de 32 nm și 22 nm. Până la jumătatea anului 2004, puterea procesorului depindea în primul rând de frecvența procesorului, dar începând cu 2005 frecvența procesorului practic a încetat să crească. Există o nouă tehnologie de procesor multi-core. Adică, mai multe nuclee de procesor sunt create cu o frecvență de ceas egală, iar în timpul funcționării, puterea nucleelor este însumată. Acest lucru crește puterea totală a procesorului.
Mai jos puteți urmări un videoclip despre producția de procesoare.
Aproape toată lumea știe că într-un computer, elementul principal dintre toate componentele „de fier” este unitatea centrală de procesare. Dar cercul de oameni care își imaginează cum funcționează procesorul este foarte limitat. Majoritatea utilizatorilor habar n-au despre asta. Și chiar și atunci când sistemul începe brusc să „încetinească”, mulți oameni cred că acest procesor nu funcționează bine și nu acordă importanță altor factori. Pentru a înțelege pe deplin situația, luați în considerare câteva aspecte ale procesorului.
Ce este o unitate centrală de procesare?
Din ce este facut un procesor?
Dacă vorbim despre cum funcționează un procesor Intel sau concurentul său AMD, trebuie să vă uitați la modul în care sunt aranjate aceste cipuri. Primul microprocesor (apropo, era de la Intel, modelul 4040) a apărut în 1971. Putea efectua doar cele mai simple operații de adunare și scădere cu doar 4 biți de informații, adică avea o arhitectură de 4 biți.
Procesoarele moderne, ca și primul născut, se bazează pe tranzistori și au viteză mult mai mare. Ele sunt realizate prin metoda fotolitografiei dintr-un anumit număr de plăci individuale de siliciu care alcătuiesc un singur cristal, în care sunt imprimate, parcă, tranzistorii. Schema este creată pe un accelerator special cu ioni de bor dispersați. În structura internă a procesoarelor, componentele principale sunt nucleele, magistralele și particulele funcționale numite revizii.
Principalele caracteristici
Ca orice alt dispozitiv, procesorul este caracterizat de anumiți parametri, care, atunci când se răspunde la întrebarea cum funcționează procesorul, nu pot fi ignorați. In primul rand este:
- Număr de nuclee;
- numărul de fire;
- dimensiunea cache (memorie internă);
- frecvența ceasului;
- viteza de autobuz.
Deocamdată, să ne concentrăm pe viteza ceasului. Nu e de mirare că procesorul este numit inima computerului. Ca și inima, funcționează în modul pulsație cu un anumit număr de cicluri pe secundă. Frecvența ceasului este măsurată în MHz sau GHz. Cu cât este mai mare, cu atât dispozitivul poate efectua mai multe operațiuni.
La ce frecvență funcționează procesorul, puteți afla din caracteristicile sale declarate sau vă uitați la informațiile din Dar în timpul procesării comenzilor, frecvența se poate schimba, iar în timpul overclocking (overlocking) poate crește până la limite extreme. Astfel, cel declarat este doar un indicator mediu.
Numărul de nuclee este un indicator care determină numărul de centre de calcul ale procesorului (a nu se confunda cu firele - numărul de nuclee și fire de execuție poate să nu se potrivească). Datorită acestei distribuții, devine posibilă redirecționarea operațiunilor către alte nuclee, crescând astfel performanța generală.
Cum funcționează procesorul: procesarea instrucțiunilor
Acum puțin despre structura comenzilor executabile. Dacă vă uitați la modul în care funcționează procesorul, trebuie să înțelegeți clar că orice instrucțiune are două componente - una operațională și un operand.
Partea de operare indică ce ar trebui să facă sistemul de calcul în acest moment, operandul determină pe ce ar trebui să lucreze procesorul. În plus, nucleul procesorului poate conține două centre de calcul (containere, fire), care împart execuția comenzii în mai multe etape:
- producție;
- decriptare;
- executarea comenzii;
- accesând memoria procesorului propriu-zis
- salvând rezultatul.
Astăzi, stocarea separată în cache este utilizată sub forma utilizării a două niveluri de memorie cache, ceea ce face posibilă evitarea interceptării de către două sau mai multe comenzi de accesare a unuia dintre blocurile de memorie.
