Praca przedmiotu: Etapy produkcji mikroprocesorów. Produkcja procesorów — od piasku do komputerów Nowoczesne technologie procesorowe

PLAN WYKŁADU

1. Siedem generacji procesorów

2. Technologia produkcji

3. Technologiczne etapy produkcji mikroprocesorów

1. Siedem generacji procesorów

Pierwsza generacja (procesory 8086 i 8088 oraz koprocesor matematyczny 8087) położyła podwaliny architektoniczne - zestaw „nierównych” rejestrów 16-bitowych, system adresowania segmentów w zakresie 1 MB z szeroką gamą trybów, system instrukcji, system przerwań i szereg innych atrybutów. Procesory używały „małego” potokowania: podczas gdy niektóre węzły wykonywały bieżące polecenie, blok prefetch pobierał następne z pamięci.

Trzecia generacja (koprocesor 80286 i 80287) dodała do rodziny tzw. „tryb chroniony”, który pozwala na wykorzystanie pamięci wirtualnej o rozmiarze do 1 GB dla każdego zadania, wykorzystując adresowalną pamięć fizyczną w granicach 16 MB. Tryb chroniony stał się podstawą do budowania wielozadaniowych systemów operacyjnych, w których system uprawnień ściśle reguluje relacje zadań z pamięcią, systemem operacyjnym i między sobą. Należy zauważyć, że wydajność procesorów 80286 wzrosła nie tylko ze względu na wzrost częstotliwości zegara, ale także ze względu na znaczną poprawę potoku.

Trzecia generacja (80386/80387 z „przyrostkami” DX i SX, które określają szerokość magistrali zewnętrznej) naznaczona została przejściem na architekturę 32-bitową. Oprócz rozszerzenia zakresu reprezentowanych wartości (16 bitów to liczby całkowite z zakresu od 0 do 65535 lub od –32768 do +32767, a 32 bity – o ponad cztery miliardy) zwiększyła się pojemność pamięci adresowalnej. System operacyjny Microsoft Windows zaczął być szeroko stosowany z tymi procesorami.

Czwarta generacja (80486 również DX i SX) nie wprowadziła większych zmian do architektury, jednak podjęto szereg środków w celu poprawy wydajności. W tych procesorach potok wykonania był znacznie skomplikowany. Producenci zrezygnowali z zewnętrznego koprocesora - zaczęto go umieszczać na tym samym krysztale co centralny.

Piąta generacja (procesor Pentium od Intela i K5 od AMD) dała architekturę superskalarną. Aby szybko zaopatrywać potoki w instrukcje i dane z pamięci, magistrala danych tych procesorów jest 64-bitowa. Później ta generacja miała rozszerzenie ММХ (zestaw instrukcji Matrics Math Extensions) - zestaw poleceń do rozszerzania operacji matematycznych na macierzach (pierwotnie zestaw instrukcji Multimedia Extensions)). Tradycyjne procesory 32-bitowe mogą dodawać dwie liczby 8-bitowe, umieszczając każdą z nich w bitach niższego rzędu 32-bitowych rejestrów. W tym przypadku 24 najbardziej znaczące bity rejestrów nie są używane, a zatem okazuje się, że przy jednej operacji dodawania ADD, po prostu wykonywane jest dodawanie dwóch liczb 8-bitowych. Polecenia MMX operują na 64 bitach na raz, gdzie można zapisać osiem 8-bitowych liczb i możliwe jest dodanie ich z innymi 8-bitowymi liczbami w jednej operacji ADD. Rejestry MMX mogą być również użyte do jednoczesnego dodania czterech 16-bitowych słów lub dwóch 32-bitowych słów. Ta zasada nazywa się SIMD (Single Instruction / Multiple Data). Nowe polecenia miały głównie na celu przyspieszenie wykonywania programów multimedialnych, ale wykorzystują je w technologii multimedialnej. W MMX pojawił się nowy typ arytmetyki - z nasyceniem: jeśli wynik operacji nie mieści się w siatce bitów, to przepełnienie (lub „anty-przepełnienie”) nie występuje, ale maksymalna (lub minimalna) możliwa wartość liczba jest ustawiona.

Szósta generacja procesorów pochodzi z Pentium Pro i jest kontynuowana w procesorach Pentium III, Celeron i Xeon (za przykład mogą służyć procesory AMD K6, K6-2, K6-2 +, K6-III). Podstawą jest tutaj dynamiczne wykonywanie, wykonywanie poleceń nie jest w określonej kolejności kod programu, ale w jaki sposób będzie wygodniej dla procesora. Należy tutaj zauważyć, że istnieją podobieństwa między procesorami piątej i szóstej generacji, mianowicie dodanie rozszerzenia piątej generacji uzupełniono o rozszerzenie MMX, szósta generacja otrzymała rozszerzenia zwiększające możliwości MMX. AMD ma to rozszerzenie 3dNnoy !, a Intel ma SSE (Streaming SIMD Extensions).

Siódma generacja rozpoczęła się od procesora AMD Athlon. Procesor posiadał cechy warunkujące rozwój superskalarność oraz super rurociągi... Później Intel wypuścił także procesor Pentium 4 siódmej generacji.

2. Technologia produkcji

Obecnie na rynku można zaobserwować ciekawy trend: z jednej strony firmy produkcyjne starają się szybko wprowadzać do swoich produktów nowe procesy techniczne i technologie, z drugiej zaś sztuczne ograniczanie wzrostu częstotliwości procesorów. Wynika to z faktu, że odczuwane jest poczucie niepełnej gotowości rynku na kolejną zmianę rodziny procesorów, a firmy produkcyjne nie uzyskały jeszcze wystarczających zysków ze sprzedaży obecnie produkowanych procesorów. Należy tutaj zauważyć, że dla firm cena gotowego produktu ma fundamentalne znaczenie w porównaniu z innymi zainteresowaniami. ale bardzo ważne spadek tempa rozwoju mikroprocesorów wiąże się ze zrozumieniem potrzeby wprowadzania nowych technologii, które zwiększą produktywność przy minimalnym nakładzie kosztów technologicznych

