عمل الدورة: مراحل انتاج المعالجات الدقيقة. تصنيع المعالجات - من الرمال إلى تقنيات المعالجات الحديثة للكمبيوتر

خطة المحاضرة

1. سبعة أجيال من المعالجات

2. تكنولوجيا الإنتاج

3. المراحل التكنولوجية لإنتاج المعالجات الدقيقة

1. سبعة أجيال من المعالجات

وضع الجيل الأول (معالجات 8086 و 8088 و 8087 معالج رياضي) الأساس المعماري - مجموعة من السجلات "غير المتكافئة" ذات 16 بت ، ونظام عنونة المقطع في حدود 1 ميجابايت مع مجموعة متنوعة من الأوضاع ، ونظام التعليمات ، ونظام المقاطعة ، وعدد من السمات الأخرى. استخدمت المعالجات خطوط الأنابيب "الصغيرة": بينما كانت بعض العقد تنفذ الأمر الحالي ، جلبت كتلة الجلب المسبق الكتلة التالية من الذاكرة.

أضاف الجيل الثالث (80286 و 80287 معالج مشترك) ما يسمى بـ "الوضع المحمي" إلى العائلة ، والذي يسمح باستخدام ذاكرة افتراضية تصل إلى 1 جيجا بايت في الحجم لكل مهمة ، باستخدام ذاكرة فعلية قابلة للعنونة في حدود 16 ميجا بايت. أصبح الوضع المحمي أساسًا لبناء أنظمة تشغيل متعددة المهام ، حيث ينظم نظام الامتيازات بصرامة علاقة المهام بالذاكرة ونظام التشغيل ومع بعضها البعض. وتجدر الإشارة إلى أن أداء المعالجات 80286 قد ازداد ليس فقط بسبب الزيادة في تردد الساعة ، ولكن أيضًا بسبب التحسينات الكبيرة في خط الأنابيب.

تم تمييز الجيل الثالث (80386/80387 مع "لاحقات" DX و SX ، والتي تحدد عرض الناقل الخارجي) بالانتقال إلى بنية 32 بت. بالإضافة إلى توسيع نطاق القيم الممثلة (تمثل 16 بتًا أعدادًا صحيحة في النطاق من 0 إلى 65535 أو من -32768 إلى +32767 ، و 32 بت - أكثر من أربعة مليارات) ، زادت سعة الذاكرة القابلة للعنونة. بدأ استخدام نظام التشغيل Microsoft Windows على نطاق واسع مع هذه المعالجات.

لم يضيف الجيل الرابع (80486 أيضًا DX و SX) تغييرات كبيرة في البنية ، ومع ذلك ، تم اتخاذ عدد من التدابير لتحسين الأداء. في هذه المعالجات ، كان خط أنابيب التنفيذ معقدًا بشكل كبير. تخلت الشركات المصنعة عن المعالج المساعد الخارجي - بدأ وضعه على نفس البلورة مع المعالج المركزي.

أعطى الجيل الخامس (معالج Pentium من Intel و K5 من AMD) بنية فائقة. لتزويد خطوط الأنابيب بالتعليمات والبيانات من الذاكرة بسرعة ، يتم إنشاء ناقل البيانات لهذه المعالجات 64 بت. في وقت لاحق ، كان لهذا الجيل ملحق ММХ (مجموعة تعليمات Matrics Math Extensions) - مجموعة من الأوامر لتوسيع العمليات الحسابية للمصفوفة (في الأصل مجموعة تعليمات ملحق الوسائط المتعددة)). يمكن للمعالجات التقليدية 32 بت إضافة رقمين 8 بت ، مع وضع كل رقم في البتات ذات الترتيب الأدنى لسجلات 32 بت. في هذه الحالة ، لا يتم استخدام أهم 24 بتًا من السجلات ، وبالتالي ، اتضح أنه من خلال عملية إضافة واحدة ADD ، يتم ببساطة إضافة رقمين من 8 بتات. تعمل أوامر MMX مع 64 بت في وقت واحد ، حيث يمكن تخزين ثمانية أرقام 8 بت ، ومن الممكن إضافتها بأرقام 8 بت أخرى في عملية ADD واحدة. يمكن أيضًا استخدام سجلات MMX لإضافة أربع كلمات ذات 16 بت أو كلمتين طويلتين 32 بت في نفس الوقت. يسمى هذا المبدأ SIMD (تعليمات فردية / بيانات متعددة - "دفق تعليمي واحد / العديد من تدفقات البيانات"). كانت الأوامر الجديدة تهدف بشكل أساسي إلى تسريع تنفيذ برامج الوسائط المتعددة ، ولكن استخدامها مع تقنية الوسائط المتعددة. ظهر نوع جديد من العمليات الحسابية في MMX - مع التشبع: إذا كانت نتيجة عملية ما لا تتلاءم مع شبكة البت ، فلن يحدث تجاوز (أو "مكافحة الفائض") ، ولكن الحد الأقصى (أو الحد الأدنى) للقيمة الممكنة من العدد تم تعيينه.

نشأ الجيل السادس من المعالجات مع Pentium Pro واستمر في معالجات Pentium III و Celeron و Xeon (من معالجات AMD و K6 و K6-2 و K6-2 + و K6-III يمكن أن تكون مثالاً على ذلك). الأساس هنا هو التنفيذ الديناميكي ، وتنفيذ الأوامر ليس بالترتيب المحدد كود البرنامج، ولكن كيف سيكون أكثر ملاءمة للمعالج. وتجدر الإشارة هنا إلى أن هناك أوجه تشابه بين معالجات الجيل الخامس والسادس ، وهي إضافة توسع الجيل الخامس واستكمل بتوسيع MMX ، وتلقى الجيل السادس امتدادات تزيد من إمكانيات MMX. AMD لديها هذا الامتداد 3dNnoy! ، و Intel لديها SSE (دفق ملحقات SIMD).

بدأ الجيل السابع بمعالج أثلون من AMD. يمتلك المعالج خصائص تكييف التطور الوضوح الفائقو خطوط الأنابيب الفائقة... في وقت لاحق ، أصدرت إنتل أيضًا معالج الجيل السابع بنتيوم 4.

2. تكنولوجيا الإنتاج

حاليًا ، يمكننا أن نلاحظ اتجاهًا مثيرًا للاهتمام في السوق: من ناحية ، تحاول شركات التصنيع إدخال عمليات وتقنيات تقنية جديدة بسرعة في منتجاتها ، ومن ناحية أخرى ، هناك قيود مصطنعة على نمو ترددات المعالجات. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن الشعور بعدم اكتمال استعداد السوق للتغيير التالي لعائلات المعالجات يؤثر ، وأن الشركات المصنعة لم تحصل بعد على ربح كافٍ من مبيعات وحدات المعالجة المركزية التي يتم إنتاجها الآن. وتجدر الإشارة هنا إلى أن سعر المنتج النهائي بالنسبة للشركات يعتبر أساسياً بالمقارنة مع المصالح الأخرى. لكن أهمية عظيمةيرتبط انخفاض معدل تطوير المعالجات الدقيقة بفهم الحاجة إلى إدخال تقنيات جديدة من شأنها زيادة الإنتاجية بأقل قدر من التكاليف التكنولوجية

كان على المصنّعين حل عدد من المشاكل عند التبديل إلى العمليات التقنية الجديدة. لقد أثبت معيار تقنية 90 نانومتر أنه عقبة تقنية كبيرة للعديد من صانعي الرقائق. هذا ما أكده TSMC ، تعمل هذه الشركة في إنتاج الرقائق للعديد من الشركات المصنعة الرئيسية في السوق ، وهي AMD و nVidia و ATI و VIA. لفترة طويلة ، لم تتمكن من تصحيح أخطاء إنتاج الرقائق باستخدام تقنية 0.09 ميكرون ، مما أدى إلى انخفاض إنتاج البلورات القابلة للاستخدام. أدى ذلك إلى تأجيل AMD إصدار معالجات SOI (Silicon-on-Insulator) الخاصة بها لفترة طويلة. ويرجع ذلك إلى حقيقة أنه في هذا البعد من العناصر ظهرت عيوب لم تكن محسوسة من قبل ، مثل تيارات التسرب ، وتبعثر كبير للمعلمات وزيادة أسية في إطلاق الحرارة. أحد الحلول البديلة هو استخدام تكنولوجيا SOI silicon-on-insulator ، والتي قدمتها AMD مؤخرًا في معالجات 64 بت. ومع ذلك ، فقد كلفها الكثير من الجهد والتغلب على عدد كبير من الحواجز التكنولوجية. ولكن تجدر الإشارة إلى أن هذه التكنولوجياله العديد من المزايا التي يمكن أن تعوض عن عيوبه. جوهر هذه التقنية منطقي تمامًا - يتم فصل الترانزستور عن ركيزة السيليكون بواسطة طبقة عازلة رقيقة أخرى. تشمل الصفات الإيجابية. عدم وجود حركة غير منضبطة للإلكترونات تحت قناة الترانزستور ، مما يؤثر على خصائصه الكهربائية - الوقت. بعد إمداد تيار الفتح بالبوابة ، فإن وقت تأين القناة إلى حالة التشغيل ، حتى اللحظة التي يتدفق فيها تيار التشغيل عبرها ، يستلزم ذلك تحسين المعلمة الرئيسية الثانية لأداء الترانزستور ، الوقت من تشغيله / إيقاف تشغيله. من الممكن أيضًا ، بنفس السرعة ، خفض تيار الفتح ببساطة - ثلاثة. أو إيجاد حل ما بين إمكانية زيادة سرعة العمل وإمكانية تقليل الجهد. مع الحفاظ على نفس تيار الفتح ، يمكن أن تصل الزيادة في أداء الترانزستور إلى 30٪ ، إذا تركت التردد كما هو ، مع التركيز على توفير الطاقة ، في هذه الحالة يمكن أن يصل الأداء إلى 50٪. ونتيجة لذلك ، تصبح خصائص القناة أكثر قابلية للتنبؤ ، ويصبح الترانزستور نفسه أكثر مقاومة للأخطاء المتفرقة ، ومن الأمثلة على ذلك دخول الجسيمات الكونية إلى ركيزة القناة وتأينها بشكل غير متوقع. عند الدخول إلى الركيزة الموجودة أسفل طبقة العازل ، فإنها لا تؤثر على عمل الترانزستور بأي شكل من الأشكال. العيب الوحيد في SOI هو أنه من الضروري تقليل عمق منطقة الباعث / المجمع ، مما يؤدي بدوره إلى زيادة مقاومته مع انخفاض السماكة.

سبب آخر ساهم في تباطؤ معدل نمو الترددات هو انخفاض نشاط الشركات المصنعة في السوق. على سبيل المثال ، عملت كل شركة من شركات AMD على تقديم معالجات 64 بت على نطاق واسع ، وقد حسنت Intel خلال هذه الفترة عملية تقنية جديدة ، مع تصحيح الأخطاء من أجل زيادة عائد البلورات القابلة للاستخدام.

إن إدخال التقنيات الجديدة في العمليات التقنية أمر واضح ، لكنه يصبح أكثر صعوبة بالنسبة للتقنيين في كل مرة. تم إنتاج معالجات بنتيوم الأولى (1993) وفقًا لتقنية المعالجة 0.8 ميكرومتر ، ثم 0.6 ميكرومتر لكل منهما. في عام 1995 ، ولأول مرة لمعالجات الجيل السادس ، تم استخدام تقنية المعالجة 0.35 ميكرون. في عام 1997 ، تغيرت إلى 0.25 ميكرون ، وفي عام 1999 - إلى 0.18 ميكرون. تم تصنيع المعالجات الحديثة وفقًا لتقنيات 0.13 و 0.09 ميكرون التي تم إدخالها في عام 2004.

