Курсова работа: Етапи на производство на микропроцесори. Производство на процесори - от пясък до компютърни съвременни процесорни технологии

ПЛАН НА ЛЕКЦИИТЕ

1. Седем поколения процесори

2. Технология на производство

3. Технологични етапи на производство на микропроцесори

1. Седем поколения процесори

Първото поколение (8086 и 8088 процесори и 8087 математически съпроцесор) полага архитектурната основа - набор от „неравни“ 16 -битови регистри, система за адресно адресиране в рамките на 1 MB с голямо разнообразие от режими, система за инструкции, система за прекъсване , и редица други атрибути. Процесорите използваха "малки" конвейери: докато някои възли изпълняваха текущата команда, блокът за предварително извличане извлича следващия от паметта.

Третото поколение (80286 и 80287 копроцесор) добави така наречения „защитен режим“ към семейството, което позволява използването на виртуална памет с размер до 1 GB за всяка задача, като се използва адресируема физическа памет в рамките на 16 MB. Защитеният режим се превърна в основа за изграждане на многозадачни операционни системи, в които системата за привилегии стриктно регулира връзката на задачите с паметта, операционната система и помежду си. Трябва да се отбележи, че производителността на процесорите 80286 се е увеличила не само поради увеличаването на тактовата честота, но и поради значителните подобрения в тръбопровода.

Третото поколение (80386/80387 с "наставки" DX и SX, които определят ширината на външната шина) е белязано от прехода към 32-битова архитектура. В допълнение към разширяването на диапазона от представени стойности (16 бита представляват цели числа в диапазона от 0 до 65535 или от –32768 до +32767, а 32 бита - повече от четири милиарда), капацитетът на адресируемата памет се е увеличил. Операционната система Microsoft Windows започна да се използва широко с тези процесори.

Четвъртото поколение (80486 също DX и SX) не добави големи промени в архитектурата, но бяха предприети редица мерки за подобряване на производителността. В тези процесори тръбопроводът за изпълнение беше значително сложен. Производителите се отказаха от външния съпроцесор - той започна да се поставя върху същия кристал с централния.

Петото поколение (процесор Pentium от Intel и K5 от AMD) даде суперскаларна архитектура. За бързо доставяне на тръбопроводи с инструкции и данни от паметта, шината за данни на тези процесори е направена 64-битова. По -късно това поколение имаше разширение ММХ (набор от инструкции за Matrics Math Extensions) - набор от команди за разширяване на матричните математически операции (първоначално набор от инструкции за Multimedia Extension)). Традиционните 32-битови процесори могат да добавят две 8-битови числа, като поставят всяко число в долните битове на 32-битовите регистри. В този случай 24-те най-значими бита от регистрите не се използват и следователно се оказва, че с една операция за добавяне ADD се извършва просто добавяне на две 8-битови числа. MMX командите работят с 64 бита наведнъж, където могат да се съхраняват осем 8-битови числа и е възможно да се добавят с други 8-битови числа в една операция ADD. MMX регистрите могат да се използват и за едновременно добавяне на четири 16-битови думи или две 32-битови думи. Този принцип се нарича SIMD (единична инструкция / множество данни). Новите команди са предназначени главно за ускоряване на изпълнението на мултимедийни програми, но ги използват с мултимедийни технологии. В MMX се появи нов тип аритметика - със насищане: ако резултатът от операция не се побира в битовата решетка, тогава не се получава преливане (или "анти -преливане"), но максималната (или минималната) възможна стойност на номера е зададен.

Шестото поколение процесори произхожда от Pentium Pro и продължава в процесорите Pentium III, Celeron и Xeon (от AMD процесорите K6, K6-2, K6-2 +, K6-III могат да служат за пример). Основата тук е динамичното изпълнение, изпълнението на команди не е в предписания ред програмен код, но в това как ще бъде по -удобно за процесора. Тук трябва да се отбележи, че има сходства между процесорите от пето и шесто поколение, а именно добавянето на разширение от пето поколение беше допълнено от разширяването MMX, шестото поколение получи разширения, които увеличават възможностите на MMX. AMD има това разширение 3dNnoy!, А Intel има SSE (Streaming SIMD Extensions).

Седмото поколение започва с процесора Athlon на AMD. Процесорът има характеристики, обуславящи развитието свръхскаларности супер тръбопроводи... По-късно Intel пусна и своя седмо поколение процесор Pentium 4.

2. Технология на производство

В момента можем да наблюдаваме интересна тенденция на пазара: от една страна, производствените компании се опитват бързо да въведат нови технически процеси и технологии в своите продукти, от друга страна, има изкуствено ограничаване на нарастването на честотите на процесорите. Това се дължи на факта, че усещането за непълна готовност на пазара за следващата смяна на семейства процесори се отразява и производителите все още не са получили достатъчно печалба от продажбите на произвежданите сега процесори. Тук трябва да се отбележи, че за компаниите цената на крайния продукт е фундаментална в сравнение с други интереси. но голямо значениенамаляване на скоростта на развитие на микропроцесорите е свързано с разбирането за необходимостта от въвеждане на нови технологии, които ще увеличат производителността с минимален размер на технологичните разходи

Производителите трябваше да решат редица проблеми при преминаването към нови технически процеси. Технологичната норма от 90 nm се оказа значителна технологична пречка за много производители на чипове. Това се потвърждава от TSMC, тази компания се занимава с производство на чипове за много големи производители на пазара, а именно AMD, nVidia, ATI, VIA. Дълго време тя не можеше да отстрани грешките в производството на чипове, използвайки технология 0.09 микрона, което доведе до нисък добив на използваеми кристали. Това накара AMD да отложи пускането на своите SOI (Silicon-on-Insulator) процесори за дълго време. Това се дължи на факта, че именно при това измерение на елементите се появиха недостатъци, които преди това не бяха забележими, като токове на утечка, голямо разсейване на параметрите и експоненциално увеличение на отделянето на топлина. Едно алтернативно решение е използването на технологията SOI силиций върху изолатор, която AMD наскоро въведе в своите 64-битови процесори. Това обаче й коства много усилия и преодоляване на значителен брой технологични бариери. Но трябва да се отбележи, че тази технологияима много предимства, които могат да компенсират недостатъците му. Същността на тази технология е съвсем логична - транзисторът е отделен от силициевата подложка с друг тънък изолационен слой. Положителните качества включват. Отсъствието на неконтролирано движение на електрони под канала на транзистора, влияещо върху електрическите му характеристики - време. След подаването на тока за отключване към портата, времето на йонизация на канала до работното състояние, до момента, в който работният ток преминава през него, намалява, това води до подобряване на втория ключов параметър на работата на транзистора, времето на неговото включване / изключване. Възможно е също със същата скорост просто да намалите тока на отключване - три. Или намерете някакво решение между възможността за увеличаване на скоростта на работа и възможността за намаляване на напрежението. При запазване на същия ток на отключване, увеличаването на производителността на транзистора може да бъде до 30%, ако оставите честотата същата, като наблегнете на икономията на енергия, в този случай производителността може да бъде до 50%. В резултат характеристиките на канала стават по -предсказуеми, а самият транзистор става по -устойчив на спорадични грешки, пример за които са космическите частици, влизащи в субстрата на канала и неочаквано йонизиращи. Попадайки в субстрата, разположен под изолаторния слой, те не влияят по никакъв начин на работата на транзистора. Единственият недостатък на SOI е, че е необходимо да се намали дълбочината на областта на излъчвателя / колектора, което от своя страна води до увеличаване на съпротивлението му с намаляването на дебелината.

Друга причина, която допринесе за забавянето на темповете на растеж на честотите, е ниската активност на производителите на пазара. Например, всяка компания на AMD работи върху широкото въвеждане на 64-битови процесори, Intel през този период подобри нов технически процес, отстранявайки грешки за увеличен добив на използваеми кристали.

Въвеждането на нови технологии в техническите процеси е очевидно, но всеки път става по -трудно за технолозите. Първите процесори Pentium (1993 г.) са произведени по технологията на процеса 0.8 µm, след това по 0.6 µm всеки. През 1995 г. за първи път за процесори от 6 -то поколение е използвана технологията за обработка 0,35 микрона. През 1997 г. тя се промени до 0,25 микрона, а през 1999 г. - до 0,18 микрона. Съвременните процесори са изработени съгласно технологиите 0.13 и 0.09 микрона, въведени през 2004 г.

