Veľké veci začínajú malými. Toto tvrdenie je pravdivé pre mnoho vecí, ale v tomto článku budeme hovoriť o výrobe mikroprocesorov, ktoré sú napchané do širokej škály domácich spotrebičov, ktoré vás obklopujú, od smartfónov po chladničky.

Príprava surovín

Počítačové čipy najkomplexnejšej štruktúry, schopné vykonávať okamžité výpočty, sa rodia v obrovských téglikoch z kremenného skla naplnených až po okraj pieskom, ktorý prešiel viacstupňovým čistením.

V prvom rade sa „technický“ kremík získava z piesku zozbieraného v nejakom lome pridávaním uhlíka do minerálu pri vysokej teplote. Výsledný kremík dosahuje 98% čistotu, ale stále je úplne nevhodný pre elektronické aplikácie a vyžaduje dodatočnú úpravu chlórom, aby sa stal „elektronickým kremíkom“. Počas kaskády chemických reakcií s chlórom sa kremík doslova nanovo syntetizuje, čím sa zbaví posledných stôp nečistôt.

Až potom sa téglik s najčistejším elektronickým kremíkom vloží do uzavretej pece naplnenej argónom. Samozrejme, že by bolo možné z neho odčerpať vzduch, ale vytvorenie dokonalého vákua na zemi je veľmi ťažké, ak nie nemožné a z chemického hľadiska má argón takmer rovnaký účinok. Tento inertný plyn nahrádza kyslík, chráni kompozíciu pred oxidáciou a žiadnym spôsobom nereaguje s kremíkom v tégliku.

Až potom sa bývalý piesok zahreje na 1420 stupňov Celzia, čo je len 6 stupňov nad jeho bodom topenia. Na to slúži grafitový ohrievač. Výber materiálu, ako v prípade kremenného téglika, je spôsobený tým, že grafit nereaguje s kremíkom, a preto nemôže kontaminovať materiál budúceho spracovateľa.

Tenký kremíkový kryštál veľkosti a tvaru ceruzky sa spustí do vyhrievaného téglika. Mal by začať proces kryštalizácie. Nasledujúce je možné reprodukovať doma s roztokom soli, cukru, kyseliny citrónovej alebo napríklad síranu meďnatého. Chladiaci roztok začína kryštalizovať okolo bodu zárodku a vytvára ideálnu molekulárnu mriežku. Takto sa pestujú kryštály soli a takto rastie kremík.

Zárodočný kryštál kremíka sa postupne zdvíha z téglika rýchlosťou asi jeden a pol milimetra za minútu a spolu s ním stúpa z roztoku aj rastúci monokryštál. Rast kryštálov je pomalý a trvá v priemere 26 hodín na téglik, takže výroba beží nepretržite.

Počas tejto doby sa vytvorí „boule“ - pevný cylindrický kryštál s priemerom 300 milimetrov, dĺžkou do 1-2 metrov a hmotnosťou asi 100 kilogramov. Ak sa naň pozriete pod veľkým zväčšením, uvidíte striktnú štruktúru - ideálnu kryštálovú mriežku atómov kremíka, úplne homogénnu v celom objeme.

Kryštál je taký pevný, že jeho váhu unesie závit s priemerom len 3 milimetre. Takže hotový obrobok pre spracovateľov je vytiahnutý z téglika tým istým zárodočným kryštálom.

S guľou sa však narába opatrnejšie ako so starožitnou vázou, krištáľ znesie obrovské ťahové zaťaženie, je však mimoriadne krehký.

Po chemickom a röntgenovom vyšetrení na overenie čistoty kryštálu a správnosti molekulárnej mriežky sa obrobok umiestni do kremíkového rezacieho stroja. Pomocou drôtovej píly s diamantovým povlakom reže kryštál na plátky s hrúbkou asi 1 milimeter.

Samozrejme, nezaobíde sa to bez poškodenia. Bez ohľadu na to, aká ostrá je píla, po rezaní zostávajú na povrchu dosiek mikroskopické defekty. Takže po krájaní nasleduje krok leštenia.

Ale ani po spracovaní vo výkonnej brúske nie sú kremíkové doštičky dostatočne hladké, aby sa dali použiť na výrobu mikročipov. Preto sa leštenie znova a znova opakuje pomocou chemických činidiel.

Výsledkom je povrch, v porovnaní s ktorým zrkadlo pripomína hrubý brúsny papier. Takáto doska bez zlomov alebo mikrodefektov sa stáva základom pre milióny mikroelektronických zariadení, ktoré tvoria mikroobvod. Vyčistené od prachu sa kremíkové disky, ktoré sa bežne nazývajú „oblátky“ alebo „oblátky“, posielajú do čistej miestnosti v zapečatených nádobách.

V čistej miestnosti

V roku 1958 sa vynálezcovi integrovaného obvodu Jackovi Kirbymu podarilo urobiť prelom tým, že na jeho obvod umiestnil jediný tranzistor. V súčasnosti počet mikroprocesorových logických prvkov prekročil miliardu a každé dva roky sa v súlade s Moorovým zákonom naďalej zdvojnásobuje.

Práca s takýmito mikroskopickými časťami predstavuje pre výrobcov čipov vážnu výzvu, pretože aj jediné zrnko prachu môže zničiť budúci produkt. Preto sú dielne s rozlohou niekoľko tisíc metrov štvorcových úplne izolované od okolitého sveta a vybavené sofistikovanými systémami čistenia vzduchu a klimatizácie, vďaka čomu je 10 000-krát čistejšie ako na chirurgickom oddelení.

Všetci odborníci pracujúci v takejto čistej miestnosti nielen zachovávajú sterilitu, ale nosia aj ochranné obleky z antistatických materiálov, masky a rukavice. Napriek všetkým opatreniam na zníženie rizika chýb sa spoločnosti vyrábajúce procesory snažia automatizovať čo najviac práce vykonávanej v čistej miestnosti tým, že ju outsourcujú priemyselným robotom.

Proces výroby procesorov sa presunul na dopravný pás. Dokonale hladký „wayfer“ dodávaný v zapečatenej škatuľke prejde 400-500 technologickými operáciami a opúšťa dielňu len o niekoľko mesiacov neskôr v podobe hotového mikročipu.

Vytvorenie mikročipu z „oblátky“ zahŕňa vytvorenie veľmi zložitého technologického reťazca, ktorý nie je možné podrobne opísať z dôvodu obmedzení objemu článku. Aj keby neexistovali, spoločnosti ako Intel a AMD sa neponáhľajú zdieľať svoje výrobné tajomstvá. V konštrukčných oddeleniach firiem sa navrhujú zložité trojrozmerné schémy vzájomného usporiadania prvkov procesora - topológie čipov. Predstavujú viacúrovňovú akumuláciu prvkov, ktorá je rozdelená do vrstiev a ukladaná vrstva po vrstve na kremíkový substrát. Robiť to ručne, samozrejme, je nemožné, proces je príliš jemný, prvky sú príliš malé, doslova nanometrové.

Procesory Intel ôsmej generácie, známe ako Coffee Lake, sú posiate 14 nanometrovými tranzistormi, AMD oznámilo druhú generáciu procesorov AMD Ryzen s kódovým označením Pinnacle Ridge, postavených na 12 nanometrových prvkoch. Najnovšie grafické karty NVIDIA s architektúrou jadra Volta sú tiež postavené na 12 nm technológii. Systém na čipe Qualcomm Snapdragon 835 je ešte menší – iba 10 nanometrov. Neustále zmenšovať veľkosť funkčných prvkov procesora a následne zvyšovať jeho výkon je možné vďaka zdokonaleniu technológie nazývanej fotolitografia.

Vo všeobecnosti možno tento proces opísať takto:

Najprv sa kremíkový plátok potiahne základňou - materiálom, ktorý bude súčasťou budúceho obvodu, potom sa na vrch nanesie v rovnomernej vrstve chemické činidlo citlivé na svetlo. Táto kompozícia urobí všetku prácu, ale pointa príde neskôr.

Po prvé, z firemných archívov je extrahovaný prísne strážený podrobný návrh procesora. Jeho spodná vrstva je prezentovaná vo forme negatívu a prenesená na fotomasku - ochrannú dosku, ktorá pôsobí ako šablóna. Je výrazne väčší ako čip, takže svetlo prechádzajúce cez neho je zaostrené pomocou zložitého systému šošoviek, čím sa premietaný obraz zmenší na požadovanú veľkosť.

V miestach, kde svetlo nedosiahne kremík, zostáva plátok nedotknutý, v osvetlených oblastiach iniciuje reakciu v chemickom činidle, čím sa menia jeho vlastnosti. Potom sa budúci spracovateľ ošetrí inou kompozíciou a tieto oblasti sa rozpustia a zostanú len tie oblasti, ktoré neboli vystavené. Tvoria vodivé logické prvky procesora.