Procesoarele în funcție de tipul de procesare a instrucțiunilor se împart în liniare (execuția instrucțiunilor în ordinea în care sunt scrise), ciclice și ramificate (execuția instrucțiunilor după procesarea condițiilor de ramificație).
Operațiuni în curs
Printre funcțiile principale atribuite procesorului, în sensul comenzilor sau instrucțiunilor executabile, există trei sarcini principale:
- operatii matematice bazate pe dispozitivul aritmetico-logic;
- mutarea datelor (informațiilor) de la un tip de memorie la altul;
- luarea unei decizii cu privire la executarea comenzii și pe baza acesteia - alegerea trecerii la executarea altor seturi de comenzi.
Interacțiunea cu memoria (ROM și RAM)
În acest proces, trebuie notate componente precum magistrala și canalul de citire/scriere care sunt conectate la dispozitivele de stocare. ROM conține un set permanent de octeți. Mai întâi, magistrala de adrese solicită un anumit octet de la ROM, apoi îl transferă pe magistrala de date, după care canalul de citire își schimbă starea și ROM-ul furnizează octetul solicitat.
Dar procesoarele nu pot citi doar date din memorie cu acces aleator dar și notează-le. În acest caz, se utilizează canalul de scriere. Dar, dacă te uiți, în general calculatoare moderne pur teoretic, s-ar putea lipsi deloc de RAM, deoarece microcontrolerele moderne sunt capabile să plaseze octeții de date necesari direct în memoria cipului procesorului însuși. Dar nu te poți descurca fără ROM.
Printre altele, sistemul pornește din modul de testare hardware (comanda BIOS) și abia apoi controlul este transferat către sistemul de operare bootabil.
Cum se verifică dacă procesorul funcționează?
Acum să ne uităm la câteva aspecte ale verificării stării de sănătate a procesorului. Trebuie să se înțeleagă clar că, dacă procesorul nu ar funcționa, computerul nu ar putea începe deloc descărcarea.
Un alt lucru este atunci când vrei să te uiți la indicatorul de utilizare a capacităților procesorului la un moment dat. Acest lucru se poate face din „Task Manager” standard (în fața oricărui proces, este indicat câte procente din sarcina procesorului dă). Pentru a determina vizual acest parametru, puteți utiliza fila de performanță, unde modificările sunt urmărite în timp real. Opțiunile avansate pot fi văzute cu programe speciale de exemplu CPU-Z.
De asemenea, puteți utiliza mai multe nuclee de procesor folosind (msconfig) și opțiunile avansate de pornire.
Probleme posibile
În sfârșit, câteva cuvinte despre probleme. Aici, mulți utilizatori întreabă adesea, spun ei, de ce funcționează procesorul, dar monitorul nu pornește? La CPU aceasta situatie este irelevanta. Faptul este că atunci când porniți orice computer, acesta testează mai întâi adaptor graficși apoi orice altceva. Poate problema este doar la procesor cip grafic(toate acceleratoarele video moderne au propriile lor procesoare grafice).
Dar folosind exemplul funcționării corpului uman, trebuie să înțelegem că, în cazul unui stop cardiac, întregul corp moare. Așa este și cu computerele. Procesorul nu funcționează - întregul sistem informatic „moare”.
Rădăcinile stilului nostru de viață digital provin cu siguranță din semiconductori, care au permis crearea de cipuri de calcul sofisticate bazate pe tranzistori. Ele stochează și procesează date, care stă la baza microprocesoarelor moderne. Semiconductorii, care astăzi sunt fabricați din nisip, sunt o componentă cheie pentru aproape oricare dispozitiv electronic, de la computere la laptopuri și telefoane mobile. Nici mașinile nu se pot descurca acum fără semiconductori și electronice, deoarece semiconductorii controlează sistemul de aer condiționat, procesul de injecție a combustibilului, aprinderea, trapa, oglinzile și chiar direcția (BMW Active Steering). Astăzi, aproape orice dispozitiv care consumă energie este construit pe semiconductori.