Необходимо е да се опише структурата на самия транзистор, а именно тънък слой силициев диоксид, изолатор, разположен между портата и канала и служещ като бариера за електроните, предотвратявайки изтичането на тока на портата. Съответно, колкото по -дебел е този слой, толкова по -добре изпълнява своите изолационни функции, но той е неразделна част от канала и не по -малко очевидно е, че ако производителите ще намалят дължината на канала (размера на транзистора), тогава дебелината му трябва да се намали с много бързи темпове. През последните няколко десетилетия дебелината на този слой е средно около 1/45 от цялата дължина на канала. Но този процес има своя край - както твърди същата Intel, ако продължите да използвате SiO2, както е било през последните 30 години, минималната дебелина на слоя ще бъде 2,3. nm, в противен случай изтичането ще стане просто нереалистично. Доскоро не беше направено нищо за намаляване на изтичането на подканала, в момента ситуацията започва да се променя, тъй като работният ток, заедно с времето за реакция на портата, е един от двата основни параметъра, характеризиращи скоростта на транзистора, и изтичането в изключено състояние се отразява директно върху него (за поддържане на необходимата ефективност на транзистора). Съответно е необходимо да се увеличи работният ток с всички произтичащи от това последици.

Основните етапи на производството

Производството на микропроцесор е сложен процес, който включва повече от 300 етапа. Микропроцесорите се образуват на повърхността на тънки кръгови силициеви пластини - субстрати, в резултат на определена последователност от различни процеси на обработка, използващи химикали, газове и ултравиолетова радиация.

Основите обикновено са с диаметър 200 милиметра. Intel обаче вече е преминал към 450 мм вафли. Преминаването към плочи с по -голям диаметър ще намали разходите за производство на микросхеми, ще увеличи енергийната ефективност и ще намали емисиите на вредни газове в атмосферата. Повърхността на 450 мм вафли е повече от двойно тази на 300 мм пластини. В резултат на това два пъти повече готови продукти могат да бъдат произведени от един 450 мм субстрат.

Вафлите са направени от силиций, който е рафиниран, разтопен и израснал в дълги цилиндрични кристали. След това кристалите се нарязват на тънки пластини и се полират, докато повърхностите им са огледално гладки и без дефекти. Освен това, последователно се извършват циклично повтарящи се термично окисление, фотолитография, дифузия на примеси, епитаксия.

В процеса на производство на микросхеми най -тънките слоеве материали се нанасят върху заготовките под формата на внимателно изчислени шарки. Една плоча побира до няколкостотин микропроцесора. Целият процес на производство на процесори може да бъде разделен на няколко етапа: отглеждане на силициев диоксид и създаване на проводими области, тестване и производство.

Отглеждане на силициев диоксид и създаване на проводими области

Производственият процес на микропроцесора започва с „отглеждане“ на изолационен слой от силициев диоксид върху повърхността на полирана плоча. Този етап се извършва в електрическа фурна при много висока температура. Дебелината на оксидния слой зависи от температурата и времето, което плочата прекарва във фурната.

Следва фотолитография - процес, при който върху повърхността на плочата се оформя схематичен чертеж. Първо, върху плочата се нанася временен слой от фоточувствителен материал - фоторезист, върху който с помощта на ултравиолетово лъчение се прожектира изображение на прозрачни области на шаблона или фотомаска. Маските се правят по време на проектирането на процесора и се използват за генериране на схеми на схеми във всеки слой на процесора. Под въздействието на радиация осветените области на фотослоя стават разтворими и те се отстраняват с помощта на разтворител (флуороводородна киселина), разкривайки силициев диоксид отдолу.

Откритият силициев диоксид се отстранява чрез процес, наречен ецване. След това оставащият фотослой се отстранява, в резултат на което върху полупроводниковата пластина остава образец от силициев диоксид. В резултат на редица допълнителни операции на фотолитография и офорт, върху пластината се прилага и поликристален силиций със свойствата на проводник. По време на следващата операция, наречена "допинг", откритите области на силициевата пластина се бомбардират с йони на различни химични елементи, които образуват отрицателни и положителни заряди в силиция, които променят електрическата проводимост на тези области.

Налагането на нови слоеве с последващо ецване на веригата се извършва няколко пъти, докато за междуслойните връзки в слоевете се оставят "прозорци", които се пълнят с метал, образувайки електрически връзки между слоевете. Intel използва медни проводници в производствения си процес от 0,13 микрона. Intel използва алуминий в производствения си процес от 0,18 микрона и в процесите от предишното поколение. Медта и алуминият са добри проводници на електричество. При използване на 0.18-микронен технически процес бяха използвани 6 слоя, докато при въвеждането на 90 nm техническия процес през 2004 г. бяха използвани 7 слоя силиций.

Всеки слой на процесора има свой собствен модел, заедно всички тези слоеве образуват триизмерна електронна верига. Нанасянето на слоевете се повтаря 20 - 25 пъти в продължение на няколко седмици.

Тестване

За да издържат на напреженията, на които са подложени основите по време на отлагането на слоевете, силициевите пластини първоначално трябва да бъдат достатъчно дебели. Следователно, преди нарязването на плочата на отделни микропроцесори, нейната дебелина се намалява с 33% чрез специални процеси и замърсителите се отстраняват от задната страна. След това върху обратната страна на „обработената“ плоча се нанася слой от специален материал, което подобрява последващото закрепване на кристала към корпуса. Този слой осигурява електрически контакт между задната повърхност на интегралната схема и опаковката след сглобяването.

След това плочата се тества, за да се провери качеството на всички операции по обработка. За да се определи правилността на процесора, се проверяват техните отделни компоненти. Ако се открие неизправност, получените данни се анализират, за да се идентифицира етапа, на който е възникнала грешката.

След това електрическите сонди се свързват към всеки процесор и се захранват. Процесорите се тестват от компютъра, той определя дали характеристиките на произведените процесори отговарят на посочените параметри.

Производство на калъфа

След тестване плочите се изпращат до монтажната фабрика, където се нарязват на малки правоъгълници, всеки от които съдържа интегрална схема, с помощта на специален прецизен трион. Счупените кристали се изхвърлят.

След това всеки кристал се поставя в отделен калъф. Калъфът предпазва кристала от външни влияния и осигурява електрическото му свързване към платката, на която ще бъде инсталиран. Малки топчета от спойка, разположени в определени точки на кристала, са запоени към електрическите проводници на опаковката. На този етап електрическите сигнали могат да текат от платката към чипа и обратно.

След инсталирането на кристала в кутията, процесорът се тества отново, за да се определи неговата производителност. Дефектните процесори се изхвърлят, а работещите процесори се подлагат на стрес тестове: излагане на различни температурни и влажни условия, както и електростатични разряди. След всеки стрес тест процесорът се тества, за да се определи функционалното му състояние. След това процесорите се сортират според поведението им при различни тактови честоти и захранващи напрежения.

3. Технологични етапи на производство на микропроцесори

Как се правят чипове

Производството на чипове включва налагане на тънки слоеве със сложен "модел" върху силиконови основи. Първо се създава изолационен слой, който работи като електрическа щора. Субстратите се нарязват на един кристален цилиндър с тънки "палачинки", така че по-късно могат лесно да се нарязват на отделни кристали на процесора. Електрически сонди се използват за тестване на всеки кристал върху субстрата. Накрая субстратът се нарязва на отделни жила, неработещите ядра веднага се изхвърлят. В зависимост от характеристиките, ядрото става един или друг процесор и е опаковано в пакет, който улеснява инсталирането на процесора на дънна платка... Всички функционални блокове преминават през интензивни стрес тестове.

Всичко започва със субстрати

Първата стъпка в производството на процесори се извършва в чиста стая. Трябва да се отбележи, че това е много капиталоемко производство. Повече от 2-3 милиарда долара могат да бъдат изразходвани за изграждането на модерен завод с цялото оборудване. Само след пълна настройка и тестване на оборудването заводът може да произвежда последователно процесори.

По принцип процесът на производство на чипове се състои от поредица стъпки за обработка на субстрата. Това включва създаването на самите субстрати, които впоследствие ще бъдат нарязани на отделни кристали.

Производство на субстрат

Първият етап е отглеждането на монокристал. За тази цел зародишният кристал е вграден във вана с разтопен силиций, която се намира точно над точката на топене на поликристален силиций. Важно е кристалите да растат бавно за около един ден, за да се гарантира, че атомите са в правилното подреждане. Поликристален или аморфен силиций се състои от много различни кристали, които ще доведат до нежелани повърхностни структури с лоши електрически свойства.

След като силицийът се разтопи, той може да бъде легиран с други вещества, които променят електрическите му свойства. Целият процес се извършва в запечатана стая със специален въздушен състав, така че силицийът да не се окислява.