Potom sa na plátok nanesie vrstva dielektrika a na vrch sa pridajú nové komponenty procesora, opäť pomocou fotolitografie.

Niektoré vrstvy sa zahrievajú, niektoré sú vystavené ionizovanej plazme a iné sú potiahnuté kovom. Každý typ spracovania mení vlastnosti vrstvy a pomaly vytvára kúsok skladačky, ktorý tvorí špecifický model čipu. Výsledkom je akýsi vrstvový koláč, kde každá vrstva má svoju vlastnú funkčnosť a sú komplexne prepojené cez „stopy“ atómov medi, ktoré sú nanesené na kremíkovej podložke z roztoku síranu meďnatého, pričom cez ňu prechádza elektrický prúd. to.

Toto je posledná fáza spracovania, po ktorej sa kontroluje funkčnosť mikročipov. Napriek všetkým preventívnym opatreniam a mnohodňovému úsiliu zostáva chybovosť vysoká. Roboty vyberú a odrežú iba 100% účinné čipy z kremíkovej doštičky.
Budú zoradené podľa energetickej účinnosti, prúdu a maximálnej prevádzkovej frekvencie, dostanú rôzne označenia a nakoniec sa budú predávať za rôzne ceny.

Dokončovacie úpravy

Na ceste k zákazníkom opúšťajú spracovatelia čistú miestnosť a posielajú sa na montážnu linku, kde sa hotový čip nalepí na štvorec nazývaný substrát. Kryštál je k nemu priletovaný v špeciálnej peci pri teplote 360 ​​stupňov Celzia.

Potom sa čip zakryje vekom. Slúži jednak na ochranu ešte krehkého kremíka pred poškodením a jednak na odvod tepla z neho. Asi si to predstavujete dobre, základňa chladiaceho systému, či už chladiča alebo výmenníka vodného chladiaceho systému, bude pritlačená ku krytu. Toto nie je menej dôležité štádium ako predchádzajúce. Stabilita a rýchlosť jeho prevádzky a jeho budúci maximálny výkon totiž do veľkej miery závisia od toho, ako dobre odvádza teplo z čipu kryt procesora.

Staré procesory Intel boli doslova priletované na kryte rozvodov tepla. Najnovšie generácie proprietárnych čipov však dostávajú medzi kryštálom a krytom tesnenie tepelného rozhrania a horšie sa chladia, čo značne rozčuľuje nadšencov počítačového hardvéru, ktorí chcú zo svojich akvizícií vyťažiť maximum. Dospelo to do bodu, keď „skalpujú“ procesory – nezávisle z nich odstránia rozdeľovač tepla a nahradia tepelné rozhranie efektívnejším. Nenechajme sa však rozptyľovať trikmi s pretaktovaním, keďže procesor ešte nie je pripravený.

Poslednou fázou je vytvorenie elektrických kontaktov, ktoré spoja mikroprocesor so základnou doskou počítača. Zvyčajne sa na to vyrábajú plechové valce, takzvané „nohy“ procesora, ktoré sa najskôr prilepia a potom prispájkujú k substrátu, kde sú pre ne vopred pripravené miesta. Pre mikročipy s veľkým počtom spojení sa niekedy namiesto nôh používajú malé cínové guľôčky, pretože sú silnejšie a spoľahlivejšie, ale v poslednej dobe sa od nich upúšťa v prospech jednoduchých kontaktných plôšok.

Hotový mikročip sa premyje v roztoku vody a rozpúšťadla, aby sa odstránili prebytočné tavidlá a nečistoty, a následne sa vykoná záverečná kontrola kvality vykonanej práce. Tie môžu siahať od výkonnostných záťažových testov, napríklad v čistej miestnosti, až po prísnejšie testy. Čipy určené na prevádzku v extrémnych podmienkach, napríklad v kozmickom a vojenskom priemysle, sa teda umiestňujú zatavené do keramických puzdier a opakovane testujú pri extrémnych teplotách vo vákuových komorách.

Potom sa v závislosti od účelu mikroprocesora odošle priamo do rúk zákazníkov a potom do pätíc základných dosiek alebo do iných tovární, kde na doske grafickej karty zaujme miesto malý kremíkový kryštál. , vesmírny satelit, inteligentná chladnička alebo možno skončí v obale na smartfón.

Ako sa vyrábajú mikroprocesory?

Boli ste niekedy v srdci polovodičového priemyslu – v továrni na čipy? Každá takáto štruktúra je výtvor, ktorý môže zapôsobiť na každého, dokonca aj na niekoho nezasväteného do výrobných procesov.

Tí, ktorí tam zavítali, mali pocit, že robia fantastickú cestu do futuristického mraveniska robotov alebo do samotného mikroobvodu. Tam sa v sterilnej miestnosti veľkosti troch futbalových ihrísk preháňajú roboty a desiatky špecialistov oblečených v skafandroch a ochranných prilbách. A vysoko presné stroje na výrobu mikročipov „plávajú“ na špeciálnych plošinách, osvetlených žlto-oranžovým svetlom...

Etapy výroby čipov a fotolitografia

Integrované obvody sa vyrábajú na povrchu monokryštalického kremíka (používa sa kremík (Si), pretože je to najvhodnejší polovodič na tieto účely. Polovodiče sú zase trieda materiálov, ktorých elektrická vodivosť je medzi vodivosťou vodičov (hlavne kovov). ) a izolanty (dielektrika).Kremík môže pôsobiť aj ako dielektrikum aj ako vodič – v závislosti od množstva a druhu nečistôt iných chemických prvkov v ňom prítomných.A ​​táto vlastnosť je široko používaná pri výrobe mikroobvodov.V r. V ojedinelých prípadoch sa namiesto kremíka používajú aj iné materiály. Intel dokáže do svojej 90nm procesnej technológie zaviesť najmä heterojunkčné bipolárne tranzistory (HBT) na kremíku a germániu (SiGe) postupným vytváraním rôznych vrstiev na tenkej (menej než milimeter) okrúhly (s priemerom do 30 cm) kremíkový plátok nazývaný substrát [Tenké plátky sú vyrezané z ťažkého, dlhého valcového plátku monokryštalického kremíka, ktorý sa pestuje pomocou špeciálnej presnej metódy. Potom sa platne vyleštia do zrkadlového lesku pomocou mechanických a chemických metód. „Pracovný“ povrch (teda ten, na ktorom sa ďalej vytvára mikroobvod) dosky musí byť hladký a dokonalý na atómovej úrovni a musí mať veľmi presnú kryštalografickú orientáciu (podobne ako rôzne fazety diamantu pri rezaní, ale ešte dokonalejšie)]. Vrstvy sa vytvárajú rôznymi procesmi s použitím chemikálií, plynov a svetla. Výroba moderných mikroprocesorov je zložitý proces pozostávajúci z viac ako tristo krokov – viac ako dvadsať vrstiev je navzájom „zdobne“ pospájaných, aby vytvorili obvod mikroprocesora s trojrozmernou štruktúrou. Presný počet vrstiev na substráte (wafer) závisí od konštrukčného projektu konkrétneho procesora. Na jedinom kremíkovom substráte sú vytvorené stovky rovnakých mikroprocesorov a v konečnej fáze sú rozrezané na jednotlivé pravouhlé kryštály - čipy.

Procesy vytvárania rôznych vrstiev a vzorov mikroobvodových prvkov na substráte sú pomerne sofistikované (v skutočnosti je to celá oblasť vedy), ale sú založené na jednej jednoduchej myšlienke: keďže charakteristické rozmery vytvoreného vzoru sú také malé (Napríklad vyrovnávacia pamäťová bunka procesora na 90 nm jadre Prescott stokrát menšia ako červená krvinka (erytrocyt) a jeden z jej tranzistorov má veľkosť chrípkového vírusu), čo jednoducho znemožňuje ukladajú určité materiály na správne miesta, robia to jednoduchšie - materiál sa ihneď nanáša na celý povrch podkladu a potom sa opatrne odstraňuje z miest, kde nie je potrebný. To sa dosahuje procesom fotolitografie.

H Čo je to „čistá miestnosť“ a prečo sa používajú v továrňach na výrobu polovodičov?