Microprocesoarele sunt fără îndoială printre cele mai complexe produse semiconductoare, deoarece numărul de tranzistori va ajunge în curând la un miliard, iar gama de funcționalități este deja uimitoare astăzi. În curând, dual core Procesoare de bază 2 pe un proces Intel de 45 nm aproape terminat și vor conține deja 410 milioane de tranzistori (deși majoritatea vor fi folosiți pentru memoria cache L2 de 6MB). Procesul de 45 nm este numit după dimensiunea unui singur tranzistor, care este acum de aproximativ 1.000 de ori mai mic decât diametrul unui păr uman. Într-o anumită măsură, acesta este motivul pentru care electronica începe să guverneze totul în viața noastră: chiar și atunci când dimensiunea tranzistorului era mai mare, era foarte ieftin să produci microcircuite nu foarte complexe, bugetul tranzistorilor era destul de mare.
În acest articol, ne vom uita la elementele fundamentale ale producției de microprocesoare, dar ne vom referi și la istoria procesoarelor, arhitectura și vom analiza diferite produse de pe piață. Puteți găsi multe pe internet informații interesante, dintre care unele sunt enumerate mai jos.
- Wikipedia: Microprocesor. Acest articol a fost revizuit tipuri diferite procesoare și oferă link-uri către producători și pagini wiki suplimentare despre procesoare.
- Wikipedia: Microprocesoare (categorie). Consultați secțiunea microprocesoare pentru și mai multe link-uri și informații.
Concurenți PC: AMD și Intel
Fondată în 1969, Advanced Micro Devices Inc. are sediul în Sunnyvale, California, în timp ce inima Intel, care a fost fondată cu doar un an mai devreme, se află la câțiva kilometri distanță în Santa Clara. AMD are astăzi două fabrici: în Austin (Texas, SUA) și în Dresda (Germania). Noua fabrică va fi pusă în funcțiune în curând. În plus, AMD și-a unit forțele cu IBM în dezvoltarea tehnologiei și producției procesoarelor. Desigur, toate acestea sunt doar o fracțiune din dimensiunea Intel, deoarece liderul de piață are astăzi aproape 20 de fabrici în nouă locații. Aproximativ jumătate dintre ele sunt folosite pentru producția de microprocesoare. Deci, când comparați AMD și Intel, amintiți-vă că comparați David și Goliat.
Intel are un avantaj incontestabil sub forma unei capacități uriașe de producție. Da, compania de astăzi este lider în implementarea proceselor tehnologice avansate. Intel este cu aproximativ un an înaintea AMD în acest sens. Ca rezultat, Intel poate utiliza în procesoarele sale Mai mult tranzistoare și mai mult cache. AMD, spre deosebire de Intel, trebuie să optimizeze procesul tehnic cât mai eficient posibil pentru a ține pasul cu concurența și a produce procesoare decente. Desigur, designul procesoarelor și arhitectura lor sunt foarte diferite, dar procesul tehnic de fabricație este construit pe aceleași principii de bază. Deși, desigur, există multe diferențe în ea.
Fabricarea microprocesoarelor
Producția de microprocesoare constă din două etape importante. Primul este în producția de substrat, pe care AMD și Intel o fac în fabricile lor. Aceasta include conferirea de proprietăți conductoare substratului. A doua etapă este testarea substraturilor, asamblarea și ambalarea procesorului. Ultima operație este de obicei efectuată în țări mai puțin costisitoare. Dacă te uiți la procesoarele Intel, vei descoperi că ambalajul a fost făcut în Costa Rica, Malaezia, Filipine etc.
AMD și Intel încearcă acum să producă produse pentru numărul maxim de segmente de piață, de altfel, pe baza sortimentului minim posibil de cristale. Un exemplu grozav este linia de procesoare Intel core 2 duouri. Există trei procesoare aici, cu nume de cod pentru piețe diferite: Merom pentru aplicatii mobile, Conroe - versiune desktop, Woodcrest - versiune server. Toate cele trei procesoare sunt construite pe aceeași bază tehnologică, ceea ce permite producătorului să ia decizii în ultimele etape de producție. Funcțiile pot fi activate sau dezactivate, iar rata actuală de ceas oferă Intel o rată de randament excelentă a cipului. Dacă cererea de procesoare mobile crește pe piață, Intel se poate concentra pe lansarea modelelor Socket 479. Dacă cererea de modele desktop crește, atunci compania va testa, valida și împacheta cipuri pentru Socket 775, în timp ce procesoarele de server sunt ambalate pentru Socket 771. Deci chiar și procesoare cu patru nuclee sunt create: două cristale dual-core sunt instalate într-un singur pachet, așa că obținem patru nuclee.