Монокристалът се нарязва на "палачинки" с помощта на кръгъл високоточен диамантен трион, който не създава големи неравности по повърхността на основите. В този случай повърхността на основите все още не е идеално равна, така че са необходими допълнителни операции. Появата на монокристали може да се види на фигура 1.

Ориз. 1. Външен вид на монокристал

Първо, с помощта на въртящи се стоманени плочи и алуминиев абразив, се отстранява дебел слой от основите (процес, наречен прилепване). В резултат на това се отстраняват нередности с размери от 0,05 mm до приблизително 0,002 mm (2000 nm). След това закръглете ръбовете на всяка подложка, тъй като острите ръбове могат да отлепят слоевете. Освен това се използва процесът на ецване, когато се използват различни химикали (флуороводородна киселина, оцетна киселина, азотна киселина) повърхността се изглажда с още около 50 микрона. Физически повърхността не се влошава, тъй като целият процес е напълно химически. Тя ви позволява да премахнете останалите грешки в кристалната структура, в резултат на което повърхността ще бъде близо до идеалната.

Последната стъпка е полиране, което изглажда повърхността до грапавост, максимум 3 nm. Полирането се извършва със смес от натриев хидроксид и гранулиран силициев диоксид.

В момента субстратите на микропроцесорите са с диаметър 300 мм или 450 мм, което позволява на производителите на чипове да получат множество процесори от всеки от тях. Като цяло, колкото по -голям е диаметърът на основата, толкова повече стружки със същия размер могат да бъдат произведени. 300 мм субстрат например осигурява повече от два пъти броя на процесорите от 200 мм.

Допинг и дифузия

Легирането се извършва както с готовия субстрат, така и по време на фотолитографските процеси. Това дава възможност да се променят електрическите свойства на определени области и слоеве, а не на цялата структура на кристала.

Добавката може да се добави чрез дифузия. Атомите на примеси запълват свободното пространство вътре в кристалната решетка, между силициевите структури. В някои случаи съществуваща структура също може да бъде легирана. Дифузията се извършва с използване на газове (азот и аргон) или с използване на твърди вещества или други източници на примеси.

Създайте маска

За създаване на секции от интегрална схема се използва фотолитографски процес. В този случай не е необходимо да се облъчва цялата повърхност на субстрата; в такива случаи е важно да се използват така наречените маски, които предават високоинтензивна радиация само в определени области. Маските могат да бъдат сравнени с черно -бели отрицателни. Интегралните схеми имат много слоеве (20 или повече) и всеки слой изисква своя собствена маска.

Тънка структура от хромирано фолио се нанася върху повърхността на кварцова стъклена плоча, за да се създаде модел. В същото време скъпите инструменти, използващи електронен поток или лазер, предписват необходимите IC данни, в резултат на което се получава хромиран шаблон върху повърхността на кварцовата подложка. Трябва да се отбележи, че всяка промяна в интегралната схема води до необходимостта от производство на нови маски, така че целият процес на редактиране е много скъп.

Фотографията дава възможност за оформяне на структура върху силиконова основа. Процесът се повтаря няколко пъти, докато се създадат много слоеве. Слоевете могат да включват различни материали, тук е осигурена и връзката с микроскопични проводници. Преди да започне процеса на фотолитография, субстратът се почиства и загрява, за да се отстранят лепкавите частици и водата. На следващия етап субстратът се покрива със силициев диоксид с помощта на специално устройство. След това върху субстрата се нанася свързващ агент, който гарантира, че фоторезистентният материал, който ще се нанася в следващия етап, остава върху основата. Фоторезистивният материал се нанася върху средата на субстрата, който след това започва да се върти с висока скорост, така че слоят да се разпределя равномерно по цялата повърхност на субстрата. След това субстратът се нагрява отново. Процесът на фотолитография е показан на фигура 2.

Ориз. 2. Процесът на фотолитография

След това, през маската, покритието се облъчва с квантов лазер, твърдо ултравиолетово лъчение, рентгенови лъчи, лъчи от електрони или йони - всички тези източници на светлина или енергия могат да бъдат използвани. Електронните лъчи се използват главно за създаване на маски, рентгенови лъчи и йонни лъчи за изследователски цели, а индустриалното производство днес е доминирано от твърди UV лъчи и газови лазери.

Твърдото UV лъчение с дължина на вълната 13,5 nm облъчва фоторезистивния материал, докато преминава през маската. Прожектирането и фокусирането са много важни за желаните резултати. Лошото фокусиране ще остави допълнителни частици от фоторезистентен материал, тъй като някои от дупките в маската няма да бъдат правилно облъчени. Подобна ситуация ще се окаже, ако времето за прожектиране е твърде кратко. Тогава структурата на фоторезистивния материал ще бъде твърде широка, зоните под дупките ще бъдат недоекспонирани. Въпреки това, прекомерното време на прожектиране създава твърде големи площи под дупките и твърде тясна структура на фоторезистентен материал. Това е сложността на регулирането на производствения процес. Неправилната настройка ще доведе до сериозни отклонения в свързващите проводници. Специално стъпаловидно проекционно устройство премества субстрата в желаното положение. След това можете да проектирате линия или една секция, в повечето случаи съответстваща на един процесорен кристал. Допълнителни микроинсталации могат да направят допълнителни промени. Например отстраняване на грешки в съществуващата технология и оптимизиране на техническия процес. Микроинсталациите обикновено работят на площи по-малки от 1 кв. мм, докато конвенционалните инсталации обхващат по -големи площи.

Има процеси на мокро и сухо ецване, които третират области от силициев диоксид. Мокрите процеси използват химични съединения, а сухите - газ. Отделен процес е отстраняването на остатъците от фоторезистивния материал. Производителите често комбинират мокро и сухо отстраняване, така че фоторезистивният материал да бъде напълно отстранен. Това е важно, защото фоторезистивният материал е органичен и, ако не бъде отстранен, може да доведе до дефекти върху субстрата.

След ецване и почистване можете да продължите да инспектирате субстрата, което обикновено се случва на всеки важен етап, или да прехвърлите субстрата в нов цикъл на фотолитография. Проверката на субстратите е показана на фигура 3.

Ориз. 3. Проверка на основите

Изпитването на готови основи се извършва на инсталации за управление на сондата, които работят с целия субстрат. Контактите на сондата се наслагват върху контактите на всеки кристал, което позволява да се извършват електрически тестове. Като се използва софтуервсички функции на всяко ядро се тестват. Процесът на рязане на субстрата е показан на фигура 4.

Ориз. 4. Процесът на рязане на субстрата

Чрез изрязване на опората се получават отделни ядра. Ако се открият дефектни кристали (съдържащи грешки), те се отделят от добрите. Преди това повредените кристали бяха физически маркирани, сега няма нужда от това, цялата информация се съхранява в една база данни.

Освен това функционалното ядро трябва да бъде поставено в пакет процесор, за който се използва залепващ материал. След това трябва да направите жични връзки, свързващи краката на опаковката и самия кристал (Фигура 5). За това се използват връзки от злато, алуминий или мед.

Ориз. 5. Свързване на кабелна основа

Повечето съвременни процесори използват пластмасови опаковки с разпределение на топлината... По -специално, сърцевината е опакована в керамични или пластмасови опаковки, което помага за предотвратяване на механични повреди. Съвременните процесори са оборудвани с разпределител на топлина, устройства, които осигуряват разсейване на топлината и защита от чипове (Фигура 6).

Ориз. 6. Опаковка на процесора

Последната стъпка е тестване на процесора, което се извършва при повишени температури, в съответствие със спецификациите на процесора. Процесорът се инсталира автоматично в тестовия сокет, след което се анализират всички необходими функции.

Как се правят микросхеми

За да се разбере коя е основната разлика между тези две технологии, е необходимо да се направи кратък екскурз в самата технология на производство на съвременни процесори или интегрални схеми.

Както е известно от училищния курс по физика, в съвременната електроника основните компоненти на интегралните схеми са p-тип и n-тип полупроводници (в зависимост от вида на проводимостта). Полупроводникът е вещество, което надминава диелектриците по проводимост, но е по -ниско от металите. Основата на двата типа полупроводници може да бъде силиций (Si), който в чистата си форма (така наречения вътрешен полупроводник) не провежда добре електрически ток, но добавянето (въвеждането) на определен примес в силиция дава възможност за коренно променят своите проводящи свойства. Има два вида примеси: донорски и акцепторни. Донорната примес води до образуването на полупроводници от n-тип с електронен тип проводимост, а акцепторната примес води до образуването на полупроводници от p-тип с дупка тип проводимост. Контактите на p- и n-полупроводници правят възможно формирането на транзистори- основните структурни елементи на съвременните микросхеми. Тези транзистори, наречени CMOS транзистори, могат да бъдат в две основни състояния: отворени, когато провеждат електричество, и заключени, когато не провеждат електричество. Тъй като CMOS транзисторите са основните елементи на съвременните микросхеми, нека поговорим за тях по -подробно.