Producenci musieli rozwiązać szereg problemów przy przechodzeniu na nowe procesy techniczne. Norma technologiczna 90 nm okazała się istotną przeszkodą technologiczną dla wielu producentów chipów. Potwierdza to TSMC, firma ta zajmuje się produkcją chipów dla wielu głównych producentów na rynku, a mianowicie AMD, nVidia, ATI, VIA. Przez długi czas nie była w stanie debugować produkcji chipów przy użyciu technologii 0,09 mikrona, co doprowadziło do niskiej wydajności użytecznych kryształów. To spowodowało, że AMD przez długi czas odkładało premierę swoich procesorów SOI (Silicon-on-Insulator). Wynika to z faktu, że właśnie na tym wymiarze elementów pojawiły się wady, które wcześniej nie były dostrzegalne, takie jak prądy upływowe, duży rozrzut parametrów oraz wykładniczy wzrost wydzielania ciepła. Jednym z alternatywnych rozwiązań jest zastosowanie technologii SOI silicon-on-sulator, którą firma AMD wprowadziła niedawno w swoich 64-bitowych procesorach. Kosztowało ją to jednak wiele wysiłku i pokonania sporej liczby barier technologicznych. Należy jednak zauważyć, że ta technologia ma wiele zalet, które mogą zrekompensować jego wady. Istota tej technologii jest dość logiczna – tranzystor oddzielony jest od podłoża krzemowego kolejną cienką warstwą izolacyjną. Do pozytywnych cech należą. Brak niekontrolowanego ruchu elektronów pod kanałem tranzystora, wpływającego na jego charakterystykę elektryczną – czas. Po doprowadzeniu do bramki prądu odblokowującego czas jonizacji kanału do stanu pracy, aż do momentu, w którym przepływa przez niego prąd pracy, zmniejsza się, co pociąga za sobą poprawę drugiego kluczowego parametru pracy tranzystora, czasu jego włączania / wyłączania. Możliwe jest również, przy tej samej prędkości, po prostu obniżenie prądu odblokowującego - trzy. Lub znajdź jakieś rozwiązanie między możliwością zwiększenia prędkości pracy a możliwością obniżenia napięcia. Przy zachowaniu tego samego prądu odblokowującego, wzrost wydajności tranzystora może wynieść nawet do 30%, jeśli pozostawimy tę samą częstotliwość, kładąc nacisk na oszczędność energii, w tym przypadku wydajność może wynieść nawet do 50%. W efekcie charakterystyka kanału staje się bardziej przewidywalna, a sam tranzystor staje się bardziej odporny na sporadyczne błędy, czego przykładem są kosmiczne cząstki wchodzące w podłoże kanału i niespodziewanie je jonizujące. Dostając się do podłoża znajdującego się pod warstwą izolatora, w żaden sposób nie wpływają na pracę tranzystora. Jedyną wadą SOI jest konieczność zmniejszania głębokości obszaru emiter/kolektor, co z kolei skutkuje wzrostem jego rezystancji w miarę zmniejszania się grubości.

Innym powodem, który przyczynił się do spowolnienia tempa wzrostu częstotliwości, jest niska aktywność producentów na rynku. Na przykład każda firma AMD pracowała nad powszechnym wprowadzeniem 64-bitowych procesorów, Intel w tym okresie udoskonalił nowy proces techniczny, debugując w celu zwiększenia wydajności użytecznych kryształów.

Wprowadzanie nowych technologii do procesów technicznych jest oczywiste, ale za każdym razem staje się to dla technologów trudniejsze. Pierwsze procesory Pentium (1993) zostały wyprodukowane w technologii procesowej 0,8 µm, a następnie 0,6 µm każdy. W 1995 roku po raz pierwszy dla procesorów szóstej generacji zastosowano technologię procesu 0,35 mikrona. W 1997 r. zmienił się na 0,25 mikrona, a w 1999 r. na 0,18 mikrona. Nowoczesne procesory są wykonane zgodnie z wprowadzonymi w 2004 roku technologiami 0,13 i 0,09 mikrona.

Należy opisać samą strukturę tranzystora, a mianowicie cienką warstwę dwutlenku krzemu, izolator znajdujący się między bramką a kanałem i pełniący funkcję bariery dla elektronów, zapobiegającej upływowi prądu bramki. W związku z tym im grubsza ta warstwa, tym lepiej spełnia swoje funkcje izolacyjne, ale jest integralną częścią kanału i nie mniej oczywiste jest, że jeśli producenci zamierzają skrócić długość kanału (wielkość tranzystora), to jego grubość musi być redukowane w bardzo szybkim tempie. W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat grubość tej warstwy wynosiła średnio około 1/45 całej długości kanału. Ale ten proces ma swój koniec - jak twierdził ten sam Intel, jeśli nadal będziesz używać SiO2, tak jak przez ostatnie 30 lat, minimalna grubość warstwy wyniesie 2,3. nm, w przeciwnym razie wyciek stanie się po prostu nierealny. Jeszcze do niedawna nie robiono nic, aby zmniejszyć upływ subkanałowy, obecnie sytuacja zaczyna się zmieniać, ponieważ prąd roboczy, wraz z czasem odpowiedzi bramki, jest jednym z dwóch głównych parametrów charakteryzujących prędkość tranzystora, a przeciek w stanie wyłączonym odbija się bezpośrednio na nim (na utrzymaniu wymaganej sprawności tranzystora). W związku z tym konieczne jest zwiększenie prądu roboczego ze wszystkimi wynikającymi z tego konsekwencjami.

Główne etapy produkcji

Produkcja mikroprocesora to złożony proces obejmujący ponad 300 etapów. Mikroprocesory powstają na powierzchni cienkich okrągłych wafli krzemowych - podłoży, w wyniku pewnej sekwencji różnych procesów przetwarzania przy użyciu chemikaliów, gazów i promieniowania ultrafioletowego.

Podłoża mają zwykle średnicę 200 milimetrów. Jednak Intel już przeszedł na wafle 450 mm. Przejście na płyty o większej średnicy obniży koszty produkcji mikroukładów, zwiększy efektywność energetyczną i zmniejszy emisję szkodliwych gazów do atmosfery. Powierzchnia wafli 450mm jest ponad dwukrotnie większa niż wafli 300mm. Dzięki temu z jednego podłoża o grubości 450 mm można wyprodukować dwa razy więcej gotowych produktów.

Wafle wykonane są z krzemu, który jest rafinowany, topiony i hodowany w długie, cylindryczne kryształy. Kryształy są następnie cięte na cienkie wafle i polerowane, aż ich powierzchnia będzie gładka jak lustro i wolna od wad. Następnie kolejno, cyklicznie powtarzające się utlenianie termiczne, fotolitografia, dyfuzja zanieczyszczeń, epitaksja.