من الضروري وصف بنية الترانزستور ذاتها ، أي طبقة رقيقة من ثاني أكسيد السيليكون ، عازل يقع بين البوابة والقناة ، ويقوم بوظيفة حاجز للإلكترونات ، مما يمنع تسرب تيار البوابة. وفقًا لذلك ، كلما زادت سماكة هذه الطبقة ، كان أداء وظائفها العازلة أفضل ، لكنها جزء لا يتجزأ من القناة ، ولا يقل وضوحًا أنه إذا أراد المصنعون تقليل طول القناة (حجم الترانزستور) ، فيجب أن يكون سمكها يتم تخفيضها بوتيرة سريعة جدًا. على مدى العقود العديدة الماضية ، بلغ متوسط سمك هذه الطبقة حوالي 1/45 من طول القناة بالكامل. لكن هذه العملية لها نهايتها - كما ادعت Intel نفسها ، إذا واصلت استخدام SiO2 ، كما كان على مدار الثلاثين عامًا الماضية ، فسيكون الحد الأدنى لسمك الطبقة 2.3. نانومتر ، وإلا فإن التسرب سيصبح ببساطة غير واقعي. حتى وقت قريب ، لم يتم فعل أي شيء لتقليل تسرب القناة الفرعية ، في الوقت الحالي بدأ الوضع يتغير ، حيث أن تيار التشغيل ، إلى جانب وقت استجابة البوابة ، هو أحد المعلمتين الرئيسيتين اللتين تميزان سرعة الترانزستور ، و ينعكس التسرب في حالة الخروج مباشرة عليه (على الحفاظ على الكفاءة المطلوبة للترانزستور). من الضروري ، وفقًا لذلك ، زيادة تيار التشغيل ، مع كل العواقب المترتبة على ذلك.

مراحل الإنتاج الرئيسية

يعتبر تصنيع المعالج الدقيق عملية معقدة تتضمن أكثر من 300 مرحلة. تتشكل المعالجات الدقيقة على سطح رقاقات سيليكون دائرية رقيقة - ركائز ، نتيجة لتسلسل معين من عمليات المعالجة المختلفة باستخدام المواد الكيميائية والغازات والأشعة فوق البنفسجية.

يبلغ قطر الركائز عادة 200 ملم. ومع ذلك ، فقد تحولت إنتل بالفعل إلى رقائق بسعة 450 مم. سيؤدي التحول إلى الألواح ذات القطر الأكبر إلى تقليل تكلفة تصنيع الدوائر الدقيقة وزيادة كفاءة الطاقة وتقليل انبعاثات الغازات الضارة في الغلاف الجوي. مساحة سطح الرقائق 450 مم هي أكثر من ضعف مساحة الرقائق 300 مم. نتيجة لذلك ، يمكن إنتاج ضعف عدد المنتجات النهائية من الركيزة الواحدة 450 مم.

الرقائق مصنوعة من السيليكون ، الذي يتم تكريره وصهره وتنميته إلى بلورات أسطوانية طويلة. يتم بعد ذلك تقطيع البلورات إلى ألواح رفيعة وصقلها حتى تصبح أسطحها ناعمة وخالية من العيوب. ثم ، بالتتابع ، يتم إجراء الأكسدة الحرارية بشكل دوري ، والطباعة الحجرية الضوئية ، وانتشار الشوائب ، والتضخم.

في عملية تصنيع الدوائر الدقيقة ، يتم تطبيق أنحف طبقات المواد على الألواح الفارغة في شكل أنماط محسوبة بعناية. لوحة واحدة تناسب ما يصل إلى عدة مئات من المعالجات الدقيقة. يمكن تقسيم عملية التصنيع بأكملها إلى عدة مراحل: زراعة ثاني أكسيد السيليكون وإنشاء مناطق موصلة ، والاختبار والتصنيع.

زراعة ثاني أكسيد السيليكون وإنشاء مناطق موصلة

تبدأ عملية تصنيع المعالجات الدقيقة بـ "نمو" طبقة عازلة من ثاني أكسيد السيليكون على سطح الصفيحة المصقولة. تتم هذه المرحلة في فرن كهربائي عند درجة حرارة عالية جدًا. يعتمد سمك طبقة الأكسيد على درجة الحرارة والوقت الذي تقضيه اللوحة في الفرن.

يتبع ذلك الطباعة الحجرية الضوئية - وهي عملية يتم خلالها تشكيل رسم تخطيطي على سطح اللوحة. أولاً ، يتم تطبيق طبقة مؤقتة من مادة حساسة للضوء على اللوحة - مقاوم للضوء ، يتم عرض صورة لمناطق شفافة من القالب ، أو قناع ضوئي ، باستخدام الأشعة فوق البنفسجية. تُصنع الأقنعة أثناء تصميم المعالج وتُستخدم لإنشاء أنماط الدوائر في كل طبقة من طبقات المعالج. تحت تأثير الإشعاع ، تصبح المناطق المضيئة من الطبقة الضوئية قابلة للذوبان ، وتتم إزالتها بمساعدة مذيب (حمض الهيدروفلوريك) ، مما يكشف عن ثاني أكسيد السيليكون تحتها.

تتم إزالة السيليكا المكشوفة من خلال عملية تسمى الحفر. ثم تتم إزالة الطبقة الضوئية المتبقية ، ونتيجة لذلك ، يبقى نمط من ثاني أكسيد السيليكون على رقاقة أشباه الموصلات. نتيجة لعدد من العمليات الإضافية للطباعة الحجرية والحفر ، يتم أيضًا تطبيق السيليكون متعدد الكريستالات بخصائص الموصل على الرقاقة. خلال العملية التالية ، المسماة "المنشطات" ، يتم قصف المناطق المكشوفة من رقاقة السيليكون بأيونات من عناصر كيميائية مختلفة ، والتي تشكل شحنات سالبة وموجبة في السيليكون ، مما يؤدي إلى تغيير التوصيل الكهربائي لهذه المناطق.

يتم فرض طبقات جديدة مع النقش اللاحق للدائرة عدة مرات ، بينما يتم ترك توصيلات الطبقة البينية في الطبقات "النوافذ" ، والتي تمتلئ بالمعدن ، وتشكل التوصيلات الكهربائية بين الطبقات. استخدمت إنتل موصلات نحاسية في عملية تصنيع 0.13 ميكرون. استخدمت إنتل الألومنيوم في عملية تصنيع 0.18 ميكرون وعمليات الجيل السابق. يعتبر كل من النحاس والألمنيوم موصلين جيدين للكهرباء. عند استخدام عملية تقنية 0.18 ميكرون ، تم استخدام 6 طبقات ، أثناء إدخال العملية التقنية 90 نانومتر في عام 2004 ، تم استخدام 7 طبقات من السيليكون.

كل طبقة من المعالج لها نمطها الخاص ، وتشكل كل هذه الطبقات معًا دائرة إلكترونية ثلاثية الأبعاد. يتم تكرار تطبيق الطبقات 20 - 25 مرة على مدى عدة أسابيع.

اختبارات

من أجل تحمل الضغوط التي تتعرض لها الركائز أثناء ترسيب الطبقات ، يجب أن تكون رقائق السيليكون في البداية سميكة بدرجة كافية. لذلك ، قبل تقطيع اللوحة إلى معالجات دقيقة منفصلة ، يتم تقليل سمكها بنسبة 33٪ باستخدام عمليات خاصة وتتم إزالة الملوثات من الجانب الخلفي. بعد ذلك ، يتم وضع طبقة من مادة خاصة على الجانب العكسي من الصفيحة "المعالجة" ، مما يحسن التثبيت اللاحق للبلورة بالعلبة. توفر هذه الطبقة اتصالًا كهربائيًا بين السطح الخلفي للدائرة المتكاملة والحزمة بعد التجميع.

بعد ذلك ، يتم اختبار اللوحة للتحقق من جودة جميع عمليات المعالجة. لتحديد مدى صحة المعالج ، يتم فحص مكوناته الفردية. إذا تم الكشف عن عطل ، يتم تحليل البيانات التي تم الحصول عليها لتحديد المرحلة التي حدث فيها الخطأ.

ثم يتم توصيل المجسات الكهربائية بكل معالج وتزويدها بالطاقة. يتم اختبار المعالجات بواسطة الكمبيوتر ، ويحدد ما إذا كانت خصائص المعالجات المصنعة تفي بالمعايير المحددة.

تصنيع العلبة

بعد الاختبار ، يتم إرسال الرقائق إلى مصنع التجميع ، حيث يتم تقطيعها إلى مستطيلات صغيرة ، كل منها يحتوي على دائرة متكاملة ، باستخدام منشار دقيق خاص. يتم التخلص من البلورات التي لا تعمل.

ثم يتم وضع كل بلورة في علبة فردية. تحمي العلبة البلورة من التأثيرات الخارجية وتوفر توصيلها الكهربائي باللوحة التي سيتم تثبيتها عليها. يتم لحام الكرات الصغيرة من اللحام ، الموجودة في نقاط محددة على البلورة ، بالأسلاك الكهربائية للحزمة. في هذه المرحلة ، يمكن أن تتدفق الإشارات الكهربائية من اللوحة إلى الشريحة والعكس صحيح.

بعد تركيب الكريستال في العلبة ، يُعاد اختبار المعالج لتحديد أدائه. يتم التخلص من المعالجات المعيبة ، وتخضع المعالجات الصالحة للخدمة لاختبارات الإجهاد: تأثيرات ظروف درجات الحرارة والرطوبة المختلفة ، بالإضافة إلى التفريغ الكهروستاتيكي. بعد كل اختبار ضغط ، يتم اختبار المعالج لتحديد حالته الوظيفية. ثم يتم فرز المعالجات وفقًا لسلوكها عند ترددات مختلفة على مدار الساعة وجهود الإمداد.

3. المراحل التكنولوجية لإنتاج المعالجات الدقيقة

كيف تصنع الرقائق

ينطوي إنتاج الرقائق على فرض طبقات رفيعة ذات "نمط" معقد على ركائز السيليكون. أولاً ، يتم إنشاء طبقة عازلة تعمل مثل المصراع الكهربائي. يتم تقطيع الركائز إلى أسطوانة بلورية مفردة مع "فطائر" رقيقة ، بحيث يمكن فيما بعد تقطيعها بسهولة إلى بلورات معالج منفصلة. تُستخدم المجسات الكهربائية لاختبار كل بلورة على الركيزة. أخيرًا ، يتم تقطيع الركيزة إلى نوى فردية ، ويتم التخلص من النوى غير العاملة على الفور. اعتمادًا على الخصائص ، يصبح النواة معالجًا أو معالجًا آخر ويتم تغليفها في حزمة تسهل تثبيت المعالج عليها اللوحة الأم... تخضع جميع الكتل الوظيفية لاختبارات إجهاد مكثفة.

كل شيء يبدأ مع ركائز

تتم الخطوة الأولى في تصنيع المعالجات في غرفة نظيفة. وتجدر الإشارة إلى أن هذا هو إنتاج كثيف رأس المال. يمكن إنفاق أكثر من 2-3 مليار دولار على إنشاء مصنع حديث بجميع المعدات. فقط بعد التعديل والاختبار الكاملين للمعدات ، يمكن للمصنع إنتاج معالجات في سلسلة.

بشكل عام ، تتكون عملية تصنيع الرقائق من سلسلة من خطوات معالجة الركيزة. يتضمن ذلك إنشاء الركائز نفسها ، والتي سيتم تقطيعها لاحقًا إلى بلورات فردية.

إنتاج الركيزة

المرحلة الأولى هي زراعة بلورة واحدة. لهذا الغرض ، يتم تضمين بلورة بذرة في حمام من السيليكون المصهور ، والذي يقع فوق نقطة انصهار السيليكون متعدد الكريستالات. من المهم أن تنمو البلورات ببطء لمدة يوم تقريبًا للتأكد من أن الذرات في الترتيب الصحيح. يتكون السيليكون متعدد البلورات أو غير المتبلور من العديد من البلورات المختلفة التي ستؤدي إلى هياكل سطحية غير مرغوب فيها ذات خصائص كهربائية رديئة.

بمجرد ذوبان السيليكون ، يمكن تخديره بمواد أخرى تغير خصائصه الكهربائية. تتم العملية برمتها في غرفة مغلقة بتركيبة هواء خاصة بحيث لا يتأكسد السيليكون.