Как работи CMOS транзистор

Най-простият CMOS транзистор от тип n има три електрода: източник, порта и дренаж. Самият транзистор е направен от полупроводник от тип р с дупка проводимост, а полупроводници от тип n с електронна проводимост се образуват в зоните на източване и източник. Естествено, поради дифузията на дупки от p-областта към n-областта и обратната дифузия на електрони от n-областта към p-областта се образуват изчерпани слоеве (слоеве, в които няма големи носители на заряд) в границите на преходите на p- и n-областите. В нормално състояние, тоест, когато към портата не се прилага напрежение, транзисторът е в "заключено" състояние, тоест не е в състояние да провежда ток от източника към канализацията. Ситуацията не се променя, дори ако приложим напрежение между канализацията и източника (в този случай не вземаме предвид токовете на утечка, причинени от движението под въздействието на генерираните електрически полета на малцинствени носители на заряд, че е, дупки за n-региона и електрони за p-областта).

Ако обаче към портата се приложи положителен потенциал (фиг. 1), тогава ситуацията ще се промени радикално. Под въздействието на електрическото поле на портата дупките се изтласкват дълбоко в р-полупроводника, а електроните, напротив, се привличат в областта под портата, образувайки обогатен с електрод канал между източника и канализацията. Когато към портата се приложи положително напрежение, тези електрони започват да се придвижват от източника към канализацията. В този случай транзисторът провежда ток - казват, че транзисторът се "отваря". Ако напрежението бъде премахнато от портата, електроните престават да се изтеглят в областта между източника и дренажа, проводящият канал се разрушава и транзисторът спира да пропуска ток, тоест той е "заключен". По този начин, като промените напрежението на портата, можете да отворите или изключите транзистора по същия начин, по който можете да включите или изключите конвенционален превключвател, контролиращ преминаването на ток през веригата. Ето защо транзисторите понякога се наричат електронни ключове. Въпреки това, за разлика от конвенционалните механични превключватели, CMOS транзисторите са практически безинерционни и могат да преминават от отворено към заключено състояние трилиони пъти в секунда! Именно тази характеристика, тоест способността за незабавно превключване, в крайна сметка определя скоростта на процесора, който се състои от десетки милиони такива най -прости транзистори.

Така че съвременната интегрална схема се състои от десетки милиони от най -простите CMOS транзистори. Нека се спрем по -подробно на процеса на производство на микросхеми, чийто първи етап е производството на силициеви субстрати.

Стъпка 1. Отглеждане на заготовки

Създаването на такива субстрати започва с растежа на цилиндричен силициев монокристал. След това тези монокристални заготовки се нарязват на пластини с дебелина приблизително 1/40 "и диаметър 200 мм (8") или 300 мм (12 "). Това са силиконовите субстрати, използвани за производството на микросхеми.

При образуването на пластини от силициеви монокристали се взема предвид фактът, че за идеални кристални структури физическите свойства до голяма степен зависят от избраната посока (свойство на анизотропия). Например, съпротивлението на силиконова подложка ще бъде различно в надлъжната и напречната посока. По същия начин, в зависимост от ориентацията на кристалната решетка, силициевият кристал ще реагира по различен начин на всякакви външни влияния, свързани с по -нататъшната му обработка (например ецване, напръскване и т.н.). Следователно плочата трябва да бъде изрязана от монокристала по такъв начин, че ориентацията на кристалната решетка спрямо повърхността да се поддържа стриктно в определена посока.

Както вече беше отбелязано, диаметърът на силиконовата монокристална заготовка е 200 или 300 mm. Освен това диаметърът от 300 мм е сравнително нова технология, която ще обсъдим по -долу. Ясно е, че плоча с този диаметър може да побере далеч повече от една микросхема, дори ако говорим за процесор Intel Pentium 4. Всъщност няколко десетки микросхеми (процесори) са оформени върху една такава подложка от вафли, но за простота ние ще разгледа само процесите, протичащи на малка площ от един бъдещ микропроцесор.

Стъпка 2. Нанасяне на защитен диелектричен филм (SiO2)

След образуването на силициевата подложка започва етапът на създаване на най -сложната полупроводникова структура.

За да направите това, е необходимо да въведете така наречените донорни и акцепторни примеси в силиция. Възниква обаче въпросът - как да се приложи въвеждането на примеси според точно зададен модел -модел? За да стане това възможно, зоните, в които не се изисква въвеждане на примеси, са защитени със специален филм със силициев диоксид, оставяйки само онези области, които са изложени, които са подложени на по -нататъшна обработка (фиг. 2). Процесът на образуване на такъв защитен филм с желания модел се състои от няколко етапа.

На първия етап цялата силициева пластина е покрита изцяло с тънък филм от силициев диоксид (SiO2), който е много добър изолатор и действа като защитен филм при по -нататъшна обработка на силициевия кристал. Пластините се поставят в камера, където кислородът се дифундира в повърхностните слоеве на пластината при висока температура (от 900 до 1100 ° C) и налягане, което води до окисляване на силиция и до образуване на повърхностен филм от силициев диоксид. За да може филмът от силициев диоксид да има точно определена дебелина и да не съдържа дефекти, е необходимо стриктно да се поддържа постоянна температура във всички точки на пластината по време на процеса на окисляване. Ако не цялата плоча трябва да бъде покрита със силициев диоксиден филм, тогава върху силиконовия субстрат първо се нанася маска Si3N4, за да се предотврати нежеланото окисляване.

Стъпка 3. Прилагане на фоторезиста

След като силиконовият субстрат е покрит със защитен филм от силициев диоксид, е необходимо този филм да се отстрани от онези места, които ще бъдат подложени на по -нататъшна обработка. Отстраняването на филма се извършва чрез ецване, а за да се предпазят останалите участъци от ецване, върху повърхността на пластината се нанася слой от така наречения фоторезист. Терминът "фоторезисти" се отнася до формулировки, които са чувствителни към светлина и устойчиви на агресивни фактори. Нанесените състави трябва, от една страна, да имат определени фотографски свойства (под въздействието на ултравиолетовата светлина, те стават разтворими и се измиват по време на процеса на ецване), а от друга страна, резистивни, което им позволява да издържат на ецване в киселини и основи, отопление и др. Основната цел на фоторезистите е да създадат защитен релеф с желаната конфигурация.

Процесът на нанасяне на фоторезист и по -нататъшното му облъчване с ултравиолетова светлина по даден модел се нарича фотолитография и включва следните основни операции: образуване на фоторезистен слой (обработка на субстрата, нанасяне, изсушаване), образуване на защитен релеф (експониране, развитие, изсушаване) и прехвърляне на изображението върху основата (офорт, напръскване и др.).

Преди нанасянето на фоторезистивния слой (фиг. 3) върху субстрата, последният се обработва предварително, в резултат на което се подобрява адхезията му към фоторезистивния слой. Методът на центрофугиране се използва за нанасяне на равномерен слой фоторезист. Субстратът се поставя върху въртящ се диск (центрофуга) и под въздействието на центробежни сили фоторезистът се разпределя по повърхността на субстрата в почти равномерен слой. (Говорейки за практически равномерен слой, трябва да се вземе предвид фактът, че под действието на центробежни сили дебелината на получения филм се увеличава от центъра към ръбовете; обаче този метод за нанасяне на фоторезист дава възможност за издържа на колебания в дебелината на слоя в рамките на ± 10%.)

Стъпка 4. Литография

След нанасянето и изсушаването на фоторезистния слой започва етапът на образуване на необходимия защитен релеф. Релефът се образува в резултат на факта, че под действието на ултравиолетова радиация, падаща върху определени участъци от фоторезистния слой, последният променя свойствата на разтворимостта, например осветените участъци спират да се разтварят в разтворителя, което премахва областите на слоя, който не е бил изложен на осветление, или обратно - осветените зони се разтварят. По метода на формиране на релефа фоторезистите се разделят на отрицателни и положителни. Отрицателните фоторезисти под въздействието на ултравиолетовата радиация образуват защитни зони на релефа. От друга страна, положителните фоторезисти, когато са изложени на ултравиолетово лъчение, придобиват свойства на течливост и се измиват от разтворителя. Съответно защитният слой се образува в онези области, които не са изложени на ултравиолетово лъчение.

