Môže sa to zdať ako hlúpa otázka, na ktorú možno odpovedať jednou vetou: Kremík je prvok 14 v periodickej tabuľke. Kremík sa však na stránkach s elektronikou spomína častejšie ako iné, pretože nie je len hlavnou zložkou väčšiny stavebných materiálov, ale aj základom moderných počítačových procesorov a dokonca najpravdepodobnejším kandidátom na úlohu základného prvku „non -životnosť uhlíka." Čo robí kremík špeciálne?
Kremík ako stavebný materiál
Kremík je po kyslíku najbežnejším prvkom v zemskej kôre, no nájsť ho nie je také jednoduché, pretože v čistej forme sa takmer nikdy nenachádza. V prírode sa najčastejšie vyskytuje kremičitan SiO4 alebo oxid kremičitý SiO2. Oxid kremičitý je tiež hlavnou zložkou piesku. Živec, žula, kremeň – všetky sú založené na kombinácii kremíka a kyslíka.
Zlúčeniny kremíka majú široké spektrum užitočných vlastností, najmä preto, že dokážu veľmi pevne viazať ďalšie atómy v zložitých štruktúrach. Rôzne silikáty, ako je kremičitan vápenatý, sú hlavnou zložkou cementu, hlavného spojiva betónu a dokonca aj omietky. V keramike sa používajú niektoré silikátové materiály a samozrejme sklo. Okrem toho sa kremík pridáva do látok, ako je liatina, aby bola zliatina odolnejšia.
A áno, kremík je tiež hlavnou štrukturálnou zložkou syntetického materiálu silikón, a preto sa silikón (silikón) často zamieňa s kremíkom (kremík). Slávnym príkladom je Silicon Valley, čo je vlastne kremík.
Kremík ako počítačový čip
Pri výbere materiálu pre základ počítačových tranzistorov bol kľúčovým faktorom odpor. Vodiče majú nízky odpor a veľmi ľahko vedú prúd, zatiaľ čo izolátory blokujú prúd vďaka svojmu vysokému odporu. Tranzistor musí kombinovať obe vlastnosti.
Kremík nie je jedinou polovodičovou látkou na Zemi – nie je ani najlepším polovodičom. Je však široko dostupný. Nie je náročná na ťažbu a ľahko sa s ňou pracuje. A čo je najdôležitejšie, vedci našli spoľahlivý spôsob, ako z neho odvodiť usporiadané kryštály. Tieto kryštály sú pre kremík tým, čím je diamant pre diamant.
Konštrukcia ideálnych kryštálov je jedným z hlavných aspektov výroby počítačových čipov. Tieto kryštály sa potom krájajú na tenké plátky, ryjú, spracovávajú a prechádzajú stovkami úprav, kým sa stanú komerčnými spracovateľmi. Je možné vyrobiť lepšie tranzistory z uhlíka alebo exotických materiálov, ako je germánium, ale žiadny z nich neumožní obnoviť takú veľkú výrobu - aspoň zatiaľ nie.
V súčasnosti sa kremíkové kryštály vytvárajú v 300 mm valcoch, ale výskum sa rýchlo približuje k míľniku 450 mm. To by malo znížiť výrobné náklady, ale zachovať rýchlosť rastu. čo je po tom? Pravdepodobne sa budeme musieť konečne vzdať kremíka v prospech pokročilejšieho materiálu - dobrá správa pre pokrok, ale takmer určite zlá správa pre vašu peňaženku.
Kremík ako mimozemský život
Slovné spojenie „uhlíkový život“ sa spomína pomerne často, ale čo to znamená? To znamená, že základné štruktúrne molekuly nášho tela (bielkoviny, aminokyseliny, nukleové kyseliny, mastné kyseliny atď.) sú postavené na báze atómov uhlíka. Je to preto, že uhlík môže byť štvormocný. Kyslík môže tvoriť dve stabilné chemické väzby súčasne, dusík len tri, no uhlík pojme až štyri rôzne atómy naraz. Toto je silný základ pre budovanie molekúl a rozvoj života.
Pretože periodická tabuľka je usporiadaná tak, že prvky vo vertikálnom stĺpci majú podobné chemické vlastnosti – a hneď pod uhlíkom je kremík. Toľko teoretikov preto venuje pozornosť „kremíkovému životu“, jedným z argumentov v ich prospech je fakt, že kremík je aj štvormocný.
Samozrejme, vzhľadom na to, že na Zemi je oveľa viac kremíka ako uhlíka, musí existovať dobrý dôvod, prečo je organický život založený na uhlíku. A tu sa musíme opäť obrátiť na periodickú tabuľku. Prvky, ktoré sú vertikálne nižšie, majú ťažšie jadrá a väčšie elektrónové obaly, takže kremík je pre svoju veľkosť menej vhodný na presné úlohy, ako je budovanie DNA. V inej časti Vesmíru je teda teoreticky možný vývoj organizmu na báze kremíka, no na našej planéte sa to pravdepodobne nestane.
Kremík bude v novinkách ešte dlho, pretože aj keď ho nejaký prvok nahradí ako základ pre počítačovú výpočtovú techniku, úplný prechod potrvá veľmi dlho. Okrem toho existujú aj ďalšie oblasti jej použitia a je možné, že sa nájdu nové spôsoby využitia tejto látky. S najväčšou pravdepodobnosťou kremík stále zostane jednou z hlavných látok vo fyzickom svete ľudskej činnosti.
Ako sa vyrábajú mikročipy
Aby sme pochopili, aký je hlavný rozdiel medzi týmito dvoma technológiami, je potrebné krátka odbočka v samotnej technológii výroby moderných procesorov či integrovaných obvodov.
Ako je známe zo školského kurzu fyziky, v moderná elektronika hlavnými komponentmi integrovaných obvodov sú polovodiče typu p a n (v závislosti od typu vedenia). Polovodič je látka, ktorá má lepšiu vodivosť ako dielektrikum, ale horšiu ako kovy. Oba typy polovodičov môžu byť založené na kremíku (Si), ktorý je vo svojej čistej forme (tzv. vlastný polovodič) zlým vodičom elektrického prúdu, ale pridanie (zabudovanie) určitej nečistoty do kremíka umožňuje radikálne zmeniť svoje vodivé vlastnosti. Existujú dva typy nečistôt: donor a akceptor. Donorová nečistota vedie k vytvoreniu polovodičov typu n s elektrónovým typom vodivosti, zatiaľ čo akceptorová nečistota vedie k vytvoreniu polovodičov typu p s dierovým typom vodivosti. Kontakty p- a n-polovodičov umožňujú vytvárať tranzistory, hlavné konštrukčné prvky moderných mikroobvodov. Takéto tranzistory, nazývané tranzistory CMOS, môžu byť v dvoch základných stavoch: otvorené, keď vedú elektrinu, a uzamknuté, zatiaľ čo nevedú elektrinu. Keďže tranzistory CMOS sú hlavnými prvkami moderných mikroobvodov, povedzme si o nich podrobnejšie.
Ako funguje tranzistor CMOS
Najjednoduchší tranzistor CMOS typu n má tri elektródy: zdroj, hradlo a odtok. Samotný tranzistor je vyrobený v polovodiči typu p s dierovou vodivosťou a polovodiče typu n s elektronickou vodivosťou sú vytvorené v oblasti odtoku a zdroja. Prirodzene, v dôsledku difúzie dier z oblasti p do oblasti n a reverznej difúzie elektrónov z oblasti n do oblasti p sa vytvárajú ochudobnené vrstvy (vrstvy, v ktorých nie sú žiadne hlavné nosiče náboja). na prechodových hraniciach p- a n-regiónov. V normálnom stave, to znamená, keď na bránu nie je privedené žiadne napätie, je tranzistor v „zablokovanom“ stave, to znamená, že nie je schopný viesť prúd zo zdroja do odtoku. Situácia sa nemení ani vtedy, ak je medzi zvodom a zdrojom privedené napätie (neberieme do úvahy zvodové prúdy spôsobené pohybom malých nosičov náboja pod vplyvom generovaných elektrických polí, tj otvorov pre n-oblasť a elektróny pre p-oblasť).