W procesie produkcji mikroukładów na puste płytki nakładane są najcieńsze warstwy materiałów w postaci starannie obliczonych wzorów. Na jednej płytce mieści się nawet kilkaset mikroprocesorów. Cały proces wytwarzania procesorów można podzielić na kilka etapów: uprawa dwutlenku krzemu i tworzenie regionów przewodzących, testowanie i produkcja.

Uprawa dwutlenku krzemu i tworzenie regionów przewodzących

Proces produkcji mikroprocesora rozpoczyna się od „narośnięcia” izolacyjnej warstwy dwutlenku krzemu na powierzchni polerowanej płyty. Ten etap odbywa się w piekarniku elektrycznym w bardzo wysokiej temperaturze. Grubość warstwy tlenku zależy od temperatury i czasu przebywania płyty w piekarniku.

Po tym następuje fotolitografia - proces, podczas którego na powierzchni płyty powstaje schematyczny rysunek. Najpierw na płytkę nakładana jest tymczasowa warstwa materiału światłoczułego - fotorezystu, na który za pomocą promieniowania ultrafioletowego rzutowany jest obraz przezroczystych obszarów szablonu lub fotomaski. Maski są tworzone podczas projektowania procesora i służą do generowania wzorów obwodów w każdej warstwie procesora. Pod wpływem promieniowania oświetlone obszary fotowarstwy stają się rozpuszczalne i są usuwane za pomocą rozpuszczalnika (kwasu fluorowodorowego), odsłaniając znajdujący się pod spodem dwutlenek krzemu.

Odsłonięta krzemionka jest usuwana w procesie zwanym trawieniem. Następnie usuwana jest pozostała fotowarstwa, w wyniku czego na płytce półprzewodnikowej pozostaje wzór dwutlenku krzemu. W wyniku szeregu dodatkowych operacji fotolitografii i trawienia na płytkę nakładany jest również krzem polikrystaliczny o właściwościach przewodnika. Podczas kolejnej operacji, zwanej „dopingiem”, odsłonięte obszary płytki krzemowej są bombardowane jonami różnych pierwiastków chemicznych, które tworzą w krzemie ładunki ujemne i dodatnie, które zmieniają przewodność elektryczną tych obszarów.

Nakładanie nowych warstw z późniejszym trawieniem obwodu odbywa się kilkukrotnie, natomiast dla połączeń międzywarstwowych w warstwach pozostawia się „okienka”, które są wypełnione metalem, tworząc połączenia elektryczne między warstwami. Firma Intel zastosowała przewodniki miedziane w procesie produkcyjnym o grubości 0,13 mikrona. Firma Intel zastosowała aluminium w procesach 0,18 mikrona i poprzedniej generacji. Zarówno miedź, jak i aluminium są dobrymi przewodnikami prądu. Przy zastosowaniu procesu technicznego 0,18 mikrona zastosowano 6 warstw, natomiast wprowadzając proces techniczny 90 nm w 2004 roku zastosowano 7 warstw krzemu.

Każda warstwa procesora ma swój własny wzór, razem wszystkie te warstwy tworzą trójwymiarowy obwód elektroniczny. Nakładanie warstw powtarza się 20-25 razy w ciągu kilku tygodni.

Testowanie

Aby wytrzymać naprężenia, jakim poddawane są podłoża podczas nakładania warstw, płytki krzemowe muszą być początkowo wystarczająco grube. Dlatego przed pocięciem płyty na oddzielne mikroprocesory jej grubość jest zmniejszana o 33% za pomocą specjalnych procesów, a zanieczyszczenia są usuwane z tylnej strony. Następnie na tylną stronę „przetworzonej” płyty nakładana jest warstwa specjalnego materiału, co poprawia późniejsze mocowanie kryształu do obudowy. Warstwa ta zapewnia kontakt elektryczny pomiędzy tylną powierzchnią układu scalonego a opakowaniem po złożeniu.

Następnie płyta jest testowana w celu sprawdzenia jakości wszystkich operacji przetwarzania. Aby określić poprawność procesora, sprawdzane są jego poszczególne komponenty. W przypadku wykrycia usterki uzyskane dane są analizowane w celu zidentyfikowania etapu, na którym wystąpił błąd.

Sondy elektryczne są następnie podłączane do każdego procesora i zasilane prądem. Procesory są testowane przez komputer, określa czy charakterystyki produkowanych procesorów spełniają określone parametry.

Produkcja obudowy

Po przetestowaniu wafle trafiają do montowni, gdzie za pomocą specjalnej precyzyjnej piły są cięte na małe prostokąty, z których każdy zawiera układ scalony. Połamane kryształy są odrzucane.

Następnie każdy kryształ umieszczany jest w indywidualnej skrzynce. Obudowa chroni kryształ przed wpływami zewnętrznymi i zapewnia jego połączenie elektryczne z płytą, na której zostanie zainstalowany. Do przewodów elektrycznych pakietu przylutowane są drobne kuleczki lutowia, znajdujące się w określonych punktach kryształu. Na tym etapie sygnały elektryczne mogą płynąć z płytki do chipa i odwrotnie.

Po zainstalowaniu kryształu w obudowie procesor jest ponownie testowany w celu określenia jego wydajności. Wadliwe procesory są wyrzucane, a sprawne procesory poddawane są testom wytrzymałościowym: wpływom różnych warunków temperaturowych i wilgotnościowych, a także wyładowaniom elektrostatycznym. Po każdym teście warunków skrajnych procesor jest testowany w celu określenia jego stanu funkcjonalnego. Następnie procesory są sortowane według ich zachowania przy różnych częstotliwościach zegara i napięciach zasilania.

3. Technologiczne etapy produkcji mikroprocesorów

Jak powstają frytki

Produkcja chipów polega na nakładaniu cienkich warstw o złożonym „wzorze” na podłoża krzemowe. Najpierw tworzona jest warstwa izolacyjna, która działa jak migawka elektryczna. Podłoża są cięte na pojedynczy kryształowy walec z cienkimi „naleśnikami”, aby później można je było łatwo pociąć na oddzielne kryształy procesora. Sondy elektryczne służą do testowania każdego kryształu na podłożu. Na koniec podłoże jest cięte na pojedyncze rdzenie, niepracujące rdzenie są natychmiast wyrzucane. W zależności od właściwości rdzeń staje się jednym lub drugim procesorem i jest zapakowany w opakowanie ułatwiające instalację procesora płyta główna... Wszystkie bloki funkcjonalne przechodzą intensywne testy warunków skrajnych.