За да се осветят желаните области на фоторезистния слой, се използва специален шаблон за маска. Най -често за тази цел се използват оптични стъклени плочи с непрозрачни елементи, получени чрез фотографски или по друг начин. Всъщност такъв шаблон съдържа чертеж на един от слоевете на бъдещата микросхема (общо може да има няколко стотин такива слоя). Тъй като този шаблон е референтен, той трябва да бъде изпълнен с голяма точност. Освен това, като се вземе предвид фактът, че много фотографски плочи ще бъдат направени от една фотомаска, тя трябва да бъде издръжлива и устойчива на повреди. Следователно е ясно, че фотомаската е много скъпо нещо: в зависимост от сложността на микросхемата, тя може да струва десетки хиляди долари.

Ултравиолетовото излъчване, преминавайки през такъв шаблон (фиг. 4), осветява само необходимите участъци от повърхността на фоторезистивния слой. След облъчване се развива фоторезистът, който премахва ненужните части от слоя. Това отваря съответната част от слоя силициев диоксид.

Въпреки привидната простота на фотолитографския процес, именно този етап от производството на микросхеми е най -трудният. Факт е, че в съответствие с предсказанието на Мур, броят на транзисторите на една микросхема се увеличава експоненциално (удвоява се на всеки две години). Такова увеличаване на броя на транзисторите е възможно само поради намаляване на техния размер, но именно намаляването „почива“ върху процеса на литография. За да се направят транзисторите по -малки, е необходимо да се намалят геометричните размери на линиите, приложени към слоя фоторезист. Но има ограничение за всичко - не е толкова лесно да се фокусира лазерен лъч върху точка. Факт е, че в съответствие със законите на вълновата оптика минималният размер на петното, в което е фокусиран лазерен лъч (всъщност това не е просто петно, а дифракционен модел) се определя, наред с други фактори, от дължината на светлинната вълна. Развитието на литографската технология от изобретяването й в началото на 70 -те години е в посока намаляване на дължината на вълната на светлината. Това направи възможно намаляването на размера на елементите на интегралната схема. От средата на 80-те години фотолитографията започва да използва ултравиолетово лъчение, произведено от лазер. Идеята е проста: дължината на вълната на ултравиолетовото лъчение е по -къса от дължината на светлината във видимия диапазон, следователно е възможно да се получат по -тънки линии на повърхността на фоторезиста. Доскоро литографията използваше дълбоко ултравиолетово лъчение (Deep Ultra Violet, DUV) с дължина на вълната 248 nm. Когато обаче фотолитографията премина границата от 200 nm, възникнаха сериозни проблеми, които за първи път поставиха под въпрос възможността за по -нататъшно използване на тази технология. Например, при дължини на вълните под 200 микрона, фоточувствителният слой поглъща твърде много светлина, така че процесът на прехвърляне на шаблона на веригата към процесора става по -сложен и по -бавен. Предизвикателства като тези карат изследователите и производителите да търсят алтернативи на традиционната литографска технология.

Нова литографска технология, наречена EUV литография (Extreme UltraViolet), се основава на използването на ултравиолетова радиация с дължина на вълната 13 nm.

Преходът от DUV към EUV литография осигурява повече от 10-кратно намаляване на дължината на вълната и преход към диапазон, където той е сравним с размера на само няколко десетки атоми.

Използваната понастоящем литографска технология позволява отлагане на шаблон с минимална ширина на проводника 100 nm, докато литографията на EUV дава възможност за отпечатване на линии с много по -малка ширина - до 30 nm. Контролирането на ултракъсото излъчване не е толкова лесно, колкото звучи. Тъй като излъчването на EUV се абсорбира добре от стъклото, новата технология включва използването на поредица от четири специални изпъкнали огледала, които намаляват и фокусират изображението, получено след нанасяне на маската (фиг. 5 ,,). Всяко такова огледало съдържа 80 отделни метални слоя с дебелина приблизително 12 атома.

Стъпка 5. Офорт

След излагане на фоторезистивния слой започва етапът на ецване, за да се отстрани филмът от силициев диоксид (фиг. 8).

Процесът на ецване често се свързва с киселинни бани. Този метод на кисело ецване е добре познат на радиолюбителите, които сами са изработили печатни платки. За да направите това, шаблонът на следите на бъдещата дъска се нанася върху текстолита от фолио с лак, който действа като защитен слой, след което плочата се спуска във вана с азотна киселина. Ненужните участъци от фолио се гравират, излагайки чист текстолит. Този метод има редица недостатъци, основният от които е невъзможността да се контролира точно процеса на отстраняване на слоя, тъй като твърде много фактори влияят върху процеса на ецване: концентрация на киселина, температура, конвекция и т.н. В допълнение, киселината взаимодейства с материала във всички посоки и постепенно прониква под ръба на фоторезистната маска, тоест разрушава слоевете, покрити с фоторезиста отстрани. Следователно при производството на процесори се използва метод на сухо офорт, наричан още плазма. Този метод ви позволява точно да контролирате процеса на ецване, а разрушаването на гравирания слой става строго във вертикална посока.

Сухото ецване използва йонизиран газ (плазма) за отстраняване на силициев диоксид от повърхността на плочата и реагира с повърхността на силициев диоксид, за да образува летливи странични продукти.

След процедурата за ецване, тоест когато са изложени необходимите области от чист силиций, останалата част от фотослоя се отстранява. По този начин върху силиконовия субстрат остава модел на силициев диоксид.

Стъпка 6. Дифузия (йонна имплантация)

Припомнете си, че предишният процес на формиране на необходимия модел върху силиконова подложка беше необходим, за да се създадат полупроводникови структури на правилните места чрез въвеждане на донорен или акцепторен примес. Процесът на въвеждане на примеси се осъществява посредством дифузия (фиг. 9) - равномерно въвеждане на примесни атоми в кристалната решетка на силиция. Антимон, арсен или фосфор обикновено се използват за получаване на полупроводник от n-тип. За получаване на полупроводник от р тип, като примес се използва бор, галий или алуминий.

За процеса на дифузия на добавката се използва йонна имплантация. Процесът на имплантиране се състои в това, че йоните с желаната примес се "изстрелват" от ускорителя за високо напрежение и, разполагайки с достатъчно енергия, проникват в повърхностните слоеве на силиция.

И така, в края на етапа на имплантиране на йони е създаден необходимия слой от полупроводниковата структура. Микропроцесорите обаче могат да имат няколко такива слоя. За да се създаде следващият слой, в получената диаграма се отглежда допълнителен тънък слой силициев диоксид. След това се нанася слой от поликристален силиций и друг слой фоторезист. Ултравиолетовото лъчение преминава през втората маска и подчертава съответния модел върху фотослоя. След това отново следват етапите на разтваряне на фотослоя, ецване и йонна имплантация.

Стъпка 7. Пръскане и отлагане

Налагането на нови слоеве се извършва няколко пъти, докато за междуслойните връзки в слоевете се оставят "прозорци", които са изпълнени с метални атоми; в резултат на това върху кристално проводимите области се създават метални ивици. Така в съвременните процесори се установяват връзки между слоеве, които образуват сложна триизмерна схема. Процесът на отглеждане и обработка на всички слоеве отнема няколко седмици, а самият производствен цикъл се състои от повече от 300 етапа. В резултат на това върху силициева пластина се оформят стотици еднакви процесори.

За да издържат на напреженията, на които са подложени пластините по време на процеса на отлагане на слоя, силициевите субстрати първоначално се правят достатъчно дебели. Следователно, преди нарязването на вафлата на отделни процесори, дебелината й се намалява с 33% и замърсяването от задната страна се отстранява. След това върху задната страна на субстрата се нанася слой от специален материал, който подобрява прикрепването на кристала към корпуса на бъдещия процесор.

Стъпка 8. Краен етап

В края на цикъла на формиране всички процесори са щателно тествани. След това бетон, вече тествани кристали, се изрязват от подложката с помощта на специално устройство (фиг. 10).

Всеки микропроцесор е вграден в защитен калъф, който осигурява и електрическо свързване на микропроцесорния чип към външни устройства. Типът на корпуса зависи от вида и предназначението на микропроцесора.

След запечатване в корпуса всеки микропроцесор се тества отново. Дефектните процесори се изхвърлят, а работещите процесори се подлагат на стрес тестове. След това процесорите се сортират според тяхното поведение при различни тактови честоти и захранващи напрежения.