يتم تقطيع البلورة المفردة إلى "فطائر" باستخدام منشار ماسي دائري عالي الدقة لا ينتج عنه شذوذات كبيرة على سطح الركائز. في هذه الحالة ، لا يزال سطح الركائز غير مسطح تمامًا ، لذا يلزم إجراء عمليات إضافية. يمكن رؤية ظهور بلورات مفردة في الشكل 1.

أرز. 1. ظهور بلورة واحدة

أولاً ، باستخدام الألواح الفولاذية الدوارة وكشط الألومينا ، تتم إزالة طبقة سميكة من الركائز (وهي عملية تسمى اللف). نتيجة لذلك ، يتم التخلص من المخالفات التي تتراوح في الحجم من 0.05 مم إلى حوالي 0.002 مم (2000 نانومتر). ثم قم بتدوير حواف كل دعم ، حيث يمكن أن تقشر الحواف الحادة الطبقات. علاوة على ذلك ، يتم استخدام عملية الحفر ، عندما يتم تنعيم السطح باستخدام مواد كيميائية مختلفة (حمض الهيدروفلوريك ، وحمض الخليك ، وحمض النيتريك) بحوالي 50 ميكرونًا. فيزيائيًا ، لا يتدهور السطح لأن العملية برمتها كيميائية تمامًا. يسمح لك بإزالة الأخطاء المتبقية في الهيكل البلوري ، ونتيجة لذلك سيكون السطح قريبًا من المثالي.

الخطوة الأخيرة هي التلميع ، الذي ينعم السطح بالخشونة ، بحد أقصى 3 نانومتر. يتم التلميع باستخدام مزيج من هيدروكسيد الصوديوم والسيليكا الحبيبية.

حاليًا ، يبلغ قطر ركائز المعالجات الدقيقة 300 مم أو 450 مم ، مما يسمح لمصنعي الرقائق بالحصول على معالجات متعددة من كل منها. بشكل عام ، كلما زاد قطر الركيزة ، يمكن إنتاج المزيد من الرقائق من نفس الحجم. توفر الركيزة 300 مم ، على سبيل المثال ، أكثر من ضعف عدد المعالجات مقارنة بـ 200 مم.

المنشطات والانتشار

يتم تنفيذ المنشطات مع الركيزة النهائية وأثناء عمليات الطباعة الحجرية الضوئية. هذا يجعل من الممكن تغيير الخصائص الكهربائية لمناطق وطبقات معينة ، وليس بنية البلورة بأكملها.

يمكن إضافة المنشطات عن طريق الانتشار. تملأ الذرات المثبطة المساحة الحرة داخل الشبكة البلورية ، بين هياكل السيليكون. في بعض الحالات ، يمكن أيضًا تشكيل الهيكل الحالي. يتم الانتشار باستخدام الغازات (النيتروجين والأرجون) أو باستخدام المواد الصلبة أو مصادر أخرى من المنشطات.

اصنع قناعًا

لإنشاء أقسام من دائرة متكاملة ، يتم استخدام عملية الليثوغرافيا الضوئية. في هذه الحالة ، ليس من الضروري تشعيع سطح الركيزة بالكامل ؛ في مثل هذه الحالات ، من المهم استخدام ما يسمى الأقنعة ، التي تنقل الإشعاع عالي الكثافة إلى مناطق معينة فقط. يمكن مقارنة الأقنعة بالأبيض والأسود. تحتوي الدوائر المتكاملة على عدة طبقات (20 أو أكثر) ، وتتطلب كل طبقة قناعها الخاص.

يتم تطبيق بنية رقيقة من غشاء الكروم على سطح لوح زجاجي كوارتز لإنشاء نمط. في الوقت نفسه ، تصف الأدوات باهظة الثمن التي تستخدم تدفق الإلكترون أو الليزر بيانات IC الضرورية ، ونتيجة لذلك يتم الحصول على نمط من الكروم على سطح ركيزة الكوارتز. وتجدر الإشارة إلى أن أي تغيير في الدائرة المتكاملة يؤدي إلى الحاجة إلى إنتاج أقنعة جديدة ، وبالتالي فإن عملية التحرير بأكملها مكلفة للغاية.

يجعل الرسم الضوئي من الممكن تكوين هيكل على ركيزة من السيليكون. تتكرر العملية عدة مرات حتى يتم إنشاء العديد من الطبقات. يمكن أن تشتمل الطبقات على مواد مختلفة ، وهنا أيضًا يتم توفير التوصيل بأسلاك مجهرية. قبل البدء في عملية الطباعة الحجرية الضوئية ، يتم تنظيف الركيزة وتسخينها لإزالة الجسيمات اللاصقة والماء. في المرحلة التالية ، يتم طلاء الركيزة بثاني أكسيد السيليكون باستخدام جهاز خاص. ثم يتم تطبيق عامل الترابط على الركيزة لضمان بقاء المادة المقاومة للضوء التي سيتم تطبيقها في الخطوة التالية على الركيزة. يتم تطبيق المادة المقاومة للضوء على منتصف الركيزة ، والتي تبدأ بعد ذلك في الدوران بسرعة عالية بحيث يتم توزيع الطبقة بالتساوي على كامل سطح الركيزة. ثم يتم تسخين الركيزة مرة أخرى. تظهر عملية الطباعة الحجرية الضوئية في الشكل 2.

أرز. 2. عملية الطباعة الحجرية الضوئية

بعد ذلك ، من خلال القناع ، يتم تشعيع الغطاء بالليزر الكمومي ، أو الأشعة فوق البنفسجية الصلبة ، أو الأشعة السينية ، أو حزم الإلكترونات أو الأيونات - يمكن استخدام كل مصادر الضوء أو الطاقة هذه. تُستخدم حزم الإلكترون بشكل أساسي لإنشاء أقنعة وأشعة سينية وحزم أيونية لأغراض البحث ، ويهيمن على الإنتاج الصناعي اليوم الأشعة فوق البنفسجية القاسية وأشعة الليزر الغازية.

الأشعة فوق البنفسجية الصلبة التي يبلغ طولها الموجي 13.5 نانومتر تشعّ مادة مقاومة الضوء أثناء مرورها عبر القناع. تعتبر أوقات الإسقاط والتركيز مهمة جدًا للنتائج المرجوة. سيترك التركيز الضعيف جزيئات إضافية من مادة مقاومة للضوء لأن بعض الثقوب الموجودة في القناع لن يتم تشعيعها بشكل صحيح. سيظهر موقف مماثل إذا كان وقت العرض قصيرًا جدًا. بعد ذلك ، سيكون هيكل المادة المقاومة للضوء عريضًا جدًا ، وستكون المناطق الموجودة تحت الثقوب قليلة التعرض. ومع ذلك ، فإن وقت الإسقاط المفرط يخلق مساحات كبيرة جدًا تحت الثقوب ويؤدي إلى ضيق للغاية في بنية مادة مقاومة للضوء. هذا هو تعقيد تنظيم عملية الإنتاج. سيؤدي الضبط غير الصحيح إلى انحرافات خطيرة في الموصلات المتصلة. يقوم جهاز الإسقاط المتدرج الخاص بتحريك الركيزة في الموضع المطلوب. ثم يمكنك عرض خط أو قسم واحد ، في معظم الحالات يتوافق مع بلورة معالج واحد. يمكن للتركيبات الصغيرة الإضافية إجراء تغييرات إضافية. على سبيل المثال ، تصحيح أخطاء التكنولوجيا الحالية وتحسين العملية التقنية. عادة ما تعمل التركيبات الصغيرة في مناطق تقل عن 1 متر مربع. مم ، بينما تغطي التركيبات التقليدية مساحات أكبر.

هناك عمليات حفر رطبة وجافة تعالج مناطق السيليكا. تستخدم العمليات الرطبة المركبات الكيميائية والعمليات الجافة تستخدم الغاز. عملية منفصلة هي إزالة بقايا المواد المقاومة للضوء. غالبًا ما يجمع المصنعون بين الإزالة الرطبة والجافة لضمان إزالة المواد المقاومة للضوء تمامًا. هذا مهم لأن مادة مقاومة الضوء عضوية ، وإذا لم تتم إزالتها ، يمكن أن تؤدي إلى عيوب في الركيزة.

بعد الحفر والتنظيف ، يمكنك المتابعة لفحص الركيزة ، والتي تحدث عادةً في كل مرحلة مهمة ، أو نقل الركيزة إلى دورة الطباعة الحجرية الضوئية الجديدة. فحص الركائز موضح في الشكل 3.

أرز. 3. فحص الركائز

يتم إجراء اختبار الركائز النهائية على تركيبات التحكم بالمسبار التي تعمل مع الركيزة بأكملها. يتم تثبيت ملامسات المجس على نقاط تلامس كل بلورة ، مما يسمح بإجراء الاختبارات الكهربائية. باستخدام البرمجياتيتم اختبار جميع وظائف كل نواة. تظهر عملية قطع الركيزة في الشكل 4.

أرز. 4. عملية قطع الركيزة

عن طريق قطع الدعم ، يتم الحصول على النوى الفردية. إذا تم اكتشاف بلورات معيبة (تحتوي على أخطاء) ، فسيتم فصلها عن البلورات الجيدة. في السابق ، تم تمييز البلورات التالفة فعليًا ، والآن ليست هناك حاجة لذلك ، يتم تخزين جميع المعلومات في قاعدة بيانات واحدة.

علاوة على ذلك ، يجب وضع اللب الوظيفي في حزمة معالج ، حيث يتم استخدام مادة لاصقة. بعد ذلك ، تحتاج إلى عمل توصيلات سلكية تربط أرجل العبوة والبلور نفسه (الشكل 5). لهذا الغرض ، يتم استخدام وصلات الذهب أو الألومنيوم أو النحاس.

أرز. 5. اتصال الركيزة السلكية

تستخدم معظم المعالجات الحديثة عبوات بلاستيكية مع توزيع الحرارة... على وجه الخصوص ، يتم تعبئة القلب في عبوات من السيراميك أو البلاستيك ، مما يساعد على منع التلف الميكانيكي. تم تجهيز المعالجات الحديثة بمبدد حراري ، وأجهزة توفر تبديد الحرارة وحماية الرقاقة (الشكل 6).

أرز. 6. تغليف المعالج

الخطوة الأخيرة هي اختبار المعالج ، ويتم ذلك في درجات حرارة مرتفعة ، وفقًا لمواصفات المعالج. يتم تثبيت المعالج تلقائيًا في مقبس الاختبار ، وبعد ذلك يتم تحليل جميع الوظائف الضرورية.

كيف تصنع الدوائر الدقيقة

لفهم الفرق الرئيسي بين هاتين التقنيتين ، من الضروري القيام برحلة قصيرة في نفس تقنية إنتاج المعالجات الحديثة أو الدوائر المتكاملة.

كما هو معروف من مقرر الفيزياء المدرسية ، في الإلكترونيات الحديثة ، فإن المكونات الرئيسية للدوائر المتكاملة هي أشباه الموصلات من النوع p و n (حسب نوع الموصلية). أشباه الموصلات هي مادة تفوق المواد العازلة في الموصلية ، ولكنها أدنى من المعادن. يمكن أن يكون أساس كلا النوعين من أشباه الموصلات هو السيليكون (Si) ، والذي في شكله النقي (ما يسمى بأشباه الموصلات الجوهرية) لا يقوم بتوصيل التيار الكهربائي جيدًا ، ولكن إضافة (إدخال) شوائب معينة إلى السيليكون تجعل من الممكن تغيير جذري لخصائص التوصيل. هناك نوعان من الشوائب: المانح والمقبول. تؤدي الشوائب المانحة إلى تكوين أشباه موصلات من النوع n بنوع إلكتروني من الموصلية ، وتؤدي الشوائب المقبولة إلى تكوين أشباه موصلات من النوع p مع نوع ثقب من الموصلية. تجعل اتصالات أشباه الموصلات p و n من الممكن تكوين ترانزستورات - العناصر الهيكلية الرئيسية للدوائر الدقيقة الحديثة. يمكن أن تكون هذه الترانزستورات ، التي تسمى ترانزستورات CMOS ، في حالتين أساسيتين: مفتوحة ، عندما توصل تيارًا كهربائيًا ، ومغلقة ، عندما لا توصل تيارًا كهربائيًا. نظرًا لأن ترانزستورات CMOS هي العناصر الرئيسية للدوائر الدقيقة الحديثة ، فلنتحدث عنها بمزيد من التفصيل.

