Předmět: Fáze výroby mikroprocesorů. Výroba procesorů - od písku po moderní počítačové technologie

PLÁN PŘEDNÁŠEK

1. Sedm generací procesorů

2. Výrobní technologie

3. Technologické etapy výroby mikroprocesorů

1. Sedm generací procesorů

První generace (procesory 8086 a 8088 a matematický koprocesor 8087) položila architektonický základ - soubor „nestejných“ 16bitových registrů, systém adresování segmentů do 1 MB se širokou škálou režimů, instrukční systém, přerušovací systém , a řada dalších atributů. Procesory používaly „malé“ pipelining: zatímco některé uzly prováděly aktuální příkaz, blok předběžného načítání načítal další z paměti.

Třetí generace (koprocesor 80286 a 80287) přidala do rodiny takzvaný „chráněný režim“, který umožňuje použití virtuální paměti až do velikosti 1 GB pro každý úkol s využitím adresovatelné fyzické paměti do 16 MB. Chráněný režim se stal základem pro vytváření víceúlohových operačních systémů, ve kterých systém oprávnění přísně reguluje vztah úkolů s pamětí, operačním systémem a mezi sebou navzájem. Je třeba poznamenat, že výkon procesorů 80286 se zvýšil nejen díky zvýšení taktovací frekvence, ale také díky výraznému vylepšení v potrubí.

Třetí generace (80386/80387 s „příponami“ DX a SX, které určují šířku externí sběrnice) byla poznamenána přechodem na 32bitovou architekturu. Kromě rozšíření rozsahu reprezentovaných hodnot (16 bitů představuje celá čísla v rozsahu od 0 do 65535 nebo od –32768 do +32767 a 32 bitů - více než čtyři miliardy) se zvýšila kapacita adresovatelné paměti. U těchto procesorů se začal hojně používat operační systém Microsoft Windows.

Čtvrtá generace (80486 také DX a SX) nepřinesla do architektury zásadní změny, nicméně byla přijata řada opatření ke zlepšení výkonu. V těchto procesorech byl prováděcí kanál výrazně komplikovaný. Výrobci opustili externí koprocesor - začal být umístěn na stejný krystal s centrálním.

Pátá generace (procesor Pentium od Intelu a K5 od AMD) dala superskalární architekturu. Aby bylo možné rychle zásobovat potrubí instrukcemi a daty z paměti, je datová sběrnice těchto procesorů vytvořena 64bitová. Později měla tato generace rozšíření ММХ (sada instrukcí Matatics Math Extensions) - sada příkazů pro rozšíření maticových matematických operací (původně instrukční sada Multimedia Extension)). Tradiční 32bitové procesory mohou přidat dvě 8bitová čísla, přičemž každé číslo umístí do bitů nižšího řádu 32bitových registrů. V tomto případě není použito 24 nejvýznamnějších bitů registrů, a proto se ukazuje, že s jednou přidávací operací ADD se provede jednoduše sčítání dvou 8bitových čísel. Příkazy MMX pracují se 64 bity najednou, kam lze uložit osm 8bitových čísel, a je možné je přidat k dalším 8bitovým číslům v jedné operaci ADD. Registry MMX lze také použít k současnému přidání čtyř 16bitových slov nebo dvou 32bitových dlouhých slov. Tento princip se nazývá SIMD (Single Instruction / Multiple Data - „jeden instrukční tok / mnoho datových toků“). Nové příkazy měly hlavně zrychlit provádění multimediálních programů, ale používat je s multimediální technologií. V MMX se objevil nový typ aritmetiky - s nasycením: pokud se výsledek operace nevejde do bitové mřížky, pak nedojde k přetečení (nebo „proti přetečení“), ale k maximální (nebo minimální) možné hodnotě číslo je nastaveno.

Šestá generace procesorů pochází z Pentia Pro a pokračovala v procesorech Pentium III, Celeron a Xeon (od AMD mohou jako příklad posloužit procesory K6, K6-2, K6-2 +, K6-III). Základem je dynamické provádění, provádění příkazů není v předepsaném pořadí programový kód, ale v tom, jak to bude pro procesor výhodnější. Zde je třeba poznamenat, že mezi procesory páté a šesté generace existují podobnosti, konkrétně přidání rozšíření páté generace bylo doplněno rozšířením MMX, šestá generace obdržela rozšíření, která zvyšují možnosti MMX. AMD má toto rozšíření 3dNnoy! A Intel má SSE (Streaming SIMD Extensions).

Sedmá generace začala procesorem Athlon od AMD. Procesor měl vlastnosti podmiňující vývoj superskalita a super potrubí... Později Intel také vydal svůj procesor sedmé generace Pentium 4.

2. Výrobní technologie

V současné době můžeme na trhu pozorovat zajímavý trend: na jedné straně se výrobní společnosti snaží do svých produktů rychle zavádět nové technické postupy a technologie, na straně druhé dochází k umělému omezení růstu frekvencí procesorů. Důvodem je skutečnost, že ovlivňuje pocit neúplné připravenosti trhu na další změnu rodiny procesorů a výrobci dosud nezískali dostatečný zisk z prodeje nyní vyráběných procesorů. Zde je třeba poznamenat, že pro společnosti je cena hotového výrobku zásadní ve srovnání s jinými zájmy. ale velká důležitost snížení rychlosti vývoje mikroprocesorů je spojeno s pochopením potřeby zavádět nové technologie, které zvýší produktivitu s minimálním množstvím technologických nákladů

Při přechodu na nové technické procesy museli výrobci vyřešit řadu problémů. 90nm technologická norma se ukázala být významnou technologickou překážkou pro mnoho výrobců čipů. To potvrzuje TSMC, tato společnost se zabývá výrobou čipů pro mnoho významných výrobců na trhu, jmenovitě AMD, nVidia, ATI, VIA. Po dlouhou dobu nebyla schopná ladit výrobu čipů pomocí technologie 0,09 mikronů, což vedlo k nízkému výtěžku použitelných krystalů. To vedlo AMD k tomu, že vydání svých procesorů SOI (Silicon-on-Insulator) na delší dobu odložilo. To je dáno skutečností, že právě v této dimenzi prvků se objevily nevýhody, které nebyly dříve vnímatelné, jako jsou svodové proudy, velký rozptyl parametrů a exponenciální zvýšení uvolňování tepla. Jedním z alternativních řešení je použití technologie SOI silicon-on-insulator, kterou AMD nedávno představilo ve svých 64bitových procesorech. Stálo ji to však mnoho úsilí a překonání značného množství technologických bariér. Ale je třeba poznamenat, že tuto technologii má mnoho výhod, které mohou kompenzovat jeho nedostatky. Podstata této technologie je celkem logická - tranzistor je od křemíkového substrátu oddělen další tenkou izolační vrstvou. Mezi pozitivní vlastnosti patří. Absence nekontrolovaného pohybu elektronů pod kanálem tranzistoru, ovlivňující jeho elektrické charakteristiky - čas. Po dodání odblokovacího proudu do brány se doba ionizace kanálu do provozního stavu, až do okamžiku, kdy jím protéká provozní proud, sníží, což znamená zlepšení druhého klíčového parametru výkonu tranzistoru, času jeho zapnutí / vypnutí. Rovněž je možné stejnou rychlostí jednoduše snížit odblokovací proud - tři. Nebo najít nějaké řešení mezi možností zvýšení rychlosti práce a možností snížení napětí. Při zachování stejného odblokovacího proudu může být zvýšení výkonu tranzistoru až o 30%, pokud ponecháte frekvenci na stejné úrovni s důrazem na úsporu energie, v tomto případě může být výkon až 50%. V důsledku toho se charakteristiky kanálu stanou předvídatelnějšími a samotný tranzistor se stane odolnějším vůči sporadickým chybám, jejichž příkladem jsou kosmické částice vstupující do substrátu kanálu a neočekávaně ionizující. Když se dostanou do substrátu umístěného pod izolační vrstvou, nijak neovlivňují činnost tranzistoru. Jedinou nevýhodou SOI je to, že je nutné zmenšit hloubku oblasti emitor / kolektor, což má za následek zvýšení jejího odporu při zmenšování tloušťky.

Dalším důvodem, který přispěl ke zpomalení tempa růstu frekvencí, je nízká aktivita výrobců na trhu. Například každá společnost AMD pracovala na rozsáhlém zavedení 64bitových procesorů, Intel během tohoto období vylepšil nový technický proces, ladění pro zvýšení výtěžku použitelných krystalů.

Zavádění nových technologií do technických procesů je zřejmé, ale pro technology je to pokaždé obtížnější. První procesory Pentium (1993) byly vyrobeny podle technologické technologie 0,8 µm, poté po 0,6 µm. V roce 1995 byla poprvé použita pro procesory 6. generace procesní technologie 0,35 mikronů. V roce 1997 se změnil na 0,25 mikronů a v roce 1999 na 0,18 mikronů. Moderní procesory jsou vyráběny podle 0,13 a 0,09 mikronové technologie zavedené v roce 2004.