Štiepky sa musia vyrábať v kontrolovaných a veľmi čistých podmienkach vzduchu. Keďže funkčné prvky (tranzistory, vodiče) na mikročipoch sú veľmi malé, akákoľvek cudzia častica (prach, dym alebo šupinky kože), ktorá sa dostane na doštičku s budúcimi mikroobvodmi v medzistupňoch jej výroby, môže poškodiť celý kryštál. Čisté priestory sú klasifikované podľa veľkosti a počtu mikročastíc prítomných na jednotku objemu (kubická stopa, približne jedna tridsatina kubického metra) vzduchu. Napríklad miestnosti triedy 1 používané v modernej výrobe sú približne tisíckrát čistejšie ako chirurgická operačná sála. Čistá miestnosť kontroluje čistotu vzduchu filtrovaním privádzaného vzduchu, odstraňovaním nečistôt z inštalácií, laminárnym pohybom vzduchu zo stropu na podlahu (približne za šesť sekúnd) a úpravou vlhkosti a teploty. Ľudia v „čistých miestnostiach“ nosia špeciálne skafandre, ktoré im okrem iného zakrývajú celé vlasy (a v niektorých prípadoch dokonca aj ich vlastný dýchací systém). Aby sa eliminovali vibrácie, čisté priestory sú umiestnené na vlastných základoch odolných voči vibráciám.

Fotolitografia je neotrasiteľným základom výroby mikroobvodov a v dohľadnej budúcnosti je nepravdepodobné, že za ňu bude dôstojná náhrada. Preto má zmysel zvážiť to podrobnejšie. Napríklad potrebujeme vytvoriť vzor vo vrstve nejakého materiálu - oxidu kremičitého alebo kovu (to sú najbežnejšie operácie v modernej výrobe). V prvom rade sa na substráte tak či onak vytvorí tenká (zvyčajne tenšia ako jeden mikrón) a súvislá, bez defektov, vrstva požadovaného materiálu. Ďalej sa na ňom vykonáva fotolitografia. Na tento účel sa najskôr na povrch plátku nanesie tenká vrstva fotocitlivého materiálu nazývaného fotorezist (fotorezistent sa nanáša z kvapalnej fázy, rovnomerne rozložená po povrchu plátku otáčaním v odstredivke a suší sa až do stuhnutia). Potom sa plátok s fotorezistom umiestni do presnej inštalácie, kde sa požadované oblasti povrchu ožarujú ultrafialovým svetlom cez priehľadné otvory vo fotomaske (nazývanej aj fotomaska). Maska obsahuje zodpovedajúci (aplikovaný na povrch doštičky) vzor, ​​ktorý sa pre každú vrstvu vytvorí počas procesu návrhu čipu. Vplyvom ultrafialového žiarenia menia ožiarené oblasti fotorezistu svoje vlastnosti tak, že je možné ich selektívne odstraňovať pomocou určitých chemických činidiel (Existujú negatívne a pozitívne fotorezisty. Človek pri ožiarení „zosilnie“, takže jeho neožiarené oblasti sú odstránená, pričom druhá naopak stráca svoju chemickú odolnosť, preto sa jej ožiarené oblasti odstránia.Podľa toho sa rozlišuje pozitívna a negatívna fotolitografia). Po odstránení fotorezistu zostanú otvorené len tie oblasti povrchu plátku, na ktorých je potrebné vykonať požadovanú operáciu - napríklad odstránenie vrstvy dielektrika alebo kovu. Úspešne sa odstránia (tento postup sa nazýva leptanie - chemické alebo plazmochemické), po ktorom môžu byť zvyšky fotorezistu konečne odstránené z povrchu doštičky, čím sa vystaví vzor vytvorený vo vrstve požadovaného materiálu pre ďalšie akcie Fotolitografia je dokončená.

P Pri výrobe moderných mikroprocesorov je potrebné vykonávať fotolitografické operácie až 20–25 krát – zakaždým na novej vrstve. Celkovo to trvá niekoľko týždňov! V niektorých prípadoch ide o vrstvy izolačných materiálov, ktoré slúžia ako hradlové dielektrikum tranzistorov alebo pasivačné (izolačné) vrstvy medzi tranzistormi a vodičmi. V iných ide o vytvorenie vodivých polysilikónových brán tranzistorov a kovových vodičov spájajúcich tranzistory (Pre jednoduchosť sa niektoré operácie niekedy kombinujú - napr. tzv. rovnakú fotolitografiu súčasným vytvorením vzoru hradlového dielektrika a tenkého polysilikónového hradla). Po tretie, ide o vytváranie selektívne dotovaných oblastí (hlavne drenáže a zdroje tranzistorov) a dotovanie plôch povrchu monokryštálovej kremíkovej doštičky ionizovanými atómami rôznych chemických prvkov (za účelom vytvorenia n- alebo p- typ polovodičových oblastí v kremíku) sa nevykonáva cez okienka vo fotorezise (na to je príliš nestabilný) a cez vzor v dostatočne hrubej vrstve naneseného dielektrika (napríklad rovnakého oxidu kremičitého). Potom sa dielektrikum odstráni spolu s fotorezistom.

Niekedy sa používa zaujímavá metóda, ako je výbušná fotolitografia. To znamená, že najprv sa vytvorí vzor (okná sa vyleptajú do fotorezistu alebo dočasnej dielektrickej vrstvy), potom sa na povrch plátku nanesie súvislá vrstva nového materiálu (napríklad kovu) a nakoniec sa plátok umiestni do činidlo, ktoré odstraňuje zvyšky fotorezistu alebo dočasného dielektrika. V dôsledku toho sa zdá, že odstránená vrstva „exploduje“ zvnútra, odnáša so sebou kúsky posledného naneseného kovu, ktorý na nej ležal, a v predtým „otvorených“ oblastiach (oknách) kov zostal a vytvoril funkčný vzor. potrebujeme (vodiče alebo brány). A to je len špička ľadovca nazývaná mikroelektronická technológia, ktorá je založená na princípe fotolitografie.

Týmto spôsobom sa na povrchu kremíkového plátku, ktorý je v skutočnosti elektronickým obvodom, vytvorí zložitá trojrozmerná štruktúra hrubá niekoľko mikrónov. Na vrchu je obvod pokrytý silnou (mikrónovou) vrstvou pasivačného dielektrika, ktorá chráni tenkú štruktúru pred vonkajšími vplyvmi. Otvára len okná pre veľké, desiatky mikrónov veľké, štvorcové kovové kontaktné plôšky, cez ktoré sa do obvodu zvonku privádzajú napájacie napätia a elektrické signály. A zospodu je mechanický základ mikroobvodu kremíkový plátok hrubý stovky mikrónov. Teoreticky by sa takýto obvod dal vyrobiť veľmi tenký (10–30 mikrónov) a v prípade potreby dokonca „zrolovať do trubice“ bez straty funkčnosti. A podobná práca prebieha už nejaký čas v určitých smeroch, hoci tradičné mikroobvodové kryštály (čipy) stále zostávajú „neohybné“.

Po dokončení technologických postupov sa každý z kryštálov na oblátke otestuje (viac o tom v ďalšom článku), následne sa oblátka pomocou diamantovej píly rozreže na jednotlivé kryštály (obdĺžnikové triesky) (Pred rezaním na kryštály je potrebné hr. wafer v moderných mikroprocesoroch sa pri použití mechanického leštenia zníži asi o tretinu. To umožňuje ich umiestnenie do kompaktnejších obalov. Leštenie zadnej strany slúži aj na odstránenie cudzích materiálov s následným vytvorením elektrických a adhéznych kontaktov na substrát počas balenia). Ďalej je každý čip zabalený vo vlastnom obale, čo umožňuje jeho pripojenie k iným zariadeniam. Typ balenia závisí od typu čipu a spôsobu jeho použitia. Nakoniec sú všetky zabalené čipy opäť testované (nevhodné sú odmietnuté, vhodné prechádzajú špeciálnymi záťažovými testami pri rôznych teplotách a vlhkosti, ako aj testom elektrostatického výboja), triedené podľa charakteristík a zhody s určitými špecifikáciami a expedované k zákazníkovi.

Technológia Intel Copy Exactly

U Pre väčšinu výrobcov čipov sú zariadenia a procesy používané v ich výskumných a vývojových laboratóriách odlišné od tých, ktoré používajú v továrňach na hotové výrobky. A pri prechode výroby z poloprevádzkovej na sériovú výrobu často vznikajú vážne zdržania v dôsledku toho, že nové zariadenie si vyžaduje výraznú úpravu a prispôsobenie technologických procesov, aby sa dosiahlo vysoké percento vhodnej výťažnosti produktu, ktoré sa predtým získavalo v laboratóriách. To nielen oneskoruje masovú výrobu, ale vedie aj k zmenám stoviek parametrov procesu a dokonca aj finálnych produktov. To isté platí, ak sa proces zavedený v jednej továrni prenesie do inej s novým zariadením.