كيف يعمل ترانزستور CMOS

يحتوي أبسط ترانزستور CMOS من النوع n على ثلاثة أقطاب: المصدر والبوابة والصرف. يتكون الترانزستور نفسه في أشباه الموصلات من النوع p مع توصيل الثقب ، وتتشكل أشباه الموصلات من النوع n ذات الموصلية الإلكترونية في مناطق التصريف والمصدر. بطبيعة الحال ، بسبب انتشار الثقوب من المنطقة p إلى المنطقة n والانتشار العكسي للإلكترونات من المنطقة n إلى المنطقة p ، تتشكل الطبقات المستنفدة (الطبقات التي لا توجد فيها ناقلات شحن كبيرة) عند حدود التحولات بين المناطق p و n. في الحالة الطبيعية ، أي عندما لا يتم تطبيق جهد على البوابة ، يكون الترانزستور في حالة "مغلق" ، أي أنه غير قادر على توصيل التيار من المصدر إلى الصرف. لا يتغير الوضع ، حتى لو طبقنا جهدًا كهربائيًا بين المصرف والمصدر (في هذه الحالة ، لا نأخذ في الاعتبار تيارات التسرب الناتجة عن الحركة تحت تأثير المجالات الكهربائية المتولدة لحاملات الشحنة الأقلية ، ذلك هو ، ثقوب للمنطقة n والإلكترونات للمنطقة p).

ومع ذلك ، إذا تم تطبيق إمكانات إيجابية على البوابة (الشكل 1) ، فإن الوضع سيتغير جذريًا. تحت تأثير المجال الكهربائي للبوابة ، يتم دفع الثقوب بعمق في أشباه الموصلات p ، وعلى العكس من ذلك ، يتم سحب الإلكترونات إلى المنطقة الواقعة أسفل البوابة ، لتشكيل قناة غنية بالإلكترون بين المصدر والصرف. عندما يتم تطبيق جهد موجب على البوابة ، تبدأ هذه الإلكترونات في التحرك من المصدر إلى التصريف. في هذه الحالة ، يجري الترانزستور التيار - يقولون إن الترانزستور "يفتح". إذا تمت إزالة الجهد من البوابة ، تتوقف الإلكترونات عن الانجذاب إلى المنطقة الواقعة بين المصدر والصرف ، وتتلف القناة الموصلة ، ويتوقف الترانزستور عن تمرير التيار ، أي أنه "مغلق". وبالتالي ، من خلال تغيير الجهد عند البوابة ، يمكنك فتح أو إيقاف تشغيل الترانزستور ، بنفس الطريقة التي يمكنك بها تشغيل أو إيقاف تشغيل مفتاح تبديل تقليدي ، والتحكم في مرور التيار عبر الدائرة. هذا هو سبب تسمية الترانزستورات أحيانًا بالمفاتيح الإلكترونية. ومع ذلك ، على عكس المفاتيح الميكانيكية التقليدية ، فإن ترانزستورات CMOS خالية من القصور الذاتي تقريبًا وقادرة على الانتقال من حالة الفتح إلى الحالة المغلقة ، تريليونات المرات في الثانية! هذه الخاصية ، أي القدرة على التبديل الفوري ، هي التي تحدد في النهاية سرعة المعالج ، والذي يتكون من عشرات الملايين من أبسط الترانزستورات.

لذلك ، تتكون الدائرة المتكاملة الحديثة من عشرات الملايين من أبسط ترانزستورات CMOS. دعونا نتحدث بمزيد من التفصيل عن عملية تصنيع الدوائر الدقيقة ، والتي تتمثل المرحلة الأولى منها في إنتاج ركائز السيليكون.

الخطوة 1. تزايد الفراغات

يبدأ إنشاء هذه الركائز بنمو بلورة أسطوانية أحادية السيليكون. يتم بعد ذلك تقطيع هذه الكتل البلورية المفردة إلى رقاقات يبلغ سمكها حوالي 1/40 بوصة وقطرها 200 مم (8 بوصة) أو 300 مم (12 بوصة). هذه هي ركائز السيليكون المستخدمة لإنتاج الدوائر الدقيقة.

عند تكوين الرقائق من بلورات السيليكون المفردة ، تؤخذ في الاعتبار حقيقة أنه بالنسبة للهياكل البلورية المثالية ، تعتمد الخصائص الفيزيائية إلى حد كبير على الاتجاه المختار (خاصية تباين الخواص). على سبيل المثال ، ستكون مقاومة ركيزة السيليكون مختلفة في الاتجاهين الطولي والعرضي. وبالمثل ، اعتمادًا على اتجاه الشبكة البلورية ، تتفاعل بلورة السليكون بشكل مختلف مع أي تأثيرات خارجية مرتبطة بمعالجتها الإضافية (على سبيل المثال ، الحفر ، والرش ، وما إلى ذلك). لذلك ، يجب قطع الصفيحة من البلورة المفردة بطريقة تحافظ على اتجاه الشبكة البلورية بالنسبة للسطح بدقة في اتجاه معين.

كما ذكرنا سابقًا ، يبلغ قطر الشكل البلوري الأحادي للسيليكون إما 200 أو 300 ملم. علاوة على ذلك ، فإن قطر 300 ملم هو تقنية جديدة نسبيًا ، والتي سنناقشها أدناه. من الواضح أن صفيحة بهذا القطر يمكن أن تستوعب أكثر بكثير من دائرة صغيرة واحدة ، حتى لو كنا نتحدث عن معالج Intel Pentium 4. في الواقع ، تم تشكيل عدة عشرات من الدوائر الدقيقة (المعالجات) على إحدى ركائز الرقاقة ، ولكن من أجل البساطة نحن سينظر فقط في العمليات التي تحدث على مساحة صغيرة من معالج دقيق واحد في المستقبل.

الخطوة 2. تطبيق طبقة واقية عازلة للكهرباء (SiO2)

بعد تشكيل الركيزة السيليكونية ، تبدأ مرحلة إنشاء هيكل أشباه الموصلات الأكثر تعقيدًا.

للقيام بذلك ، من الضروري إدخال ما يسمى بالشوائب المانحة والمقبلة في السيليكون. ومع ذلك ، فإن السؤال الذي يطرح نفسه - كيف يتم تنفيذ إدخال الشوائب وفقًا لنمط النمط المحدد بدقة؟ لجعل هذا ممكنًا ، تتم حماية المناطق التي لا يلزم فيها إدخال الشوائب بطبقة خاصة من ثاني أكسيد السيليكون ، تاركًا فقط تلك المناطق المعرضة لمزيد من المعالجة (الشكل 2). تتكون عملية تشكيل مثل هذا الفيلم الواقي للنمط المطلوب من عدة مراحل.

في المرحلة الأولى ، يتم تغطية رقاقة السيليكون بالكامل بغشاء رقيق من ثاني أكسيد السيليكون (SiO2) ، وهو عازل جيد جدًا ويعمل كغشاء واقي أثناء المعالجة الإضافية لبلورة السيليكون. توضع الرقاقات في غرفة حيث ينتشر الأكسجين عند درجة حرارة عالية (من 900 إلى 1100 درجة مئوية) وضغط في الطبقات السطحية للرقاقة ، مما يؤدي إلى أكسدة السيليكون وتشكيل طبقة سطحية من ثاني أكسيد السيليكون. من أجل أن يكون لفيلم ثاني أكسيد السيليكون سماكة محددة بدقة ولا يحتوي على عيوب ، من الضروري الحفاظ بصرامة على درجة حرارة ثابتة في جميع نقاط الرقاقة أثناء عملية الأكسدة. إذا لم يتم تغطية الرقاقة بالكامل بفيلم ثاني أكسيد السيليكون ، فسيتم تطبيق قناع Si3N4 أولاً على ركيزة السيليكون لمنع الأكسدة غير المرغوب فيها.

الخطوة 3. تطبيق مقاوم الضوء

بعد تغطية ركيزة السيليكون بطبقة واقية من ثاني أكسيد السيليكون ، من الضروري إزالة هذا الفيلم من تلك الأماكن التي ستخضع لمزيد من المعالجة. تتم إزالة الفيلم عن طريق الحفر ، ولحماية المناطق المتبقية من النقش ، يتم وضع طبقة من مقاوم الضوء على سطح الرقاقة. يشير مصطلح "مقاومات الضوء" إلى تركيبات حساسة للضوء ومقاومة للعوامل العدوانية. يجب أن يكون للتركيبات المطبقة ، من ناحية ، خصائص فوتوغرافية معينة (تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية ، تصبح قابلة للذوبان وتغسل أثناء عملية النقش) ، ومن ناحية أخرى ، مقاومة ، مما يسمح لها بمقاومة النقش في الأحماض و القلويات والتدفئة وما إلى ذلك. الغرض الرئيسي من مقاومات الضوء هو إنشاء حماية واقية للتكوين المطلوب.

تسمى عملية تطبيق مقاوم للضوء وإشعاعه الإضافي بالضوء فوق البنفسجي وفقًا لنمط معين الطباعة الحجرية الضوئية وتشمل العمليات الأساسية التالية: تكوين طبقة مقاومة للضوء (معالجة الركيزة ، التطبيق ، التجفيف) ، تشكيل طبقة واقية الإغاثة (التعرض ، التطوير ، التجفيف) ونقل الصورة إلى الركيزة (التنميش ، الاخرق ، إلخ).

قبل تطبيق الطبقة المقاومة للضوء (الشكل 3) على الركيزة ، تتم معالجة الأخيرة ، ونتيجة لذلك يتم تحسين التصاقها بالطبقة المقاومة للضوء. يتم استخدام طريقة الطرد المركزي لتطبيق طبقة موحدة من مقاوم الضوء. يتم وضع الركيزة على قرص دوار (جهاز طرد مركزي) ، وتحت تأثير قوى الطرد المركزي ، يتم توزيع مقاوم الضوء على سطح الركيزة في طبقة شبه موحدة. (عند الحديث عن طبقة موحدة عمليًا ، ينبغي للمرء أن يأخذ في الاعتبار حقيقة أنه ، تحت تأثير قوى الطرد المركزي ، يزداد سمك الفيلم الناتج من المركز إلى الحواف ؛ ومع ذلك ، فإن هذه الطريقة لتطبيق مقاوم للضوء تجعل من الممكن تحمل التقلبات في سماكة الطبقة في حدود ± 10٪.)

الخطوة 4. الطباعة الحجرية

بعد تطبيق وتجفيف الطبقة المقاومة للضوء ، تبدأ مرحلة تشكيل الإغاثة الوقائية اللازمة. يتكون الارتياح نتيجة حقيقة أنه تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية التي تسقط على مناطق معينة من الطبقة المقاومة للضوء ، يغير الأخير خصائص الذوبان ، على سبيل المثال ، تتوقف المناطق المضيئة عن الذوبان في المذيب ، مما يزيل المناطق من الطبقة التي لم تتعرض للضوء أو العكس - المناطق المضيئة تذوب. من خلال طريقة تشكيل الإغاثة ، يتم تقسيم مقاومات الضوء إلى سلبية وإيجابية. تشكل مقاومات الضوء السلبية تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية مناطق واقية من الإغاثة. من ناحية أخرى ، تكتسب مقاومات الضوء الإيجابية ، عند تعرضها للأشعة فوق البنفسجية ، خصائص التدفق ويتم غسلها بواسطة المذيب. وفقًا لذلك ، تتشكل الطبقة الواقية في تلك المناطق التي لا تتعرض للأشعة فوق البنفسجية.