Wszystko zaczyna się od substratów

Pierwszy krok w produkcji procesorów odbywa się w czystym pomieszczeniu. Należy zauważyć, że jest to bardzo kapitałochłonna produkcja. Na budowę nowoczesnego zakładu z całym wyposażeniem można wydać ponad 2-3 miliardy dolarów. Dopiero po pełnej regulacji i przetestowaniu urządzeń zakład może produkować procesory seryjnie.

Ogólnie proces produkcji chipów składa się z szeregu etapów obróbki podłoża. Obejmuje to tworzenie samych podłoży, które następnie zostaną pocięte na pojedyncze kryształy.

Produkcja podłoża

Pierwszym etapem jest wyhodowanie pojedynczego kryształu. W tym celu w kąpieli ze stopionego krzemu, która znajduje się tuż powyżej temperatury topnienia krzemu polikrystalicznego, osadza się zarodek kryształu. Ważne jest, aby kryształy rosły powoli przez około jeden dzień, aby zapewnić prawidłowe ułożenie atomów. Krzem polikrystaliczny lub amorficzny składa się z wielu różnych kryształów, które prowadzą do niepożądanych struktur powierzchniowych o słabych właściwościach elektrycznych.

Po stopieniu krzemu można go domieszkować innymi substancjami, które zmieniają jego właściwości elektryczne. Cały proces odbywa się w szczelnym pomieszczeniu ze specjalnym składem powietrza, aby krzem się nie utleniał.

Monokryształ jest cięty na „naleśniki” za pomocą okrągłej precyzyjnej piły diamentowej, która nie tworzy dużych nierówności na powierzchni podłoży. W takim przypadku powierzchnia podłoży nadal nie jest idealnie płaska, więc wymagane są dodatkowe operacje. Pojawienie się monokryształów można zobaczyć na rysunku 1.

Ryż. 1. Wygląd pojedynczego kryształu

Po pierwsze, za pomocą obracających się stalowych płyt i ścierniwa z tlenku glinu, gruba warstwa jest usuwana z podłoży (proces zwany docieraniem). W rezultacie eliminowane są nieregularności o wielkości od 0,05 mm do około 0,002 mm (2000 nm). Następnie zaokrąglij krawędzie każdego podkładu, ponieważ ostre krawędzie mogą odrywać warstwy. Ponadto stosuje się proces trawienia, przy użyciu różnych środków chemicznych (kwas fluorowodorowy, kwas octowy, kwas azotowy) powierzchnia jest wygładzona o około 50 mikronów więcej. Fizycznie powierzchnia nie ulega pogorszeniu, ponieważ cały proces jest całkowicie chemiczny. Pozwala usunąć pozostałe błędy w strukturze kryształu, dzięki czemu powierzchnia będzie bliska ideału.

Ostatnim krokiem jest polerowanie, które wygładza powierzchnię do chropowatości, maksymalnie 3 nm. Polerowanie przeprowadza się przy użyciu mieszaniny wodorotlenku sodu i ziarnistej krzemionki.

Obecnie podłoża mikroprocesorowe mają średnicę 300 mm lub 450 mm, co pozwala producentom chipów uzyskać z każdego z nich wiele procesorów. Ogólnie rzecz biorąc, im większa średnica podłoża, tym więcej wiórów o tej samej wielkości można wyprodukować. Na przykład podłoże 300 mm zapewnia ponad dwukrotnie większą liczbę procesorów niż 200 mm.

Doping i dyfuzja

Doping wykonuje się zarówno na gotowym podłożu, jak i podczas procesów fotolitograficznych. Umożliwia to zmianę właściwości elektrycznych niektórych regionów i warstw, a nie całej struktury kryształu.

Domieszkę można dodać przez dyfuzję. Atomy domieszek wypełniają wolną przestrzeń wewnątrz sieci krystalicznej, pomiędzy strukturami krzemu. W niektórych przypadkach można również stopić istniejącą konstrukcję. Dyfuzja odbywa się za pomocą gazów (azotu i argonu) lub ciał stałych lub innych źródeł domieszek.

Utwórz maskę

Do tworzenia odcinków układu scalonego wykorzystuje się proces fotolitografii. W takim przypadku nie jest konieczne naświetlanie całej powierzchni podłoża, w takich przypadkach ważne jest stosowanie tzw. masek, które przepuszczają promieniowanie o dużym natężeniu tylko do określonych obszarów. Maski można porównać do czarno-białego negatywu. Układy scalone mają wiele warstw (20 lub więcej), a każda warstwa wymaga własnej maski.

Na powierzchnię płyty ze szkła kwarcowego nakładana jest cienka warstwa chromu, aby stworzyć wzór. Jednocześnie drogie instrumenty wykorzystujące przepływ elektronów lub laser przepisują niezbędne dane IC, w wyniku czego na powierzchni podłoża kwarcowego uzyskuje się wzór chromu. Należy zauważyć, że każda zmiana w układzie scalonym wiąże się z koniecznością wykonania nowych masek, przez co cały proces dokonywania edycji jest bardzo kosztowny.

Fotografia umożliwia formowanie struktury na podłożu krzemowym. Proces powtarza się kilka razy, aż do powstania wielu warstw. Warstwy mogą składać się z różnych materiałów, tutaj również zapewnione jest połączenie z mikroskopijnymi drutami. Przed rozpoczęciem procesu fotolitografii podłoże jest czyszczone i podgrzewane w celu usunięcia lepkich cząstek i wody. W kolejnym etapie podłoże pokrywane jest dwutlenkiem krzemu za pomocą specjalnego urządzenia. Następnie na podłoże nakładany jest środek wiążący, który zapewnia, że materiał fotorezystu, który ma zostać nałożony w kolejnym kroku, pozostanie na podłożu. Materiał fotorezystu nakładany jest na środek podłoża, który następnie zaczyna się obracać z dużą prędkością, dzięki czemu warstwa jest równomiernie rozłożona na całej powierzchni podłoża. Następnie podłoże jest ponownie podgrzewane. Proces fotolitografii przedstawiono na rysunku 2.