Aby sa predišlo možným nákladom, spoločnosť Intel Corporation, ktorá má už viac ako tucet polovodičových tovární, pred niekoľkými rokmi zaviedla technológiu Copy Exactly, ktorej podstatou je, že keď sa výrobná technológia konkrétneho produktu prenesie z laboratória do továrne alebo medzi rôzne továrne, úplné opakovanie (duplikácia) všetkého, čo súvisí s týmto technickým procesom do najmenších detailov. Za týmto účelom sa na vývoji produktov podieľajú najmä manažéri závodov. A pri prenose technológií sa kopíruje doslova všetko – nielen vstupné a výstupné parametre procesov (viac ako 500!), ale aj ich tok, vybavenie a jeho nastavenie, dodávatelia surovín pre technické procesy, potrubný systém, čisté priestory a dokonca aj metódy školenia personálu.

Táto inovatívna technika prenosu technológií sa ukázala ako veľmi úspešná. Dnes umožňuje továrňam dosiahnuť plnú kapacitu takmer okamžite po spustení – v priebehu niekoľkých týždňov. Okrem toho technológia Copy Exactly poskytuje továrňam jednej spoločnosti väčšiu flexibilitu: doštičky, ktoré sa začali v jednej továrni, môžu byť dokončené v inej továrni bez kompromisov v kvalite a výťažnosti. A v prípade nehody alebo reorganizácie jednej z tovární sa jej práce „uberú“ iné a podnik prakticky neutrpí. Túto technológiu oceňujú aj konkurenti – ako AMD a IBM – hoci v súčasnosti nie je medzi nimi použiteľná, pretože ich technologické cesty sú trochu odlišné.

Polovodičové továrne

S Odvetvie čipov sa teraz blíži ku koncu jednej z tých revolúcií, ktoré raz za desaťročie menia tvár odvetvia. Výrobcovia prechádzajú z doštičiek s priemerom 200 mm na doštičky s priemerom 300 mm (pozri fotografiu vpravo), v dôsledku čoho je možné výrazne znížiť náklady na výrobu mikroobvodov a tým aj všetkých elektronických polovodičov. Produkty. Faktom je, že substrát s priemerom 300 mm poskytuje 225-percentný nárast plochy kremíkového plátku a 240-percentný nárast užitočnej výťažnosti čipov z každého substrátu. Okrem toho sa výrazne zlepšujú environmentálne charakteristiky výroby, čo si vyžaduje menšiu spotrebu chemikálií a energie na spracovateľa a vytvára menej odpadu. V porovnaní s továrňou, ktorá beží na 200 mm doštičkách, nová továreň podľa Intelu vyžaruje o 48 % menej prchavých organických zlúčenín, používa o 42 % menej ultračistej vody a spotrebuje asi o 40 % menej energie. Náklady na prácu sa znížia o 50 %.

Moderné „300 mm“ továrne sú gigantické priemyselné podniky v hodnote asi 2 miliárd dolárov a s rozlohou viac ako stoviek tisíc metrov štvorcových. Len máloktorá zo súčasných spoločností vyrábajúcich čipy (pozri bočný panel na strane 34 pre 20 najlepších) si môže dovoliť investovať do takýchto drahých fab. Koniec koncov, na vybudovanie a ďalšie prevádzkovanie takýchto podnikov je potrebné dosiahnuť ročný obrat aspoň 6 miliárd dolárov na továreň. Takéto továrne sa zvyčajne nazývajú „zlieváreň“ - jeden z prekladov tohto výrazu do ruštiny znamená „zlieváreň“. Názov zosobňuje kolosálny priemyselný rozsah: klenotnícky proces výroby high-tech mikroprocesorových prvkov sa stáva priemyselným prúdom, ktorého rozsah je porovnateľný iba s rozsahom výroby obrovských hutníckych dielní. V roku 2000, keď predaj čipov rástol, malo iba desať spoločností na svete tržby nad 6 miliárd dolárov. Zo „starej gardy“ dnes iba Intel, IBM, Infineon, AMD, Texas Instruments a Samsung vlastnia svoje vlastné prevádzkové továrne na výrobu čipov na 300 mm substrátoch. Ostatné sú vytvárané a riadené spoločne kombináciami spoločností – napríklad Motorola – Philips – STMicroelectronics – Taiwan Semiconductor. Nepochybným lídrom v plánoch výstavby nových tovární je Taiwan. Už v roku 2001 ostrov vyprodukoval pätinu celkovej svetovej produkcie substrátu a do roku 2010 by tento podiel mohol dosiahnuť 40 %. V pätách Taiwanu sú Čína, Malajzia a Singapur – plánujú postaviť 15 tovární, z ktorých päť bude pracovať na 300 mm doštičkách.

U Intel Corporation už má štyri takéto priemyselné továrne: F11X v Rio Rancho (Nové Mexiko), dve - D1C a D1D - v Hillsboro (Oregon) a nedávno uvedenú Fab 24 v írskom meste Leixlip. Všetky dokážu vyrábať procesory pomocou 90nm technológie; piata, Fab 12 v Chandleri (Arizona) pre 65-nm procesnú technológiu, bude prevedená na 300-mm doštičky do roku 2005. A napríklad AMD plánuje uviesť do prevádzky prvú 300 mm Fab 36 továreň až budúci rok, pozri recenziu na www.terralab.ru/system/33692. Odborníci sa domnievajú, že existujúce továrne s 200 mm substrátmi budú schopné zostať nad vodou až do roku 2005, potom už nebudú schopné odolávať cenovej konkurencii s 300 mm procesom. Do roku 2005 sa budú čipy vyrábať 65 nm technológiou a do mikroprocesorov bude integrovaná miliarda tranzistorov! Čipy budú také malé, že umožnia zabudovanie mobilných telefónov s hlasovým vytáčaním do pera.

Prečo sú továrne na výrobu čipov také drahé (až 5 miliárd dolárov)? Polovodičové továrne plnia tie najzložitejšie úlohy zo všetkých fab na svete. Používajú iba špecializované materiály, skrutky, konštrukčné prvky, zariadenia atď. Okrem toho napríklad továrne Intelu sú takmer dvakrát väčšie ako priemerná veľkosť podobných tovární na svete. Samotná budova stojí približne 25 % celkových nákladov fabriky a ešte desať rokov po výstavbe zostáva konštrukciou vhodnou na riešenie najmodernejších problémov. Zariadenia (inštalácie na fotolitografiu, nanášanie v plynnej fáze, implantácia iónov) a stroje na podlahe stoja zvyšných 75 %.

Na zabezpečenie odolnosti základu a inštalácií voči vibráciám sa vykonávajú dodatočné merania. Aj keď je továreň navonok jedna budova, v skutočnosti ide o niekoľko budov oddelených od seba veľkými (až 10 cm) rozostupmi a každá budova má svoj vlastný základ. To pomáha tlmiť rôzne vibrácie – ako z vonkajších zdrojov (vozidlá, vlaky), tak aj z vlastných vibrácií zariadenia.

Výroba mikroobvodov je veľmi náročná záležitosť a uzavretosť tohto trhu je diktovaná predovšetkým vlastnosťami dominantnej fotolitografickej technológie súčasnosti. Mikroskopické elektronické obvody sa premietajú na kremíkový plátok cez fotomasky, pričom cena každej z nich môže dosiahnuť 200 000 USD.Na výrobu jedného čipu je pritom potrebných aspoň 50 takýchto masiek. Pridajte k tomu náklady na „pokus-omyl“ pri vývoji nových modelov a pochopíte, že iba veľmi veľké spoločnosti môžu vyrábať procesory vo veľmi veľkých množstvách.

Čo by mali robiť vedecké laboratóriá a high-tech startupy, ktoré potrebujú neštandardné návrhy? Čo by sme mali urobiť pre armádu, pre ktorú nákup procesorov od „pravdepodobného nepriateľa“ nie je, mierne povedané, comme il faut?

Navštívili sme ruský výrobný areál holandskej spoločnosti Mapper, vďaka ktorému môže výroba mikroobvodov prestať byť nebeským údelom a zmeniť sa na činnosť pre obyčajných smrteľníkov. No, alebo takmer jednoduché. Tu, na území Moskovského technopolisu, sa s finančnou podporou spoločnosti Rusnano Corporation vyrába kľúčový komponent technológie Mapper - elektrónový optický systém.

Avšak predtým, ako pochopíme nuansy Mapperovej bezmaskovej litografie, stojí za to pripomenúť si základy konvenčnej fotolitografie.

Nemotorné svetlo

Moderný procesor Intel Core i7 môže obsahovať približne 2 miliardy tranzistorov (v závislosti od modelu), z ktorých každý má veľkosť 14 nm. V snahe o výpočtový výkon výrobcovia každoročne zmenšujú veľkosť tranzistorov a zvyšujú ich počet. Za pravdepodobný technologický limit v tomto závode možno považovať 5 nm: v takýchto vzdialenostiach sa začínajú objavovať kvantové efekty, vďaka ktorým sa elektróny v susedných bunkách môžu správať nepredvídateľne.