يتم استخدام قالب قناع خاص لإلقاء الضوء على المناطق المرغوبة من الطبقة المقاومة للضوء. غالبًا ما يتم استخدام الألواح الزجاجية الضوئية ذات العناصر المعتمة التي تم الحصول عليها عن طريق التصوير الفوتوغرافي أو بطريقة أخرى لهذا الغرض. في الواقع ، يحتوي هذا القالب على رسم لإحدى طبقات الدائرة المصغرة المستقبلية (يمكن أن يكون هناك عدة مئات من هذه الطبقات إجمالاً). نظرًا لأن هذا النموذج هو مرجع ، يجب تنفيذه بدقة كبيرة. بالإضافة إلى ذلك ، مع الأخذ في الاعتبار حقيقة أن الكثير من لوحات التصوير الفوتوغرافي ستصنع من قناع ضوئي واحد ، يجب أن تكون متينة ومقاومة للتلف. ومن ثم ، فمن الواضح أن القناع الضوئي هو شيء مكلف للغاية: اعتمادًا على درجة تعقيد الدائرة الدقيقة ، يمكن أن تكلف عشرات الآلاف من الدولارات.

الأشعة فوق البنفسجية ، التي تمر عبر هذا القالب (الشكل 4) ، تضيء فقط المناطق المطلوبة من سطح الطبقة المقاومة للضوء. بعد التشعيع ، يخضع المقاوم للضوء للتطور ، ونتيجة لذلك يتم إزالة الأجزاء غير الضرورية من الطبقة. هذا يفتح الجزء المقابل من طبقة ثاني أكسيد السيليكون.

على الرغم من البساطة الظاهرة للعملية الليثوغرافية الضوئية ، فإن هذه المرحلة في إنتاج الدوائر الدقيقة هي الأصعب. الحقيقة هي أنه وفقًا لتنبؤات مور ، يزداد عدد الترانزستورات الموجودة على دائرة دقيقة واحدة أضعافًا مضاعفة (يتضاعف كل عامين). هذه الزيادة في عدد الترانزستورات ممكنة فقط بسبب انخفاض حجمها ، ولكن هذا الانخفاض هو بالضبط "الذي يعتمد" على عملية الطباعة الحجرية. لجعل الترانزستورات أصغر ، من الضروري تقليل الأبعاد الهندسية للخطوط المطبقة على الطبقة المقاومة للضوء. ولكن هناك حدود لكل شيء - ليس من السهل تركيز شعاع الليزر على نقطة. الحقيقة هي أنه وفقًا لقوانين بصريات الموجة ، يتم تحديد الحد الأدنى لحجم البقعة التي يتم تركيز شعاع الليزر عليها (في الواقع ، ليس مجرد بقعة ، بل نمط حيود) ، من بين عوامل أخرى ، طول الموجة الضوئية. كان تطوير تقنية الطباعة الحجرية منذ اختراعها في أوائل السبعينيات في اتجاه تقليص الطول الموجي للضوء. هذا ما جعل من الممكن تقليل حجم عناصر الدائرة المتكاملة. منذ منتصف الثمانينيات ، بدأت الليثوغرافيا الضوئية في استخدام الأشعة فوق البنفسجية التي ينتجها الليزر. الفكرة بسيطة: الطول الموجي للأشعة فوق البنفسجية أقصر من الطول الموجي للضوء المرئي ، لذلك من الممكن الحصول على خطوط أرق على سطح المقاوم للضوء. حتى وقت قريب ، استخدمت الطباعة الحجرية الأشعة فوق البنفسجية العميقة (Deep Ultra Violet ، DUV) بطول موجة يبلغ 248 نانومتر. ومع ذلك ، عندما عبرت الطباعة الحجرية الضوئية حدود 200 نانومتر ، نشأت مشاكل خطيرة أدت لأول مرة إلى التشكيك في إمكانية استخدام هذه التقنية مرة أخرى. على سبيل المثال ، عند أطوال موجية أقل من 200 ميكرون ، تمتص الطبقة الحساسة للضوء الكثير من الضوء ، وبالتالي تصبح عملية نقل قالب الدائرة إلى المعالج أكثر تعقيدًا وأبطأ. تحث مثل هذه التحديات الباحثين والمصنعين على البحث عن بدائل لتقنية الطباعة الحجرية التقليدية.

تعتمد تقنية الطباعة الحجرية الجديدة المسماة بالطباعة الحجرية EUV (Extreme UltraViolet) على استخدام الضوء فوق البنفسجي بطول موجة يبلغ 13 نانومتر.

يوفر الانتقال من الطباعة الحجرية DUV إلى EUV أكثر من 10 أضعاف انخفاض الطول الموجي والانتقال إلى نطاق حيث يمكن مقارنته بحجم بضع عشرات فقط من الذرات.

تسمح تقنية الطباعة الحجرية المستخدمة حاليًا بترسيب قالب بعرض موصل بحد أدنى 100 نانومتر ، بينما تتيح الطباعة الحجرية EUV طباعة خطوط بعرض أصغر بكثير - حتى 30 نانومتر. إن التحكم في الإشعاع شديد القصر ليس سهلاً كما يبدو. نظرًا لأن الزجاج يمتص إشعاع EUV جيدًا ، فإن التكنولوجيا الجديدة تتضمن استخدام سلسلة من أربع مرايا محدبة خاصة تقلل وتركز الصورة التي تم الحصول عليها بعد تطبيق القناع (الشكل 5 ،). تحتوي كل مرآة على 80 طبقة معدنية منفصلة بسمك 12 ذرة تقريبًا.

الخطوة 5. النقش

بعد تعريض الطبقة المقاومة للضوء ، تبدأ مرحلة النقش لإزالة فيلم ثاني أكسيد السيليكون (الشكل 8).

غالبًا ما ترتبط عملية التخليل بالحمامات الحمضية. طريقة النقش الحمضي هذه معروفة جيدًا لهواة الراديو الذين يصنعون لوحات الدوائر المطبوعة بمفردهم. للقيام بذلك ، يتم تطبيق نمط من مسارات اللوح المستقبلي على ورق الألمنيوم المطلي بالورنيش ، والذي يعمل كطبقة واقية ، ثم يتم إنزال اللوحة في حمام بحمض النيتريك. تم حفر المناطق غير الضرورية من الرقاقة ، مما يؤدي إلى تعريض النسيج النظيف. تحتوي هذه الطريقة على عدد من العيوب ، أهمها عدم القدرة على التحكم الدقيق في عملية إزالة الطبقة ، نظرًا لأن العديد من العوامل تؤثر على عملية الحفر: تركيز الحمض ، ودرجة الحرارة ، والحمل الحراري ، إلخ. بالإضافة إلى ذلك ، يتفاعل الحمض مع المادة في جميع الاتجاهات ويخترق تدريجيًا تحت حافة القناع المقاوم للضوء ، أي يدمر الطبقات المغطاة بمقاوم الضوء من الجانب. لذلك ، في تصنيع المعالجات ، يتم استخدام طريقة الحفر الجاف ، والتي تسمى أيضًا بالبلازما. تتيح لك هذه الطريقة التحكم بدقة في عملية الحفر ، ويحدث تدمير الطبقة المحفورة بدقة في الاتجاه العمودي.

يستخدم الحفر الجاف الغاز المتأين (البلازما) لإزالة ثاني أكسيد السيليكون من سطح الرقاقة والتفاعل مع سطح ثاني أكسيد السيليكون لتشكيل منتجات ثانوية متطايرة.

بعد إجراء النقش ، أي عندما تنكشف المناطق المطلوبة من السيليكون النقي ، تتم إزالة بقية الطبقة الضوئية. وهكذا ، يبقى نمط ثاني أكسيد السيليكون على ركيزة السيليكون.

الخطوة 6. الانتشار (زرع الأيونات)

تذكر أن العملية السابقة لتشكيل النمط المطلوب على ركيزة من السيليكون كانت مطلوبة من أجل إنشاء هياكل أشباه الموصلات في الأماكن الصحيحة عن طريق إدخال شوائب مانحة أو متقبلة. تتم عملية إدخال الشوائب عن طريق الانتشار (الشكل 9) - الإدخال المنتظم لذرات الشوائب في الشبكة البلورية السيليكونية. عادةً ما يتم استخدام الأنتيمون أو الزرنيخ أو الفوسفور للحصول على أشباه الموصلات من النوع n. للحصول على أشباه الموصلات من النوع p ، يتم استخدام البورون أو الغاليوم أو الألومنيوم كشوائب.

لعملية انتشار dopant ، يتم استخدام غرس الأيونات. تتكون عملية الزرع في حقيقة أن أيونات الشوائب المطلوبة يتم "إطلاقها" من معجل الجهد العالي ، وبوجود طاقة كافية ، تخترق الطبقات السطحية من السيليكون.

لذلك ، في نهاية مرحلة غرس الأيونات ، يتم إنشاء الطبقة المطلوبة من هيكل أشباه الموصلات. ومع ذلك ، يمكن أن تحتوي المعالجات الدقيقة على عدة طبقات من هذا القبيل. لإنشاء الطبقة التالية في الرسم البياني الناتج ، يتم زراعة طبقة رقيقة إضافية من ثاني أكسيد السيليكون. بعد ذلك ، يتم تطبيق طبقة من السيليكون متعدد الكريستالات وطبقة أخرى من مقاوم الضوء. يتم تمرير الأشعة فوق البنفسجية عبر القناع الثاني وتبرز النمط المقابل على طبقة الصورة. يتبع ذلك خطوات حل طبقة الصورة ، والحفر ، وزرع الأيونات.

الخطوة 7. الرش والترسيب

يتم فرض طبقات جديدة عدة مرات ، بينما بالنسبة للوصلات البينية في الطبقات تُترك "نوافذ" مملوءة بذرات معدنية ؛ نتيجة لذلك ، يتم إنشاء خطوط معدنية على المناطق الموصلة للبلور. وبالتالي ، في المعالجات الحديثة ، يتم إنشاء اتصالات بين الطبقات التي تشكل مخططًا ثلاثي الأبعاد معقدًا. تستغرق عملية زراعة جميع الطبقات ومعالجتها عدة أسابيع ، وتتكون دورة الإنتاج نفسها من أكثر من 300 مرحلة. نتيجة لذلك ، يتم تشكيل المئات من المعالجات المتطابقة على رقاقة سيليكون.

لتحمل الضغوط التي تتعرض لها الرقاقات أثناء عملية ترسيب الطبقة ، يتم تصنيع ركائز السيليكون في البداية سميكة بدرجة كافية. لذلك ، قبل تقطيع الرقاقة إلى معالجات منفصلة ، يتم تقليل سمكها بنسبة 33٪ وإزالة التلوث من الجانب الخلفي. ثم يتم وضع طبقة من مادة خاصة على الجانب الخلفي من الركيزة ، مما يحسن من ارتباط البلورة بعلبة المعالج المستقبلي.

الخطوة 8. المرحلة النهائية

في نهاية دورة التكوين ، يتم اختبار جميع المعالجات بدقة. بعد ذلك ، يتم قطع بلورات الخرسانة التي تم اختبارها بالفعل من لوحة الركيزة باستخدام جهاز خاص (الشكل 10).

يتم تضمين كل معالج دقيق في علبة واقية ، والتي توفر أيضًا التوصيل الكهربائي لشريحة المعالج الدقيق بالأجهزة الخارجية. يعتمد نوع العلبة على النوع والاستخدام المقصود للمعالج الدقيق.

بعد أن يتم إحكام غلقه في الهيكل ، يتم إعادة اختبار كل معالج دقيق. يتم رفض المعالجات المعيبة ، وتخضع المعالجات الصالحة للخدمة لاختبارات الضغط. ثم يتم فرز المعالجات بناءً على سلوكها بسرعات مختلفة على مدار الساعة وجهود التزويد.