Ak sa však na bránu aplikuje kladný potenciál (obr. 1), potom sa situácia radikálne zmení. Pod vplyvom elektrického poľa brány sa diery zatlačia hlboko do p-polovodiča a elektróny sa naopak vtiahnu do oblasti pod bránou, čím sa vytvorí kanál bohatý na elektróny medzi zdrojom a odtokom. Ak sa na bránu privedie kladné napätie, tieto elektróny sa začnú pohybovať zo zdroja do odtoku. V tomto prípade tranzistor vedie prúd, hovoria, že tranzistor sa "otvorí". Ak sa napätie odstráni z brány, elektróny prestanú byť vťahované do oblasti medzi zdrojom a odtokom, vodivý kanál sa zničí a tranzistor prestane prechádzať prúdom, to znamená, že sa „uzamkne“. Zmenou napätia na bráne teda môžete zapnúť alebo vypnúť tranzistor rovnakým spôsobom, ako môžete zapnúť alebo vypnúť konvenčný prepínač, ktorý riadi tok prúdu cez obvod. To je dôvod, prečo sa tranzistory niekedy nazývajú elektronické spínače. Na rozdiel od bežných mechanických spínačov však tranzistory CMOS nemajú prakticky žiadnu zotrvačnosť a sú schopné prepínať zo zapnutého do vypnutého stavu biliónkrát za sekundu! Práve táto vlastnosť, teda schopnosť okamžitého prepínania, v konečnom dôsledku určuje rýchlosť procesora, ktorý pozostáva z desiatok miliónov takýchto jednoduchých tranzistorov.
Moderný integrovaný obvod teda pozostáva z desiatok miliónov najjednoduchších tranzistorov CMOS. Pozrime sa podrobnejšie na výrobný proces mikroobvodov, ktorých prvou fázou je príprava kremíkových substrátov.
Krok 1. Rastúce polotovary
Vytváranie takýchto substrátov začína rastom valcového monokryštálu kremíka. Následne sa z takýchto monokryštálových polotovarov (výstrižkov) vyrežú okrúhle platne (oblátky), ktorých hrúbka je približne 1/40 palca a priemer je 200 mm (8 palcov) alebo 300 mm (12 palcov). Ide o kremíkové substráty používané na výrobu mikroobvodov.
Pri vytváraní doštičiek z monokryštálov kremíka sa berie do úvahy okolnosť, že pre ideálne kryštálové štruktúry fyzikálne vlastnosti do značnej miery závisia od zvoleného smeru (vlastnosť anizotropie). Napríklad odpor kremíkového substrátu sa bude líšiť v pozdĺžnom a priečnom smere. Podobne, v závislosti od orientácie kryštálovej mriežky, kryštál kremíka bude reagovať odlišne na akékoľvek vonkajšie vplyvy spojené s jeho ďalším spracovaním (napríklad leptanie, naprašovanie atď.). Preto musí byť doska vyrezaná z monokryštálu takým spôsobom, aby bola orientácia kryštálovej mriežky vzhľadom na povrch striktne zachovaná v určitom smere.
Ako už bolo uvedené, priemer kremíkového monokryštálového polotovaru je buď 200 alebo 300 mm. Navyše priemer 300 mm je relatívne Nová technológia, o ktorom budeme diskutovať nižšie. Je jasné, že na doštičku takéhoto priemeru sa zmestí ďaleko viac ako jeden čip, aj keď hovoríme o procesore Intel Pentium 4. Na jednej takejto podložnej doske je totiž vytvorených niekoľko desiatok mikroobvodov (procesorov), ale pre jednoduchosť bude brať do úvahy iba procesy vyskytujúce sa na malej ploche jedného budúceho mikroprocesora.
Krok 2. Aplikácia ochranného filmu dielektrika (SiO2)
Po vytvorení kremíkového substrátu nastáva fáza vytvárania najzložitejšej polovodičovej štruktúry.
Na to je potrebné zaviesť do kremíka takzvané donorové a akceptorové nečistoty. Vynára sa však otázka, ako realizovať nanášanie nečistôt podľa presne daného vzoru-vzorca? Aby to bolo možné, tie oblasti, kde nie sú potrebné nečistoty, sú chránené špeciálnym filmom oxidu kremičitého, pričom ponechajú len tie oblasti, ktoré sú vystavené ďalšiemu spracovaniu (obr. 2). Proces vytvárania takéhoto ochranného filmu požadovaného vzoru pozostáva z niekoľkých etáp.
V prvej fáze je celý kremíkový plátok úplne pokrytý tenkým filmom oxidu kremičitého (SiO2), ktorý je veľmi dobrým izolantom a pôsobí ako ochranný film pri ďalšom spracovaní kremíkového kryštálu. Doštičky sú umiestnené v komore, kde pri vysokej teplote (od 900 do 1100 °C) a tlaku kyslík difunduje do povrchových vrstiev doštičky, čo vedie k oxidácii kremíka a tvorbe povrchového filmu oxidu kremičitého. Aby mal film oxidu kremičitého presne špecifikovanú hrúbku a neobsahoval defekty, je potrebné prísne udržiavať konštantnú teplotu na všetkých miestach dosky počas procesu oxidácie. Ak nemá byť celý plátok pokrytý filmom oxidu kremičitého, potom sa na kremíkový substrát predbežne aplikuje maska Si3N4, aby sa zabránilo nežiaducej oxidácii.
Krok 3 Naneste fotorezist
Po potiahnutí silikónového substrátu ochranný film oxid kremičitý, je potrebné tento film odstrániť z tých miest, ktoré budú podrobené ďalšiemu spracovaniu. Film sa odstráni leptaním a na ochranu zvyšných plôch pred leptaním sa na povrch platne nanesie vrstva takzvaného fotorezistu. Termín "fotorezistent" sa týka kompozícií citlivých na svetlo a odolných voči agresívnym faktorom. Použité kompozície musia mať na jednej strane určité fotografické vlastnosti (pod vplyvom ultrafialového svetla sa rozpúšťajú a pri leptaní sa vymývajú) a na druhej strane musia byť odolné, aby odolali leptaniu v kyselinách a zásadách. , kúrenie a pod. Hlavným účelom fotorezistov je vytvoriť ochranný reliéf požadovanej konfigurácie.
Proces nanášania fotorezistu a jeho ďalšie ožarovanie ultrafialovým žiarením podľa daného vzoru sa nazýva fotolitografia a zahŕňa tieto hlavné operácie: vytvorenie vrstvy fotorezistu (úprava substrátu, depozícia, sušenie), vytvorenie ochranného reliéfu (expozícia, rozvinutie , sušenie) a prenos obrazu na substrát (leptanie, nanášanie atď.).