Ryż. 2. Proces fotolitografii

Następnie przez maskę naświetlana jest osłona laserem kwantowym, twardym promieniowaniem ultrafioletowym, promieniami rentgenowskimi, wiązkami elektronów lub jonów – wszystkie te źródła światła lub energii można wykorzystać. Wiązki elektronów są wykorzystywane głównie do tworzenia masek, promieni rentgenowskich i wiązek jonowych do celów badawczych, a produkcja przemysłowa jest dziś zdominowana przez twarde promieniowanie UV i lasery gazowe.

Twarde promieniowanie UV o długości fali 13,5 nm naświetla materiał fotorezystu podczas przechodzenia przez maskę. Czasy projekcji i ustawiania ostrości są bardzo ważne dla uzyskania pożądanych rezultatów. Słabe ogniskowanie pozostawi dodatkowe cząsteczki materiału fotorezystu, ponieważ niektóre otwory w masce nie będą odpowiednio napromieniowane. Podobna sytuacja okaże się, jeśli czas projekcji będzie zbyt krótki. Wtedy struktura materiału fotorezystu będzie zbyt szeroka, obszary pod otworami będą niedoświetlone. Jednak nadmierny czas projekcji tworzy zbyt duże obszary pod otworami i zbyt wąską strukturę materiału fotomaski. Na tym polega złożoność regulacji procesu produkcyjnego. Nieprawidłowa regulacja doprowadzi do poważnych odchyleń w przewodach łączących. Specjalne urządzenie do projekcji schodkowej przesuwa podłoże w żądanej pozycji. Następnie można wyświetlić linię lub jedną sekcję, w większości przypadków odpowiadającą jednemu kryształowi procesora. Dodatkowe mikroinstalacje mogą wprowadzić dodatkowe zmiany. Na przykład debuguj istniejącą technologię i optymalizuj proces techniczny. Mikroinstalacje zazwyczaj działają na powierzchni mniejszej niż 1 m2. mm, podczas gdy konwencjonalne instalacje obejmują większe powierzchnie.

Istnieją procesy trawienia na mokro i na sucho, które przetwarzają obszary krzemionki. Procesy mokre wykorzystują związki chemiczne, a procesy suche wykorzystują gaz. Osobnym procesem jest usuwanie pozostałości materiału fotorezystu. Producenci często łączą usuwanie na mokro i na sucho, aby zapewnić całkowite usunięcie materiału fotolitograficznego. Jest to ważne, ponieważ materiał fotorezystu jest organiczny i jeśli nie zostanie usunięty, może prowadzić do defektów na podłożu.

Po wytrawieniu i oczyszczeniu można przystąpić do oględzin podłoża, co zwykle ma miejsce na każdym ważnym etapie, lub przenieść podłoże do nowego cyklu fotolitograficznego. Sprawdzanie nośników pokazano na rysunku 3.

Ryż. 3. Kontrola podłoży

Testowanie gotowych podłoży odbywa się na instalacjach kontroli sondy, które pracują z całym podłożem. Styki sondy nakładają się na styki każdego kryształu, co umożliwia przeprowadzenie testów elektrycznych. Używając oprogramowanie testowane są wszystkie funkcje każdego rdzenia. Proces cięcia podłoża pokazano na rysunku 4.

Ryż. 4. Proces cięcia podłoża

Poprzez cięcie nośnika uzyskuje się pojedyncze rdzenie. W przypadku wykrycia wadliwych kryształów (zawierających błędy) oddziela się je od dobrych. Wcześniej uszkodzone kryształy były fizycznie oznaczane, teraz nie ma takiej potrzeby, wszystkie informacje są przechowywane w jednej bazie danych.

Ponadto rdzeń funkcjonalny musi być umieszczony w opakowaniu procesora, w którym stosuje się materiał klejący. Następnie musisz wykonać połączenia przewodowe łączące nogi pakietu i sam kryształ (rysunek 5). W tym celu stosuje się połączenia złote, aluminiowe lub miedziane.

Ryż. 5. Przewodowe połączenie podłoża

Większość nowoczesnych przetwórców używa opakowań plastikowych z dystrybucja ciepła... W szczególności rdzeń pakowany jest w opakowania ceramiczne lub plastikowe, co zapobiega uszkodzeniom mechanicznym. Nowoczesne procesory są wyposażone w rozpraszacz ciepła, urządzenia zapewniające odprowadzanie ciepła i ochronę przed wiórami (rysunek 6).

Ryż. 6. Opakowanie procesora

Ostatnim krokiem jest testowanie procesora, które odbywa się w podwyższonych temperaturach, zgodnie ze specyfikacją procesora. Procesor jest automatycznie instalowany w gnieździe testowym, po czym analizowane są wszystkie niezbędne funkcje.

Jak powstają mikroukłady

Aby zrozumieć, jaka jest główna różnica między tymi dwiema technologiami, należy zrobić krótką wycieczkę do samej technologii produkcji nowoczesnych procesorów lub układów scalonych.

Jak wiadomo ze szkolnego kursu fizyki, we współczesnej elektronice głównymi elementami układów scalonych są półprzewodniki typu p i typu n (w zależności od rodzaju przewodnictwa). Półprzewodnik to substancja, która przewyższa dielektryki pod względem przewodnictwa, ale jest gorsza od metali. Krzem (Si) może służyć jako podstawa obu rodzajów półprzewodników, który w czystej postaci (tzw. półprzewodnik samoistny) nie przewodzi dobrze prądu elektrycznego, ale dodanie (wprowadzenie) pewnej domieszki do krzemu umożliwia radykalnie zmienić jego właściwości przewodzące. Istnieją dwa rodzaje zanieczyszczeń: dawca i akceptor. Zanieczyszczenie donora prowadzi do powstania półprzewodników typu n o przewodnictwie elektronicznym, a zanieczyszczenie akceptora prowadzi do powstania półprzewodników typu p o przewodnictwie typu dziurowego. Styki p- i n-półprzewodników umożliwiają tworzenie tranzystorów - głównych elementów konstrukcyjnych nowoczesnych mikroukładów. Tranzystory takie, zwane tranzystorami CMOS, mogą znajdować się w dwóch podstawowych stanach: otwartym, gdy przewodzi prąd elektryczny, oraz zamkniętym, gdy nie przewodzi prądu elektrycznego. Ponieważ tranzystory CMOS są głównymi elementami nowoczesnych mikroukładów, porozmawiajmy o nich bardziej szczegółowo.