Je nutné popsat samotnou strukturu tranzistoru, a to tenkou vrstvu oxidu křemičitého, izolátor umístěný mezi bránou a kanálem a vykonávající funkci bariéry pro elektrony, zabraňující úniku hradlového proudu. V souladu s tím platí, že čím je tato vrstva tlustší, tím lépe plní své izolační funkce, ale je nedílnou součástí kanálu a není neméně zřejmé, že pokud se výrobci chystají zmenšit délku kanálu (velikost tranzistoru), pak jeho tloušťka musí být redukována velmi rychlým tempem. Za posledních několik desetiletí byla tloušťka této vrstvy v průměru asi 1/45 celé délky kanálu. Ale tento proces má svůj konec - jak tvrdil stejný Intel, pokud budete i nadále používat SiO2, jako tomu bylo za posledních 30 let, minimální tloušťka vrstvy bude 2,3. nm, jinak se únik stane jednoduše nerealistickým. Až donedávna nebylo učiněno nic pro snížení úniku subkanálů, v současné době se situace začíná měnit, protože provozní proud spolu s dobou odezvy brány je jedním ze dvou hlavních parametrů charakterizujících rychlost tranzistoru a únik ve vypnutém stavu se na něm přímo odráží (na udržení požadované účinnosti tranzistoru). Je tedy nutné zvýšit provozní proud se všemi následnými důsledky.

Hlavní fáze výroby

Výroba mikroprocesoru je složitý proces, který zahrnuje více než 300 fází. Mikroprocesory se vytvářejí na povrchu tenkých kruhových křemíkových destiček - substrátů, jako výsledek určité posloupnosti různých procesů zpracování využívajících chemikálie, plyny a ultrafialové záření.

Substráty mají obvykle průměr 200 milimetrů. Intel však již přešel na 450mm oplatky. Přechod na desky s větším průměrem sníží náklady na výrobu mikroobvodů, zvýší energetickou účinnost a sníží emise škodlivých plynů do atmosféry. Plocha 450 mm oplatek je více než dvojnásobná než u 300 mm oplatek. Výsledkem je, že z jednoho 450 mm podkladu lze vyrobit dvakrát tolik hotových výrobků.

Oplatky jsou vyrobeny ze silikonu, který je rafinován, taven a pěstován do dlouhých válcových krystalů. Krystaly jsou poté rozřezány na tenké desky a leštěny, dokud jejich povrchy nejsou zrcadlově hladké a bez vad. Poté se postupně provádí cyklicky se opakující tepelná oxidace, fotolitografie, difúze nečistot, epitaxe.

Při výrobě mikroobvodů se na prázdné desky nanášejí nejtenčí vrstvy materiálů ve formě pečlivě vypočítaných vzorů. Jedna deska pojme až několik stovek mikroprocesorů. Celý proces výrobních procesorů lze rozdělit do několika fází: pěstování oxidu křemičitého a vytváření vodivých oblastí, testování a výroba.

Pěstování oxidu křemičitého a vytváření vodivých oblastí

Proces výroby mikroprocesoru začíná „pěstováním“ izolační vrstvy oxidu křemičitého na povrchu leštěné desky. Tato fáze se provádí v elektrické troubě při velmi vysoké teplotě. Tloušťka vrstvy oxidu závisí na teplotě a čase, který deska v troubě stráví.

Následuje fotolitografie - proces, během kterého se na povrchu desky vytvoří schematický výkres. Nejprve se na desku nanese dočasná vrstva fotosenzitivního materiálu - fotorezistu, na který se pomocí ultrafialového záření promítne obraz průhledných oblastí šablony nebo fotomasky. Masky jsou vyráběny během návrhu procesoru a používají se ke generování schémat obvodů v každé vrstvě procesoru. Pod vlivem záření se osvětlené oblasti fotovrstvy rozpustí a odstraní se pomocí rozpouštědla (kyseliny fluorovodíkové), čímž se pod ním odhalí oxid křemičitý.

Exponovaný oxid křemičitý se odstraní procesem nazývaným leptání. Poté se odstraní zbývající fotovrstva, v důsledku čehož na polovodičové destičce zůstane vzorek oxidu křemičitého. V důsledku řady dalších operací fotolitografie a leptání se na oplatku nanáší také polykrystalický křemík s vlastnostmi vodiče. Během další operace, zvané „doping“, jsou exponované oblasti křemíkové destičky bombardovány ionty různých chemických prvků, které v křemíku vytvářejí negativní a kladné náboje, které mění elektrickou vodivost těchto oblastí.

Vkládání nových vrstev s následným leptáním obvodu se provádí několikrát, zatímco pro mezivrstevná spojení ve vrstvách zůstávají „okna“, která jsou vyplněna kovem a tvoří elektrická spojení mezi vrstvami. Intel ve svém 0,13 mikronovém výrobním procesu použil měděné vodiče. Intel použil hliník ve svém 0,18 mikronovém výrobním procesu a procesech předchozí generace. Měď i hliník jsou dobrými vodiči elektřiny. Při použití 0,18 mikronového technického postupu bylo použito 6 vrstev, přičemž při zavedení 90 nm technického postupu v roce 2004 bylo použito 7 vrstev křemíku.

Každá vrstva procesoru má svůj vlastní vzorec, společně všechny tyto vrstvy tvoří trojrozměrný elektronický obvod. Aplikace vrstev se opakuje 20 - 25krát během několika týdnů.

Testování

Aby křemíkové oplatky odolaly namáhání, kterému jsou substráty během nanášení vrstev vystaveny, musí být zpočátku dostatečně silné. Před řezáním desky na samostatné mikroprocesory se proto její tloušťka speciálními postupy zmenší o 33% a ze zadní strany se odstraní nečistoty. Poté je na zadní stranu „zpracované“ desky nanesena vrstva speciálního materiálu, což zlepšuje následné upevnění krystalu k pouzdru. Tato vrstva po sestavení zajišťuje elektrický kontakt mezi zadním povrchem integrovaného obvodu a obalem.

Poté se deska testuje, aby se zkontrolovala kvalita všech operací zpracování. K určení správnosti procesoru se kontrolují jejich jednotlivé součásti. Pokud je detekována porucha, získaná data jsou analyzována za účelem identifikace stádia, ve kterém k chybě došlo.

Elektrické sondy jsou poté připojeny ke každému procesoru a napájeny. Procesory jsou testovány počítačem, určuje, zda vlastnosti vyráběných procesorů splňují stanovené parametry.

Výroba pouzdra

Po testování jsou oplatky odeslány do montážního závodu, kde jsou pomocí speciální přesné pily rozřezány na malé obdélníky, z nichž každý obsahuje integrovaný obvod. Nepracující krystaly jsou vyřazeny.

Poté je každý krystal umístěn do samostatného pouzdra. Pouzdro chrání krystal před vnějšími vlivy a zajišťuje jeho elektrické připojení k desce, na kterou bude instalován. Drobné kuličky pájky, umístěné v konkrétních bodech krystalu, jsou připájeny k elektrickým vodičům obalu. V této fázi mohou elektrické signály proudit z desky na čip a naopak.

Po instalaci krystalu do pouzdra se procesor znovu testuje, aby se určil jeho výkon. Vadné procesory jsou vyřazeny a provozuschopné procesory jsou podrobeny zátěžovým testům: vlivům různých teplotních a vlhkostních podmínek a také elektrostatickým výbojům. Po každém zátěžovém testu je procesor testován, aby se zjistil jeho funkční stav. Poté jsou procesory seřazeny podle jejich chování při různých hodinových frekvencích a napájecích napětích.

3. Technologické etapy výroby mikroprocesorů

Jak se dělají chipsy

Výroba čipů zahrnuje ukládání tenkých vrstev se složitým „vzorem“ na křemíkové substráty. Nejprve se vytvoří izolační vrstva, která funguje jako elektrická závěrka. Substráty jsou rozřezány na jeden krystalový válec s tenkými „plackami“, takže později mohou být snadno rozřezány na samostatné krystaly procesoru. K testování každého krystalu na substrátu se používají elektrické sondy. Nakonec se substrát rozřeže na jednotlivá jádra, nepracující jádra se okamžitě vyřadí. V závislosti na vlastnostech se jádro stane jedním nebo druhým procesorem a je zabaleno v balíčku, který usnadňuje instalaci procesoru na základní deska... Všechny funkční bloky procházejí intenzivními zátěžovými testy.

Vše začíná substráty

První krok ve výrobě procesorů se provádí v čisté místnosti. Nutno podotknout, že se jedná o velmi kapitálově náročnou produkci. Na výstavbu moderního závodu s veškerým vybavením lze utratit více než 2–3 miliardy USD. Pouze po úplném seřízení a testování zařízení může závod vyrábět procesory v sérii.

Proces výroby čipů obecně sestává ze série kroků zpracování substrátu. To zahrnuje vytvoření samotných substrátů, které budou následně rozřezány na jednotlivé krystaly.

Výroba substrátu

První fází je pěstování jediného krystalu. Za tímto účelem je zárodečný krystal zapuštěn do lázně roztaveného křemíku, která se nachází těsně nad bodem tání polykrystalického křemíku. Je důležité, aby krystaly rostly pomalu asi jeden den, aby se zajistilo, že jsou atomy ve správném uspořádání. Polykrystalický nebo amorfní křemík se skládá z mnoha různých krystalů, které povedou k nežádoucím povrchovým strukturám se špatnými elektrickými vlastnostmi.