Cum se fac chipsurile
Producția de cipuri constă în impunerea unor straturi subțiri cu un „model” complex pe substraturi de siliciu. În primul rând, se creează un strat izolator care acționează ca un obturator electric. Un material fotorezistent este apoi aplicat deasupra, iar zonele nedorite sunt îndepărtate folosind măști și iradiere de mare intensitate. Când zonele iradiate sunt îndepărtate, zonele de dioxid de siliciu se vor deschide dedesubt, care este îndepărtată prin gravare. După aceea, materialul fotorezistiv este, de asemenea, îndepărtat și obținem o anumită structură pe suprafața de siliciu. Apoi ținut procese suplimentare fotolitografie, cu diferite materiale, până se obține structura 3D dorită. Fiecare strat poate fi dopat cu o anumită substanță sau ioni, modificând proprietățile electrice. În fiecare strat sunt create ferestre pentru a aduce apoi conexiuni metalice.
În ceea ce privește producția de substraturi, acestea trebuie tăiate dintr-un singur cilindru monocristal în „clatite” subțiri pentru a fi tăiate cu ușurință în cristale de procesor separate ulterior. Testări sofisticate sunt efectuate la fiecare pas de producție pentru a evalua calitatea. Sondele electrice sunt folosite pentru a testa fiecare cip de pe substrat. În cele din urmă, substratul este tăiat în miezuri individuale, miezurile care nu funcționează sunt imediat eliminate. În funcție de caracteristici, nucleul devine unul sau altul procesor și este închis într-un pachet care facilitează instalarea procesorului pe placa de baza. Toate blocurile funcționale trec prin teste de stres intensive.
Totul începe cu tampoane
Primul pas în fabricarea procesorului se face într-o cameră curată. Apropo, este important de menționat că o astfel de producție tehnologică este o acumulare de capital uriaș pe metru pătrat. Construcția unei fabrici moderne, cu toate echipamentele, „zboară” cu ușurință 2-3 miliarde de dolari și este nevoie de câteva luni pentru a testa noile tehnologii. Numai atunci planta poate produce în masă procesoare.
În general, procesul de fabricare a cipurilor constă din mai multe etape de prelucrare a substratului. Aceasta include crearea substraturilor în sine, care în cele din urmă vor fi tăiate în cristale individuale.
Totul începe cu creșterea unui singur cristal, pentru care cristalul de sămânță este încorporat într-o baie de siliciu topit, care se află chiar deasupra punctului de topire al siliciului policristalin. Este important ca cristalele să crească lent (aproximativ o zi) pentru a se asigura că atomii sunt aranjați corect. Siliciul policristalin sau amorf este alcătuit din multe cristale asortate care vor avea ca rezultat structuri de suprafață nedorite cu proprietăți electrice slabe. Odată ce siliciul este topit, acesta poate fi dopat cu alte substanțe care îi modifică proprietățile electrice. Întregul proces are loc într-o cameră etanșă cu o compoziție specială de aer, astfel încât siliciul să nu se oxideze.
Monocristalul este tăiat în „clătite” folosind un ferăstrău circular cu diamant, care este foarte precis și nu creează nereguli mari pe suprafața substraturilor. Desigur, în acest caz, suprafața substraturilor nu este încă perfect plană, așa că sunt necesare operații suplimentare.
În primul rând, folosind plăci de oțel rotative și un material abraziv (cum ar fi oxidul de aluminiu), un strat gros este îndepărtat de pe substraturi (un proces numit lepătură). Ca rezultat, sunt eliminate neregulile cu dimensiunea cuprinsă între 0,05 mm și aproximativ 0,002 mm (2.000 nm). Marginile fiecărui substrat trebuie apoi rotunjite, deoarece marginile ascuțite pot cauza desprinderea straturilor. În continuare, se utilizează procesul de gravare, la utilizarea diferitelor substanțe chimice (acid fluorhidric, acid acetic, acid azotic) suprafața este netezită cu aproximativ 50 de microni. Nu există nicio deteriorare fizică a suprafeței, deoarece întregul proces este complet chimic. Vă permite să eliminați erorile rămase în structura cristalului, drept urmare suprafața va fi aproape de ideală.