Jak działa tranzystor CMOS

Najprostszy tranzystor CMOS typu n ma trzy elektrody: źródło, bramkę i dren. Sam tranzystor jest wykonany z półprzewodnika typu p o przewodności dziurowej, a półprzewodniki typu n o przewodności elektronicznej powstają w obszarach drenu i źródła. Naturalnie, ze względu na dyfuzję dziur z obszaru p do obszaru n i odwrotną dyfuzję elektronów z obszaru n do obszaru p, powstają warstwy zubożone (warstwy, w których nie ma większości nośników ładunku) na granicach przejść p- i n-regionów. W stanie normalnym, to znaczy, gdy do bramki nie jest przyłożone napięcie, tranzystor jest w stanie „zablokowanym”, to znaczy nie jest w stanie przewodzić prądu ze źródła do drenu. Sytuacja nie zmienia się, nawet jeśli przyłożymy napięcie między drenem a źródłem (w tym przypadku nie uwzględniamy prądów upływu spowodowanych ruchem pod wpływem wytworzonych pól elektrycznych nośników ładunku mniejszościowego, że to dziury dla regionu n i elektrony dla regionu p).

Jeśli jednak do bramki zostanie przyłożony potencjał dodatni (ryc. 1), sytuacja zmieni się radykalnie. Pod wpływem pola elektrycznego bramki dziury są wpychane głęboko w p-półprzewodnik, a elektrony, przeciwnie, są wciągane do obszaru pod bramką, tworząc wzbogacony elektronami kanał między źródłem a drenem. Kiedy do bramki zostanie przyłożone napięcie dodatnie, elektrony te zaczynają przemieszczać się od źródła do drenu. W tym przypadku tranzystor przewodzi prąd - mówią, że tranzystor "otwiera się". Jeśli napięcie zostanie usunięte z bramki, elektrony przestaną być wciągane w obszar między źródłem a drenem, kanał przewodzący zostanie zniszczony, a tranzystor przestanie przepuszczać prąd, czyli zostanie „zablokowany”. Tak więc, zmieniając napięcie na bramce, można otworzyć lub wyłączyć tranzystor w taki sam sposób, jak włącza się lub wyłącza konwencjonalny przełącznik, kontrolując przepływ prądu przez obwód. Dlatego tranzystory są czasami nazywane przełącznikami elektronicznymi. Jednak w przeciwieństwie do konwencjonalnych przełączników mechanicznych, tranzystory CMOS są praktycznie pozbawione bezwładności i mogą przechodzić ze stanu otwartego do zamkniętego biliony razy na sekundę! To właśnie ta cecha, czyli zdolność do natychmiastowego przełączania, ostatecznie determinuje prędkość procesora, który składa się z dziesiątek milionów takich najprostszych tranzystorów.

Tak więc nowoczesny układ scalony składa się z dziesiątek milionów najprostszych tranzystorów CMOS. Przyjrzyjmy się bardziej szczegółowo procesowi wytwarzania mikroukładów, którego pierwszym etapem jest produkcja podłoży krzemowych.

Krok 1. Rosnące puste miejsca

Tworzenie takich podłoży zaczyna się od wzrostu cylindrycznego monokryształu krzemu. Te kęsy monokrystaliczne są następnie cięte na wafle o grubości około 1/40" i średnicy 200 mm (8") lub 300 mm (12"). Są to podłoża krzemowe wykorzystywane do produkcji mikroukładów.

Przy formowaniu wafli z monokryształów krzemu bierze się pod uwagę fakt, że dla idealnych struktur krystalicznych właściwości fizyczne w dużej mierze zależą od wybranego kierunku (właściwość anizotropii). Na przykład rezystancja podłoża krzemowego będzie różna w kierunku wzdłużnym i poprzecznym. Podobnie, w zależności od orientacji sieci krystalicznej, kryształ krzemu będzie inaczej reagował na wszelkie wpływy zewnętrzne związane z jego dalszą obróbką (na przykład trawienie, rozpylanie itp.). Dlatego płytkę należy wyciąć z monokryształu w taki sposób, aby orientacja sieci krystalicznej względem powierzchni była ściśle utrzymywana w określonym kierunku.

Jak już wspomniano, średnica preformy monokryształu krzemu wynosi 200 lub 300 mm. Ponadto średnica 300 mm to stosunkowo nowa technologia, którą omówimy poniżej. Jasne jest, że płytka o tej średnicy może pomieścić znacznie więcej niż jeden mikroukład, nawet jeśli mówimy o procesorze Intel Pentium 4. Rzeczywiście, na jednym takim podłożu waflowym powstaje kilkadziesiąt mikroukładów (procesorów), ale dla uproszczenia uwzględni tylko procesy zachodzące na niewielkim obszarze jednego przyszłego mikroprocesora.

Krok 2. Nałożenie ochronnej folii dielektrycznej (SiO2)

Po utworzeniu podłoża krzemowego rozpoczyna się etap tworzenia najbardziej złożonej struktury półprzewodnikowej.

W tym celu konieczne jest wprowadzenie do krzemu tzw. zanieczyszczeń donorowych i akceptorowych. Powstaje jednak pytanie – jak przeprowadzić wprowadzanie zanieczyszczeń według ściśle określonego wzorca-wzorca? Aby było to możliwe, miejsca, w których nie jest wymagane wprowadzanie zanieczyszczeń, zabezpiecza się specjalną warstwą dwutlenku krzemu, pozostawiając odsłonięte tylko te obszary, które są poddawane dalszej obróbce (rys. 2). Proces tworzenia takiej folii ochronnej o pożądanym wzorze składa się z kilku etapów.

W pierwszym etapie cała płytka krzemowa jest całkowicie pokryta cienką warstwą dwutlenku krzemu (SiO2), który jest bardzo dobrym izolatorem i pełni rolę filmu ochronnego podczas dalszej obróbki kryształu krzemu. Wafle umieszczane są w komorze, w której pod wpływem wysokiej temperatury (od 900 do 1100°C) i ciśnienia tlen dyfunduje do warstw powierzchniowych wafla, prowadząc do utlenienia krzemu i utworzenia warstwy powierzchniowej dwutlenku krzemu. Aby folia dwutlenku krzemu miała dokładnie określoną grubość i nie zawierała defektów, konieczne jest ścisłe utrzymywanie stałej temperatury we wszystkich punktach wafla podczas procesu utleniania. Jeśli nie cały wafel ma być pokryty warstwą dwutlenku krzemu, najpierw na podłoże krzemowe nakładana jest maska Si3N4, aby zapobiec niepożądanemu utlenianiu.