Jakmile je křemík roztaven, může být dopován jinými látkami, které mění jeho elektrické vlastnosti. Celý proces probíhá v uzavřené místnosti se speciálním vzduchovým složením, aby křemík neoxidoval.

Monokrystal se krájí na „palačinky“ pomocí kruhové vysoce přesné diamantové pily, která na povrchu substrátů nevytváří velké nerovnosti. V tomto případě není povrch substrátů stále dokonale plochý, takže jsou nutné další operace. Vzhled monokrystalů lze vidět na obrázku 1.

Rýže. 1. Vzhled jediného krystalu

Nejprve se pomocí rotujících ocelových desek a brusiva na bázi oxidu hlinitého ze substrátů odstraní silná vrstva (tento proces se nazývá lapování). V důsledku toho jsou eliminovány nepravidelnosti v rozsahu od 0,05 mm do přibližně 0,002 mm (2000 nm). Poté zaoblete okraje každé podložky, protože ostré hrany mohou odlepovat vrstvy. Dále se používá proces leptání, při použití různých chemikálií (kyselina fluorovodíková, kyselina octová, kyselina dusičná) je povrch vyhlazen o dalších 50 mikronů více. Fyzicky se povrch nezhoršuje, protože celý proces je zcela chemický. Umožňuje vám odstranit zbývající chyby v krystalové struktuře, v důsledku čehož bude povrch blízko ideálu.

Posledním krokem je leštění, které vyhladí povrch do drsnosti, maximálně 3 nm. Leštění se provádí pomocí směsi hydroxidu sodného a granulovaného oxidu křemičitého.

V současné době mají substráty mikroprocesorů průměr 300 mm nebo 450 mm, což umožňuje výrobcům čipů získat od každého z nich více procesorů. Obecně platí, že čím větší je průměr substrátu, tím více lze vyrobit třísek stejné velikosti. Například 300 mm substrát poskytuje více než dvojnásobný počet procesorů než 200 mm.

Doping a difúze

Doping se provádí jak s hotovým substrátem, tak během fotolitografických procesů. To umožňuje změnit elektrické vlastnosti určitých oblastí a vrstev, a nikoli celou strukturu krystalu.

Dopant může být přidán difúzí. Atomy dopantu vyplňují volný prostor uvnitř krystalové mřížky mezi křemíkovými strukturami. V některých případech lze legovat i stávající strukturu. Difúze se provádí pomocí plynů (dusíku a argonu) nebo pomocí pevných látek nebo jiných zdrojů příměsi.

Vytvořte masku

K vytváření sekcí integrovaného obvodu se používá proces fotolitografie. V tomto případě není nutné ozařovat celý povrch substrátu, v takových případech je důležité použít takzvané masky, které přenášejí vysoce intenzivní záření pouze do určitých oblastí. Masky lze přirovnat k černobílému negativu. Integrované obvody mají mnoho vrstev (20 a více) a každá vrstva vyžaduje vlastní masku.

Struktura tenkého chromového filmu je nanesena na povrch desky z křemenného skla a vytváří vzor. Současně drahé nástroje využívající tok elektronů nebo laser předepisují potřebná IC data, v důsledku čehož se na povrchu křemenného substrátu získá chromový vzor. Je třeba poznamenat, že jakákoli změna v integrovaném obvodu vede k potřebě vyrábět nové masky, takže celý proces provádění úprav je velmi nákladný.

Fotografická fotografie umožňuje vytvořit strukturu na silikonovém substrátu. Proces se několikrát opakuje, dokud se nevytvoří mnoho vrstev. Vrstvy mohou zahrnovat různé materiály, zde je také zajištěno spojení s mikroskopickými dráty. Před zahájením procesu fotolitografie se substrát vyčistí a zahřeje, aby se odstranily lepkavé částice a voda. V další fázi je substrát pomocí speciálního zařízení potažen oxidem křemičitým. Dále se na substrát nanese pojivo, které zajistí, že materiál fotorezistu, který má být aplikován v dalším kroku, zůstane na substrátu. Materiál fotorezistu se nanese na střed substrátu, který se pak začne otáčet vysokou rychlostí, takže je vrstva rovnoměrně rozložena po celém povrchu substrátu. Poté se substrát znovu zahřeje. Proces fotolitografie je znázorněn na obrázku 2.

Rýže. 2. Proces fotolitografie

Poté je kryt maskou ozařován kvantovým laserem, tvrdým ultrafialovým zářením, rentgenovými paprsky, paprsky elektronů nebo iontů - všechny tyto zdroje světla nebo energie lze použít. Elektronové paprsky se používají hlavně k vytváření masek, rentgenových a iontových paprsků pro výzkumné účely a v průmyslové výrobě dnes dominuje tvrdé UV záření a plynové lasery.

Tvrdé UV záření o vlnové délce 13,5 nm ozařuje materiál fotorezistu při průchodu maskou. Pro požadované výsledky jsou velmi důležité časy projekce a zaostření. Špatné zaostření zanechá další částice materiálu fotorezistu, protože některé otvory v masce nebudou řádně ozářeny. Podobná situace dopadne, pokud je doba projekce příliš krátká. Pak bude struktura materiálu fotorezistu příliš široká, oblasti pod otvory budou podexponované. Nadměrná doba projekce však vytváří příliš velké plochy pod otvory a příliš úzkou strukturu materiálu fotorezistu. V tom je složitost regulace výrobního procesu. Nesprávné nastavení způsobí vážné odchylky v připojovacích vodičích. Speciální krokovací projekční zařízení pohybuje substrátem v požadované poloze. Poté můžete promítnout řádek nebo jednu sekci, ve většině případů odpovídající jednomu krystalu procesoru. Další mikroinstalace mohou provést další změny. Můžete například ladit stávající technologii a optimalizovat technický proces. Mikroinstalace obvykle fungují na plochách menších než 1 m2. mm, zatímco konvenční instalace pokrývají větší plochy.

Existují oblasti mokrého a suchého leptání, které ošetřují oblasti oxidu křemičitého. Mokré procesy používají chemické sloučeniny a suché procesy používají plyn. Samostatným procesem je odstranění zbytků materiálu fotorezistu. Výrobci často kombinují mokré a suché odstraňování, takže materiál fotorezistu je zcela odstraněn. To je důležité, protože materiál fotorezistu je organický a pokud není odstraněn, může vést k vadám na substrátu.

Po leptání a čištění můžete přistoupit ke kontrole substrátu, což se obvykle stává v každé důležité fázi, nebo přenést substrát do nového cyklu fotolitografie. Kontrola substrátů je znázorněna na obrázku 3.

Rýže. 3. Kontrola podkladů

Testování hotových substrátů se provádí na instalacích řízení sond, které pracují s celým substrátem. Kontakty sondy jsou položeny na kontakty každého krystalu, což umožňuje provádět elektrické testy. Používáním software jsou testovány všechny funkce každého jádra. Proces řezání substrátu je znázorněn na obrázku 4.

Rýže. 4. Proces řezání substrátu

Řezáním podpory se získají jednotlivá jádra. Pokud jsou detekovány vadné krystaly (obsahující chyby), jsou odděleny od dobrých. Dříve byly poškozené krystaly fyzicky označeny, nyní to není potřeba, všechny informace jsou uloženy v jediné databázi.

Dále musí být funkční jádro vloženo do balíčku procesoru, pro který je použit adhezivní materiál. Poté musíte provést drátová spojení spojující nohy obalu a samotný krystal (obrázek 5). K tomu se používají zlaté, hliníkové nebo měděné spoje.

Rýže. 5. Kabelové připojení substrátu

Většina moderních procesorů používá plastové obaly s rozvod tepla... Zejména je jádro zabaleno do keramických nebo plastových obalů, což pomáhá předcházet mechanickému poškození. Moderní procesory jsou vybaveny rozdělovačem tepla, zařízeními zajišťujícími odvod tepla a ochranou proti čipům (obrázek 6).

Rýže. 6. Balení procesoru

Posledním krokem je testování procesoru, které probíhá při zvýšených teplotách, v souladu se specifikacemi procesoru. Procesor se automaticky nainstaluje do testovací zásuvky, poté se analyzují všechny potřebné funkce.

Jak se vyrábějí mikroobvody

Abychom pochopili, jaký je hlavní rozdíl mezi těmito dvěma technologiemi, je nutné udělat krátký exkurz do samotné technologie výroby moderních procesorů nebo integrovaných obvodů.