Na uloženie mikroskopických polovodičových štruktúr na kremíkovú dosku používajú proces podobný fotografickému zväčšovaču. Pokiaľ nie je jeho cieľom pravý opak – aby bol obraz čo najmenší. Platňa (alebo ochranná fólia) je pokrytá fotorezistom - polymérnym fotocitlivým materiálom, ktorý pri ožiarení svetlom mení svoje vlastnosti. Požadovaný vzor čipu je vystavený fotorezistu cez masku a zbernú šošovku. Vytlačené oblátky sú zvyčajne štyrikrát menšie ako masky.

Látky ako kremík alebo germánium majú na svojej vonkajšej energetickej úrovni štyri elektróny. Tvoria nádherné kryštály, ktoré vyzerajú ako kov. Ale na rozdiel od kovu nevedú elektrinu: všetky ich elektróny sú zapojené do silných kovalentných väzieb a nemôžu sa pohybovať. Všetko sa však zmení, ak k nim pridáte trochu donorovej nečistoty z látky s piatimi elektrónmi na vonkajšej úrovni (fosfor alebo arzén). Štyri elektróny sa viažu s kremíkom, pričom jeden zostáva voľný. Kremík s donorovou nečistotou (typ n) je dobrý vodič. Ak do kremíka pridáte akceptorovú nečistotu z látky s tromi elektrónmi na vonkajšej úrovni (bór, indium), podobným spôsobom sa vytvoria „diery“, virtuálna analógia kladného náboja. V tomto prípade hovoríme o polovodiči typu p. Spojením vodičov typu p a n získame diódu - polovodičové zariadenie, ktoré prechádza prúdom iba jedným smerom. Kombinácia p-n-p alebo n-p-n nám dáva tranzistor - prúd ním preteká iba vtedy, ak je na stredový vodič privedené určité napätie.

Difrakcia svetla sa prispôsobuje tomuto procesu: lúč prechádzajúci otvormi masky sa mierne láme a namiesto jedného bodu sa obnaží séria sústredných kruhov, akoby z kameňa hodeného do bazéna. . Našťastie difrakcia nepriamo súvisí s vlnovou dĺžkou, čo inžinieri využívajú pri použití ultrafialového svetla s vlnovou dĺžkou 195 nm. Prečo nie ešte menej? Ide len o to, že kratšia vlna sa nebude lámať zbernou šošovkou, lúče prejdú bez zaostrenia. Je tiež nemožné zvýšiť zbernú schopnosť šošovky - sférická aberácia to nedovolí: každý lúč prejde cez optickú os vo svojom vlastnom bode, čím naruší zaostrenie.

Maximálna šírka obrysu, ktorú je možné zobraziť pomocou fotolitografie, je 70 nm. Čipy s vyšším rozlíšením sa tlačia v niekoľkých krokoch: nanesú sa 70-nanometrové kontúry, obvod sa vyleptá a potom sa exponuje ďalšia časť cez novú masku.

V súčasnosti je vo vývoji technológia hlbokej ultrafialovej fotolitografie, využívajúca svetlo s extrémnou vlnovou dĺžkou okolo 13,5 nm. Technológia zahŕňa použitie vákuových a viacvrstvových zrkadiel s odrazom na základe medzivrstvovej interferencie. Maska tiež nebude priesvitný, ale reflexný prvok. Zrkadlá sú bez fenoménu lomu, takže môžu pracovať so svetlom akejkoľvek vlnovej dĺžky. Ale zatiaľ je to len koncept, ktorý sa môže použiť v budúcnosti.

Ako sa dnes vyrábajú procesory

Dokonale vyleštený okrúhly kremíkový plátok s priemerom 30 cm je potiahnutý tenkou vrstvou fotorezistu. Odstredivá sila pomáha rovnomerne rozložiť fotorezist.

Budúci obvod je vystavený fotorezistu cez masku. Tento proces sa mnohokrát opakuje, pretože z jedného plátku sa vyrába veľa čipov.

Časť fotorezistu, ktorá bola vystavená ultrafialovému žiareniu, sa stáva rozpustnou a dá sa ľahko odstrániť pomocou chemikálií.

Oblasti kremíkového plátku, ktoré nie sú chránené fotorezistom, sú chemicky leptané. Na ich mieste sa tvoria depresie.

Na plátok sa opäť nanesie vrstva fotorezistu. Tentoraz expozícia odkryje tie oblasti, ktoré budú vystavené iónovému bombardovaniu.

Vplyvom elektrického poľa sa ióny nečistôt zrýchľujú na rýchlosť viac ako 300 000 km/h a prenikajú do kremíka, čím získava vlastnosti polovodiča.

Po odstránení zvyšného fotorezistu zostanú na doštičke hotové tranzistory. Navrchu je nanesená vrstva dielektrika, v ktorej sú rovnakou technológiou vyleptané otvory pre kontakty.

Doska sa vloží do roztoku síranu meďnatého a pomocou elektrolýzy sa na ňu nanesie vodivá vrstva. Potom sa celá vrstva odstráni brúsením, ale kontakty v otvoroch zostávajú.

Kontakty sú spojené viacposchodovou sieťou kovových „drôtov“. Počet „poschodí“ môže dosiahnuť 20 a celková schéma zapojenia sa nazýva architektúra procesora.

Až teraz je doska nakrájaná na veľa jednotlivých hranolčekov. Každý „kryštál“ je testovaný a až potom inštalovaný na dosku s kontaktmi a pokrytý strieborným uzáverom chladiča.

13 000 televízorov

Alternatívou k fotolitografii je elektrolitografia, keď sa expozícia nerobí svetlom, ale elektrónmi, a nie fotorezistom, ale elektrorezistom. Elektrónový lúč je ľahko zaostrený na bod minimálnej veľkosti, až do 1 nm. Táto technológia je podobná katódovej trubici na televízore: sústredený prúd elektrónov je vychýlený riadiacimi cievkami, čím sa obraz maľuje na kremíkovej doštičke.

Donedávna táto technológia nemohla konkurovať tradičnej metóde kvôli nízkej rýchlosti. Aby elektrorezist reagoval na ožiarenie, musí prijať určitý počet elektrónov na jednotku plochy, takže jeden lúč môže exponovať prinajlepšom 1 cm2/h. Toto je prijateľné pre jednotlivé objednávky z laboratórií, ale nie je použiteľné v priemysle.

Bohužiaľ, nie je možné vyriešiť problém zvýšením energie lúča: podobné náboje sa navzájom odpudzujú, takže keď sa prúd zvyšuje, elektrónový lúč sa rozširuje. Ale môžete zvýšiť počet lúčov vystavením niekoľkých zón súčasne. A ak je niekoľko 13 000, ako v technológii Mapper, potom je podľa prepočtov možné vytlačiť desať plnohodnotných čipov za hodinu.

Samozrejme, spojenie 13 000 katódových trubíc do jedného zariadenia by bolo nemožné. V prípade Mappera je žiarenie zo zdroja smerované do kolimačnej šošovky, ktorá tvorí široký paralelný zväzok elektrónov. V ceste mu stojí matrica apertúry, ktorá ho premení na 13 000 jednotlivých lúčov. Lúče prechádzajú cez zaslepovaciu matricu - kremíkový plátok s 13 000 otvormi. V blízkosti každého z nich je umiestnená vychyľovacia elektróda. Ak sa naň aplikuje prúd, elektróny „minú“ svoj otvor a jeden z 13 000 lúčov sa vypne.

Po prechode clonou sú lúče nasmerované na matricu deflektorov, z ktorých každý môže vychýliť svoj lúč o niekoľko mikrónov doprava alebo doľava vzhľadom na pohyb dosky (takže Mapper stále pripomína 13 000 obrazoviek). Nakoniec je každý lúč ďalej zaostrený vlastnou mikrošošovkou a potom nasmerovaný na elektrorezist. Technológia Mapper bola doteraz testovaná vo francúzskom mikroelektronickom výskumnom ústave CEA-Leti a v TSMC, ktorá vyrába mikroprocesory pre popredných hráčov na trhu (vrátane Apple iPhone 6S). Kľúčové komponenty systému, vrátane kremíkových elektronických šošoviek, sa vyrábajú v moskovskom závode.

Technológia Mapper sľubuje nové perspektívy nielen pre výskumné laboratóriá a malovýrobu (vrátane vojenskej), ale aj pre veľkých hráčov. V súčasnosti je na testovanie prototypov nových procesorov potrebné vyrobiť presne tie isté fotomasky ako pre sériovú výrobu. Možnosť pomerne rýchleho prototypovania obvodov sľubuje nielen zníženie nákladov na vývoj, ale aj zrýchlenie pokroku v tejto oblasti. Čo v konečnom dôsledku prospieva masovému konzumentovi elektroniky, teda nám všetkým.