Pred nanesením vrstvy fotorezistu (obr. 3) na substrát sa tento podrobí predbežnej úprave, v dôsledku čoho sa zlepší jeho priľnavosť k vrstve fotorezistu. Na nanesenie rovnomernej vrstvy fotorezistu sa používa metóda odstreďovania. Substrát je umiestnený na rotujúcom disku (centrifúge) a vplyvom odstredivých síl sa fotorezist rozloží po povrchu substrátu v takmer rovnomernej vrstve. (Keď už hovoríme o prakticky rovnomernej vrstve, treba brať do úvahy skutočnosť, že pôsobením odstredivých síl sa hrúbka vytvoreného filmu od stredu k okrajom zväčšuje, avšak tento spôsob nanášania fotorezistu umožňuje odolať kolísaniu hrúbka vrstvy v rozmedzí ± 10%)
Krok 4. Litografia
Po nanesení a zaschnutí vrstvy fotorezistu nastáva fáza tvorby potrebného ochranného reliéfu. Reliéf je vytvorený v dôsledku skutočnosti, že pôsobením ultrafialového žiarenia dopadajúceho na určité oblasti vrstvy fotorezistu, fotorezist mení vlastnosti rozpustnosti, napríklad osvetlené oblasti sa prestávajú rozpúšťať v rozpúšťadle, ktoré odstraňuje oblasti vrstvy, ktoré neboli vystavené osvetleniu, alebo naopak - osvetlené oblasti sa rozpustia. Podľa spôsobu tvorby reliéfu sa fotorezisty delia na negatívne a pozitívne. Negatívne fotorezisty pôsobením ultrafialového žiarenia tvoria ochranné oblasti reliéfu. Pozitívne fotorezisty naopak pod vplyvom ultrafialového žiarenia získavajú vlastnosti tekutosti a sú vymývané rozpúšťadlom. V súlade s tým sa vytvára ochranná vrstva v tých oblastiach, ktoré nie sú vystavené ultrafialovému žiareniu.
Na osvetlenie požadovaných oblastí vrstvy fotorezistu sa používa špeciálna šablóna masky. Najčastejšie sa na tento účel používajú dosky optického skla s nepriehľadnými prvkami získanými fotografickou alebo inou metódou. V skutočnosti takáto šablóna obsahuje výkres jednej z vrstiev budúceho mikroobvodu (celkom môže byť niekoľko stoviek takýchto vrstiev). Pretože tento vzor je referenčný, musí byť vyrobený s veľkou presnosťou. Okrem toho, ak vezmeme do úvahy skutočnosť, že pomocou jednej fotomasky bude vyrobených veľa fotoplatní, musí byť odolná a odolná voči poškodeniu. Z toho je zrejmé, že fotomaska je veľmi drahá vec: v závislosti od zložitosti mikroobvodu môže stáť desiatky tisíc dolárov.
Ultrafialové žiarenie prechádzajúce takýmto obrazcom (obr. 4) osvetľuje len požadované oblasti povrchu vrstvy fotorezistu. Po ožiarení sa fotorezist podrobí vývoju, v dôsledku čoho sa odstránia zbytočné časti vrstvy. Tým sa otvorí zodpovedajúca časť vrstvy oxidu kremičitého.
Napriek zjavnej jednoduchosti fotolitografického procesu je práve táto fáza výroby mikročipu najťažšia. Faktom je, že v súlade s Moorovou predpoveďou počet tranzistorov na jednom čipe rastie exponenciálne (každé dva roky sa zdvojnásobuje). Takéto zvýšenie počtu tranzistorov je možné iba v dôsledku zníženia ich veľkosti, ale práve tento pokles „spočíva“ na procese litografie. Aby sa tranzistory zmenšili, je potrebné zmenšiť geometrické rozmery čiar nanesených na vrstvu fotorezistu. Ale všetko má svoje hranice – zaostriť laserový lúč na bod nie je také jednoduché. Faktom je, že v súlade so zákonmi vlnovej optiky je minimálna veľkosť bodu, na ktorý sa zameriava laserový lúč (v skutočnosti nejde len o bod, ale o difrakčný obrazec), určená okrem iných faktorov aj vlnová dĺžka svetla. Vývoj litografickej technológie od jej vynálezu na začiatku 70. rokov sa uberal smerom skracovania vlnovej dĺžky svetla. Práve to umožnilo zmenšiť veľkosť prvkov integrovaný obvod. Od polovice 80. rokov 20. storočia sa vo fotolitografii používa ultrafialové žiarenie produkované laserom. Myšlienka je jednoduchá: vlnová dĺžka ultrafialového žiarenia je kratšia ako vlnová dĺžka viditeľného svetla, preto je možné na povrchu fotorezistu získať jemnejšie čiary. Donedávna sa na litografiu využívalo hlboké ultrafialové žiarenie (Deep Ultra Violet, DUV) s vlnovou dĺžkou 248 nm. Keď však fotolitografia prekročila hranicu 200 nm, nastali vážne problémy, ktoré po prvý raz spochybnili možnosť ďalšieho využitia tejto technológie. Napríklad pri vlnovej dĺžke menšej ako 200 µm je príliš veľa svetla absorbované fotocitlivou vrstvou, takže proces prenosu šablóny obvodu do procesora sa stáva komplikovanejším a pomalším. Problémy ako tieto vedú výskumníkov a výrobcov k hľadaniu alternatív k tradičnej litografickej technológii.
Nová litografická technológia, nazývaná EUV litografia (Extreme UltraViolet ultrafialové žiarenie), je založená na použití ultrafialového žiarenia s vlnovou dĺžkou 13 nm.
Prechod z DUV na EUV litografiu poskytuje viac ako 10-násobné zníženie vlnovej dĺžky a prechod do rozsahu, kde je porovnateľná s veľkosťou len niekoľkých desiatok atómov.
Súčasná litografická technológia umožňuje aplikovať šablónu s minimálnou šírkou vodiča 100 nm, zatiaľ čo EUV litografia umožňuje tlačiť čiary oveľa menších šírok - až 30 nm. Ovládanie ultrakrátkeho žiarenia nie je také jednoduché, ako sa zdá. Keďže EUV žiarenie je dobre absorbované sklom, nová technológia zahŕňa použitie série štyroch špeciálnych konvexných zrkadiel, ktoré redukujú a zaostrujú obraz získaný po aplikácii masky (obr. 5, , ). Každé takéto zrkadlo obsahuje 80 jednotlivých kovových vrstiev s hrúbkou približne 12 atómov.
Krok 5 Leptanie
Po osvetlení vrstvy fotorezistu začne fáza leptania odstraňovať film oxidu kremičitého (obr. 8).
Proces morenia je často spojený s kyslými kúpeľmi. Tento spôsob leptania v kyseline je dobre známy rádioamatérom, ktorí vyrábali dosky plošných spojov svojpomocne. Na tento účel sa na fóliový textolit nanesie vzor stôp budúcej dosky lakom, ktorý pôsobí ako ochranná vrstva, a potom sa doska spustí do kúpeľa s kyselinou dusičnou. Nepotrebné časti fólie sú odleptané, čím sa obnaží čistý textolit. Táto metóda má množstvo nevýhod, z ktorých hlavnou je neschopnosť presne riadiť proces odstraňovania vrstvy, pretože proces leptania ovplyvňuje príliš veľa faktorov: koncentrácia kyseliny, teplota, konvekcia atď. Okrem toho kyselina interaguje s materiálom vo všetkých smeroch a postupne preniká pod okraj masky fotorezistu, to znamená, že zboku ničí vrstvy pokryté fotorezistom. Preto sa pri výrobe procesorov používa metóda suchého leptania, nazývaná aj plazma. Táto metóda umožňuje presne kontrolovať proces leptania a k deštrukcii leptanej vrstvy dochádza striktne vo vertikálnom smere.
Suché leptanie využíva ionizovaný plyn (plazmu) na odstránenie oxidu kremičitého z povrchu plátku, ktorý reaguje s povrchom oxidu kremičitého za vzniku prchavých vedľajších produktov.