Jak je známo ze školního kurzu fyziky, v moderní elektronice jsou hlavními součástmi integrovaných obvodů polovodiče typu p a n (v závislosti na typu vodivosti). Polovodič je látka, která svou vodivostí překonává dielektrikum, ale je horší než kovy. Základem obou typů polovodičů může být křemík (Si), který ve své čisté formě (tzv. Vnitřní polovodič) nevede dobře elektrický proud, ale přidání (zavedení) určité nečistoty do křemíku umožňuje radikálně změnit své vodivé vlastnosti. Existují dva typy nečistot: dárce a příjemce. Donorová nečistota vede k tvorbě polovodičů typu n s elektronickým typem vodivosti a akceptorová nečistota vede k tvorbě polovodičů typu p s otvorovým typem vodivosti. Kontakty p a n polovodičů umožňují vytvářet tranzistory- hlavní strukturální prvky moderních mikroobvodů. Takové tranzistory, nazývané CMOS tranzistory, mohou být ve dvou základních stavech: otevřené, když vedou elektrický proud, a uzavřené, když nevedou elektrický proud. Protože tranzistory CMOS jsou hlavními prvky moderních mikroobvodů, pojďme si o nich promluvit podrobněji.

Jak funguje CMOS tranzistor

Nejjednodušší tranzistor CMOS typu n má tři elektrody: zdroj, hradlo a odtok. Samotný tranzistor je vyroben v polovodiči typu p s vodivostí děr a v odtokových a zdrojových oblastech jsou vytvořeny polovodiče typu n s elektronickou vodivostí. Přirozeně v důsledku difúze děr z oblasti p do oblasti n a zpětné difúze elektronů z oblasti n do oblasti p se vytvářejí ochuzené vrstvy (vrstvy, ve kterých nejsou žádné velké nosiče náboje) na hranicích přechodů p- a n-oblastí. V normálním stavu, to znamená, že když na bránu není přivedeno žádné napětí, je tranzistor v „uzamčeném“ stavu, to znamená, že není schopen vést proud ze zdroje do odtoku. Situace se nemění, i když mezi odtok a zdroj aplikujeme napětí (v tomto případě nebereme v úvahu svodové proudy způsobené pohybem pod vlivem generovaných elektrických polí menšinových nosičů náboje, že tj. otvory pro n-oblast a elektrony pro p-oblast).

Pokud je však na bránu aplikován kladný potenciál (obr. 1), pak se situace radikálně změní. Pod vlivem elektrického pole brány jsou otvory zasunuty hluboko do p-polovodiče a elektrony jsou naopak vtaženy do oblasti pod bránou a vytvářejí elektronicky obohacený kanál mezi zdrojem a odtokem. Když je na bránu přivedeno kladné napětí, začnou se tyto elektrony pohybovat od zdroje k odtoku. V tomto případě tranzistor vede proud - říkají, že tranzistor se „otevírá“. Pokud je z brány odstraněno napětí, elektrony přestanou být vtahovány do oblasti mezi zdrojem a odtokem, vodivý kanál je zničen a tranzistor přestane procházet proudem, to znamená, že je „zablokován“. Změnou napětí na bráně tedy můžete otevřít nebo vypnout tranzistor stejným způsobem, jakým můžete zapnout nebo vypnout konvenční kolébkový spínač, který ovládá průchod proudu obvodem. Proto se někdy tranzistorům říká elektronické spínače. Na rozdíl od konvenčních mechanických spínačů jsou CMOS tranzistory prakticky bez setrvačnosti a jsou schopné přecházet z otevřeného do uzavřeného stavu na bilionykrát za sekundu! Právě tato charakteristika, tedy schopnost okamžitého přepínání, v konečném důsledku určuje rychlost procesoru, který se skládá z desítek milionů takto nejjednodušších tranzistorů.

Moderní integrovaný obvod se tedy skládá z desítek milionů nejjednodušších tranzistorů CMOS. Zastavme se podrobněji u procesu výroby mikroobvodů, jehož první fází je výroba křemíkových substrátů.

Krok 1. Pěstování polotovarů

Vytváření takových substrátů začíná růstem cylindrického křemíkového monokrystalu. Tyto monokrystalické sochory se poté rozřezají na oplatky o tloušťce přibližně 1/40 palce a průměru 200 mm (8 palců) nebo 300 mm (12 palců). Jedná se o křemíkové substráty používané pro výrobu mikroobvodů.

Při vytváření oplatek z křemíkových monokrystalů se bere v úvahu skutečnost, že u ideálních krystalových struktur fyzikální vlastnosti do značné míry závisí na zvoleném směru (vlastnost anizotropie). Například odpor křemíkového substrátu se bude lišit v podélném a příčném směru. Podobně v závislosti na orientaci krystalové mřížky bude křemíkový krystal reagovat odlišně na jakékoli vnější vlivy spojené s jeho dalším zpracováním (například leptání, naprašování atd.). Proto musí být deska vyříznuta z monokrystalu takovým způsobem, aby orientace krystalové mřížky vzhledem k povrchu byla přísně udržována v určitém směru.

Jak již bylo uvedeno, průměr křemíkového monokrystalového předlisku je buď 200 nebo 300 mm. Průměr 300 mm je navíc relativně novou technologií, o které budeme diskutovat níže. Je zřejmé, že deska tohoto průměru pojme daleko více než jeden mikroobvod, i když mluvíme o procesoru Intel Pentium 4. Na jednom takovém oplatkovém substrátu je skutečně vytvořeno několik desítek mikroobvodů (procesorů), ale pro jednoduchost jsme bude uvažovat pouze procesy vyskytující se na malé ploše jednoho budoucího mikroprocesoru.

Krok 2. Nanesení ochranné dielektrické fólie (SiO2)

Po vzniku křemíkového substrátu začíná fáze vytváření nejsložitější polovodičové struktury.

K tomu je nutné zavést do křemíku takzvané donorové a akceptorové nečistoty. Nabízí se však otázka - jak implementovat zavádění nečistot podle přesně daného vzoru vzoru? Aby to bylo možné, jsou oblasti, kde není nutné zavádět nečistoty, chráněny speciálním filmem z oxidu křemičitého, přičemž zůstanou vystaveny pouze ty oblasti, které jsou podrobeny dalšímu zpracování (obr. 2). Proces vytváření takového ochranného filmu požadovaného vzoru se skládá z několika fází.

V první fázi je celá křemíková oplatka zcela pokryta tenkým filmem oxidu křemičitého (SiO2), který je velmi dobrým izolantem a při dalším zpracování křemíkového krystalu působí jako ochranný film. Oplatky jsou umístěny do komory, kde za vysoké teploty (od 900 do 1100 ° C) a tlaku kyslík difunduje do povrchových vrstev oplatky, což vede k oxidaci křemíku a tvorbě povrchového filmu oxidu křemičitého. Aby měl film oxidu křemičitého přesně specifikovanou tloušťku a neobsahoval defekty, je nutné během oxidačního procesu přísně udržovat konstantní teplotu ve všech bodech oplatky. Pokud není celá oplatka pokryta filmem oxidu křemičitého, pak se na silikonový substrát nejprve nanese maska Si3N4, aby se zabránilo nežádoucí oxidaci.

Krok 3. Použití fotorezistu

Poté, co je křemíkový substrát pokryt ochranným filmem oxidu křemičitého, je nutné tento film odstranit z míst, která budou podrobena dalšímu zpracování. Odstranění filmu se provádí leptáním a k ochraně zbývajících oblastí před leptáním se na povrch oplatky nanese vrstva takzvaného fotorezistu. Termín "fotorezisty" se týká formulací, které jsou citlivé na světlo a odolné vůči agresivním faktorům. Aplikované kompozice by měly mít na jedné straně určité fotografické vlastnosti (pod vlivem ultrafialového světla se stanou rozpustnými a během procesu leptání se vymývají) a na druhé straně odporové, umožňující odolávat leptání kyselinami a alkálie, topení atd. Hlavním účelem fotorezistorů je vytvořit ochranný reliéf požadované konfigurace.

Proces nanášení fotorezistu a jeho další ozáření ultrafialovým světlem podle daného vzoru se nazývá fotolitografie a zahrnuje následující základní operace: vytvoření vrstvy fotorezistu (zpracování substrátu, aplikace, sušení), vytvoření ochranné reliéf (expozice, vývoj, sušení) a přenos obrazu na substrát (lept, naprašování atd.).

Před nanesením vrstvy fotorezistu (obr. 3) na substrát se tento substrát předem upraví, čímž se zlepší jeho přilnavost k vrstvě fotorezistu. Metoda odstřeďování se používá k nanesení rovnoměrné vrstvy fotorezistu. Substrát je umístěn na rotující kotouč (odstředivka) a pod vlivem odstředivých sil je fotorezist distribuován po povrchu substrátu v téměř rovnoměrné vrstvě. (Když mluvíme o prakticky rovnoměrné vrstvě, je třeba vzít v úvahu skutečnost, že působením odstředivých sil se tloušťka výsledného filmu zvyšuje od středu k okrajům; tento způsob aplikace fotorezistu však umožňuje odolávat kolísání tloušťky vrstvy v rozmezí ± 10%.)