Разширени технологии

Технологичният процес на производство на микросхеми (по -специално процесори) се разглежда от нас по много опростен начин. Но дори и това повърхностно представяне ни позволява да разберем технологичните трудности, с които човек трябва да се сблъска, когато намалява размера на транзисторите.

Преди да разгледаме новите обещаващи технологии, нека отговорим на въпроса, поставен в самото начало на статията: какъв е стандартът за проектиране на технологичния процес и как всъщност стандартът за проектиране от 130 nm се различава от стандарта от 180 nm ? 130 nm или 180 nm е характерното минимално разстояние между два съседни елемента в един слой на микросхемата, тоест един вид стъпка на мрежата, към която са свързани елементите на микросхемата. В същото време е съвсем очевидно, че колкото по -малък е този характерен размер, толкова повече транзистори могат да бъдат поставени в една и съща област на микросхемата.

Понастоящем производственият процес от 0,13 микрона се използва при производството на процесори Intel. Тази технология се използва за производство на процесор Intel Pentium 4 с ядрото Northwood, процесор Intel Pentium III с ядро Tualatin и процесор Intel Celeron. В случай на използване на такъв технологичен процес, ефективната ширина на канала на транзистора е 60 nm, а дебелината на оксидния слой на портата не надвишава 1,5 nm. Като цяло процесорът Intel Pentium 4 разполага с 55 милиона транзистора.

Наред с увеличаването на плътността на транзисторите в процесорния кристал, технологията 0,13 микрона, която замени технологията 0,18 микрона, има и други иновации. Първо, той използва медни връзки между отделните транзистори (в технологията 0.18 микрона връзките са алуминиеви). Второ, технологията 0,13 микрона осигурява по -ниска консумация на енергия. За мобилните технологии например това означава, че консумацията на енергия на микропроцесорите се намалява и животът на батерията е по -дълъг.

Е, последната иновация, внедрена при прехода към 0,13-микронен технологичен процес, е използването на силициеви пластини (вафли) с диаметър 300 мм. Припомнете си, че преди това повечето процесори и микросхеми бяха направени на базата на 200 мм пластини.

Увеличаването на диаметъра на плочите ви позволява да намалите разходите за всеки процесор и да увеличите добива на продукти с подходящо качество. Всъщност площта на плоча с диаметър 300 мм е 2,25 пъти по -голяма от площта на плоча с диаметър съответно 200 мм и броя на процесорите, получени от една плоча с диаметър 300 мм е повече от два пъти по -голям.

През 2003 г. се очаква да бъде въведен нов технологичен процес с още по-нисък стандарт за проектиране, а именно 90-нанометровия. Новият производствен процес, който Intel ще използва за производството на по -голямата част от своите продукти, включително процесори, чипсети и комуникационно оборудване, е разработен в 300 -милиметровия пилотен завод на Intel D1C в Хилсборо, Орегон.

На 23 октомври 2002 г. Intel обяви откриването на ново съоръжение от 2 милиарда долара в Рио Ранчо, Ню Мексико. Новият завод, наречен F11X, ще използва най-съвременната технология за производство на процесори на 300 мм пластини, използвайки процес на проектиране 0,13 микрона. През 2003 г. централата ще бъде прехвърлена на технологичен процес със стандарт за проектиране от 90 nm.

В допълнение, Intel вече обяви възобновяване на строителството във Fab 24 в Lakeslip, Ирландия, за производство на полупроводникови компоненти върху 300 мм силициеви пластини с 90nm правило за проектиране. Ново предприятие с обща площ над 1 милион квадратни метра. фута с ултрачисти стаи с площ от 160 хиляди квадратни метра. ft. се очаква да заработи през първата половина на 2004 г. и ще наеме над хиляда служители. Цената на съоръжението е около 2 милиарда долара.

90nm процесът използва разнообразни съвременни технологии. Това е и най -малкият в търговската мрежа CMOS транзистори с дължина на порта 50 nm (фиг. 11), която осигурява повишена производителност, като същевременно намалява консумацията на енергия, и най -тънкият оксиден слой на портата, направен някога от транзистори - само 1,2 nm (фиг. 12 ), или по-малко от 5 атомни слоя, и първото в индустрията внедряване на високоефективна напрегната силициева технология.

От изброените характеристики може би само понятието „напрегнат силиций“ се нуждае от коментар (фиг. 13). В такъв силиций разстоянието между атомите е по -голямо, отколкото в конвенционален полупроводник. Това от своя страна осигурява по -свободен поток на ток, подобно на това как трафикът се движи по -свободно и по -бързо по път с по -широки ленти за движение.

В резултат на всички нововъведения производителността на транзисторите се подобрява с 10-20%, с увеличение на производствените разходи само с 2%.

В допълнение, 90nm процесът използва седем слоя на чип (Фигура 14), един слой повече от 130nm процеса и медни връзки.

Всички тези функции, комбинирани с 300 мм силициеви пластини, осигуряват на Intel повишаване на производителността, производството и разходите. Потребителите също се възползват, тъй като новият технологичен процес на Intel продължава да развива индустрията в съответствие със Закона на Мур, като същевременно подобрява производителността на процесора отново и отново.

Производството на микросхеми е много труден бизнес и затвореният характер на този пазар е продиктуван преди всичко от особеностите на доминиращата днес технология за фотолитография. Микроскопични електронни схеми се проектират върху силициева пластина чрез фотомаски, всяка от които може да струва до $ 200 000. Междувременно са необходими поне 50 такива маски, за да се направи един чип. Добавете към това разходите за опити и грешки при разработването на нови модели и осъзнавате, че само много големи компании могат да произвеждат процесори в много големи количества.

Но какво да кажем за научните лаборатории и високотехнологичните стартиращи фирми, които се нуждаят от нестандартни схеми? Как да бъдеш военен, за когото закупуването на процесори от „потенциален враг“ не е меко казано comme il faut?

Посетихме руския производствен обект на холандската компания Mapper, благодарение на което производството на микросхеми може да престане да бъде много небесни и да се превърне в окупация за обикновените смъртни. Е, или почти просто. Тук, на територията на Технополис "Москва", с финансовата подкрепа на корпорация "Руснано", се произвежда ключов компонент на технологията Mapper - електрооптична система.

Въпреки това, преди да се потопите в нюансите на безмаскираната литография на Mapper, си струва да си припомните основите на конвенционалната фотолитография.

Огромна светлина

На модерен процесор Intel Core I7 може да побере около 2 милиарда транзистора (в зависимост от модела), всеки от които е с размер 14 nm. В стремежа си към изчислителна мощ производителите ежегодно намаляват размера на транзисторите и увеличават техния брой. Вероятната технологична граница в тази надпревара може да се счита за 5 nm: на такива разстояния квантовите ефекти започват да се проявяват, поради което електроните в съседните клетки могат да се държат непредсказуемо.

За да се приложат микроскопични полупроводникови структури към силициева пластина, се използва процес, подобен на работата с фотоувеличител. Освен ако целта му не е обратната - да направи изображението възможно най -малко. Чиния (или защитен филм) са покрити с фоторезист - полимерен фоточувствителен материал, който променя свойствата си при излагане на светлина. Желаният модел на чип се излага на фоторезиста чрез маска и събираща леща. Отпечатаните плочи обикновено са четири пъти по -малки от маските.

Вещества като силиций или германий имат по четири електрона на външното енергийно ниво. Те образуват красиви кристали, които приличат на метал. Но за разлика от метала, те не провеждат електрически ток: всичките им електрони участват в мощни ковалентни връзки и не могат да се движат. Всичко обаче се променя, ако към тях добавите малко донорски примеси от вещество с пет електрона на външното ниво (фосфор или арсен). Четири електрона се свързват със силиций, а един остава свободен. Легиран от донор силиций (n-тип) е добър проводник. Ако добавим към силиция акцепторна примес от вещество с три електрона на външното ниво (бор, индий), "дупки", виртуален аналог на положителен заряд, се образуват по подобен начин. В този случай говорим за полупроводник от р тип. Чрез свързване на проводници от тип p и n получаваме диод- полупроводниково устройство, което пропуска ток само в една посока. Комбинация p-n-pили n-p-n ни дава транзистор-токът преминава през него само ако към централния проводник се приложи определено напрежение.

Дифракцията на светлината прави свои корекции в този процес: лъчът, преминавайки през отворите на маската, се пречупва леко и вместо една точка се излага поредица от концентрични кръгове, като от камък, хвърлен във водовъртеж. За щастие, дифракцията е обратно свързана с дължината на вълната, което инженерите използват, когато използват ултравиолетова светлина с дължина на вълната 195 nm. Защо дори не по -малко? Просто по -късата вълна няма да се пречупи от събиращата леща, лъчите ще преминат през нея, без да се фокусират. Също така е невъзможно да се увеличи събирателната способност на лещата - сферичната аберация няма да позволи: всеки лъч ще премине оптичната ос в своята точка, нарушавайки фокуса.