التقنيات المتقدمة

نحن نعتبر العملية التكنولوجية لتصنيع الدوائر الدقيقة (على وجه الخصوص ، المعالجات) بطريقة مبسطة للغاية. لكن حتى هذا العرض السطحي يسمح لنا بفهم الصعوبات التكنولوجية التي يتعين على المرء مواجهتها عند تقليل حجم الترانزستورات.

ومع ذلك ، قبل التفكير في التقنيات الجديدة الواعدة ، دعنا نجيب على السؤال المطروح في بداية المقال: ما هو معيار التصميم للعملية التكنولوجية وكيف ، في الواقع ، يختلف معيار التصميم البالغ 130 نانومتر عن معيار 180 نانومتر. ؟ 130 نانومتر أو 180 نانومتر هي المسافة الدنيا المميزة بين عنصرين متجاورين في طبقة واحدة من الدائرة الدقيقة ، أي نوع من خطوة الشبكة التي ترتبط بها عناصر الدائرة المصغرة. في الوقت نفسه ، من الواضح تمامًا أنه كلما كان هذا الحجم المميز أصغر ، يمكن وضع المزيد من الترانزستورات في نفس المنطقة من الدائرة المصغرة.

حاليًا ، يتم استخدام عملية تصنيع 0.13 ميكرون في تصنيع معالجات Intel. تُستخدم هذه التقنية لإنتاج معالج Intel Pentium 4 مع قلب Northwood ومعالج Intel Pentium III مع نواة Tualatin ومعالج Intel Celeron. في حالة استخدام مثل هذه العملية التكنولوجية ، يكون عرض القناة الفعال للترانزستور 60 نانومتر ، ولا يتجاوز سمك طبقة أكسيد البوابة 1.5 نانومتر. بشكل عام ، يحتوي معالج Intel Pentium 4 على 55 مليون ترانزستور.

إلى جانب زيادة كثافة الترانزستورات في بلورة المعالج ، فإن تقنية 0.13 ميكرون ، التي حلت محل تقنية 0.18 ميكرون ، لها ابتكارات أخرى. أولاً ، يستخدم التوصيلات النحاسية بين الترانزستورات الفردية (في تقنية 0.18 ميكرون ، كانت الوصلات من الألومنيوم). ثانيًا ، توفر تقنية 0.13 ميكرون استهلاكًا أقل للطاقة. بالنسبة لتقنية الهاتف المحمول ، على سبيل المثال ، هذا يعني أن استهلاك الطاقة للمعالجات الدقيقة يقل وأن عمر البطارية أطول.

حسنًا ، كان آخر ابتكار تم تنفيذه في الانتقال إلى العملية التكنولوجية 0.13 ميكرون هو استخدام رقائق السيليكون (رقاقة) بقطر 300 مم. تذكر أنه قبل ذلك ، تم تصنيع معظم المعالجات والدوائر الدقيقة على أساس رقائق 200 مم.

تتيح لك زيادة قطر الألواح تقليل تكلفة كل معالج وزيادة إنتاجية المنتجات ذات الجودة المناسبة. في الواقع ، تبلغ مساحة اللوحة التي يبلغ قطرها 300 مم 2.25 مرة أكبر من مساحة اللوحة التي يبلغ قطرها 200 مم ، على التوالي ، وعدد المعالجات التي تم الحصول عليها من لوحة واحدة بقطر 300 مم أكبر من ضعف حجمها.

في عام 2003 ، من المتوقع إدخال عملية تكنولوجية جديدة ذات معيار تصميم أقل ، وهو 90 نانومتر. تم تطوير عملية التصنيع الجديدة ، التي ستستخدمها إنتل لتصنيع معظم منتجاتها ، بما في ذلك المعالجات والشرائح ومعدات الاتصالات ، في مصنع إنتل التجريبي للويفر D1C 300 مم في هيلزبورو ، أوريغون.

في 23 أكتوبر 2002 ، أعلنت إنتل عن افتتاح مرفق جديد بقيمة 2 مليار دولار في ريو رانشو ، نيو مكسيكو. سيستخدم المصنع الجديد ، المسمى F11X ، أحدث التقنيات لتصنيع المعالجات على رقائق بقطر 300 مم باستخدام عملية معدل تصميم 0.13 ميكرون. في عام 2003 ، سيتم نقل المصنع إلى عملية تكنولوجية بمعيار تصميم يبلغ 90 نانومتر.

بالإضافة إلى ذلك ، أعلنت إنتل بالفعل عن استئناف البناء في فاب 24 في ليكسليب ، أيرلندا ، والتي ستصنع مكونات أشباه الموصلات على رقائق سيليكون 300 مم مع قاعدة تصميم 90 نانومتر. المشروع الجديد بمساحة إجمالية تزيد عن مليون متر مربع. قدم بغرف فائقة النظافة بمساحة 160 ألف متر مربع. من المتوقع أن يبدأ تشغيله في النصف الأول من عام 2004 وسيوظف أكثر من ألف موظف. تبلغ تكلفة المنشأة حوالي 2 مليار دولار.

تستخدم عملية 90 نانومتر مجموعة متنوعة من التقنيات المتقدمة. إنه أيضًا أصغر ترانزستورات CMOS المتاحة تجارياً في العالم بطول بوابة يبلغ 50 نانومتر (الشكل 11) ، مما يوفر أداءً متزايدًا مع تقليل استهلاك الطاقة ، وأرق طبقة أكسيد بوابة تم إنتاجها على الإطلاق - 1.2 نانومتر فقط (الشكل 12) ) ، أو أقل من 5 طبقات ذرية ، وأول تطبيق في الصناعة لتقنية السيليكون عالية الأداء.

من بين الخصائص المذكورة ، ربما يحتاج مفهوم "السيليكون المجهد" إلى التعليق (الشكل 13). في مثل هذا السيليكون ، تكون المسافة بين الذرات أكبر منها في أشباه الموصلات التقليدية. وهذا بدوره يسمح للتيار بالتدفق بحرية أكبر ، بنفس الطريقة التي تتحرك بها حركة المرور بشكل أكثر حرية وأسرع على طريق به ممرات مرور أوسع.

نتيجة لجميع الابتكارات ، تم تحسين أداء الترانزستورات بنسبة 10-20 ٪ ، مع زيادة تكاليف الإنتاج بنسبة 2 ٪ فقط.

بالإضافة إلى ذلك ، تستخدم عملية 90 نانومتر سبع طبقات لكل شريحة (الشكل 14) ، وطبقة أخرى أكثر من عملية 130 نانومتر ، والتوصيلات النحاسية.

كل هذه الميزات ، جنبًا إلى جنب مع رقائق السيليكون 300 مم ، توفر لشركة Intel مكاسب في الأداء والحجم والتكلفة. يستفيد المستهلكون أيضًا من استمرار عملية إنتل التكنولوجية الجديدة في تنمية الصناعة بما يتماشى مع قانون مور ، مع تحسين أداء المعالج مرارًا وتكرارًا.

يعد إنتاج الدوائر المصغرة عملاً صعبًا للغاية ، والطبيعة المغلقة لهذا السوق تمليها بشكل أساسي خصائص تقنية الليثوغرافيا الضوئية السائدة اليوم. يتم عرض الدوائر الإلكترونية الميكروسكوبية على رقاقة سيليكون من خلال الفلاتر الضوئية ، والتي يمكن أن تكلف كل منها ما يصل إلى 200000 دولار ، وفي الوقت نفسه ، يلزم ما لا يقل عن 50 من هذه الأقنعة لصنع شريحة واحدة. أضف إلى ذلك تكلفة التجربة والخطأ عند تطوير نماذج جديدة ، وستدرك أن الشركات الكبيرة جدًا فقط هي التي يمكنها إنتاج المعالجات بكميات كبيرة جدًا.

ولكن ماذا عن المختبرات العلمية والشركات الناشئة عالية التقنية التي تحتاج إلى مخططات غير قياسية؟ كيف تكون رجلاً عسكريًا ، لا يعتبر شراء المعالجات من "عدو محتمل" أمرًا عاديًا ، بعبارة ملطفة؟

قمنا بزيارة موقع الإنتاج الروسي لشركة Mapper الهولندية ، وبفضل ذلك يمكن أن يتوقف تصنيع الدوائر الدقيقة عن كونه الكثير من الكواكب السماوية ويتحول إلى مهنة للبشر فقط. حسنًا ، أو بسيطًا تقريبًا. هنا ، على أراضي Technopolis "موسكو" ، بدعم مالي من شركة "Rusnano" ، يتم إنتاج عنصر رئيسي من تقنية Mapper - نظام كهربائي بصري.

قبل الغوص في الفروق الدقيقة للطباعة الحجرية Mapper بدون قناع ، يجدر بنا أن نتذكر أساسيات الطباعة الحجرية التقليدية.

ضوء ضخم

على معالج حديث إنتل كوريمكن لـ i7 استيعاب حوالي 2 مليار ترانزستور (حسب الطراز) ، يبلغ حجم كل منها 14 نانومتر. في السعي وراء قوة الحوسبة ، يقوم المصنعون سنويًا بتقليل حجم الترانزستورات وزيادة عددها. يمكن اعتبار الحد التكنولوجي المحتمل في هذا السباق 5 نانومتر: في مثل هذه المسافات ، تبدأ التأثيرات الكمومية في إظهار نفسها ، نظرًا لأن الإلكترونات في الخلايا المجاورة يمكن أن تتصرف بشكل غير متوقع.

لتطبيق هياكل أشباه الموصلات المجهرية على رقاقة السيليكون ، يتم استخدام عملية مشابهة للعمل مع مكبر الصورة. ما لم يكن هدفه هو العكس - جعل الصورة صغيرة قدر الإمكان. لوحة (أو فيلم واقية) بمقاوم للضوء - مادة بوليمر حساسة للضوء تغير خصائصها عند تعرضها للضوء. يتم تعريض نمط الرقاقة المرغوب لمقاوم الضوء من خلال قناع وعدسة تجميع. عادة ما تكون اللوحات المطبوعة أصغر أربع مرات من الأقنعة.

تحتوي كل مادة مثل السيليكون أو الجرمانيوم على أربعة إلكترونات عند مستوى الطاقة الخارجي. إنها تشكل بلورات جميلة تشبه المعدن. ولكن ، على عكس المعدن ، فإنها لا تجري تيارًا كهربائيًا: فكل إلكتروناتها متورطة في روابط تساهمية قوية ولا يمكنها الحركة. ومع ذلك ، يتغير كل شيء إذا أضفت إليهم القليل من شوائب المتبرع من مادة بها خمسة إلكترونات في المستوى الخارجي (الفوسفور أو الزرنيخ). ترتبط أربعة إلكترونات بالسيليكون ، ويبقى أحدها حراً. السيليكون المخدر (نوع n) هو موصل جيد. إذا أضفنا شوائب مستقبلية إلى السيليكون من مادة بها ثلاثة إلكترونات على المستوى الخارجي (بورون ، إنديوم) ، فإن "الثقوب" ، نظير افتراضي لشحنة موجبة ، تتشكل بطريقة مماثلة. في هذه الحالة ، نتحدث عن أشباه الموصلات من النوع p. من خلال توصيل الموصلات من النوع p و n ، نحصل على الصمام الثنائي - جهاز أشباه الموصلات الذي يمرر التيار في اتجاه واحد فقط. مزيج p-n-pأو n-p-n يعطينا ترانزستورًا - يتدفق التيار خلاله فقط إذا تم تطبيق جهد معين على الموصل المركزي.

يُجري حيود الضوء تعديلاته الخاصة على هذه العملية: الشعاع ، الذي يمر عبر فتحات القناع ، ينكسر قليلاً ، وبدلاً من نقطة واحدة ، تتعرض سلسلة من الدوائر متحدة المركز ، مثل إلقاء حجر في دوامة. لحسن الحظ ، يرتبط الانعراج عكسياً بطول الموجة ، وهو ما يستخدمه المهندسون عند استخدام الضوء فوق البنفسجي بطول موجي 195 نانومتر. لماذا ليس أقل من ذلك؟ إنها فقط أن الموجة الأقصر لن تنكسر بواسطة عدسة التجميع ، وسوف تمر الأشعة دون تركيز. من المستحيل أيضًا زيادة قدرة العدسة على التجميع - لن يسمح الانحراف الكروي: سوف يمر كل شعاع بالمحور البصري عند نقطته ، مما يؤدي إلى كسر التركيز.