Krok 4. Litografie

Po aplikaci a zaschnutí vrstvy fotorezistu začíná fáze tvorby potřebného ochranného reliéfu. Reliéf je vytvořen v důsledku skutečnosti, že působením ultrafialového záření dopadajícího na určité oblasti vrstvy fotorezistu tato mění vlastnosti rozpustnosti, například osvětlené oblasti se přestanou rozpouštět v rozpouštědle, čímž se odstraní oblasti vrstvy, která nebyla vystavena světlu, nebo naopak - osvětlené oblasti se rozpustí. Podle způsobu vytváření reliéfu jsou fotorezisty rozděleny na negativní a pozitivní. Negativní fotorezisty pod vlivem ultrafialového záření tvoří ochranné oblasti reliéfu. Na druhou stranu, pozitivní fotorezisty, když jsou vystaveny ultrafialovému záření, získávají tokové vlastnosti a jsou vymyty rozpouštědlem. V souladu s tím je ochranná vrstva vytvořena v těch oblastech, které nejsou vystaveny ultrafialovému záření.

K osvětlení požadovaných oblastí vrstvy fotorezistu se používá speciální šablona masky. K tomuto účelu se nejčastěji používají optické skleněné desky s neprůhlednými prvky získanými fotografickými nebo jinými způsoby. Ve skutečnosti taková šablona obsahuje kresbu jedné z vrstev budoucího mikroobvodu (takových vrstev může být celkem několik stovek). Protože tato šablona je referencí, musí být provedena s velkou přesností. Kromě toho, s ohledem na skutečnost, že z jedné fotomasky bude vyrobeno mnoho fotografických desek, musí být trvanlivá a odolná proti poškození. Je tedy zřejmé, že fotomaska je velmi drahá věc: v závislosti na složitosti mikroobvodu může stát desítky tisíc dolarů.

Ultrafialové záření procházející takovou šablonou (obr. 4) osvětluje pouze požadované oblasti povrchu vrstvy fotorezistu. Po ozařování prochází fotoodpor vývojem, v důsledku kterého jsou odstraněny nepotřebné části vrstvy. Tím se otevře odpovídající část vrstvy oxidu křemičitého.

I přes zdánlivou jednoduchost fotolitografického procesu je právě tato fáze výroby mikroobvodů nejobtížnější. Faktem je, že v souladu s Moorovou předpovědí se počet tranzistorů na jednom mikroobvodu exponenciálně zvyšuje (zdvojnásobuje se každé dva roky). Takové zvýšení počtu tranzistorů je možné pouze díky snížení jejich velikosti, ale je to právě pokles, který „spočívá“ na litografickém procesu. Aby byly tranzistory menší, je nutné zmenšit geometrické rozměry čar aplikovaných na vrstvu fotorezistu. Všechno ale má své omezení - zaostřit laserový paprsek na bod není tak snadné. Faktem je, že v souladu se zákony vlnové optiky je minimální velikost bodu, na který je laserový paprsek zaostřen (ve skutečnosti to není jen bod, ale difrakční obrazec), mimo jiné určena délka světelné vlny. Vývoj litografické technologie od jejího vynálezu na počátku 70. let byl ve směru zmenšování vlnové délky světla. Díky tomu bylo možné zmenšit velikost prvků integrovaného obvodu. Od poloviny 80. let začala fotolitografie využívat ultrafialové záření produkované laserem. Myšlenka je jednoduchá: vlnová délka ultrafialového záření je kratší než vlnová délka viditelného světla, a proto je možné na povrchu fotorezistu získat tenčí čáry. Litografie donedávna používala hluboké ultrafialové záření (Deep Ultra Violet, DUV) s vlnovou délkou 248 nm. Když však fotolitografie překročila hranici 200 nm, nastaly vážné problémy, které poprvé zpochybnily možnost dalšího využití této technologie. Například na vlnových délkách menších než 200 mikronů je světlocitlivou vrstvou absorbováno příliš mnoho světla, takže proces přenosu šablony obvodu do procesoru se stává komplikovanějším a pomalejším. Tyto výzvy vedou výzkumníky a výrobce k hledání alternativ k tradiční litografické technologii.

Nová litografická technologie s názvem EUV litografie (Extreme UltraViolet) je založena na použití ultrafialového světla o vlnové délce 13 nm.

Přechod od DUV k EUV litografii poskytuje více než 10násobné snížení vlnové délky a přechod do rozsahu, kde je srovnatelný s velikostí pouze několika desítek atomů.

Aktuálně používaná litografická technologie umožňuje deponování šablony s minimální šířkou vodiče 100 nm, zatímco EUV litografie umožňuje tisk řádků mnohem menší šířky - až 30 nm. Ovládání ultrakrátkého záření není tak snadné, jak to zní. Protože záření EUV je dobře absorbováno sklem, nová technologie zahrnuje použití řady čtyř speciálních konvexních zrcadel, které zmenšují a zaostřují obraz získaný po aplikaci masky (obr. 5 ,,). Každé takové zrcadlo obsahuje 80 samostatných kovových vrstev o tloušťce přibližně 12 atomů.

Krok 5. Leptání

Po expozici vrstvy fotorezistu začíná fáze leptání, aby se odstranil film oxidu křemičitého (obr. 8).

Proces moření je často spojen s kyselými lázněmi. Tato metoda leptání kyselinou je dobře známá radioamatérům, kteří vyráběli desky s plošnými spoji svépomocí. Za tímto účelem se na textilní fólii s lakem nanese vzorek stop budoucí desky, který slouží jako ochranná vrstva, a poté se deska spustí do lázně s kyselinou dusičnou. Zbytečné oblasti fólie se odleptají a odhalí čistý textolit. Tato metoda má řadu nevýhod, z nichž hlavní je neschopnost přesně řídit proces odstraňování vrstvy, protože proces leptání ovlivňuje příliš mnoho faktorů: koncentrace kyseliny, teplota, konvekce atd. Kromě toho kyselina interaguje s materiálem ve všech směrech a postupně proniká pod okraj masky fotorezistu, to znamená, že zničí vrstvy pokryté fotorezistem ze strany. Proto se při výrobě procesorů používá metoda suchého leptání, nazývaná také plazma. Tato metoda vám umožňuje přesně řídit proces leptání a destrukce leptané vrstvy probíhá striktně ve vertikálním směru.

Suché leptání používá k odstranění oxidu křemičitého z povrchu destičky ionizovaný plyn (plazma) a reaguje s povrchem oxidu křemičitého za vzniku těkavých vedlejších produktů.

Po postupu leptání, to znamená, když jsou odkryty požadované oblasti čistého křemíku, se zbytek fotovrstvy odstraní. Na křemíkovém substrátu tedy zůstává obrazec oxidu křemičitého.

Krok 6. Difúze (iontová implantace)

Připomeňme, že předchozí proces vytváření požadovaného vzoru na křemíkovém substrátu byl nutný k vytvoření polovodičových struktur na správných místech zavedením donorové nebo akceptorové nečistoty. Proces zavádění nečistot se provádí difúzí (obr. 9) - rovnoměrným zavedením atomů nečistot do krystalové mřížky křemíku. K získání polovodiče typu n se obvykle používá antimon, arsen nebo fosfor. K získání polovodiče typu p se jako nečistota používá bór, gallium nebo hliník.

Pro difúzní proces dopantu se používá iontová implantace. Implantační proces spočívá v tom, že ionty požadované nečistoty jsou „vystřeleny“ z vysokonapěťového urychlovače a s dostatečnou energií pronikají do povrchových vrstev křemíku.

Takže na konci fáze iontové implantace byla vytvořena požadovaná vrstva polovodičové struktury. Mikroprocesory však mohou mít několik takových vrstev. K vytvoření další vrstvy ve výsledném diagramu se pěstuje další tenká vrstva oxidu křemičitého. Poté se nanese vrstva polykrystalického křemíku a další vrstva fotorezistu. Ultrafialové záření prochází druhou maskou a zvýrazňuje odpovídající vzor na fotografické vrstvě. Poté následují kroky rozpuštění foto vrstvy, leptání a iontová implantace.

Krok 7. Postřik a nanášení

Uložení nových vrstev se provádí několikrát, zatímco pro mezivrstevná spojení ve vrstvách zůstávají „okna“, která jsou vyplněna kovovými atomy; v důsledku toho se na krystalově vodivých oblastech vytvářejí kovové pruhy. V moderních procesorech je tedy navázáno spojení mezi vrstvami, které tvoří komplexní trojrozměrné schéma. Proces pěstování a zpracování všech vrstev trvá několik týdnů a samotný výrobní cyklus se skládá z více než 300 fází. V důsledku toho se na křemíkové destičce vytvoří stovky identických procesorů.

Aby křemíkové substráty odolaly namáhání, kterému jsou oplatky vystaveny během procesu nanášení vrstev, jsou zpočátku dostatečně silné. Proto se před rozřezáním oplatky na samostatné procesory zmenší její tloušťka o 33% a odstraní se znečištění ze zadní strany. Poté je na zadní stranu substrátu nanesena vrstva speciálního materiálu, což zlepšuje uchycení krystalu k skříni budoucího procesoru.

Krok 8. Konečná fáze

Na konci formovacího cyklu jsou všechny procesory důkladně testovány. Poté se ze substrátové desky pomocí speciálního zařízení vyříznou betonové, již testované krystaly (obr. 10).

Každý mikroprocesor je vložen do ochranného pouzdra, které také zajišťuje elektrické připojení mikroprocesorového čipu k externím zařízením. Typ skříně závisí na typu a zamýšleném použití mikroprocesoru.