Po postupe leptania, teda keď sú odkryté požadované oblasti čistého kremíka, sa odstráni zvyšok fotovrstvy. Na kremíkovom substráte teda zostáva vzor oxidu kremičitého.
Krok 6. Difúzia (implantácia iónov)
Pripomeňme, že predchádzajúci proces vytvárania potrebného vzoru na silikónovom substráte bol potrebný na vytvorenie polovodičových štruktúr na správnych miestach zavedením donorovej alebo akceptorovej nečistoty. Proces inkorporácie nečistôt sa uskutočňuje pomocou difúzneho (obr. 9) rovnomerného zabudovania atómov nečistôt do kryštálovej mriežky kremíka. Na získanie polovodiča typu n sa zvyčajne používa antimón, arzén alebo fosfor. Na získanie polovodiča typu p sa ako nečistota používa bór, gálium alebo hliník.
Iónová implantácia sa používa na proces difúzie dopantu. Proces implantácie spočíva v tom, že ióny požadovanej nečistoty sú „vystrelené“ z vysokonapäťového urýchľovača a pri dostatočnej energii prenikajú do povrchových vrstiev kremíka.
Takže na konci fázy implantácie iónov bola vytvorená potrebná vrstva polovodičovej štruktúry. V mikroprocesoroch však môže existovať niekoľko takýchto vrstiev. Narastie ďalšia tenká vrstva oxidu kremičitého, aby sa vytvorila ďalšia vrstva vo výslednej schéme zapojenia. Potom sa nanesie vrstva polykryštalického kremíka a ďalšia vrstva fotorezistu. Ultrafialové žiarenie prechádza cez druhú masku a zvýrazňuje zodpovedajúci vzor na fotografickej vrstve. Potom opäť nasledujú fázy rozpúšťania fotovrstvy, leptania a implantácie iónov.
Krok 7 Naprašovanie a nanášanie
Ukladanie nových vrstiev sa vykonáva niekoľkokrát, pričom sú ponechané „okná“ pre medzivrstvové spojenia vo vrstvách, ktoré sú vyplnené atómami kovu; v dôsledku toho sa na kryštálových vodivých oblastiach vytvárajú kovové pásiky. V moderných procesoroch sa teda vytvárajú spojenia medzi vrstvami, ktoré tvoria komplexnú trojrozmernú schému. Proces pestovania a spracovania všetkých vrstiev trvá niekoľko týždňov a samotný výrobný cyklus pozostáva z viac ako 300 etáp. Výsledkom je, že na kremíkovej doske sú vytvorené stovky rovnakých procesorov.
Aby odolali nárazom, ktorým sú doštičky vystavené počas procesu vrstvenia, sú silikónové substráty spočiatku dostatočne hrubé. Pred rozrezaním dosky na jednotlivé procesory sa preto jej hrúbka zníži o 33 % a odstráni sa z nej nečistoty opačná strana. Potom sa na zadnú stranu substrátu nanesie vrstva špeciálneho materiálu, ktorý zlepšuje upevnenie kryštálu na puzdro budúceho procesora.
Krok 8. Posledný krok
Na konci cyklu tvorby sú všetky procesory dôkladne testované. Potom sa z podložnej dosky pomocou špeciálneho zariadenia vyrežú špecifické kryštály, ktoré už prešli testom (obr. 10).
Každý mikroprocesor je zabudovaný v ochrannom kryte, ktorý zabezpečuje aj elektrické prepojenie čipu mikroprocesora s externými zariadeniami. Typ balíka závisí od typu a zamýšľaného použitia mikroprocesora.
Po utesnení v puzdre sa každý mikroprocesor znova otestuje. Chybné procesory sú odmietnuté a prevádzkyschopné sú podrobené záťažovým testom. Potom sa procesory triedia v závislosti od ich správania pod rôznymi hodinové frekvencie ah a napájacie napätia.
Sľubné technológie
Technologický postup výroby mikroobvodov (najmä procesorov) sme zvážili veľmi zjednodušene. Ale aj takáto povrchná prezentácia umožňuje pochopiť technologické ťažkosti, ktorým musí človek čeliť pri znižovaní veľkosti tranzistorov.
Pred zvažovaním nových sľubných technológií však odpovedzme na otázku položenú na samom začiatku článku: aká je konštrukčná norma technologického procesu a ako sa v skutočnosti líši konštrukčná norma 130 nm od normy 180 nm ? 130 nm alebo 180 nm je charakteristická minimálna vzdialenosť medzi dvoma susednými prvkami v jednej vrstve mikroobvodu, čo je druh mriežkového kroku, ku ktorému sú prvky mikroobvodu viazané. Zároveň je celkom zrejmé, že čím je táto charakteristická veľkosť menšia, tým viac tranzistorov možno umiestniť na rovnakú plochu čipu.
V súčasnosti používajú procesory Intel výrobný proces s hrúbkou 0,13 mikrónu. Táto technológia sa používa na výrobu procesora Intel Pentium 4 s jadrom Northwood, procesora Intel Pentium III s jadrom Tualatin a procesora Intel Celeron. V prípade použitia takéhoto technologického postupu je užitočná šírka tranzistorového kanála 60 nm a hrúbka hradlovej oxidovej vrstvy nepresahuje 1,5 nm. Celkovo procesor Intel Pentium 4 obsahuje 55 miliónov tranzistorov.
Spolu so zvyšovaním hustoty tranzistorov v procesorovom čipe má 0,13-mikrónová technológia, ktorá nahradila 0,18-mikrónovú, ďalšie inovácie. Najprv využíva medené spoje medzi jednotlivými tranzistormi (v 0,18 mikrónovej technológii boli spoje hliníkové). Po druhé, 0,13 mikrónová technológia poskytuje nižšiu spotrebu energie. Pre mobilnú technológiu to napríklad znamená, že spotreba energie mikroprocesorov sa zníži a prevádzkový čas od batérie viac.
No a poslednou novinkou, ktorá bola zakomponovaná do prechodu na 0,13-mikrónový technologický proces, je použitie kremíkových doštičiek (wafer) s priemerom 300 mm. Pripomeňme, že predtým sa väčšina procesorov a mikroobvodov vyrábala na základe 200 mm doštičiek.
Zväčšenie priemeru plátku znižuje náklady na každého spracovateľa a zvyšuje výťažnosť produktov primeranej kvality. Plocha plátku s priemerom 300 mm je skutočne 2,25-krát väčšia ako plocha plátku s priemerom 200 mm a počet procesorov získaných z jedného plátku s priemerom 300 mm je viac ako dvakrát väčšia.
V roku 2003 sa predpokladá zavedenie nového technologického postupu s ešte nižším konštrukčným štandardom, a to 90-nanometrovým. Nová procesná technológia, ktorou bude Intel vyrábať väčšinu svojich produktov, vrátane procesorov, čipových súprav a komunikačných zariadení, bola vyvinutá v pilotnom závode Intelu D1C v Hillsboro v Oregone.
23. októbra 2002 spoločnosť Intel Corporation oznámila otvorenie nového závodu v hodnote 2 miliardy USD v Rio Rancho v Novom Mexiku. Nový závod s názvom F11X bude využívať moderná technológia, podľa ktorej budú procesory na 300 mm substrátoch vyrábané technologickým postupom s konštrukčnou normou 0,13 mikrónu. V roku 2003 bude závod prevedený na technologický proces s konštrukčným štandardom 90 nm.