Krok 3. Nałożenie fotorezystu

Po pokryciu podłoża krzemowego warstwą ochronną z dwutlenku krzemu, konieczne jest usunięcie tej folii z miejsc, które będą poddawane dalszej obróbce. Usunięcie folii odbywa się poprzez trawienie, a w celu zabezpieczenia pozostałych obszarów przed trawieniem na powierzchnię wafla nakładana jest warstwa tzw. fotorezystu. Termin „fotorezyst” odnosi się do preparatów, które są wrażliwe na światło i odporne na czynniki agresywne. Stosowane kompozycje powinny mieć z jednej strony pewne właściwości fotograficzne (pod wpływem światła ultrafioletowego stają się rozpuszczalne i wypłukiwane podczas procesu trawienia), a z drugiej strony rezystancyjne, pozwalające wytrzymać trawienie w kwasach i zasady, ogrzewanie itp. Głównym celem fotorezystów jest stworzenie reliefu ochronnego o pożądanej konfiguracji.

Proces nakładania fotorezystu i jego dalszego naświetlania światłem ultrafioletowym zgodnie z zadanym wzorem nazywa się fotolitografią i obejmuje następujące podstawowe operacje: tworzenie warstwy fotorezystu (obróbka podłoża, nakładanie, suszenie), tworzenie warstwy ochronnej relief (naświetlenie, wywołanie, suszenie) oraz przeniesienie obrazu na podłoże (trawienie, rozpylanie itp.).

Przed nałożeniem warstwy fotorezystu (rys. 3) na podłoże poddaje się je wstępnej obróbce, w wyniku czego poprawia się jego przyczepność do warstwy fotorezystu. Metoda wirowania służy do nakładania jednolitej warstwy fotomaski. Podłoże umieszcza się na obracającej się tarczy (wirówce) i pod wpływem sił odśrodkowych fotorezyst rozkłada się na powierzchni podłoża w niemal jednorodnej warstwie. (Mówiąc o praktycznie jednolitej warstwie, należy wziąć pod uwagę fakt, że pod działaniem sił odśrodkowych grubość powstałej folii zwiększa się od środka do brzegów; jednak ten sposób nakładania fotomaski umożliwia wytrzymuje wahania grubości warstwy w granicach ± 10%.)

Krok 4. Litografia

Po nałożeniu i wysuszeniu warstwy fotorezystu rozpoczyna się etap tworzenia niezbędnej ulgi ochronnej. Relief powstaje w wyniku tego, że pod działaniem promieniowania ultrafioletowego padającego na pewne obszary warstwy fotorezystu, ta ostatnia zmienia właściwości rozpuszczalności, na przykład oświetlone obszary przestają rozpuszczać się w rozpuszczalniku, co usuwa obszary warstwa, która nie była wystawiona na działanie światła lub odwrotnie - oświetlane obszary rozpuszczają się. Metodą formowania reliefu fotorezystywy dzielą się na negatyw i pozytyw. Fotomaski negatywowe pod wpływem promieniowania ultrafioletowego tworzą ochronne obszary reliefu. Z drugiej strony, fotomaski pozytywowe pod wpływem promieniowania ultrafioletowego nabierają właściwości płynięcia i są wypłukiwane przez rozpuszczalnik. W związku z tym warstwa ochronna powstaje w tych obszarach, które nie są narażone na promieniowanie ultrafioletowe.

Aby oświetlić żądane obszary warstwy fotorezystu, stosuje się specjalny szablon maski. Najczęściej do tego celu wykorzystuje się płytki ze szkła optycznego z elementami nieprzezroczystymi uzyskanymi metodą fotograficzną lub w inny sposób. W rzeczywistości taki szablon zawiera rysunek jednej z warstw przyszłego mikroukładu (w sumie może być kilkaset takich warstw). Ponieważ ten szablon jest referencją, musi być wykonany z dużą precyzją. Dodatkowo biorąc pod uwagę fakt, że z jednej fotomaski powstanie bardzo dużo klisz fotograficznych, musi być ona trwała i odporna na uszkodzenia. Dlatego jasne jest, że fotomaska to bardzo kosztowna rzecz: w zależności od złożoności mikroukładu może kosztować dziesiątki tysięcy dolarów.

Promieniowanie ultrafioletowe przechodzące przez taki szablon (ryc. 4) oświetla tylko niezbędne obszary powierzchni warstwy fotorezystu. Po naświetleniu fotorezyst ulega rozwinięciu, w wyniku czego usuwane są zbędne fragmenty warstwy. To otwiera odpowiednią część warstwy dwutlenku krzemu.

Pomimo pozornej prostoty procesu fotolitograficznego, to właśnie ten etap produkcji mikroukładów jest najtrudniejszy. Faktem jest, że zgodnie z przewidywaniami Moore'a liczba tranzystorów w jednym mikroukładzie rośnie wykładniczo (podwaja się co dwa lata). Taki wzrost liczby tranzystorów jest możliwy tylko dzięki zmniejszeniu ich wielkości, ale to właśnie zmniejszenie „opiera się” na procesie litografii. W celu zmniejszenia tranzystorów konieczne jest zmniejszenie wymiarów geometrycznych linii nałożonych na warstwę fotorezystu. Ale wszystko ma swoje granice – nie jest tak łatwo zogniskować wiązkę lasera na punkcie. Faktem jest, że zgodnie z prawami optyki falowej minimalna wielkość plamki, w której skupia się wiązka laserowa (w rzeczywistości nie jest to tylko plamka, ale wzór dyfrakcyjny) jest określana m.in. długość fali świetlnej. Rozwój technologii litograficznej od czasu jej wynalezienia na początku lat 70. zmierzał w kierunku zmniejszania długości fali światła. To właśnie umożliwiło zmniejszenie rozmiarów elementów układu scalonego. Od połowy lat 80. w fotolitografii zaczęto wykorzystywać promieniowanie ultrafioletowe wytwarzane przez laser. Pomysł jest prosty: długość fali promieniowania ultrafioletowego jest krótsza niż długość fali światła w zakresie widzialnym, dzięki czemu możliwe jest uzyskanie cieńszych linii na powierzchni fotorezystu. Do niedawna litografia wykorzystywała głębokie promieniowanie ultrafioletowe (Deep Ultra Violet, DUV) o długości fali 248 nm. Jednak gdy fotolitografia przekroczyła granicę 200 nm, pojawiły się poważne problemy, które po raz pierwszy stawiały pod znakiem zapytania możliwość dalszego wykorzystania tej technologii. Na przykład przy długościach fal poniżej 200 mikronów zbyt dużo światła jest pochłaniane przez warstwę światłoczułą, przez co proces przesyłania szablonu obwodu do procesora staje się bardziej skomplikowany i wolniejszy. Takie wyzwania skłaniają naukowców i producentów do poszukiwania alternatyw dla tradycyjnej technologii litograficznej.