Максималната ширина на контура, която може да бъде показана с помощта на фотолитография, е 70 nm. Чиповете с по-висока разделителна способност се отпечатват на няколко етапа: прилагат се 70-нанометрови очертания, веригата се гравира и след това следващата част се излага през нова маска.

Сега се разработва технологията на фотолитография в дълбок ултравиолетов лъч, използваща светлина с изключителна дължина на вълната от около 13,5 nm. Технологията включва използването на вакуумни и многослойни огледала с отражение на базата на междуслойни смущения. Маската също няма да е полупрозрачна, а отразяващ елемент. Огледалата са лишени от явлението пречупване, така че могат да работят със светлина с всякаква дължина на вълната. Но засега това е само концепция, която може би ще бъде приложена в бъдеще.

Как се произвеждат процесори днес

Перфектно полирана кръгла силиконова вафла с диаметър 30 см е покрита с тънък слой фоторезист. Центробежната сила помага за равномерното разпределение на фоторезиста.

Бъдещата верига е изложена на фоторезиста чрез маска. Този процес се повтаря многократно, защото много чипове са направени от една вафла.

Частта от фоторезиста, която е била изложена на ултравиолетово лъчение, става разтворима и може лесно да се отстрани с химикали.

Области на силициевата пластина, които не са защитени от фоторезиста, са химически гравирани. На тяхно място се образуват депресии.

На плочата отново се нанася слой от фоторезист. Този път експозицията се използва за излагане на онези области, които ще бъдат подложени на йонна бомбардировка.

Под въздействието на електрическо поле йони на примеси се ускоряват до скорости над 300 000 км / ч и проникват в силиций, придавайки му свойствата на полупроводник.

След отстраняване на остатъците от фоторезиста, върху плочата остават готови транзистори. Отгоре се нанася диелектричен слой, в който се гравират отвори за контакти по същата технология.

Плочата се поставя в разтвор на меден сулфат и върху нея се нанася проводящ слой чрез електролиза. След това целият слой се отстранява чрез смилане, а контактите в отворите остават.

Контактите са свързани чрез многоетажна мрежа от метални "жици". Броят на "етажите" може да бъде до 20, а общото разположение на проводниците се нарича архитектура на процесора.

Едва сега плочата се разрязва на много отделни чипове. Всеки "кристал" се тества и едва след това се инсталира на дъска с контакти и покрита със сребърна капачка на радиатора.

13 000 телевизора

Алтернатива на фотолитографията е електролитографията, когато тя е изложена не със светлина, а с електрони, и не със снимка, а с електрорезист. Електронният лъч лесно се фокусира до точка с минимален размер, до 1 nm. Технологията прилича на електронно-лъчевата тръба на телевизор: фокусиран поток от електрони се отклонява от контролните намотки, изчертавайки изображение върху силициева пластина.

Доскоро тази технология не можеше да се конкурира с традиционния метод поради ниската си скорост. За да може електрорезистът да реагира на радиация, той трябва да приеме определен брой електрони на единица площ, така че един лъч може да изложи най -добре 1 cm2 / h. Това е приемливо за единични поръчки от лаборатории, но не е приложимо в промишлеността.

За съжаление е невъзможно да се реши проблемът чрез увеличаване на енергията на лъча: едноименните заряди се отблъскват, следователно с увеличаване на тока електронният лъч става по -широк. Но можете да увеличите броя на лъчите, като изложите няколко зони едновременно. И ако няколко - това са 13 000, както в технологията Mapper, тогава, според изчисленията, е възможно да се отпечатат вече десет чипа с пълна стойност на час.

Разбира се, би било невъзможно да се комбинират 13 000 електронно -лъчеви тръби в едно устройство. В случая на Mapper излъчването от източник се насочва към колиматорна леща, която образува широк, паралелен електронен лъч. Матрицата на отворите стои на пътя й, което я превръща в 13 000 отделни лъча. Гредите преминават през маскираща решетка - силициева пластина с 13 000 дупки. Близо до всеки от тях е разположен отклонителен електрод. Ако към него се приложи ток, електроните „пропускат“ дупката си и един от 13 000 лъча се изключва.

След като преминат през заготовките, лъчите се насочват към набор от дефлектори, всеки от които може да отклони лъча си няколко микрона надясно или наляво спрямо движението на плочата (така че Mapper все още прилича на 13 000 CRT). И накрая, всеки лъч допълнително се фокусира от собствените си микроленти, след което се насочва към електрорезиста. Към днешна дата технологията Mapper е тествана във Френския изследователски институт по микроелектроника CEA-Leti и в TSMC, който произвежда микропроцесори за водещи играчи на пазара (включително Apple iPhone 6S). Ключови компоненти на системата, включително силиконови електронни лещи, се произвеждат в завода в Москва.

Технологията Mapper обещава нови перспективи не само за изследователски лаборатории и дребномащабно (включително военно) производство, но и за големи играчи. В днешно време, за да тествате прототипи на нови процесори, трябва да направите точно същите фотомаски като за масово производство. Възможността за сравнително бързо прототипиране на схеми обещава не само да намали разходите за разработка, но и да ускори напредъка в тази област. Което в крайна сметка играе в ръцете на масовия потребител на електроника, тоест на всички нас.

процесортова е сърцето на всеки модерен компютър... Всеки микропроцесор е по същество мащабна интегрална схема, на която са разположени транзистори. Чрез преминаване на електрически ток транзисторите ви позволяват да създавате двоични логически (включени - изключени) изчисления. Съвременните процесори се основават на 45 nm технология. 45 nm (нанометър) е размерът на един транзистор, разположен върху процесорната плоча. Доскоро се използваше основно 90 nm технология.

Плочите са изработени от силиций, който е второто по големина находище в земната кора.

Силицийът се получава чрез химическа обработка, като се пречиства от примеси. След това те започват да го топят, образувайки силиконов цилиндър с диаметър 300 милиметра. След това този цилиндър се нарязва на плочи с диамантена нишка. Дебелината на всяка плоча е около 1 мм. За да има плочата идеална повърхност, след изрязване с конец се смила със специална мелница.

След това повърхността на силициевата пластина е идеално равна. Между другото, много производствени компании вече обявиха възможността за работа с 450 мм плочи. Колкото по -голяма е повърхността, толкова повече транзистори трябва да се поставят и толкова по -висока е производителността на процесора.

процесорсе състои от силиконова пластина, на повърхността на която има до девет нива транзистори, разделени от оксидни слоеве, за изолация.

Развитие на процесорни технологии

Гордън Мур, един от основателите на Intel, един от лидерите в производството на процесори в света, през 1965 г., въз основа на своите наблюдения, открил закона, според който на редовни интервали се появяват нови модели процесори и микросхеми. Ръстът на броя на транзисторите в процесорите се удвоява приблизително за 2 години. В продължение на 40 години Законът на Гордън Мур работи без изкривяване. Овладяването на бъдещите технологии е точно зад ъгъла - вече има работещи прототипи, базирани на 32nm и 22nm процесорни технологии. До средата на 2004 г. мощността на процесора зависи преди всичко от честотата на процесора, но от 2005 г. честотата на процесора на практика престана да расте. Има нова технология за многоядрен процесор. Тоест, няколко процесорни ядра са създадени с еднаква тактова честота и по време на работа мощността на ядрата се сумира. Това увеличава общата мощност на процесора.

По -долу можете да гледате видео за производството на процесори.

Как се правят чипове

Производството на чипове включва налагане на тънки слоеве със сложен "модел" върху силиконови основи. Първо се създава изолационен слой, който работи като електрическа щора. Що се отнася до производството на субстрати, те трябва да бъдат нарязани на тънки "палачинки" от плътен монокристален цилиндър, така че по-късно да могат лесно да бъдат нарязани на отделни процесорни кристали. Електрически сонди се използват за тестване на всеки кристал върху субстрата. Накрая субстратът се нарязва на отделни жила, неработещите ядра веднага се отсяват. В зависимост от характеристиките, ядрото става един или друг процесор и е опаковано в пакет, който улеснява инсталирането на процесора на дънната платка. Всички функционални блокове преминават през интензивни стрес тестове.