Okrem toho Intel už oznámil obnovenie výstavby ďalšieho výrobného závodu vo Fab 24 v Leixlip v Írsku, ktorý je určený na výrobu polovodičových komponentov na 300 mm kremíkových doštičkách s 90nm konštrukčným pravidlom. Nový podnik s celkovou rozlohou viac ako 1 milión metrov štvorcových. nohy s obzvlášť čistými miestnosťami s rozlohou 160 tisíc metrov štvorcových. nohy by mali byť uvedené do prevádzky v prvej polovici roku 2004 a budú zamestnávať viac ako tisíc ľudí. Náklady na objekt sú približne 2 miliardy dolárov.
90nm proces využíva množstvo pokročilých technológií. Patria sem najmenšie sériovo vyrábané tranzistory CMOS na svete s dĺžkou brány 50 nm (obrázok 11), ktoré poskytujú zvýšený výkon pri znížení spotreby energie, a najtenšia vrstva oxidu hradla zo všetkých tranzistorov, ktoré boli kedy vyrobené, len 1,2 nm (obrázok 12), alebo menej ako 5 atómových vrstiev a prvá implementácia vysokovýkonnej technológie namáhaného kremíka v tomto odvetví.
Z uvedených charakteristík treba komentovať snáď len pojem „stresovaný kremík“ (obr. 13). V takomto kremíku je vzdialenosť medzi atómami väčšia ako v bežnom polovodiči. To zase umožňuje voľnejšie prúdenie prúdu, podobne ako vozidlá so širšími pruhmi sa pohybujú voľnejšie a rýchlejšie.
V dôsledku všetkých inovácií sa výkon tranzistorov zlepšuje o 10-20%, zatiaľ čo výrobné náklady sa zvyšujú iba o 2%.
Okrem toho 90nm proces využíva sedem vrstiev na čip (obrázok 14), o jednu vrstvu viac ako 130nm proces a medené spoje.
Všetky tieto vlastnosti v kombinácii s 300 mm silikónovými doštičkami poskytujú Intelu výhody v oblasti výkonu, objemu a nákladov. Profitujú z toho aj spotrebitelia, pretože nová procesná technológia spoločnosti Intel umožňuje odvetviu pokračovať vo vývoji v súlade s Moorovým zákonom, čím sa znova a znova zvyšuje výkon procesora.
CPU je srdcom každého moderného počítača. Každý mikroprocesor je v podstate veľký integrovaný obvod, na ktorom sú umiestnené tranzistory. Prechodom elektrického prúdu umožňujú tranzistory vytvárať binárne logické (zapnuté - vypnuté) výpočty. Moderné procesory sú založené na 45 nm technológii. 45nm (nanometer) je veľkosť jedného tranzistora na doštičke procesora. Donedávna sa používala najmä 90 nm technológia.
Platne sú vyrobené z kremíka, ktorý je 2. najväčším ložiskom v zemskej kôre.
Kremík sa získava chemickou úpravou, čistením od nečistôt. Potom sa začne taviť, čím sa vytvorí kremíkový valec s priemerom 300 milimetrov. Tento valec je ďalej rozrezaný na platne diamantovým drôtom. Hrúbka každej dosky je asi 1 mm. Aby mal plech ideálny povrch, po vyrezaní niťou sa leští špeciálnou brúskou.
Potom je povrch kremíkového plátku dokonale plochý. Mimochodom, mnoho výrobných spoločností už oznámilo možnosť práce so 450 mm platňami. Čím väčší je povrch, tým väčší je počet tranzistorov na umiestnenie a tým vyšší je výkon procesora.
CPU pozostáva z kremíkového plátku, na povrchu ktorého je až deväť úrovní tranzistorov, oddelených vrstvami oxidu, na izoláciu.
Vývoj technológie výroby procesorov
Gordon Moore, jeden zo zakladateľov spoločnosti Intel, jedného z lídrov vo výrobe procesorov na svete, v roku 1965 na základe svojich pozorovaní objavil zákon, podľa ktorého sa v pravidelných intervaloch objavovali nové modely procesorov a mikroobvodov. Nárast počtu tranzistorov v procesoroch rastie za 2 roky asi 2-krát. Už 40 rokov funguje zákon Gordona Moora bez skreslenia. Vývoj budúcich technológií nie je ďaleko – už existujú funkčné prototypy založené na 32nm a 22nm technológiách výroby procesorov. Do polovice roku 2004 výkon procesora závisel predovšetkým od frekvencie procesora, no od roku 2005 frekvencia procesora prakticky prestala rásť. K dispozícii je nová technológia viacjadrových procesorov. To znamená, že niekoľko procesorových jadier je vytvorených s rovnakou frekvenciou hodín a počas prevádzky sa výkon jadier sčítava. To zvyšuje celkový výkon procesora.
Nižšie si môžete pozrieť video o výrobe procesorov.
Takmer každý vie, že v počítači je hlavným prvkom všetkých „železných“ komponentov centrálna procesorová jednotka. Ale okruh ľudí, ktorí si predstavia fungovanie procesora, je veľmi obmedzený. Väčšina používateľov o tom nemá ani potuchy. A aj keď sa systém náhle začne „spomaliť“, veľa ľudí si myslí, že tento procesor nefunguje dobre, a nepripisujú dôležitosť iným faktorom. Aby ste plne porozumeli situácii, zvážte niektoré aspekty CPU.
Čo je to centrálna procesorová jednotka?
Z čoho je vyrobený procesor?
Ak hovoríme o tom, ako funguje procesor Intel alebo jeho konkurent AMD, musíte sa pozrieť na to, ako sú tieto čipy usporiadané. Prvý mikroprocesor (mimochodom, bol od Intelu, model 4040) sa objavil už v roku 1971. Dokázal vykonávať len najjednoduchšie operácie sčítania a odčítania len so 4 bitmi informácií, teda mal 4-bitovú architektúru.
Moderné procesory, podobne ako prvorodené, sú založené na tranzistoroch a majú oveľa väčšiu rýchlosť. Vyrábajú sa metódou fotolitografie z určitého počtu jednotlivých kremíkových dosiek, ktoré tvoria jeden kryštál, do ktorého sú akoby vtlačené tranzistory. Schéma je vytvorená na špeciálnom urýchľovači s rozptýlenými iónmi bóru. Vo vnútornej štruktúre procesorov sú hlavnými komponentmi jadrá, zbernice a funkčné častice nazývané revízie.
Hlavné charakteristiky
Ako každé iné zariadenie, aj procesor sa vyznačuje určitými parametrami, ktoré pri odpovedi na otázku, ako procesor funguje, nemožno ignorovať. V prvom rade je to:
- Počet jadier;
- počet vlákien;
- veľkosť vyrovnávacej pamäte (vnútorná pamäť);
- frekvencia hodín;
- rýchlosť autobusu.
Zatiaľ sa sústreďme na rýchlosť hodín. Niet divu, že procesor je nazývaný srdcom počítača. Rovnako ako srdce pracuje v pulzačnom režime s určitým počtom cyklov za sekundu. Frekvencia hodín sa meria v MHz alebo GHz. Čím je vyššia, tým viac operácií môže zariadenie vykonávať.
Na akej frekvencii procesor pracuje, môžete zistiť z jeho deklarovaných charakteristík alebo sa pozrieť na informácie v Ale počas spracovania príkazov sa frekvencia môže meniť a pri pretaktovaní (overlocking) sa môže zvýšiť až do extrémnych limitov. Deklarovaný je teda len priemerný ukazovateľ.
Počet jadier je ukazovateľ, ktorý určuje počet výpočtových centier procesora (nezamieňať s vláknami – počet jadier a vlákien sa nemusí zhodovať). Vďaka tejto distribúcii je možné presmerovať operácie na iné jadrá, čím sa zvýši celkový výkon.