Ultimul pas este lustruirea, care netezește suprafața până la rugozitate, maxim 3 nm. Lustruirea se face cu un amestec de hidroxid de sodiu si silice granulara.
Astăzi, plachetele cu microprocesor au un diametru de 200 sau 300 mm, permițând producătorilor de cipuri să obțină multe procesoare de la fiecare placă. Următorul pas va fi substraturile de 450 mm, dar înainte de 2013 nu ar trebui să fie așteptate. În general, cu cât diametrul substratului este mai mare, cu atât se pot produce mai multe așchii de aceeași dimensiune. Un substrat de 300 mm, de exemplu, dă mai mult de două ori mai multe procesoare peste 200 mm.
Am menționat deja dopajul, care se efectuează în timpul creșterii unui singur cristal. Dar dopajul se efectuează atât cu substratul finit, cât și ulterior în timpul proceselor de fotolitografie. Acest lucru vă permite să modificați proprietățile electrice ale anumitor zone și straturi, și nu întreaga structură a cristalului.
Adăugarea unui dopant poate avea loc prin difuzie. Atomii dopanți umplu spațiul liber din interiorul rețelei cristaline, între structurile de siliciu. În unele cazuri, structura existentă poate fi și dopată. Difuzia se realizează cu ajutorul gazelor (azot și argon) sau cu ajutorul unor solide sau alte surse de dopant.
O altă abordare a dopajului este implantarea ionică, care este foarte utilă în schimbarea proprietăților unui substrat care a fost dopat, deoarece implantarea ionică se realizează la temperatură obișnuită. Prin urmare, impuritățile existente nu difuzează. Pe substrat poate fi aplicată o mască, ceea ce vă permite să procesați numai anumite zone. Desigur, se poate vorbi mult timp despre implantarea ionică și se poate discuta despre adâncimea de penetrare, activarea aditivă la temperatură ridicată, efectele canalului, pătrunderea în nivelurile de oxid etc., dar acest lucru este dincolo de scopul articolului nostru. Procedura poate fi repetată de mai multe ori în timpul producției.
Pentru a crea secțiuni ale unui circuit integrat, se utilizează procesul de fotolitografie. Deoarece în acest caz nu este necesară iradierea întregii suprafețe a substratului, este important să folosiți așa-numitele măști, care transmit radiații de mare intensitate doar în anumite zone. Măștile pot fi comparate cu un negativ alb-negru. Circuitele integrate au multe straturi (20 sau mai multe), iar fiecare dintre ele necesită propria sa mască.
O structură subțire de film cromat este aplicată pe suprafața unei plăci de sticlă de cuarț pentru a crea un șablon. În același timp, instrumentele scumpe care folosesc un fascicul de electroni sau un laser scriu datele necesare unui circuit integrat, în urma căruia obținem un model de crom pe suprafața unui substrat de cuarț. Este important de înțeles că fiecare modificare a circuitului integrat duce la necesitatea producerii de măști noi, astfel încât întregul proces de efectuare a modificărilor este foarte costisitor. Pentru foarte scheme complexe măștile sunt create de foarte mult timp.
Folosind fotolitografie, se formează o structură pe un substrat de siliciu. Procesul se repetă de mai multe ori până când sunt create mai multe straturi (mai mult de 20). Straturile pot consta din diferite materiale, în plus, trebuie să vă gândiți și la conexiunile cu fire microscopice. Toate straturile pot fi aliate.
Înainte de începerea procesului de fotolitografie, substratul este curățat și încălzit pentru a îndepărta particulele lipicioase și apa. Substratul este apoi acoperit cu dioxid de siliciu folosind un dispozitiv special. Apoi, un agent de lipire este aplicat pe substrat, care asigură că materialul fotorezistent care va fi aplicat în etapa următoare rămâne pe substrat. Materialul fotorezistent este aplicat la mijlocul substratului, care apoi începe să se rotească cu viteză mare, astfel încât stratul să fie distribuit uniform pe întreaga suprafață a substratului. Substratul este apoi încălzit din nou.