Po utěsnění v pouzdru je každý mikroprocesor znovu testován. Vadné procesory jsou odmítnuty a opravitelné jsou podrobeny zátěžovým testům. Procesory jsou poté tříděny na základě jejich chování při různých taktech a napájecích napětích.

Pokročilé technologie

Technologický proces výroby mikroobvodů (zejména procesorů) je námi zvažován velmi zjednodušeným způsobem. Ale i tato povrchní prezentace nám umožňuje pochopit technologické potíže, se kterými se člověk musí potýkat při zmenšování velikosti tranzistorů.

Než však zvážíme nové slibné technologie, odpovězme si na otázku položenou na samém začátku článku: jaký je konstrukční standard technologického postupu a jak se ve skutečnosti konstrukční standard 130 nm liší od standardu 180 nm ? 130 nm nebo 180 nm je charakteristická minimální vzdálenost mezi dvěma sousedními prvky v jedné vrstvě mikroobvodu, tj. Jakýsi stupeň mřížky, ke kterému jsou prvky mikroobvodu vázány. Přitom je zcela zřejmé, že čím je tato charakteristická velikost menší, tím více tranzistorů lze umístit na stejnou oblast mikroobvodu.

V současné době se při výrobě procesorů Intel používá 0,13 mikronový výrobní proces. Tato technologie se používá k výrobě procesoru Intel Pentium 4 s jádrem Northwood, procesoru Intel Pentium III s jádrem Tualatin a procesoru Intel Celeron. V případě použití takového technologického postupu je efektivní šířka kanálu tranzistoru 60 nm a tloušťka vrstvy oxidů brány nepřesahuje 1,5 nm. Celkově procesor Intel Pentium 4 obsahuje 55 milionů tranzistorů.

Spolu se zvýšením hustoty tranzistorů v krystalu procesoru má technologie 0,13 mikronů, která nahradila technologii 0,18 mikronů, další inovace. Nejprve využívá měděné spoje mezi jednotlivými tranzistory (v technologii 0,18 mikronu byly spoje hliníkové). Za druhé, technologie 0,13 mikronu poskytuje nižší spotřebu energie. U mobilních technologií to například znamená, že se sníží spotřeba energie mikroprocesorů a prodlouží se životnost baterie.

Poslední novinkou, která byla implementována při přechodu na 0,13 mikronový technologický postup, je použití křemíkových destiček (oplatky) o průměru 300 mm. Připomeňme, že předtím byla většina procesorů a mikroobvodů vyráběna na bázi 200 mm oplatek.

Zvětšení průměru desek vám umožní snížit náklady na každý procesor a zvýšit výnos produktů správné kvality. Plocha desky o průměru 300 mm je 2,25krát větší než plocha desky o průměru 200 mm a počet procesorů získaných z jedné desky o průměru 300 mm mm je více než dvakrát větší.

V roce 2003 se očekává zavedení nového technologického postupu s ještě nižším konstrukčním standardem, konkrétně 90 nanometrovým. Nový výrobní proces, který Intel použije k výrobě většiny svých produktů, včetně procesorů, čipových sad a komunikačních zařízení, byl vyvinut v pilotním závodě Intel 300mm wafer D1C v Hillsboro, Oregon.

23. října 2002 společnost Intel oznámila otevření nového závodu za 2 miliardy dolarů v Rio Rancho v Novém Mexiku. Nový závod nazvaný F11X bude využívat nejmodernější technologie k výrobě procesorů na 300mm oplatkách pomocí procesu návrhové rychlosti 0,13 mikronu. V roce 2003 bude závod převeden do technologického procesu s konstrukčním standardem 90 nm.

Intel již navíc oznámil obnovení stavby na Fab 24 v irském Lakeslipu, který bude vyrábět polovodičové součástky na 300mm křemíkových destičkách s 90nm designovým pravidlem. Nový podnik o celkové ploše více než 1 milion čtverečních metrů M. ft. s ultra čistými místnostmi o rozloze 160 tisíc metrů čtverečních. ft. se očekává, že bude v provozu v první polovině roku 2004 a bude zaměstnávat více než tisíc zaměstnanců. Náklady na zařízení jsou asi 2 miliardy dolarů.

90nm proces využívá řadu pokročilých technologií. Je to také nejmenší komerčně dostupný CMOS tranzistor na světě s délkou hradla 50 nm (obr. 11), který poskytuje zvýšený výkon při současném snížení spotřeby energie a nejtenčí oxidovou vrstvu brány ze všech dosud vyrobených tranzistorů - pouhých 1,2 nm (obrázek 12) ), nebo méně než 5 atomových vrstev, a první implementace vysoce výkonné napínané silikonové technologie v oboru.

Z uvedených charakteristik snad komentář k pojmu „napjatý křemík“ potřebuje komentář (obr. 13). V takovém křemíku je vzdálenost mezi atomy větší než v konvenčním polovodiči. To zase umožňuje, aby proud proudil volněji, stejně jako se provoz pohybuje volněji a rychleji na silnici s širšími jízdními pruhy.

V důsledku všech inovací se výkon tranzistorů zlepšil o 10–20%, přičemž výrobní náklady vzrostly pouze o 2%.

Navíc 90nm proces využívá sedm vrstev na čip (obrázek 14), o jednu vrstvu více než 130nm proces a měděné spoje.

Všechny tyto funkce v kombinaci s 300mm křemíkovými destičkami poskytují společnosti Intel zisky ve výkonu, objemu a nákladech. Spotřebitelé z toho také těží, protože nový technologický proces společnosti Intel pokračuje v růstu průmyslu v souladu s Moorovým zákonem a současně stále znovu zlepšuje výkon procesoru.

Výroba mikroobvodů je velmi obtížný byznys a uzavřenost tohoto trhu je dána především zvláštnostmi dnes dominantní technologie fotolitografie. Mikroskopické elektronické obvody jsou promítány na křemíkovou oplatku prostřednictvím fotomasek, z nichž každá může stát až 200 000 USD. Na výrobu jednoho čipu je mezitím zapotřebí alespoň 50 takových masek. Když k tomu připočtete náklady na pokus a omyl při vývoji nových modelů, uvědomíte si, že pouze velmi velké společnosti mohou vyrábět procesory ve velmi velkém množství.

Ale co vědecké laboratoře a high-tech startupy, které potřebují nestandardní schémata? Jak být vojákem, pro kterého není, mírně řečeno, nákup procesorů od „potenciálního nepřítele“ comme il faut?

Navštívili jsme ruský výrobní závod nizozemské společnosti Mapper, díky kterému může výroba mikroobvodů přestat být množstvím nebeských bytostí a proměnit se v zaměstnání pro pouhé smrtelníky. No, nebo téměř jednoduché. Zde se na území Technopolis „Moskva“ s finanční podporou korporace „Rusnano“ vyrábí klíčová součást technologie Mapper - elektrooptický systém.

Než se ponoříme do nuancí litografie bez masky Mapper, stojí za to si připomenout základy konvenční fotolitografie.

Obrovské světlo

Na moderním procesoru Intel Core I7 může obsahovat asi 2 miliardy tranzistorů (v závislosti na modelu), z nichž každý má velikost 14 nm. Při honbě za výpočetním výkonem výrobci každoročně zmenšují velikost tranzistorů a zvyšují jejich počet. Za pravděpodobný technologický limit v této rase lze považovat 5 nm: na takových vzdálenostech se začínají projevovat kvantové efekty, kvůli kterým se elektrony v sousedních buňkách mohou chovat nepředvídatelně.

K aplikaci mikroskopických polovodičových struktur na křemíkovou oplatku se používá proces podobný práci s zvětšovačem fotografií. Pokud není jeho cílem opak - aby byl obraz co nejmenší. Talíř (nebo ochranný film) jsou pokryty fotorezistencí - polymerním fotocitlivým materiálem, který mění své vlastnosti při působení světla. Požadovaný vzor čipu je vystaven fotorezistu maskou a sběrnou čočkou. Potištěné desky jsou obvykle čtyřikrát menší než masky.

Látky jako křemík nebo germánium mají na vnější energetické úrovni čtyři elektrony. Tvoří nádherné krystaly, které vypadají jako kov. Ale na rozdíl od kovu nevedou elektrický proud: všechny jejich elektrony jsou zapojeny do silných kovalentních vazeb a nemohou se pohybovat. Všechno se však změní, když k nim přidáte trochu dárcovské nečistoty z látky s pěti elektrony na vnější úrovni (fosfor nebo arsen). Čtyři elektrony se váží na křemík a jeden zůstává volný. Křemíkem dopovaný dárcem (typ n) je dobrý vodič. Pokud k křemíku přidáme akceptorovou nečistotu z látky se třemi elektrony na vnější úrovni (bór, indium), vytvoří se podobným způsobem „díry“, virtuální analog kladného náboje. V tomto případě mluvíme o polovodiči typu p. Připojením vodičů typu p- a n získáme diodu- polovodičové zařízení, které prochází proudem pouze v jednom směru. Kombinace p-n-p nebo n-p-n nám dává tranzistor-proud jím protéká, pouze pokud je na středový vodič přivedeno určité napětí.