Korene nášho digitálneho životného štýlu jednoznačne pochádzajú z polovodičov, ktoré umožnili vytvorenie zložitých 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 elektronického zariadenia, od počítačov cez notebooky až po mobilné telefóny. Bez polovodičov a elektroniky sa dnes 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, pričom počet tranzistorov čoskoro dosiahne miliardu a už dnes ohromujúci rozsah funkčnosti. Dvojjadrové procesory Core 2 budú čoskoro vydané na takmer hotovej 45 nm procesnej technológii Intel a už budú obsahovať 410 miliónov tranzistorov (hoci väčšina z nich bude použitá pre 6 MB L2 cache). 45nm proces je pomenovaný pre veľkosť jedného tranzistora, ktorý je teraz asi 1000-krát menší ako priemer ľudského vlasu. Do určitej miery to je dôvod, prečo elektronika začína ovládať všetko v našich životoch: aj keď boli veľkosti tranzistorov väčšie, bolo veľmi lacné vyrábať nie príliš zložité mikroobvody, rozpočet na tranzistory bol veľmi veľký.

V našom článku sa pozrieme na základy výroby mikroprocesorov, ale dotkneme sa aj histórie procesorov, architektúry a pozrieme sa na rôzne produkty na trhu. Na internete nájdete množstvo zaujímavých informácií, niektoré z nich sú uvedené nižšie.

• Wikipedia: Mikroprocesor. Tento článok sa zaoberá rôznymi typmi procesorov a poskytuje odkazy na výrobcov a ďalšie stránky Wiki venované procesorom.
• Wikipedia: Mikroprocesory (kategória). Ďalšie odkazy a informácie nájdete v časti o mikroprocesoroch.

PC konkurenti: AMD a Intel

Centrála spoločnosti Advanced Micro Devices Inc., ktorá bola založená v roku 1969, sa nachádza v Sunnyvale v Kalifornii a „srdce“ spoločnosti Intel, ktorá bola založená len rok predtým, sa nachádza o niekoľko kilometrov ďalej v meste Santa Clara. 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 a výrobe procesorových technológií. Samozrejme, toto všetko je zlomok veľkosti Intelu, keďže líder na trhu v súčasnosti prevádzkuje takmer 20 tovární na deviatich miestach. 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 výrobnej kapacity. Áno, spoločnosť je dnes lídrom v implementácii pokročilých technologických procesov. Intel je v tomto smere asi o rok pred AMD. Vďaka tomu môže Intel vo svojich procesoroch použiť viac tranzistorov a viac vyrovnávacej pamäte. AMD na rozdiel od Intelu musí čo najefektívnejšie optimalizovať svoj technický proces, aby udržalo krok s konkurenciou a produkovalo slušné procesory. Samozrejme, dizajn procesorov a ich architektúra sú veľmi odlišné, ale technický výrobný proces je postavený na rovnakých základných princípoch. Aj keď, samozrejme, je v ňom veľa rozdielov.

Výroba mikroprocesorov

Výroba mikroprocesorov pozostáva z dvoch dôležitých etáp. Prvým je výroba substrátu, ktorú AMD a Intel realizujú vo svojich továrňach. To zahŕňa udelenie vodivých vlastností substrátu. Druhou fázou je testovanie substrátu, montáž a balenie procesora. Posledná operácia sa zvyčajne vykonáva v menej nákladných krajinách. Ak sa pozriete na procesory Intel, nájdete tam nápis, že balenie sa uskutočnilo v Kostarike, Malajzii, na Filipínach atď.

AMD a Intel sa dnes snažia vydať produkty pre maximálny počet segmentov trhu a navyše založené na minimálnom možnom rozsahu kryštálov. Skvelým príkladom je rad procesorov Intel Core 2 Duo. Existujú tri procesory s kódovými názvami pre rôzne trhy: Merom pre mobilné aplikácie, Conroe pre desktopovú verziu, Woodcrest pre serverovú verziu. Všetky tri procesory sú postavené na rovnakom technologickom základe, čo umožňuje výrobcovi rozhodovať sa v záverečných fázach výroby. Môžete povoliť alebo zakázať funkcie a súčasná úroveň rýchlosti hodín poskytuje spoločnosti Intel vynikajúce percento použiteľných kryštálov. Ak bude na trhu zvýšený dopyt po mobilných procesoroch, Intel sa môže zamerať na uvoľnenie modelov Socket 479. Ak dopyt po stolných modeloch vzrastie, spoločnosť bude testovať, overovať a baliť pre Socket 775, zatiaľ čo serverové procesory sú balené pre Socket 771. vznikajú štvorjadrové procesory: v jednom balíku sú nainštalované dva dvojjadrové čipy, takže získame štyri jadrá.

Ako vznikajú čipy

Výroba čipov zahŕňa nanášanie tenkých vrstiev so zložitými „vzormi“ na kremíkové substráty. Najprv sa vytvorí izolačná vrstva, ktorá funguje ako elektrická brána. Potom sa navrch nanesie fotorezistový materiál a nežiaduce oblasti sa odstránia pomocou masiek a vysokointenzívneho ožarovania. Po odstránení ožiarených oblastí sa odkryjú oblasti oxidu kremičitého pod nimi, ktorý sa odstráni leptaním. Potom sa odstráni aj materiál fotorezistu a získame určitú štruktúru na povrchu kremíka. Potom sa uskutočňujú ďalšie fotolitografické procesy s rôznymi materiálmi, kým sa nedosiahne požadovaná trojrozmerná štruktúra. Každá vrstva môže byť dopovaná špecifickou látkou alebo iónmi, čím sa menia elektrické vlastnosti. Okná sú vytvorené v každej vrstve, aby sa potom mohli vytvárať kovové spoje.

Čo sa týka výroby substrátov, tie sa musia z jednovalcového monokryštálu narezať na tenké „placky“, aby sa potom dali jednoducho krájať na jednotlivé procesorové čipy. V každom kroku výroby sa vykonáva komplexné testovanie na posúdenie kvality. Na testovanie každého čipu na substráte sa používajú elektrické sondy. Nakoniec sa substrát nareže na jednotlivé jadrá a nepracujúce jadrá sa okamžite odstránia. V závislosti od charakteristík sa jadro stáva jedným alebo druhým procesorom a je zabalené v balení, ktoré uľahčuje inštaláciu procesora na základnú dosku. Všetky funkčné celky prechádzajú intenzívnymi záťažovými testami.

Všetko to začína substrátmi

Prvý krok pri výrobe procesorov sa robí v čistej miestnosti. Mimochodom, je dôležité poznamenať, že takáto high-tech výroba predstavuje akumuláciu obrovského kapitálu na meter štvorcový. Výstavba moderného závodu so všetkým vybavením bez problémov stojí 2-3 miliardy dolárov a testovacie prevádzky nových technológií si vyžadujú niekoľko mesiacov. Až potom môže závod hromadne vyrábať procesory.

Vo všeobecnosti proces výroby čipu pozostáva z niekoľkých krokov spracovania plátkov. 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 pozostáva z mnohých rôznych kryštálov, čo vedie k vzniku nežiaducich povrchových štruktúr 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 diamantovej dierovacej pílky, ktorá je veľmi presná a nevytvára veľké nerovnosti na povrchu substrátu. Samozrejme, povrch substrátov 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). Potom by ste mali zaobliť okraje každej podložky, 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. Povrch nie je fyzicky degradovaný, pretože celý proces je úplne chemický. Umožňuje vám odstrániť zostávajúce chyby v kryštálovej štruktúre, výsledkom čoho je povrch, ktorý sa blíži ideálu.

Posledným krokom je leštenie, ktoré vyhladí povrch na maximálnu drsnosť 3 nm. Leštenie sa vykonáva pomocou zmesi hydroxidu sodného a granulovaného oxidu kremičitého.

Dnes majú doštičky mikroprocesorov priemer 200 mm alebo 300 mm, čo umožňuje výrobcom čipov vyrábať z každého viacero procesorov. Ďalším krokom budú 450 mm substráty, ale tie by sme nemali očakávať skôr ako v roku 2013. Vo všeobecnosti platí, že čím väčší je priemer substrátu, tým viac triesok rovnakej veľkosti je možné vyrobiť. Napríklad 300 mm wafer produkuje viac ako dvakrát toľko procesorov ako 200 mm wafer.

Už sme spomínali doping, ktorý sa vykonáva počas rastu monokryštálu. Ale dopovanie sa robí tak s hotovým substrátom, ako aj neskôr počas fotolitografických procesov. To vám umožňuje zmeniť elektrické vlastnosti určitých oblastí a vrstiev, a nie celú kryštálovú štruktúru

Pridanie dopantu sa môže uskutočniť difúziou. Atómy dopantu vypĺňajú voľný priestor vo vnútri kryštálovej mriežky medzi kremíkovými štruktúrami. V niektorých prípadoch je možné legovať existujúcu štruktúru. Difúzia sa uskutočňuje pomocou plynov (dusík a argón) alebo pomocou pevných látok alebo iných zdrojov legujúcich látok.