Ako pracuje procesor: spracovanie inštrukcií
Teraz trochu o štruktúre spustiteľných príkazov. Ak sa pozriete na to, ako procesor funguje, musíte jasne pochopiť, že každá inštrukcia má dve zložky - operačný a operand.
Operačná časť udáva, čo má počítačový systém momentálne robiť, operand určuje, na čom má pracovať procesor. Okrem toho môže jadro procesora obsahovať dve výpočtové centrá (kontajnery, vlákna), ktoré rozdeľujú vykonávanie príkazu do niekoľkých etáp:
- výroba;
- dešifrovanie;
- vykonávanie príkazov;
- prístup k pamäti samotného procesora
- uloženie výsledku.
Dnes sa používa samostatné ukladanie do vyrovnávacej pamäte vo forme použitia dvoch úrovní vyrovnávacej pamäte, čo umožňuje vyhnúť sa zachyteniu prístupu k jednému z pamäťových blokov dvoma alebo viacerými príkazmi.
Procesory podľa typu spracovania inštrukcií sa delia na lineárne (vykonávanie inštrukcií v poradí, v akom sú zapísané), cyklické a vetviace (vykonávanie inštrukcií po spracovaní podmienok vetvenia).
Prebiehajúce operácie
Medzi hlavné funkcie priradené procesoru v zmysle vykonateľných príkazov alebo inštrukcií patria tri hlavné úlohy:
- matematické operácie založené na aritmeticko-logickom zariadení;
- presúvanie údajov (informácií) z jedného typu pamäte do druhého;
- rozhodovanie o vykonaní príkazu a na jeho základe výber prechodu na vykonávanie iných súborov príkazov.
Interakcia s pamäťou (ROM a RAM)
V tomto procese je potrebné si všimnúť komponenty, ako je zbernica a kanál na čítanie/zápis, ktoré sú pripojené k úložným zariadeniam. ROM obsahuje trvalú sadu bajtov. Najprv si adresová zbernica vyžiada konkrétny bajt z ROM, potom ho prenesie na dátovú zbernicu, po čom čítací kanál zmení svoj stav a ROM poskytne požadovaný bajt.
Ale procesory nemôžu len čítať dáta z Náhodný vstup do pamäťe ale aj si ich zapíšte. V tomto prípade sa použije zapisovací kanál. Ale ak sa pozriete, celkovo moderné počítačečisto teoreticky by sa mohli zaobísť úplne bez RAM, keďže moderné mikrokontroléry sú schopné umiestniť potrebné dátové bajty priamo do pamäte samotného procesorového čipu. Bez ROM sa však nezaobídete.
Systém sa okrem iného spúšťa z režimu testovania hardvéru (príkaz BIOS) a až potom sa riadenie prenesie na zavádzací operačný systém.
Ako skontrolovať, či procesor funguje?
Teraz sa pozrime na niektoré aspekty kontroly zdravia procesora. Musí byť jasné, že ak by procesor nefungoval, počítač by vôbec nemohol začať sťahovať.
Iná vec je, keď sa chcete pozrieť na ukazovateľ využitia schopností procesora v určitom momente. Dá sa to urobiť zo štandardného „Správcu úloh“ (pred každým procesom je uvedené, koľko percent zaťaženia procesora dáva). Na vizuálne určenie tohto parametra môžete použiť kartu výkonu, kde sa zmeny sledujú v reálnom čase. Pokročilé možnosti môžete vidieť pomocou špeciálne programy napríklad CPU-Z.
Okrem toho môžete použiť viacero procesorových jadier pomocou (msconfig) a Extra možnosti K stiahnutiu.
Možné problémy
Na záver pár slov o problémoch. Tu sa mnohí používatelia často pýtajú, hovoria, prečo procesor funguje, ale monitor sa nezapne? TO CPU táto situácia je irelevantná. Faktom je, že keď zapnete akýkoľvek počítač, najprv sa otestuje grafický adaptér a potom všetko ostatné. Možno je problém len v procesore grafický čip(všetky moderné video akcelerátory majú svoje vlastné grafické procesory).
Ale na príklade fungovania ľudského tela treba pochopiť, že v prípade zástavy srdca odumiera celé telo. Tak je to aj s počítačmi. Procesor nefunguje - celý počítačový systém „zomrie“.
Korene nášho digitálneho životného štýlu určite pochádzajú z polovodičov, ktoré umožnili vytvorenie sofistikovaných výpočtových čipov na báze tranzistorov. Ukladajú a spracúvajú dáta, čo je základom moderných mikroprocesorov. Polovodiče, ktoré sa dnes vyrábajú z piesku, sú kľúčovou súčasťou takmer každého elektronické zariadenie, od počítačov po notebooky a mobilné telefóny. Bez polovodičov a elektroniky sa dnes už nezaobídu ani autá, keďže polovodiče riadia systém klimatizácie, proces vstrekovania paliva, zapaľovanie, strešné okno, zrkadlá a dokonca aj riadenie (BMW Active Steering). Dnes je takmer každé zariadenie, ktoré spotrebúva energiu, postavené na polovodičoch.
Mikroprocesory patria bezpochyby medzi najzložitejšie polovodičové produkty, keďže počet tranzistorov čoskoro dosiahne miliardu a rozsah funkčnosti je už dnes úžasný. Dvojjadro už čoskoro Jadrové procesory 2 na takmer hotovom 45nm procese Intel a už budú obsahovať 410 miliónov tranzistorov (hoci väčšina z nich bude použitá pre 6MB L2 cache). 45nm proces je pomenovaný podľa veľkosti jedného tranzistora, ktorý je teraz asi 1000-krát menší ako priemer ľudského vlasu. Do určitej miery to je dôvod, prečo elektronika začína vládnuť všetkému v našich životoch: aj keď bola veľkosť tranzistora väčšia, bolo veľmi lacné vyrábať nie príliš zložité mikroobvody, rozpočet tranzistorov bol dosť veľký.
V tomto článku sa pozrieme na základy výroby mikroprocesorov, ale dotkneme sa aj histórie procesorov, architektúry a pozrieme sa na rôzne produkty na trhu. Na internete ich nájdete veľa zaujímavé informácie, z ktorých niektoré sú uvedené nižšie.
- Wikipedia: Mikroprocesor. Tento článok bol recenzovaný odlišné typy procesory a poskytuje odkazy na výrobcov a ďalšie wiki stránky o procesoroch.
- Wikipedia: Mikroprocesory (kategória). Ďalšie odkazy a informácie nájdete v časti o mikroprocesoroch.
PC konkurenti: AMD a Intel
Spoločnosť Advanced Micro Devices Inc., založená v roku 1969, má ústredie v Sunnyvale v Kalifornii, zatiaľ čo srdce spoločnosti Intel, ktorá bola založená len o rok skôr, sa nachádza niekoľko kilometrov odtiaľ v Santa Clare. AMD má dnes dve továrne: v Austine (Texas, USA) a v Drážďanoch (Nemecko). Nový závod bude čoskoro uvedený do prevádzky. AMD navyše spojilo sily s IBM pri vývoji procesorovej technológie a výroby. Samozrejme, toto všetko je len zlomok veľkosti Intelu, keďže líder na trhu má dnes takmer 20 tovární v deviatich lokalitách. Približne polovica z nich sa používa na výrobu mikroprocesorov. Takže keď budete porovnávať AMD a Intel, nezabudnite, že porovnávate Davida a Goliáša.