Capacul este apoi iradiat prin mască cu un laser cuantic, radiații ultraviolete dure, raze X, fascicule de electroni sau fascicule de ioni - toate aceste surse de lumină sau energie pot fi folosite. Fasciculele de electroni sunt utilizate în principal pentru măști, raze X și fascicule de ioni în scopuri de cercetare, iar producția industrială de astăzi este dominată de radiații UV dure și lasere cu gaz.
Radiația UV tare la o lungime de undă de 13,5 nm iradiază materialul fotorezistent pe măsură ce trece prin mască.
Timpul de proiecție și focalizarea sunt foarte importante pentru a obține rezultatul dorit. O focalizare slabă va duce la rămânerea unor particule suplimentare de material fotorezistent, deoarece unele găuri din mască nu vor fi iradiate corespunzător. Același lucru se va întâmpla dacă timpul de proiecție este prea scurt. Apoi structura fotorezist va fi prea largă, zonele de sub găuri vor fi subexpuse. Pe de altă parte, timpul excesiv de proiecție creează zone prea mari sub găuri și o structură fotorezistentă prea îngustă. De regulă, este foarte consumator de timp și este dificil de ajustat și optimizat procesul. Reglarea nereușită va duce la abateri grave ale conductoarelor de legătură.
O unitate specială de proiecție în trepte mută substratul în poziția dorită. Apoi poate fi proiectată o linie sau o secțiune, cel mai adesea corespunzând unui cip de procesor. Microsetările suplimentare pot face modificări suplimentare. Ei pot depana tehnologia existentă și pot optimiza procesul. Micro-instalațiile funcționează de obicei pe suprafețe mai mici de 1 mp. mm, în timp ce instalațiile convenționale acoperă suprafețe mai mari.
Substratul trece apoi la o nouă etapă în care materialul fotorezistent slăbit este îndepărtat, permițând accesul la dioxidul de siliciu. Există procese de gravare umedă și uscată care tratează zonele cu dioxid de siliciu. Procesele umede folosesc compuși chimici, în timp ce procesele uscate folosesc gaz. Un proces separat este eliminarea resturilor de material fotorezistent. Producătorii combină adesea îndepărtarea umedă și uscată, astfel încât materialul fotorezistiv să fie complet îndepărtat. Acest lucru este important deoarece materialul fotorezist este organic și, dacă nu este îndepărtat, poate provoca defecte în substrat. După gravare și curățare, puteți trece la inspecția substratului, care se întâmplă de obicei pe fiecare piatră de hotar sau transferați substratul într-un nou ciclu de fotolitografie.
Testarea substratului, asamblare, ambalare
Substraturile finite sunt testate pe așa-numitele unități de control al sondei. Ele funcționează cu întregul substrat. Contactele sondei sunt suprapuse pe contactele fiecărui cristal, permițând efectuarea testelor electrice. Software-ul testează toate funcțiile fiecărui nucleu.
Prin tăierea din substrat se pot obține nuclee individuale. In momentul de fata, instalatiile de control al sondei au identificat deja ce cristale contin erori, astfel incat dupa taiere pot fi separate de cele bune. Anterior, cristalele deteriorate erau marcate fizic, acum acest lucru nu este necesar, toate informațiile sunt stocate într-o singură bază de date.
Montura de cristal
Miezul funcțional trebuie apoi lipit de pachetul procesorului folosind material adeziv.
Apoi trebuie să faceți conexiuni prin cablu care conectează contactele sau picioarele pachetului și cristalul în sine. Se pot folosi conexiuni din aur, aluminiu sau cupru.
Majoritatea procesoarelor moderne folosesc ambalaje din plastic cu un distribuitor de căldură.
De obicei, miezul este învelit în ambalaje din ceramică sau plastic pentru a preveni deteriorarea. Procesoarele moderne sunt echipate cu un așa-numit distribuitor de căldură, care oferă protecție suplimentară pentru cristal, precum și o suprafață mare de contact cu răcitorul.
Testarea procesorului
Ultima etapă presupune testarea procesorului, care are loc la temperaturi ridicate, în conformitate cu specificațiile procesorului. Procesorul este instalat automat în priza de testare, după care sunt analizate toate funcțiile necesare.
Se încarcă...