Ďalším prístupom k dopovaniu je implantácia iónov, ktorá je veľmi užitočná pri zmene vlastností substrátu, ktorý bol dopovaný, pretože implantácia iónov sa uskutočňuje pri normálnych teplotách. Preto existujúce nečistoty nedifundujú. Na substrát môžete použiť masku, ktorá vám umožní spracovať iba určité oblasti. Samozrejme, môžeme sa dlho baviť o implantácii iónov a diskutovať o hĺbke prieniku, aktivácii aditíva pri vysokých teplotách, 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 nie je potrebné ožarovať celý povrch substrátu, je dôležité používať takzvané masky, ktoré prepúšťajú žiarenie vysokej intenzity len do určitých oblastí. Masky možno prirovnať k čiernobielym negatívom. Integrované obvody majú veľa vrstiev (20 a viac) a každá z nich vyžaduje svoju vlastnú masku.

Na povrch dosky z kremenného skla je nanesená štruktúra tenkého chrómového filmu, aby sa vytvoril vzor. V tomto prípade drahé prístroje využívajúce elektrónový lúč alebo laser zapisujú potrebné dáta integrovaného obvodu, výsledkom čoho je chrómový vzor 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. Pri veľmi zložitých schémach trvá vytvorenie masiek 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 a tiež je potrebné premyslieť spojenia s mikroskopickými drôtmi. 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 spojovacie činidlo, ktoré zaisťuje, že materiál fotorezistu, ktorý bude aplikovaný v ďalšom kroku, zostane na substráte. Fotorezistový materiál sa nanesie do stredu substrátu, ktorý sa následne začne otáčať vysokou rýchlosťou, aby sa vrstva rovnomerne rozložila po celej ploche substrátu. Substrát sa potom opäť zahreje.

Potom je cez masku kryt ožiarený kvantovým laserom, tvrdým ultrafialovým žiarením, röntgenovými lúčmi, lúčmi elektrónov alebo iónov – všetky tieto svetelné alebo energetické zdroje je možné využiť. Elektrónové lúče sa využívajú najmä na vytváranie masiek, röntgenové a iónové lúče slúžia 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 pre dosiahnutie požadovaného výsledku. Zlé zaostrenie spôsobí, že zostanú nadbytočné častice materiálu fotorezistu, pretože niektoré otvory v maske nebudú správne ožiarené. To isté sa stane, ak je čas projekcie príliš krátky. Potom bude štruktúra materiálu fotorezistu príliš široká, oblasti pod otvormi budú podexponované. Na druhej strane nadmerný čas projekcie vytvára príliš veľké plochy pod otvormi a príliš úzku štruktúru materiálu fotorezistu. Spravidla je to veľmi prácne a náročné na nastavenie a optimalizáciu procesu. Neúspešné nastavenie povedie k vážnym odchýlkam v pripojovacích vodičoch.

Špeciálna inštalácia projekcie krok za krokom posúva substrát do požadovanej polohy. Potom môže byť premietaný riadok alebo jeden úsek, najčastejšie zodpovedajúci jednému procesorovému čipu. Ďalšie mikroinštalácie môžu priniesť ďalšie zmeny. Môžu odladiť existujúcu technológiu a optimalizovať technický proces. Mikroinštalácie zvyčajne fungujú na plochách menších ako 1 meter štvorcový. mm, pričom bežné inštalácie pokrývajú väčšie plochy.

Substrát sa potom presunie do nového štádia, kde sa odstráni oslabený fotorezistný materiál, čo 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. Samostatný proces zahŕňa odstránenie zvyškového materiálu fotorezistu. Výrobcovia často kombinujú mokré a suché odstraňovanie, aby zabezpečili úplné odstránenie materiálu fotorezistu. To je dôležité, pretože materiál fotorezistu je organický a ak sa neodstráni, môže spôsobiť chyby na substráte. Po leptaní a čistení môžete začať kontrolovať substrát, čo sa zvyčajne deje v každej dôležitej fáze, alebo substrát preniesť do nového fotolitografického cyklu.

Testovanie podkladu, montáž, balenie

Hotové substráty sa testujú v takzvaných skúšobných zariadeniach. Pracujú s celým substrátom. Kontakty sondy sú aplikované na kontakty každého kryštálu, čo umožňuje vykonať elektrické testy. Softvér testuje všetky funkcie každého jadra.

Rezaním možno zo substrátu získať jednotlivé jadierka. V súčasnosti už kontrolné zariadenia sondy identifikovali, ktoré kryštály obsahujú chyby, takže po rozrezaní ich možno oddeliť od dobrých. Predtým boli poškodené kryštály fyzicky označené, ale teraz to nie je potrebné, všetky informácie sú uložené v jednej databáze.

Kryštálový držiak

Funkčné jadro sa potom musí 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 zapuzdrené v keramike alebo plastu, aby sa zabránilo poškodeniu. Moderné procesory sú vybavené takzvaným rozdeľovačom tepla, ktorý poskytuje dodatočnú ochranu čipu, ako aj väčšiu kontaktnú plochu s chladičom.

testovanie CPU

Posledná fáza zahŕňa testovanie procesora, ku ktorému dochádza pri zvýšených teplotách, v súlade so špecifikáciami procesora. Procesor sa automaticky inštaluje do testovacej zásuvky, po ktorej sa analyzujú všetky potrebné funkcie.

Výroba procesora

Hlavným chemickým prvkom používaným pri výrobe procesorov je kremík, po kyslíku najrozšírenejší prvok na Zemi. Toto je základná zložka, ktorá tvorí pobrežný piesok (oxid kremičitý); v tejto forme však nie je vhodný na výrobu mikroobvodov. Ak chcete použiť kremík ako materiál na výrobu mi

mikroobvodov je potrebný dlhý technologický proces, ktorý sa začína výrobou čistých kryštálov kremíka Czochralského metódou. Podľa tejto technológie sa surovina, ktorou je najmä kremenná hornina, premieňa v elektrických oblúkových peciach na metalurgický kremík. Výsledný kremík sa potom roztaví, destiluje a kryštalizuje do polovodičových ingotov s veľmi vysokým stupňom čistoty (99,999999 %), aby sa odstránili nečistoty. Po mechanickom rezaní ingotov sa výsledné polotovary vložia do kremenných téglikov a umiestnia sa do elektrických sušiacich pecí, kde sa kryštály vytiahnu, kde sa topia pri teplotách nad 2500 ° Fahrenheita. Aby sa zabránilo tvorbe nečistôt, sušiace pece sa zvyčajne inštalujú na hrubý betónový základ. Betónová základňa je zase namontovaná na tlmičoch, ktoré môžu výrazne znížiť vibrácie, ktoré môžu negatívne ovplyvniť tvorbu kryštálu. Keď sa obrobok začne topiť, do roztaveného kremíka sa vloží malý, pomaly rotujúci zárodočný kryštál. Keď sa zárodočný kryštál vzďaľuje od povrchu taveniny, vyťahujú sa za ním kremíkové vlákna, ktoré po stuhnutí vytvoria kryštalickú štruktúru. Zmenou rýchlosti pohybu zárodočného kryštálu (10-40 mm za hodinu) a teploty (približne 2500° Fahrenheita) získame kremíkový kryštál s malým počiatočným priemerom, ktorý sa potom pestuje na požadovanú veľkosť. V závislosti od veľkosti vyrábaných čipov dosahuje vyrastený kryštál priemer 8-12 palcov (20-30 mm) a dĺžku 5 stôp (asi 1,5 m).