Intel má nepopierateľnú výhodu v podobe obrovskej výrobná kapacita. Áno, spoločnosť je dnes lídrom v implementácii pokročilých technologických procesov. Intel je v tomto smere asi o rok pred AMD. Vďaka tomu môže Intel použiť vo svojich procesoroch viac tranzistory a viac vyrovnávacej pamäte. AMD na rozdiel od Intelu musí čo najefektívnejšie optimalizovať technický proces, aby udržalo krok s konkurenciou a vyrábalo slušné procesory. Samozrejme, dizajn procesorov a ich architektúra sú veľmi odlišné, no technický proces výroby je postavený na tom istom základné princípy. Aj keď, samozrejme, je v ňom veľa rozdielov.
Výroba mikroprocesorov
Výroba mikroprocesorov pozostáva z dvoch dôležitých etáp. Prvý je vo výrobe substrátu, ktorý AMD a Intel robia vo svojich továrňach. To zahŕňa udelenie vodivých vlastností substrátu. Druhou etapou je test substrátov, montáž a balenie procesora. Posledná operácia sa zvyčajne vykonáva v menej nákladných krajinách. Ak sa pozriete na procesory Intel, zistíte, že obal bol vyrobený v Kostarike, Malajzii, na Filipínach atď.
AMD a Intel sa teraz snažia vyrábať produkty pre maximálny počet segmentov trhu, navyše založené na minimálnom možnom sortimente kryštálov. Skvelým príkladom je rad procesorov Intel Core 2 duá. Sú tu tri procesory s kódovým označením pre rôzne trhy: Merom for mobilných aplikácií, Conroe - desktopová verzia, Woodcrest - serverová verzia. Všetky tri procesory sú postavené na rovnakom technologickom základe, čo umožňuje výrobcovi rozhodovať sa v posledných fázach výroby. Funkcie je možné povoliť alebo zakázať a aktuálna frekvencia hodín poskytuje spoločnosti Intel vynikajúcu mieru výťažnosti čipov. Ak dôjde k zvýšeniu dopytu na trhu po mobilné procesory, Intel sa môže zamerať na modely Socket 479. Ak sa zvýši dopyt po modeloch pre stolné počítače, spoločnosť bude testovať, overovať a baliť pre Socket 775, zatiaľ čo serverové procesory sú zabalené pre Socket 771. Dokonca aj štvorjadrové procesory sú vytvorené týmto spôsobom: dva dvojjadrové matrice sú inštalované v jednom balení, takže získame štyri jadrá.
Ako sa vyrábajú čipy
Výroba čipov spočíva v nanášaní tenkých vrstiev so zložitým „vzorom“ na kremíkové substráty. Najprv sa vytvorí izolačná vrstva, ktorá funguje ako elektrická uzávierka. Na vrch sa potom nanesie fotorezistný materiál a nežiaduce oblasti sa odstránia pomocou masiek a vysokointenzívneho ožarovania. Po odstránení ožiarených oblastí sa pod nimi otvoria oblasti oxidu kremičitého, ktorý sa odstráni leptaním. Potom sa odstráni aj fotoodporový materiál a získame určitú štruktúru na povrchu kremíka. Potom držané dodatočné procesy fotolitografiu s rôznymi materiálmi, kým sa nedosiahne požadovaná 3D štruktúra. Každá vrstva môže byť dopovaná určitou látkou alebo iónmi, čím sa menia elektrické vlastnosti. Okná sú vytvorené v každej vrstve, aby následne priniesli kovové spoje.
Čo sa týka výroby substrátov, tie sa musia z jedného monokryštálového valca narezať na tenké „placky“, aby sa neskôr dali ľahko narezať na samostatné kryštály procesora. Sofistikované testovanie sa vykonáva v každom kroku výroby s cieľom posúdiť kvalitu. Na testovanie každého čipu na substráte sa používajú elektrické sondy. Nakoniec sa substrát nareže na jednotlivé jadrá, nepracujúce jadrá sa okamžite vylúčia. V závislosti od charakteristík sa jadro stáva jedným alebo druhým procesorom a je uzavreté v balení, ktoré uľahčuje inštaláciu procesora na základná doska. Všetky funkčné bloky prechádzajú intenzívnymi záťažovými testami.
Všetko to začína podložkami
Prvý krok pri výrobe procesora sa robí v čistej miestnosti. Mimochodom, je dôležité poznamenať, že takáto technologická výroba je akumuláciou obrovského kapitálu na meter štvorcový. Výstavba moderného závodu so všetkým vybavením ľahko „uletí“ 2-3 miliardy dolárov a testovanie chodu nových technológií trvá niekoľko mesiacov. Až potom môže závod sériovo vyrábať procesory.
Vo všeobecnosti proces výroby čipu pozostáva z niekoľkých krokov spracovania substrátu. K tomu patrí aj tvorba samotných substrátov, ktoré sa nakoniec rozrežú na jednotlivé kryštály.
Všetko to začína pestovaním monokryštálu, pre ktorý je zárodočný kryštál vložený do kúpeľa roztaveného kremíka, ktorý sa nachádza tesne nad teplotou topenia polykryštalického kremíka. Je dôležité, aby kryštály rástli pomaly (asi deň), aby sa zabezpečilo správne usporiadanie atómov. Polykryštalický alebo amorfný kremík sa skladá z mnohých rôznych kryštálov, ktoré budú mať za následok nežiaduce povrchové štruktúry so zlými elektrickými vlastnosťami. Akonáhle je kremík roztavený, môže byť dopovaný inými látkami, ktoré menia jeho elektrické vlastnosti. Celý proces prebieha v utesnenej miestnosti so špeciálnym zložením vzduchu, aby kremík neoxidoval.
Monokryštál sa reže na „placky“ pomocou kotúčovej diamantovej píly, ktorá je veľmi presná a nevytvára veľké nerovnosti na povrchu substrátov. Samozrejme, v tomto prípade povrch podkladov stále nie je dokonale rovný, takže sú potrebné ďalšie operácie.
Najprv sa pomocou rotujúcich oceľových dosiek a abrazívneho materiálu (ako je oxid hlinitý) odstráni zo substrátov hrubá vrstva (proces nazývaný lapovanie). V dôsledku toho sú eliminované nepravidelnosti vo veľkosti od 0,05 mm do približne 0,002 mm (2 000 nm). Okraje každého substrátu by potom mali byť zaoblené, pretože ostré hrany môžu spôsobiť odlupovanie vrstiev. Ďalej sa používa proces leptania, pri použití rôznych chemikálií (kyselina fluorovodíková, kyselina octová, kyselina dusičná) sa povrch vyhladí o cca 50 mikrónov. Nedochádza k žiadnemu fyzickému znehodnoteniu povrchu, keďže celý proces je úplne chemický. Umožňuje vám odstrániť zostávajúce chyby v kryštálovej štruktúre, v dôsledku čoho bude povrch blízko ideálu.
Posledným krokom je leštenie, ktoré vyhladí povrch až na drsnosť, maximálne 3 nm. Leštenie sa vykonáva zmesou hydroxidu sodného a granulovaného oxidu kremičitého.
Dnes majú doštičky mikroprocesorov priemer 200 alebo 300 mm, čo umožňuje výrobcom čipov získať z každej doštičky veľa procesorov. Ďalším krokom budú 450 mm substráty, ale pred rokom 2013 by sa s nimi nemalo počítať. Vo všeobecnosti platí, že čím väčší je priemer substrátu, tým viac triesok rovnakej veľkosti je možné vyrobiť. Napríklad 300 mm substrát dáva viac ako dvakrát viac procesorov ako 200 mm.
Už sme spomenuli doping, ktorý sa uskutočňuje počas rastu monokryštálu. Ale dopovanie sa vykonáva ako s hotovým substrátom, tak aj počas fotolitografických procesov neskôr. To vám umožňuje zmeniť elektrické vlastnosti určitých oblastí a vrstiev a nie celú štruktúru kryštálu.