Difrakce světla tento proces upravuje sama: paprsek procházející otvory masky se mírně láme a místo jednoho bodu se odkryje řada soustředných kruhů, jako z kamene hozeného do vířivky. Difrakce naštěstí nepřímo souvisí s vlnovou délkou, což inženýři používají při používání ultrafialového světla s vlnovou délkou 195 nm. Proč ne ještě méně? Prostě kratší vlna se nebude lámat sběrnou čočkou, paprsky projdou bez zaostření. Rovněž není možné zvýšit schopnost sběru čočky - sférická aberace to nedovolí: každý paprsek projde optickou osou ve svém bodě a přeruší zaostření.

Maximální šířka obrysu, kterou lze zobrazit pomocí fotolitografie, je 70 nm. Čipy s vyšším rozlišením se tisknou v několika krocích: aplikují obrysy 70 nanometrů, vyleptají obvod a poté vystaví další část novou maskou.

Nyní je ve vývoji technologie fotolitografie v hlubokém ultrafialovém světle využívající světlo s extrémní vlnovou délkou asi 13,5 nm. Tato technologie zahrnuje použití vakuových a vícevrstvých zrcadel s odrazem založeným na interferenci mezi vrstvami. Maska také nebude průsvitná, ale reflexní prvek. Zrcadla postrádají jev lomu, takže mohou pracovat se světlem jakékoli vlnové délky. Ale prozatím je to jen koncept, který se snad v budoucnu uplatní.

Jak se dnes vyrábějí procesory

Dokonale leštěná kulatá křemíková oplatka o průměru 30 cm je potažena tenkou vrstvou fotorezistu. Odstředivá síla pomáhá rovnoměrně rozložit fotorezist.

Budoucí obvod je vystaven fotorezistu prostřednictvím masky. Tento proces se opakuje mnohokrát, protože z jedné oplatky se vyrábí mnoho čipů.

Část fotorezistu, která byla vystavena ultrafialovému záření, se stává rozpustnou a lze ji snadno odstranit chemikáliemi.

Oblasti křemíkové destičky nechráněné fotoodporem jsou chemicky leptané. Na jejich místě se tvoří deprese.

Na desku se opět nanese vrstva fotorezistu. Tentokrát expozice slouží k odhalení těch oblastí, které budou podrobeny iontovému bombardování.

Pod vlivem elektrického pole se ionty nečistot zrychlují na rychlosti více než 300 000 km / h a pronikají do křemíku, čímž získávají vlastnosti polovodiče.

Po odstranění zbytků fotorezistu zůstávají na desce hotové tranzistory. Na vrch je nanesena dielektrická vrstva, ve které jsou pomocí stejné technologie vyleptány otvory pro kontakty.

Destička se umístí do roztoku síranu měďnatého a elektrolýzou se na ni nanese vodivá vrstva. Poté se celá vrstva odstraní broušením a kontakty zůstanou v otvorech.

Kontakty jsou spojeny vícepodlažní sítí kovových „drátů“. Počet „pater“ může být až 20 a obecné rozložení vodičů se nazývá architektura procesoru.

Teprve nyní je talíř rozřezán na mnoho jednotlivých žetonů. Každý „krystal“ je testován a teprve poté instalován na desku s kontakty a zakryt stříbrným krytem chladiče.

13 000 televizorů

Alternativou k fotolitografii je elektrolytografie, kdy není vystavena světlu, ale elektronům, a nikoli fotografii, ale elektroresist. Elektronový paprsek je snadno zaostřen na bod minimální velikosti, až do 1 nm. Tato technologie se podobá katodové trubici televize: zaostřený proud elektronů je vychýlen řídicími cívkami a kreslí obraz na křemíkovou oplatku.

Až donedávna nemohla tato technologie kvůli nízké rychlosti konkurovat tradiční metodě. Aby elektroresist reagoval na záření, musí přijmout určitý počet elektronů na jednotku plochy, takže jeden paprsek může vystavit nejlépe 1 cm2 / h. To je přijatelné pro jednotlivé objednávky z laboratoří, ale není použitelné v průmyslu.

Problém bohužel nelze vyřešit zvýšením energie paprsku: náboje se stejným názvem jsou odpuzovány, a proto se proud zvyšuje a elektronový paprsek se rozšiřuje. Počet paprsků však můžete zvýšit tím, že vystavíte několik zón současně. A pokud několik - je to 13 000, jako v technologii Mapper, pak je podle výpočtů možné vytisknout již deset plnohodnotných čipů za hodinu.

Samozřejmě by bylo nemožné kombinovat 13 000 katodových trubic v jednom zařízení. V případě Mapperu je záření ze zdroje směrováno na kolimátorovou čočku, která tvoří široký, rovnoběžný elektronový paprsek. V cestě mu stojí clonová matice, která z něj dělá 13 000 jednotlivých paprsků. Paprsky procházejí blankerovým polem, křemíkovou oplatkou s otvorem 13 000 otvorů. V blízkosti každé z nich je vychylovací elektroda. Pokud je na něj aplikován proud, elektrony „minou“ svoji díru a jeden z 13 000 paprsků se vypne.

Po průchodu slepými paprsky jsou paprsky nasměrovány na řadu deflektorů, z nichž každý může vychýlit svůj paprsek o několik mikronů doprava nebo doleva vzhledem k pohybu desky (takže mapovač stále připomíná 13 000 CRT). Nakonec je každý paprsek dodatečně zaostřen vlastními mikročočkami, načež je směrován k elektroresistovi. K dnešnímu dni byla technologie Mapper testována ve Francouzském výzkumném institutu pro mikroelektroniku CEA-Leti a ve společnosti TSMC, která vyrábí mikroprocesory pro přední hráče na trhu (včetně Apple iPhone 6S). Klíčové součásti systému, včetně silikonových elektronických čoček, jsou vyráběny v moskevském závodě.

Technologie Mapper slibuje nové perspektivy nejen pro výzkumné laboratoře a malosériovou (včetně vojenské) výroby, ale také pro velké hráče. V dnešní době musíte pro testování prototypů nových procesorů vyrábět úplně stejné fotomasky jako pro hromadnou výrobu. Možnost relativně rychlých prototypů obvodů slibuje nejen snížení nákladů na vývoj, ale také urychlení pokroku v této oblasti. Což nakonec hraje do karet masovému spotřebiteli elektroniky, tedy nám všem.

procesor to je srdce kohokoli moderní počítač... Jakýkoli mikroprocesor je v podstatě rozsáhlý integrovaný obvod, na kterém jsou umístěny tranzistory. Předáváním elektrického proudu vám tranzistory umožňují vytvářet výpočty binární logiky (zapnuto - vypnuto). Moderní procesory jsou založeny na 45 nm technologii. 45 nm (nanometr) je velikost jednoho tranzistoru umístěného na procesorové desce. Donedávna se používala hlavně technologie 90 nm.

Desky jsou vyrobeny ze silikonu, což je 2. největší ložisko v zemské kůře.

Křemík se získává chemickým zpracováním, které jej čistí od nečistot. Poté ji začnou tavit a vytvoří křemíkový válec o průměru 300 milimetrů. Tento válec se poté rozřeže na desky diamantovým závitem. Každá deska je silná asi 1 mm. Aby měla deska ideální povrch, je po řezání závitem vybroušena speciální bruskou.

Poté je povrch křemíkové oplatky dokonale plochý. Mimochodem, mnoho výrobních společností již oznámilo možnost práce s deskami 450 mm. Čím větší je plocha, tím více tranzistorů umístíte a tím vyšší je výkon procesoru.

procesor sestává ze silikonové destičky, na jejímž povrchu je k izolaci až devět úrovní tranzistorů, oddělených oxidovými vrstvami.

Vývoj technologie procesoru

Gordon Moore, jeden ze zakladatelů společnosti Intel, jeden z lídrů ve výrobě procesorů na světě, v roce 1965 na základě svých pozorování objevil zákon, podle kterého se v pravidelných intervalech objevovaly nové modely procesorů a mikroobvodů. Růst počtu tranzistorů v procesorech se za 2 roky přibližně zdvojnásobí. Zákon Gordona Moora funguje 40 let bez zkreslení. Zvládnutí budoucích technologií je za dveřmi - již existují funkční prototypy založené na 32nm a 22nm procesorové technologii. Do poloviny roku 2004 výkon procesoru závisel především na frekvenci procesoru, ale od roku 2005 frekvence procesoru prakticky přestala růst. Existuje nová technologie pro vícejádrový procesor. To znamená, že je vytvořeno několik jader procesoru se stejnou hodinovou frekvencí a během provozu je síla jader sečtena. Tím se zvyšuje celkový výkon procesoru.

Níže se můžete podívat na video o výrobě procesorů.