الحد الأقصى لعرض الكفاف الذي يمكن عرضه باستخدام الطباعة الحجرية الضوئية هو 70 نانومتر. تُطبع الشرائح عالية الدقة في عدة خطوات: فهي تُطبق خطوطًا خارجية بحجم 70 نانومتر ، وتحفر الدائرة ، ثم تعرض الجزء التالي من خلال قناع جديد.

الآن قيد التطوير تقنية الليثوغرافيا الضوئية في الأشعة فوق البنفسجية العميقة ، باستخدام ضوء بطول موجة قصوى يبلغ حوالي 13.5 نانومتر. تتضمن هذه التقنية استخدام مرايا فراغية ومتعددة الطبقات مع انعكاس قائم على تداخل الطبقات البينية. لن يكون القناع أيضًا شفافًا ، بل عنصرًا عاكسًا. المرايا خالية من ظاهرة الانكسار ، لذا يمكنها العمل مع الضوء مهما كان طوله الموجي. لكن في الوقت الحالي ، هذا مجرد مفهوم ، ربما ، سيتم تطبيقه في المستقبل.

كيف تصنع المعالجات اليوم

رقاقة سيليكون دائرية مصقولة بشكل مثالي بقطر 30 سم مغطاة بطبقة رقيقة من مقاوم الضوء. تساعد قوة الطرد المركزي على توزيع مقاوم الضوء بالتساوي.

تتعرض الدائرة المستقبلية لمقاوم الضوء من خلال قناع. تتكرر هذه العملية عدة مرات لأن العديد من الرقائق مصنوعة من رقاقة واحدة.

يصبح جزء مقاوم الضوء الذي تعرض للأشعة فوق البنفسجية قابل للذوبان ويمكن إزالته بسهولة بالمواد الكيميائية.

مناطق رقاقة السيليكون غير المحمية بواسطة مقاوم الضوء محفورة كيميائياً. تتشكل المنخفضات في مكانها.

يتم تطبيق طبقة من مقاوم الضوء مرة أخرى على اللوحة. هذه المرة ، يتم استخدام التعرض لفضح تلك المناطق التي ستخضع للقصف الأيوني.

تحت تأثير المجال الكهربائي ، تتسارع أيونات الشوائب إلى سرعات تزيد عن 300000 كم / ساعة وتخترق السيليكون ، مما يمنحه خصائص أشباه الموصلات.

بعد إزالة بقايا مقاوم الضوء ، تبقى الترانزستورات الجاهزة على اللوحة. يتم تطبيق طبقة عازلة في الأعلى ، يتم فيها حفر ثقوب الملامسات باستخدام نفس التقنية.

يتم وضع الصفيحة في محلول كبريتات النحاس ويتم وضع طبقة موصلة لها عن طريق التحليل الكهربائي. ثم تتم إزالة الطبقة بأكملها عن طريق الطحن ، وتبقى جهات الاتصال الموجودة في الثقوب.

الاتصالات متصلة بشبكة متعددة الطوابق من "الأسلاك" المعدنية. يمكن أن يصل عدد "الطوابق" إلى 20 ، ويسمى التصميم العام للموصلات بنية المعالج.

الآن فقط يتم نشر اللوحة في العديد من الرقائق الفردية. يتم اختبار كل "بلورة" وبعد ذلك فقط يتم تثبيتها على لوح به جهات اتصال ومغطاة بغطاء فضي للرادياتير.

13000 تلفزيون

بديل للطباعة الحجرية الضوئية هو التحليل الكهربائي ، عندما يتم تعريضه ليس بالضوء ، ولكن بالإلكترونات ، وليس بالصورة ، ولكن بمقاوم كهربائي. يتم تركيز شعاع الإلكترون بسهولة إلى نقطة ذات حجم أدنى يصل إلى 1 نانومتر. تشبه هذه التقنية أنبوب أشعة الكاثود للتلفزيون: ينحرف تيار مركز من الإلكترونات بواسطة ملفات التحكم ، مما يؤدي إلى رسم صورة على رقاقة من السيليكون.

حتى وقت قريب ، لم تكن هذه التقنية قادرة على منافسة الطريقة التقليدية بسبب سرعتها المنخفضة. لكي يتفاعل المقاوم الكهربائي مع الإشعاع ، يجب أن يقبل عددًا معينًا من الإلكترونات لكل وحدة مساحة ، لذلك يمكن أن تعرض حزمة واحدة في أفضل الأحوال 1 سم 2 / ساعة. هذا مقبول للطلبات الفردية من المختبرات ، لكنه لا ينطبق في الصناعة.

لسوء الحظ ، من المستحيل حل المشكلة عن طريق زيادة طاقة الحزمة: يتم صد الشحنات التي تحمل الاسم نفسه ، وبالتالي ، مع زيادة التيار ، يصبح شعاع الإلكترون أوسع. لكن يمكنك زيادة عدد الأشعة عن طريق تعريض عدة مناطق في نفس الوقت. وإذا كان هناك عدة - هذا هو 13000 ، كما هو الحال في تقنية Mapper ، إذن ، وفقًا للحسابات ، من الممكن بالفعل طباعة عشر شرائح كاملة القيمة في الساعة.

بالطبع ، سيكون من المستحيل دمج 13000 أنبوب أشعة كاثود في جهاز واحد. في حالة Mapper ، يتم توجيه الإشعاع من المصدر إلى عدسة الموازاة ، والتي تشكل حزمة إلكترونية واسعة ومتوازية. تقف مصفوفة الفتحة في طريقها ، والتي تحولها إلى 13000 حزمة فردية. تمر الحزم عبر مصفوفة فارغة - رقاقة سيليكون بها 13000 ثقب. يوجد قطب انحراف بالقرب من كل منهما. إذا تم تطبيق تيار عليه ، فإن الإلكترونات "تفقد" ثقبها ، ويتم إيقاف تشغيل أحد الأشعة البالغ عددها 13000 شعاع.

بعد المرور من خلال الفراغات ، يتم توجيه الحزم إلى مجموعة من العاكسات ، كل منها يمكن أن يحرف شعاعها بضعة ميكرون إلى اليمين أو اليسار بالنسبة لحركة اللوحة (لذلك لا يزال المخطط يشبه 13000 CRT). أخيرًا ، يتم تركيز كل حزمة بشكل إضافي بواسطة العدسات الدقيقة الخاصة بها ، وبعد ذلك يتم توجيهها إلى المقاوم الكهربائي. حتى الآن ، تم اختبار تقنية Mapper في معهد الأبحاث الفرنسي للإلكترونيات الدقيقة CEA-Leti وفي TSMC ، والتي تنتج معالجات دقيقة للاعبين الرائدين في السوق (بما في ذلك Apple iPhone 6S). يتم تصنيع المكونات الرئيسية للنظام ، بما في ذلك عدسات السيليكون الإلكترونية ، في مصنع موسكو.

تعد تقنية Mapper بآفاق جديدة ليس فقط لمختبرات الأبحاث والإنتاج على نطاق صغير (بما في ذلك الإنتاج العسكري) ، ولكن أيضًا للاعبين الكبار. في الوقت الحاضر ، لاختبار النماذج الأولية للمعالجات الجديدة ، عليك عمل نفس الفوتومس الضوئي تمامًا كما هو الحال في الإنتاج الضخم. لا تعد إمكانية النماذج الأولية السريعة نسبيًا للدوائر ليس فقط بخفض تكاليف التطوير ، ولكن أيضًا لتسريع التقدم في هذا المجال. الأمر الذي يصب في النهاية في مصلحة المستهلك الشامل للإلكترونيات ، أي نحن جميعًا.

وحدة المعالجة المركزيةهذا هو قلب أي شخص كمبيوتر حديث... أي معالج دقيق هو في الأساس دائرة متكاملة واسعة النطاق توجد عليها الترانزستورات. من خلال تمرير التيار الكهربائي ، تسمح لك الترانزستورات بإنشاء حسابات منطقية (تشغيل - إيقاف). تعتمد المعالجات الحديثة على تقنية 45 نانومتر. 45 نانومتر (نانومتر) هو حجم ترانزستور واحد موجود على لوحة المعالج. حتى وقت قريب ، تم استخدام تقنية 90 نانومتر بشكل أساسي.

صُنعت الصفائح من السيليكون ، وهو ثاني أكبر رواسب في القشرة الأرضية.

يتم الحصول على السيليكون بالمعالجة الكيميائية وتنقيته من الشوائب. بعد ذلك ، بدأوا في صهره ، وتشكيل أسطوانة من السيليكون بقطر 300 ملم. يتم بعد ذلك تقطيع هذه الأسطوانة إلى ألواح بخيط ماسي. يبلغ سمك كل لوحة حوالي 1 مم. من أجل الحصول على سطح مثالي للوحة ، بعد القطع بخيط ، يتم طحنها بمطحنة خاصة.

بعد ذلك ، يكون سطح رقاقة السيليكون مسطحًا تمامًا. بالمناسبة ، أعلنت العديد من شركات التصنيع بالفعل عن إمكانية العمل بلوحات 450 مم. كلما كبر السطح ، زاد عدد الترانزستورات المراد وضعها ، وزاد أداء المعالج.

وحدة المعالجة المركزيةيتكون من رقاقة سيليكون ، يوجد على سطحها ما يصل إلى تسعة مستويات من الترانزستورات ، مفصولة بطبقات أكسيد ، للعزل.

تطوير تكنولوجيا المعالج

اكتشف جوردون مور ، أحد مؤسسي شركة Intel ، أحد رواد إنتاج المعالجات في العالم ، في عام 1965 ، بناءً على ملاحظاته ، القانون الذي بموجبه ظهرت نماذج جديدة من المعالجات والدوائر الدقيقة على فترات منتظمة. يتضاعف النمو في عدد الترانزستورات في المعالجات تقريبًا في غضون عامين. لمدة 40 عامًا ، يعمل قانون جوردون مور دون تشويه. بات إتقان التقنيات المستقبلية قاب قوسين أو أدنى - فهناك بالفعل نماذج أولية تعمل على أساس تقنية المعالجات 32 نانومتر و 22 نانومتر. حتى منتصف عام 2004 ، كانت قوة المعالج تعتمد بشكل أساسي على تردد المعالج ، ولكن منذ عام 2005 ، توقف تردد المعالج عمليًا عن النمو. هناك تقنية جديدة للمعالج متعدد النواة. بمعنى ، يتم إنشاء العديد من نوى المعالج بتردد ساعة متساوٍ ، وأثناء التشغيل ، يتم تلخيص قوة النوى. هذا يزيد من قوة المعالج الإجمالية.

يمكنك أدناه مشاهدة مقطع فيديو حول تصنيع المعالج.

كيف تصنع الرقائق

ينطوي إنتاج الرقائق على فرض طبقات رفيعة ذات "نمط" معقد على ركائز السيليكون. أولاً ، يتم إنشاء طبقة عازلة تعمل مثل المصراع الكهربائي. أما بالنسبة لإنتاج الركائز ، فيجب تقطيعها إلى "فطائر" رقيقة من أسطوانة بلورية مفردة صلبة ، بحيث يمكن قطعها بسهولة لاحقًا إلى بلورات معالج منفصلة. تُستخدم المجسات الكهربائية لاختبار كل بلورة على الركيزة. أخيرًا ، يتم تقطيع الركيزة إلى نوى فردية ، ويتم على الفور غربلة النوى غير العاملة. اعتمادًا على الخصائص ، يصبح النواة معالجًا أو معالجًا آخر ويتم تغليفه في حزمة تسهل تثبيت المعالج على اللوحة الأم. تخضع جميع الكتل الوظيفية لاختبارات إجهاد مكثفة.