Pridanie dopantu sa môže uskutočniť difúziou. Atómy dopantu vypĺňajú voľný priestor vo vnútri kryštálovej mriežky medzi kremíkovými štruktúrami. V niektorých prípadoch môže byť dopovaná aj existujúca štruktúra. Difúzia sa uskutočňuje pomocou plynov (dusík a argón) alebo pomocou pevných látok alebo iných zdrojov dopantu.
Ďalším prístupom k dopingu je implantácia iónov, ktorá je veľmi užitočná pri zmene vlastností substrátu, ktorý bol dopovaný, pretože implantácia iónov sa uskutočňuje pri bežnej teplote. Preto existujúce nečistoty nedifundujú. Na substrát je možné aplikovať masku, ktorá vám umožňuje spracovať iba určité oblasti. Samozrejme, o implantácii iónov sa dá hovoriť dlho a diskutovať o hĺbke prieniku, aditívnej aktivácii pri vysokej teplote, kanálových efektoch, prieniku do úrovní oxidov atď., ale to je nad rámec nášho článku. Postup je možné počas výroby niekoľkokrát opakovať.
Na vytvorenie sekcií integrovaného obvodu sa používa proces fotolitografie. Keďže v tomto prípade nie je potrebné ožarovať celý povrch substrátu, je dôležité použiť takzvané masky, ktoré prepúšťajú žiarenie vysokej intenzity len do určitých oblastí. Masky možno prirovnať k čiernobielemu negatívu. Integrované obvody majú veľa vrstiev (20 a viac) a každá z nich vyžaduje svoju vlastnú masku.
Na povrch dosky z kremenného skla je nanesená tenká chrómová filmová štruktúra, aby sa vytvorila šablóna. Zároveň drahé nástroje využívajúce elektrónový lúč alebo laser zapisujú potrebné dáta integrovaného obvodu, v dôsledku čoho získame vzor chrómu na povrchu kremenného substrátu. Je dôležité pochopiť, že každá úprava integrovaného obvodu vedie k potrebe výroby nových masiek, takže celý proces zmien je veľmi nákladný. Za veľmi komplexné schémy masky vznikajú veľmi dlho.
Pomocou fotolitografie sa vytvorí štruktúra na silikónovom substráte. Proces sa niekoľkokrát opakuje, kým sa nevytvorí veľa vrstiev (viac ako 20). Vrstvy môžu pozostávať z rôznych materiálov, navyše je potrebné myslieť aj na spojenia s mikroskopickými drôtikmi. Všetky vrstvy môžu byť legované.
Pred začatím procesu fotolitografie sa substrát očistí a zahreje, aby sa odstránili lepkavé častice a voda. Substrát je potom potiahnutý oxidom kremičitým pomocou špeciálneho zariadenia. Ďalej sa na substrát nanesie spojivo, ktoré zaisťuje, že materiál fotorezistu, ktorý bude nanesený v ďalšom kroku, zostane na substráte. Fotorezistový materiál sa nanesie na stred substrátu, ktorý sa následne začne otáčať vysokou rýchlosťou, aby sa vrstva rovnomerne rozložila po celej ploche substrátu. Substrát sa potom opäť zahreje.
Kryt sa potom cez masku ožaruje kvantovým laserom, tvrdým ultrafialovým žiarením, röntgenovými lúčmi, elektrónovými lúčmi alebo iónovými lúčmi – všetky tieto zdroje svetla či energie je možné využiť. Elektrónové lúče sa používajú najmä na masky, röntgenové a iónové lúče na výskumné účely a priemyselnej výrobe dnes dominuje tvrdé UV žiarenie a plynové lasery.
Tvrdé UV žiarenie s vlnovou dĺžkou 13,5 nm ožaruje materiál fotorezistu pri prechode maskou.
Čas projekcie a zameranie sú veľmi dôležité na dosiahnutie požadovaného výsledku. Zlé zaostrenie spôsobí, že zostanú ďalšie častice materiálu fotorezistu, pretože niektoré otvory v maske nebudú správne ožiarené. To isté sa stane, ak je čas premietania príliš krátky. Potom bude štruktúra fotorezistu príliš široká, oblasti pod otvormi budú podexponované. Na druhej strane nadmerný čas projekcie vytvára príliš veľké plochy pod otvormi a príliš úzku štruktúru fotorezistu. Prispôsobenie a optimalizácia procesu je spravidla veľmi časovo náročné a náročné. Neúspešné nastavenie povedie k vážnym odchýlkam v pripojovacích vodičoch.
Špeciálna kroková projekčná jednotka posúva substrát do požadovanej polohy. Potom môže byť premietaný riadok alebo jeden úsek, najčastejšie zodpovedajúci jednému procesorovému čipu. Ďalšie mikronastavenia môžu spôsobiť ďalšie zmeny. Môžu odladiť existujúcu technológiu a optimalizovať proces. Mikroinštalácie zvyčajne fungujú na plochách menších ako 1 m2. mm, pričom bežné inštalácie pokrývajú väčšie plochy.
Substrát potom prejde do nového štádia, kde sa odstráni oslabený fotorezistný materiál, čím sa umožní prístup k oxidu kremičitému. Existujú mokré a suché leptacie procesy, ktoré ošetrujú oblasti oxidu kremičitého. Mokré procesy využívajú chemické zlúčeniny, zatiaľ čo suché procesy využívajú plyn. Samostatným procesom je odstránenie zvyškov materiálu fotorezistu. Výrobcovia často kombinujú mokré a suché odstraňovanie, takže materiál fotorezistu je úplne odstránený. Je to dôležité, pretože materiál fotorezistu je organický a ak sa neodstráni, môže spôsobiť chyby v substráte. Po vyleptaní a vyčistení môžete pristúpiť ku kontrole podkladu, ktorá sa bežne stáva na každom míľnikom, alebo preniesť substrát do nového cyklu fotolitografie.
Skúška podkladu, montáž, balenie
Hotové substráty sa testujú na takzvaných riadiacich jednotkách sondy. Pracujú s celým substrátom. Kontakty sondy sú umiestnené na kontaktoch každého kryštálu, čo umožňuje vykonať elektrické testy. Softvér testuje všetky funkcie každého jadra.
Rezaním zo substrátu možno získať jednotlivé zárodky. V súčasnosti už riadiace zariadenia sondy identifikovali, ktoré kryštály obsahujú chyby, takže po rozrezaní ich možno oddeliť od dobrých. Predtým boli poškodené kryštály fyzicky označené, teraz to nie je potrebné, všetky informácie sú uložené v jednej databáze.
Kryštálový držiak
Funkčné jadro je potom potrebné prilepiť na obal procesora pomocou lepiaceho materiálu.
Potom musíte vykonať káblové spojenia spájajúce kontakty alebo nohy balenia a samotný kryštál. Môžu sa použiť zlaté, hliníkové alebo medené spoje.
Väčšina moderných spracovateľov používa plastové obaly s rozdeľovačom tepla.
Typicky je jadro zabalené v keramickom alebo plastovom obale, aby sa zabránilo poškodeniu. Moderné procesory sú vybavené takzvaným rozdeľovačom tepla, ktorý poskytuje dodatočnú ochranu kryštálu, ako aj veľkú kontaktnú plochu s chladičom.
Testovanie procesora
Posledná fáza zahŕňa testovanie procesora, ku ktorému dochádza pri zvýšených teplotách, v súlade so špecifikáciami procesora. Procesor sa automaticky nainštaluje testovacia zásuvka, po ktorom sa analyzujú všetky potrebné funkcie.
Načítava...