Jak se dělají chipsy

Výroba čipů zahrnuje ukládání tenkých vrstev se složitým „vzorem“ na křemíkové substráty. Nejprve se vytvoří izolační vrstva, která funguje jako elektrická závěrka. Pokud jde o výrobu substrátů, musí být nakrájeny na tenké „placky“ z pevného monokrystalového válce, aby později mohly být snadno rozřezány na samostatné krystaly procesoru. K testování každého krystalu na substrátu se používají elektrické sondy. Nakonec se substrát rozřeže na jednotlivá jádra, nepracující jádra se okamžitě prosejí. V závislosti na vlastnostech se jádro stane jedním nebo druhým procesorem a je zabaleno do balíčku, který usnadňuje instalaci procesoru na základní desku. Všechny funkční bloky procházejí intenzivními zátěžovými testy.

Vše začíná substráty

První krok ve výrobě procesorů se provádí v čisté místnosti. Mimochodem, je důležité poznamenat, že taková technologická výroba je akumulací obrovského kapitálu na metr čtvereční... Výstavba moderního závodu s veškerým vybavením může snadno stát 2–3 miliardy USD a zkušební provoz nových technologií trvá několik měsíců. Teprve potom mohou rostliny hromadně vyrábět procesory.

Proces výroby čipů obecně sestává z několika kroků zpracování substrátu. To zahrnuje vytvoření samotných substrátů, které budou nakonec rozřezány na samostatné krystaly Figurnov, V.E. IBM PC pro uživatele.-M., 2004. - S.204.

Výroba substrátu

První fází je pěstování jediného krystalu. Za tímto účelem je zárodečný krystal zapuštěn do lázně roztaveného křemíku, která se nachází těsně nad bodem tání polykrystalického křemíku. Je důležité, aby krystaly rostly pomalu (asi den), aby bylo zajištěno, že jsou atomy ve správném uspořádání. Polykrystalický nebo amorfní křemík se skládá z mnoha různých krystalů, které povedou k nežádoucím povrchovým strukturám se špatnými elektrickými vlastnostmi.

Monokrystal se krájí na „palačinky“ pomocí velmi přesné diamantové kotoučové pily, která na povrchu substrátů nevytváří velké nerovnosti. V tomto případě samozřejmě není povrch substrátů stále dokonale plochý, takže jsou nutné další operace. Jednotlivé krystaly jsou uvedeny na obrázku 1.

Obrázek 1. Vnější pohled na jeden krystal.

Nejprve se pomocí rotujících ocelových desek a brusného materiálu (jako je oxid hlinitý) ze substrátů odstraní silná vrstva (tento proces se nazývá lapování). V důsledku toho jsou eliminovány nepravidelnosti v rozsahu od 0,05 mm do přibližně 0,002 mm (2000 nm). Poté zaoblete okraje každé podložky, protože ostré hrany mohou odlepovat vrstvy. Dále se používá proces leptání, při použití různých chemikálií (kyselina fluorovodíková, kyselina octová, kyselina dusičná) je povrch vyhlazen o dalších 50 mikronů více. Fyzicky se povrch nezhoršuje, protože celý proces je zcela chemický. Umožňuje vám odstranit zbývající chyby v krystalové struktuře, v důsledku čehož bude povrch blízko ideálu.

Posledním krokem je leštění, které vyhladí povrch na nerovnosti, maximálně 3 nm. Leštění se provádí pomocí směsi hydroxidu sodného a granulovaného oxidu křemičitého.

Mikroprocesorové substráty mají dnes průměr 200 mm nebo 300 mm, což výrobcům čipů umožňuje získat z každého více procesorů. Dalším krokem budou substráty 450 mm, ale nemělo by se s nimi počítat do roku 2013. Obecně platí, že čím větší je průměr substrátu, tím více lze vyrobit třísek stejné velikosti. Například 300 mm substrát poskytuje více než dvojnásobný počet procesorů než 200 mm.

Doping a difúze

Dopování, které se provádí během růstu monokrystalu, již bylo zmíněno. Dopování se však provádí jak hotovým substrátem, tak později během fotolitografických procesů. To vám umožňuje změnit elektrické vlastnosti určitých oblastí a vrstev, a nikoli celou strukturu krystalu.

Vytvořte masku

K vytvoření oblastí integrovaného obvodu se používá proces fotolitografie. Protože v tomto případě není nutné ozařovat celý povrch substrátu, je důležité používat takzvané masky, které přenášejí vysoce intenzivní záření pouze do určitých oblastí. Masky lze přirovnat k černobílému negativu. Integrované obvody mají mnoho vrstev (20 a více) a každá vrstva vyžaduje vlastní masku.

Struktura tenkého chromového filmu je nanesena na povrch desky z křemenného skla a vytváří vzor. Současně drahé nástroje využívající tok elektronů nebo laser předepisují potřebná IC data, v důsledku čehož se na povrchu křemenného substrátu získá chromový vzor. Je důležité pochopit, že každá úprava integrovaného obvodu vede k potřebě vyrábět nové masky, takže celý proces provádění úprav je velmi nákladný.

Fotolitografie

Struktura se vytvoří na křemíkovém substrátu pomocí fotolitografie. Proces se několikrát opakuje, dokud se nevytvoří mnoho vrstev (více než 20). Vrstvy se mohou skládat z různých materiálů, navíc musíte také přemýšlet o spojení s mikroskopickými dráty. Všechny vrstvy lze dopovat Wood, A. Mikroprocesory v otázkách a odpovědích - M., 2005. -S.87.

Před zahájením procesu fotolitografie se substrát čistí a zahřívá, aby se odstranily lepkavé částice a voda. Poté je substrát pomocí speciálního zařízení potažen oxidem křemičitým. Dále se na substrát nanese pojivo, které zajistí, že materiál fotorezistu, který má být aplikován v dalším kroku, zůstane na substrátu. Materiál fotorezistu se nanese na střed substrátu, který se pak začne otáčet vysokou rychlostí, takže je vrstva rovnoměrně rozložena po celém povrchu substrátu. Poté se substrát znovu zahřeje. Princip fotolitografie je znázorněn na obrázku 2.

Obrázek 2. Princip fotolitografie

Tvrdé UV záření o vlnové délce 13,5 nm ozařuje materiál fotorezistu při průchodu maskou. Projekční čas a zaostření jsou velmi důležité pro dosažení požadovaného výsledku. Špatné zaostření zanechá další částice materiálu fotorezistu, protože některé otvory v masce nebudou řádně ozářeny. Totéž se stane, pokud je projekční čas příliš krátký. Pak bude struktura materiálu fotorezistu příliš široká, oblasti pod otvory budou podexponované. Na druhé straně nadměrný čas projekce vytváří příliš velké plochy pod otvory a příliš úzkou strukturu materiálu fotorezistu. Zpravidla je velmi časově náročné a obtížné proces regulovat a optimalizovat. Neúspěšné nastavení povede k vážným odchylkám v připojovacích vodičích Mayorov, S.I. Informační podnikání: komerční distribuce a marketing - M., 2007. -P.147 .. Speciální krokové projekční zařízení pohybuje substrátem do požadované polohy. Poté lze promítnout řádek nebo jeden řez, nejčastěji odpovídající jedné procesorové matici. Další mikroinstalace mohou provádět další změny. Mohou ladit stávající technologii a optimalizovat technický proces Kukin, V.N. Informatika: organizace a management. -M., 2005. -S.78 .. Mikroinstalace obvykle fungují na plochách menších než 1 m2. mm, zatímco konvenční instalace pokrývají větší plochy.

Po leptání a čištění můžete přistoupit ke kontrole substrátu, což se obvykle stává v každé důležité fázi, nebo přenést substrát do nového cyklu fotolitografie. Test substrátu je znázorněn na obrázku 3.

Obrázek 3. Test substrátu

Hotové podklady se testují v takzvaných instalacích sond. Pracují s celým substrátem. Kontakty sondy jsou položeny na kontakty každého krystalu, což umožňuje provádět elektrické testy. Všechny funkce každého jádra jsou testovány pomocí softwaru. Řezání substrátu je znázorněno na obrázku 4.

Obrázek 4. Řezání podložky

Řezáním lze ze substrátu získat jednotlivá jádra. Na tento momentŘídicí jednotky sondy již identifikovaly, které krystaly obsahují chyby, takže po řezání je lze od těch dobrých oddělit. Dříve byly poškozené krystaly fyzicky označeny, nyní to není potřeba, všechny informace jsou uloženy v jediné databázi Semenenko, V.A., Stupin. Příručka Yu.V. o elektronických výpočetních technologiích - M., 2006. - S.45 ..

Funkční jádro pak musí být spojeno s obalem procesoru pomocí lepicího materiálu. Poté musíte provést drátová spojení spojující kontakty nebo nohy obalu a samotný krystal (obrázek 5). Lze použít zlaté, hliníkové nebo měděné spoje.

Většina moderních procesorů používá plastový obal s rozdělovačem tepla. Jádro je obvykle zabaleno do keramického nebo plastového obalu, aby se zabránilo poškození. Moderní procesory jsou vybaveny takzvaným rozdělovačem tepla, který poskytuje krystalu dodatečnou ochranu (obrázek 6).

Obrázek 5. Kabelové připojení substrátu

Poslední fáze zahrnuje testování procesoru, co se děje při zvýšených teplotách, v souladu se specifikacemi procesoru. Procesor se automaticky nainstaluje do testovací zásuvky, poté se analyzují všechny potřebné funkce.

Obrázek 6. Balení procesoru