كل شيء يبدأ مع ركائز

تتم الخطوة الأولى في تصنيع المعالجات في غرفة نظيفة. بالمناسبة ، من المهم أن نلاحظ أن مثل هذا الإنتاج التكنولوجي هو تراكم لرأس المال الضخم متر مربع... يمكن أن يكلف إنشاء مصنع حديث مع جميع المعدات بسهولة ما بين 2 إلى 3 مليارات دولار ، ويستغرق التشغيل الاختباري للتقنيات الجديدة عدة أشهر. عندها فقط يمكن للمصنع الإنتاج بكميات كبيرة.

بشكل عام ، تتكون عملية تصنيع الرقائق من عدة خطوات لمعالجة الركيزة. يتضمن ذلك إنشاء الركائز نفسها ، والتي سيتم تقطيعها في النهاية إلى بلورات منفصلة فيغورنوف ، في. كمبيوتر IBM الشخصي للمستخدم .- M. ، 2004. - ص 204.

إنتاج الركيزة

المرحلة الأولى هي زراعة بلورة واحدة. لهذا الغرض ، يتم تضمين بلورة بذرة في حمام من السيليكون المصهور ، والذي يقع فوق نقطة انصهار السيليكون متعدد الكريستالات. من المهم أن تنمو البلورات ببطء (حوالي يوم واحد) للتأكد من أن الذرات في الترتيب الصحيح. يتكون السيليكون متعدد البلورات أو غير المتبلور من العديد من البلورات المختلفة التي ستؤدي إلى هياكل سطحية غير مرغوب فيها ذات خصائص كهربائية رديئة.

يتم تقطيع البلورة المفردة إلى "فطائر" باستخدام منشار دائري دقيق للغاية من الماس ، والذي لا ينتج عنه شذوذات كبيرة على سطح الركائز. بالطبع ، في هذه الحالة ، لا يزال سطح الركائز غير مسطح تمامًا ، لذلك يلزم إجراء عمليات إضافية. تظهر بلورات مفردة في الشكل 1.

الشكل 1. منظر خارجي لبلورة واحدة.

أولاً ، باستخدام الألواح الفولاذية الدوارة والمواد الكاشطة (مثل أكسيد الألومنيوم) ، تتم إزالة طبقة سميكة من الركائز (عملية تسمى اللف). نتيجة لذلك ، يتم التخلص من المخالفات التي تتراوح في الحجم من 0.05 مم إلى حوالي 0.002 مم (2000 نانومتر). ثم قم بتدوير حواف كل دعم ، حيث يمكن أن تقشر الحواف الحادة الطبقات. علاوة على ذلك ، يتم استخدام عملية الحفر ، عندما يتم تنعيم السطح باستخدام مواد كيميائية مختلفة (حمض الهيدروفلوريك ، وحمض الخليك ، وحمض النيتريك) بحوالي 50 ميكرونًا. فيزيائيًا ، لا يتدهور السطح لأن العملية برمتها كيميائية تمامًا. يسمح لك بإزالة الأخطاء المتبقية في الهيكل البلوري ، ونتيجة لذلك سيكون السطح قريبًا من المثالي.

الخطوة الأخيرة هي التلميع ، الذي ينعم السطح بالتفاوت ، بحد أقصى 3 نانومتر. يتم التلميع باستخدام مزيج من هيدروكسيد الصوديوم والسيليكا الحبيبية.

اليوم ، يبلغ قطر ركائز المعالجات الدقيقة إما 200 مم أو 300 مم ، مما يسمح لمصنعي الرقائق بالحصول على معالجات متعددة من كل منها. ستكون الخطوة التالية عبارة عن ركائز 450 مم ، لكن لا ينبغي توقعها حتى عام 2013. بشكل عام ، كلما زاد قطر الركيزة ، يمكن إنتاج المزيد من الرقائق من نفس الحجم. توفر الركيزة 300 مم ، على سبيل المثال ، أكثر من ضعف عدد المعالجات مقارنة بـ 200 مم.

المنشطات والانتشار

سبق ذكر المنشطات التي يتم إجراؤها أثناء نمو البلورة المفردة. ولكن يتم إجراء المنشطات مع الركيزة النهائية وبعد ذلك أثناء عمليات الطباعة الحجرية الضوئية. يتيح لك هذا تغيير الخصائص الكهربائية لمناطق وطبقات معينة ، وليس هيكل البلورة بالكامل.

يمكن إضافة المنشطات عن طريق الانتشار. تملأ الذرات المثبطة المساحة الحرة داخل الشبكة البلورية ، بين هياكل السيليكون. في بعض الحالات ، يمكن أيضًا تشكيل الهيكل الحالي. يتم الانتشار بمساعدة الغازات (النيتروجين والأرجون) أو بمساعدة المواد الصلبة أو مصادر أخرى من منشط هاسيغاوا ، H. - عالم الكمبيوتر في الأسئلة والأجوبة. - م. ، 2004 - ص 89 ..

اصنع قناعًا

لإنشاء مناطق دائرة متكاملة ، يتم استخدام عملية الليثوغرافيا الضوئية. نظرًا لأنه ليس من الضروري تشعيع سطح الركيزة بالكامل في هذه الحالة ، فمن المهم استخدام ما يسمى بالأقنعة ، التي تنقل الإشعاع عالي الكثافة إلى مناطق معينة فقط. يمكن مقارنة الأقنعة بالأبيض والأسود. تحتوي الدوائر المتكاملة على عدة طبقات (20 أو أكثر) ، وتتطلب كل طبقة قناعها الخاص.

يتم تطبيق بنية رقيقة من غشاء الكروم على سطح لوح زجاجي كوارتز لإنشاء نمط. في الوقت نفسه ، تصف الأدوات باهظة الثمن التي تستخدم تدفق الإلكترون أو الليزر بيانات IC الضرورية ، ونتيجة لذلك يتم الحصول على نمط من الكروم على سطح ركيزة الكوارتز. من المهم أن نفهم أن كل تعديل للدائرة المتكاملة يؤدي إلى الحاجة إلى إنتاج أقنعة جديدة ، وبالتالي فإن العملية الكاملة لإجراء التعديلات مكلفة للغاية.

الليثوغرافيا

يتكون الهيكل على ركيزة من السيليكون باستخدام الطباعة الحجرية الضوئية. تتكرر العملية عدة مرات حتى يتم إنشاء العديد من الطبقات (أكثر من 20). يمكن أن تتكون الطبقات من مواد مختلفة ، علاوة على ذلك ، تحتاج أيضًا إلى التفكير في التوصيلات بأسلاك مجهرية. كل الطبقات يمكن أن تكون مخدرة Wood، A. Microprocessors في الأسئلة والأجوبة. - M. ، 2005. - ص 87.

قبل أن تبدأ عملية الطباعة الحجرية الضوئية ، يتم تنظيف الركيزة وتسخينها لإزالة الجسيمات اللاصقة والماء. ثم يتم طلاء الركيزة بثاني أكسيد السيليكون باستخدام جهاز خاص. ثم يتم تطبيق عامل الترابط على الركيزة لضمان بقاء المادة المقاومة للضوء التي سيتم تطبيقها في الخطوة التالية على الركيزة. يتم تطبيق المادة المقاومة للضوء على منتصف الركيزة ، والتي تبدأ بعد ذلك في الدوران بسرعة عالية بحيث يتم توزيع الطبقة بالتساوي على كامل سطح الركيزة. ثم يتم تسخين الركيزة مرة أخرى. يظهر مبدأ الطباعة الحجرية الضوئية في الشكل 2.

الشكل 2. مبدأ الليثوغرافيا الضوئية

الأشعة فوق البنفسجية الصلبة التي يبلغ طولها الموجي 13.5 نانومتر تشعّ مادة مقاومة الضوء أثناء مرورها عبر القناع. وقت الإسقاط والتركيز مهمان للغاية للحصول على النتيجة المرجوة. سيترك التركيز الضعيف جزيئات إضافية من مادة مقاومة للضوء لأن بعض الثقوب الموجودة في القناع لن يتم تشعيعها بشكل صحيح. سيحدث نفس الشيء إذا كان وقت العرض قصيرًا جدًا. بعد ذلك ، سيكون هيكل المادة المقاومة للضوء عريضًا جدًا ، وستكون المناطق الموجودة تحت الثقوب قليلة التعرض. من ناحية أخرى ، يؤدي وقت الإسقاط المفرط إلى إنشاء مساحات كبيرة جدًا تحت الثقوب وتضيق بنية مادة مقاومة للضوء. كقاعدة عامة ، تستغرق العملية وقتًا طويلاً ويصعب تنظيم العملية وتحسينها. سيؤدي التعديل غير الناجح إلى انحرافات خطيرة في الموصلات الموصلة Mayorov ، S.I. المعلومات التجارية: التوزيع التجاري والتسويق. - م ، 2007. -P.147 .. جهاز إسقاط خطوة خاص يحرك الركيزة إلى الموضع المطلوب. ثم يمكن إسقاط خط أو قسم واحد ، وغالبًا ما يتوافق مع قالب معالج واحد. يمكن للتركيبات الصغيرة الإضافية إجراء تغييرات أخرى. يمكنهم تصحيح أخطاء التكنولوجيا الحالية وتحسين العملية التقنية Kukin و V.N. المعلوماتية: التنظيم والإدارة. - م ، 2005. - ص 78 .. التركيبات الدقيقة تعمل عادة في مناطق أقل من 1 متر مربع. مم ، بينما تغطي التركيبات التقليدية مساحات أكبر.

بعد الحفر والتنظيف ، يمكنك المتابعة لفحص الركيزة ، والتي تحدث عادةً في كل مرحلة مهمة ، أو نقل الركيزة إلى دورة الطباعة الحجرية الضوئية الجديدة. يظهر اختبار الركيزة في الشكل 3.

الشكل 3. اختبار الركيزة

يتم اختبار الركائز النهائية في ما يسمى بتركيبات المسبار. يعملون مع الركيزة بأكملها. يتم تثبيت ملامسات المجس على نقاط تلامس كل بلورة ، مما يسمح بإجراء الاختبارات الكهربائية. يتم اختبار جميع وظائف كل نواة باستخدام البرنامج. يظهر قطع الركيزة في الشكل 4.

الشكل 4. قطع الدعم

عن طريق القطع ، يمكن الحصول على النوى الفردية من الركيزة. تشغيل هذه اللحظةلقد حددت وحدات التحكم في المسبار بالفعل البلورات التي تحتوي على أخطاء ، لذلك بعد القطع ، يمكن فصلها عن البلورات الجيدة. في السابق ، تم تمييز البلورات التالفة فعليًا ، والآن ليست هناك حاجة لذلك ، يتم تخزين جميع المعلومات في قاعدة بيانات واحدة Semenenko ، V.A. ، Stupin. كتيب Yu.V. حول تكنولوجيا الحوسبة الإلكترونية. - M. ، 2006. - ص 45 ..

يجب بعد ذلك ربط اللب الوظيفي بعبوة المعالج باستخدام مادة لاصقة. بعد ذلك ، تحتاج إلى عمل توصيلات سلكية تربط جهات الاتصال أو أرجل العبوة والبلور نفسه (الشكل 5). يمكن استخدام وصلات الذهب أو الألمنيوم أو النحاس.

تستخدم معظم المعالجات الحديثة غلافًا بلاستيكيًا مع موزع حراري. عادةً ما يتم تغليف اللب في غلاف من السيراميك أو البلاستيك لمنع التلف. تم تجهيز المعالجات الحديثة بما يسمى الموزع الحراري ، والذي يوفر حماية إضافية للبلور (الشكل 6).

الشكل 5. اتصال سلكي الركيزة

تتضمن المرحلة الأخيرة اختبار المعالج ، ما يحدث في درجات حرارة مرتفعة ، وفقًا لمواصفات المعالج. يتم تثبيت المعالج تلقائيًا في مقبس الاختبار ، وبعد ذلك يتم تحليل جميع الوظائف الضرورية.

الشكل 6. تغليف المعالج