Hmotnosť pestovaného kryštálu dosahuje niekoľko stoviek libier. Obrobok sa vkladá do valca s priemerom 200 mm (súčasný štandard), často s plochým rezom na jednej strane pre presné polohovanie a spracovanie. Každý obrobok sa potom nareže diamantovou pílou na viac ako tisíc kruhových substrátov s hrúbkou menšou ako milimeter (obrázok 2). Potom sa podklad leští, kým sa jeho povrch nestane zrkadlovo hladkým. Výroba čipov využíva proces nazývaný fotolitografia. Technológia tohto procesu je nasledovná: vrstvy rôznych materiálov sa nanášajú jedna po druhej na polovodič, ktorý slúži ako základ čipu; Vznikajú tak tranzistory, elektronické obvody a vodiče (cesty), po ktorých putujú signály. V priesečníkoch konkrétnych obvodov môže byť vytvorený tranzistor alebo spínač (brána). Fotolitografický proces začína potiahnutím substrátu vrstvou polovodiča so špeciálnymi prísadami, potom sa táto vrstva potiahne chemickým zložením fotorezistu a potom sa obraz čipu premietne na teraz svetlocitlivý povrch. V dôsledku pridania donorových nečistôt do kremíka (ktorý je samozrejme dielektrikom) sa získa polovodič. Projektor používa špeciálnu fotomasku (masku), ktorá je v skutočnosti mapou tejto špecifickej vrstvy čipu. (Čip procesora Pentium III obsahuje päť vrstiev; iné moderné procesory môžu mať šesť alebo viac vrstiev. Pri navrhovaní nového procesora budete musieť navrhnúť fotomasku pre každú vrstvu čipu.) Keď svetlo prechádza cez prvú fotomasku, sa zaostrí na povrch substrátu a zanechá odtlačok obrazu tejto vrstvy. Potom špeciálne zariadenie mierne posunie substrát a rovnaká fotomaska ​​(maska) sa použije na tlač ďalšieho mikroobvodu. Akonáhle sú čipy vytlačené na celom substráte, žieravá zásada zmyje oblasti, kde svetlo dopadlo na fotorezistový materiál, pričom zanechá odtlačky fotomasky (masky) konkrétnej vrstvy čipu a medzivrstvových spojení (spojení medzi vrstvami). ), ako aj signálne cesty. Potom sa na substrát nanesie ďalšia vrstva polovodiča a na ňu sa opäť nanesie trochu fotorezistu, potom sa ďalšia fotomaska ​​(maska) použije na vytvorenie ďalšej vrstvy mikroobvodu. Týmto spôsobom sa vrstvy nanášajú jedna na druhú, kým nie je čip úplne vyrobený.

Konečná maska ​​pridáva takzvanú metalizačnú vrstvu, ktorá sa používa na pripojenie všetkých tranzistorov a ďalších komponentov. Väčšina čipov používa na túto vrstvu hliník, ale v poslednej dobe sa používa meď. Napríklad meď sa používa pri výrobe procesorov AMD v továrni v Drážďanoch. Je to spôsobené lepšou vodivosťou medi v porovnaní s hliníkom. Pre široké použitie medi je však potrebné vyriešiť problém jej korózie.

Po dokončení spracovania kruhového substrátu sa na ňom vytlačí maximálny možný počet mikroobvodov. Čip má zvyčajne tvar štvorca alebo obdĺžnika, pričom na okrajoch substrátu zostávajú nejaké „voľné“ oblasti, hoci sa výrobcovia snažia využiť každý štvorcový milimeter povrchu. Priemysel prechádza ďalším prechodným obdobím vo výrobe čipov. V poslednej dobe sa objavuje tendencia zväčšovať priemer podložky a zmenšovať celkové rozmery kryštálu, čo sa prejavuje zmenšením rozmerov jednotlivých obvodov a tranzistorov a vzdialenosti medzi nimi. Koncom roka 2001 a začiatkom roku 2002 došlo k prechodu z 0,18- na 0,13-mikrónovej technológie, pričom sa namiesto hliníkových prepojení použili medené prepojenia a priemer substrátu sa zvýšil z 200 mm (8 palcov) na 300 mm (12 palcov). Zväčšenie priemeru substrátu na 300 mm umožňuje zdvojnásobiť počet vyrobených mikroobvodov. Použitie 0,13-mikrónovej technológie umožňuje umiestniť na čip väčší počet tranzistorov pri zachovaní jeho prijateľných rozmerov a uspokojivého percenta výťažnosti vhodných produktov. To znamená, že trend zvyšovania množstva vyrovnávacej pamäte zabudovanej do procesorového čipu bude pokračovať. Ako príklad toho, ako to môže ovplyvniť parametre konkrétneho čipu, si predstavte procesor Pentium 4.

Priemer štandardného substrátu používaného v polovodičovom priemysle po mnoho rokov je 200 mm alebo približne 8 palcov (obrázok). Plocha substrátu teda dosahuje 31 416 mm2. Prvá verzia procesora Pentium 4, vyrábaná na 200 mm substráte, obsahovala jadro Willamette založené na 0,18-mikrónovej technológii s hliníkovými kontaktmi umiestnenými na čipe s plochou cca 217 mm2. Procesor obsahoval 42 miliónov tranzistorov. Na 200 mm (8-palcový) substrát sa zmestí až 145 týchto čipov. Procesory Pentium 4 s jadrom Northwood, vytvorené pomocou 0,13-mikrónovej technológie, obsahujú medené obvody umiestnené na matrici 131 mm2. Tento procesor už obsahuje 55 miliónov tranzistorov. V porovnaní s verziou Willamette má jadro Northwood dvojnásobné množstvo L2 cache na čipe (512 KB), čo vysvetľuje vyšší počet obsiahnutých tranzistorov. Použitie 0,13-mikrónovej technológie umožňuje zmenšiť veľkosť matrice približne o 60 %, čo umožňuje umiestniť až 240 čipov na rovnaký 200 mm (8-palcový) substrát. Ako si pamätáte, tento substrát mohol pojať iba 145 kryštálov Willamette. Začiatkom roku 2002 začal Intel vyrábať čipy Northwood na väčšom 300 mm plátku s plochou 70 686 mm2. Plocha tohto substrátu je 2,25-krát väčšia ako plocha 200 mm substrátu, čo umožňuje takmer zdvojnásobiť počet čipov na ňom umiestnených. Ak hovoríme o procesore Pentium 4 Northwood, tak na 300 mm substrát možno umiestniť až 540 čipov. Použitie modernej 0,13-mikrónovej technológie v kombinácii so substrátom s väčším priemerom umožnilo zvýšiť produkciu procesorov Pentium 4 viac ako 3,7-krát. Z veľkej časti vďaka tomu majú moderné čipy často nižšiu cenu ako čipy predchádzajúcich verzií. . V roku 2003 prešiel polovodičový priemysel na 0,09-mikrónovú technológiu. Pri zavádzaní novej výrobnej linky nebudú vhodné všetky čipy na substráte. Ale so zdokonaľovaním technológie výroby daného mikroobvodu sa zvýši aj percento využiteľných (pracovných) mikroobvodov, ktoré sa nazýva využiteľný výťažok. Na začiatku nového produktu môže byť výťažnosť nižšia ako 50 %, ale v čase, keď sa typ produktu prestane vyrábať, je to už 90 %. Väčšina výrobcov čipov skrýva skutočné čísla výnosov, pretože poznať skutočný pomer dobrého a chybného môže byť výhodou pre ich konkurentov. Ak má spoločnosť špecifické údaje o tom, ako rýchlo rastú výnosy jej konkurentov, môže upraviť ceny čipov alebo naplánovať výrobu tak, aby v kritickom čase zvýšila svoj podiel na trhu. Napríklad v rokoch 1997 a 1998 mala spoločnosť AMD nízke výnosy a spoločnosť stratila významný podiel na trhu. Hoci AMD vynaložilo úsilie na vyriešenie tohto problému, stále muselo podpísať dohodu, podľa ktorej IBM Microelectronics vyrába a dodáva AMD niektoré zo svojich vlastných mikroprocesorov. Po dokončení spracovania substrátu špeciálne zariadenie skontroluje každý čip na ňom a zaznamená nekvalitné, ktoré budú neskôr odmietnuté. Potom sa triesky odrežú zo substrátu pomocou vysokovýkonnej laserovej alebo diamantovej píly. Akonáhle sú matrice vyrezané z plátkov, každý čip je testovaný samostatne, zabalený a znova testovaný. Proces balenia sa nazýva prepojenie: po vložení čipu do obalu špeciálny stroj spojí kolíky kryštálu s kolíkmi (alebo kontaktmi) na tele čipu pomocou drobných zlatých drôtikov. Potom je čip zabalený do špeciálneho obalu – kontajnera, ktorý ho v podstate chráni pred nepriaznivými vplyvmi vonkajšieho prostredia. Po pripojení kolíkov čipu k kolíkom na obale čipu a zabalení čipu sa vykoná záverečné testovanie, aby sa určila správna prevádzka a menovitý výkon. Rôzne mikroobvody rovnakej série majú často rôzne rýchlosti. Špeciálne testovacie zariadenia nútia každý mikroobvod pracovať za rôznych podmienok (pri rôznych tlakoch, teplotách a hodinových frekvenciách), pričom určujú hodnoty parametrov, pri ktorých sa zastaví správna funkcia mikroobvodu. Zároveň je určený maximálny výkon; Potom sa čipy zoradia podľa rýchlosti a rozdelia medzi prijímače: čipy s podobnými parametrami skončia v tom istom prijímači. Napríklad čipy Pentium 4 2.0A, 2.2, 2.26, 2.24 a 2.53 GHz sú rovnaký čip, t.j. všetky boli vytlačené z rovnakej fotomasky, navyše sú vyrobené z rovnakého obrobku, ale na konci výrobného cyklu boli zoradené podľa rýchlosti.