Всичко започва със субстрати

Първата стъпка в производството на процесори се извършва в чиста стая. Между другото, важно е да се отбележи, че подобно технологично производство представлява натрупване на огромен капитал квадратен метър... Изграждането на модерен завод с цялото оборудване може лесно да „излети“ 2-3 милиарда долара, а отнема няколко месеца за пробни експлоатации на нови технологии. Само тогава растенията могат да произвеждат масово преработватели.

По принцип процесът на производство на чипове се състои от няколко етапа на обработка на субстрата. Това включва създаването на самите субстрати, които в крайна сметка ще бъдат нарязани на отделни кристали Figurnov, V.E. IBM PC за потребителя.-М., 2004. - С. 204.

Производство на субстрат

Първият етап е отглеждането на монокристал. За тази цел зародишният кристал е вграден във вана с разтопен силиций, която се намира точно над точката на топене на поликристален силиций. Важно е кристалите да растат бавно (около един ден), за да се гарантира, че атомите са в правилното подреждане. Поликристален или аморфен силиций се състои от много различни кристали, които ще доведат до нежелани повърхностни структури с лоши електрически свойства.

Монокристалът се нарязва на "палачинки" с помощта на много прецизен кръгъл диамантен трион, който не създава големи неравности по повърхността на основите. Разбира се, в този случай повърхността на основите все още не е идеално равна, така че са необходими допълнителни операции. Монокристалите са показани на фигура 1.

Фигура 1. Външен изглед на монокристал.

Първо, с помощта на въртящи се стоманени плочи и абразивен материал (като алуминиев оксид), се отстранява дебел слой от основите (процес, наречен прилепване). В резултат на това се отстраняват нередности с размери от 0,05 mm до приблизително 0,002 mm (2000 nm). След това закръглете ръбовете на всяка подложка, тъй като острите ръбове могат да отлепят слоевете. Освен това се използва процесът на ецване, когато се използват различни химикали (флуороводородна киселина, оцетна киселина, азотна киселина) повърхността се изглажда с още около 50 микрона. Физически повърхността не се влошава, тъй като целият процес е напълно химически. Тя ви позволява да премахнете останалите грешки в кристалната структура, в резултат на което повърхността ще бъде близо до идеалната.

Последната стъпка е полиране, което изглажда повърхността до неравности, максимум 3 nm. Полирането се извършва със смес от натриев хидроксид и гранулиран силициев диоксид.

Днес микропроцесорните субстрати са с диаметър 200 мм или 300 мм, което позволява на производителите на чипове да получат множество процесори от всеки. Следващата стъпка ще бъде 450 мм субстрати, но те не трябва да се очакват до 2013 г. Като цяло, колкото по -голям е диаметърът на основата, толкова повече стружки със същия размер могат да бъдат произведени. 300 мм субстрат например осигурява повече от два пъти броя на процесорите от 200 мм.

Допинг и дифузия

Допингът, който се извършва по време на растежа на монокристала, вече беше споменат. Но допирането се извършва както с готовия субстрат, така и по -късно по време на фотолитографските процеси. Това ви позволява да променяте електрическите свойства на определени области и слоеве, а не на цялата структура на кристала.

Добавката може да се добави чрез дифузия. Атомите на примеси запълват свободното пространство вътре в кристалната решетка, между силициевите структури. В някои случаи съществуваща структура също може да бъде легирана. Дифузията се извършва с помощта на газове (азот и аргон) или с помощта на твърди вещества или други източници на примеси Хасегава, Х. - Светът на компютрите в въпроси и отговори. -М., 2004 - стр. 89 ..

Създайте маска

За да се създадат областите на интегрална схема, се използва фотолитографски процес. Тъй като в този случай не е необходимо да се облъчва цялата повърхност на субстрата, важно е да се използват така наречените маски, които предават високоинтензивна радиация само в определени области. Маските могат да бъдат сравнени с черно -бели отрицателни. Интегралните схеми имат много слоеве (20 или повече) и всеки слой изисква своя собствена маска.

Тънка структура от хромирано фолио се нанася върху повърхността на кварцова стъклена плоча, за да се създаде модел. В същото време скъпите инструменти, използващи електронен поток или лазер, предписват необходимите IC данни, в резултат на което се получава хромиран шаблон върху повърхността на кварцовата подложка. Важно е да се разбере, че всяка модификация на интегралната схема води до необходимостта от производство на нови маски, така че целият процес на редактиране е много скъп.

Фотолитография

С помощта на фотолитография се образува структура върху силициев субстрат. Процесът се повтаря няколко пъти, докато се създадат много слоеве (повече от 20). Слоевете могат да се състоят от различни материали, освен това трябва да помислите и за връзките с микроскопични проводници. Всички слоеве могат да бъдат легирани Wood, A. Микропроцесори в въпроси и отговори - М., 2005. -С.87.

Преди да започне процесът на фотолитография, субстратът се почиства и загрява, за да се отстранят лепкавите частици и водата. След това субстратът се покрива със силициев диоксид с помощта на специално устройство. След това върху субстрата се нанася свързващ агент, който гарантира, че фоторезистентният материал, който ще се нанася в следващия етап, остава върху основата. Фоторезистивният материал се нанася върху средата на субстрата, който след това започва да се върти с висока скорост, така че слоят да се разпределя равномерно по цялата повърхност на субстрата. След това субстратът се нагрява отново. Принципът на фотолитографията е показан на фигура 2.

Фигура 2. Принципът на фотолитографията

Твърдото UV лъчение с дължина на вълната 13,5 nm облъчва фоторезистивния материал, докато преминава през маската. Прожекционното време и фокусът са много важни за постигане на желания резултат. Лошото фокусиране ще остави допълнителни частици от фоторезистентен материал, тъй като някои от дупките в маската няма да бъдат правилно облъчени. Същото ще се случи, ако времето за прожектиране е твърде кратко. Тогава структурата на фоторезистивния материал ще бъде твърде широка, зоните под дупките ще бъдат недоекспонирани. От друга страна, прекомерното време на прожектиране създава твърде големи площи под дупките и твърде тясна структура на фоторезистентен материал. По правило регулирането и оптимизирането на процеса отнема много време и е трудно. Неуспешната настройка ще доведе до сериозни отклонения в свързващите проводници Майоров, С.И. Информационен бизнес: търговско разпространение и маркетинг - М., 2007. -С.147 .. Специално устройство за стъпаловидно прожектиране премества субстрата в желаното положение. Тогава може да се проектира линия или една секция, най -често съответстваща на един процесорен кристал. Допълнителните микроинсталации могат да направят други промени. Те могат да отстранят грешките в съществуващата технология и да оптимизират техническия процес Kukin, V.N. Информатика: организация и управление. -М., 2005. -С.78 .. Микроинсталациите обикновено работят на площи по -малки от 1 кв. М. мм, докато конвенционалните инсталации обхващат по -големи площи.

След ецване и почистване можете да продължите да инспектирате субстрата, което обикновено се случва на всеки важен етап, или да прехвърлите субстрата в нов цикъл на фотолитография. Тестът на субстрата е показан на фигура 3.

Фигура 3. Тест на субстрата

Готовите основи се тестват в така наречените сондажни инсталации. Те работят с целия субстрат. Контактите на сондата се наслагват върху контактите на всеки кристал, което позволява да се извършват електрически тестове. Всички функции на всяко ядро се тестват с помощта на софтуер. Рязането на основата е показано на фигура 4.

Фигура 4. Изрязване на подложката

Чрез изрязване могат да се получат отделни ядра от субстрата. На този моментУстройствата за управление на сондата вече са идентифицирали кои кристали съдържат грешки, така че след изрязване те могат да бъдат отделени от добрите. Преди това повредените кристали бяха физически маркирани, сега няма нужда от това, цялата информация се съхранява в единна база данни Semenenko, V.A., Stupin. Наръчник за електронни изчислителни технологии. - М., 2006. - стр.45 ..

След това функционалното ядро трябва да бъде свързано към опаковката на процесора с помощта на адхезивен материал. След това трябва да направите жични връзки, свързващи контактите или краката на опаковката и самия кристал (Фигура 5). Могат да се използват златни, алуминиеви или медни връзки.

Повечето съвременни процесори използват пластмасова обвивка с разпределител на топлина. Обикновено сърцевината е обвита в керамична или пластмасова обвивка, за да се предотврати повреда. Съвременните процесори са оборудвани с т. Нар. Разпределител на топлина, който осигурява допълнителна защита на кристала (Фигура 6).

Фигура 5. Свързване на кабелна основа

Последната стъпка включва тестване на процесора, какво се случва при повишени температури, в съответствие със спецификациите на процесора. Процесорът се инсталира автоматично в тестовия сокет, след което се анализират всички необходими функции.

Фигура 6. Опаковка на процесора