Nowa technologia litograficzna zwana litografią EUV (Extreme UltraViolet) opiera się na wykorzystaniu światła ultrafioletowego o długości fali 13 nm.

Przejście z litografii DUV na EUV zapewnia ponad 10-krotne zmniejszenie długości fali i przejście do zakresu, w którym jest ona porównywalna z rozmiarami zaledwie kilkudziesięciu atomów.

Stosowana obecnie technologia litograficzna pozwala na osadzanie szablonu o minimalnej szerokości przewodnika 100 nm, natomiast litografia EUV umożliwia drukowanie linii o znacznie mniejszej szerokości - do 30 nm. Kontrolowanie ultrakrótkiego promieniowania nie jest tak proste, jak się wydaje. Ponieważ promieniowanie EUV jest dobrze pochłaniane przez szkło, nowa technologia polega na zastosowaniu serii czterech specjalnych wypukłych luster, które redukują i skupiają obraz uzyskany po nałożeniu maski (rys. 5,). Każde takie lustro zawiera 80 oddzielnych warstw metalu o grubości około 12 atomów.

Krok 5. Trawienie

Po naświetleniu warstwy fotorezystu rozpoczyna się etap trawienia w celu usunięcia filmu dwutlenku krzemu (rys. 8).

Proces trawienia często kojarzy się z kąpielami kwasowymi. Ta metoda trawienia kwasem jest dobrze znana radioamatorom, którzy samodzielnie wykonywali obwody drukowane. W tym celu na foliowy tekstolit z lakierem, który działa jak warstwa ochronna, nakłada się wzór torów przyszłej płyty, a następnie płytkę opuszcza się do kąpieli z kwasem azotowym. Zbędne obszary folii są wytrawiane, odsłaniając czysty tekstolit. Ta metoda ma szereg wad, z których główną jest brak możliwości dokładnej kontroli procesu usuwania warstwy, ponieważ na proces trawienia wpływa zbyt wiele czynników: stężenie kwasu, temperatura, konwekcja itp. Dodatkowo kwas oddziałuje z materiałem we wszystkich kierunkach i stopniowo wnika pod krawędź maski fotorezystu, czyli niszczy warstwy pokryte fotorezystem z boku. Dlatego w produkcji procesorów stosuje się metodę suchego trawienia, zwaną również plazmą. Ta metoda pozwala dokładnie kontrolować proces trawienia, a zniszczenie wytrawionej warstwy następuje ściśle w kierunku pionowym.

Trawienie na sucho wykorzystuje zjonizowany gaz (plazmę) do usunięcia dwutlenku krzemu z powierzchni płytki i reakcji z powierzchnią dwutlenku krzemu, tworząc lotne produkty uboczne.

Po procedurze wytrawiania, czyli odsłonięcia wymaganych obszarów czystego krzemu, reszta fotowarstwy zostaje usunięta. W ten sposób na podłożu krzemowym pozostaje wzór dwutlenku krzemu.

Krok 6. Dyfuzja (implantacja jonów)

Przypomnijmy, że poprzedni proces formowania wymaganego wzoru na podłożu krzemowym był niezbędny do stworzenia struktur półprzewodnikowych we właściwych miejscach poprzez wprowadzenie zanieczyszczenia donora lub akceptora. Proces wprowadzania zanieczyszczeń odbywa się za pomocą dyfuzji (rys. 9) - równomiernego wprowadzania atomów zanieczyszczeń do sieci krystalicznej krzemu. Do uzyskania półprzewodnika typu n zwykle używa się antymonu, arsenu lub fosforu. Aby uzyskać półprzewodnik typu p, jako zanieczyszczenie stosuje się bor, gal lub aluminium.

Do procesu dyfuzji domieszki stosuje się implantację jonów. Proces implantacji polega na tym, że z wysokonapięciowego akceleratora „wypalane” są jony wymaganego domieszki i przy wystarczającej energii wnikają w powierzchniowe warstwy krzemu.

Tak więc pod koniec etapu implantacji jonów powstała wymagana warstwa struktury półprzewodnikowej. Jednak mikroprocesory mogą mieć kilka takich warstw. Aby utworzyć kolejną warstwę na powstałym schemacie, wyhodowano dodatkową cienką warstwę dwutlenku krzemu. Następnie nakłada się warstwę krzemu polikrystalicznego i kolejną warstwę fotorezystu. Promieniowanie ultrafioletowe przechodzi przez drugą maskę i podświetla odpowiedni wzór na warstwie fotograficznej. Potem znów następują etapy rozpuszczania fotowarstwy, trawienia i implantacji jonów.

Krok 7. Rozpylanie i osadzanie

Nakładanie nowych warstw odbywa się kilkakrotnie, natomiast dla połączeń międzywarstwowych w warstwach pozostają „okienka” wypełnione atomami metali; w rezultacie na kryształowo przewodzących obszarach powstają metalowe paski. Tak więc w nowoczesnych procesorach połączenia są ustanawiane między warstwami, które tworzą złożony schemat trójwymiarowy. Proces uprawy i obróbki wszystkich warstw trwa kilka tygodni, a sam cykl produkcyjny składa się z ponad 300 etapów. W rezultacie na płytce krzemowej powstają setki identycznych procesorów.

Aby wytrzymać naprężenia, którym poddawane są wafle podczas procesu osadzania warstw, podłoża krzemowe są początkowo wystarczająco grube. Dlatego przed pocięciem wafla na osobne procesory jego grubość zmniejsza się o 33%, a zanieczyszczenia z tylnej strony są usuwane. Następnie na tylną stronę podłoża nakładana jest warstwa specjalnego materiału, który poprawia przyczepność kryształu do obudowy przyszłego procesora.

Krok 8. Ostatni etap

Pod koniec cyklu formowania wszystkie procesory są dokładnie testowane. Następnie za pomocą specjalnego urządzenia wycina się betonowe, już przebadane kryształy z płyty nośnej (rys. 10).

Każdy mikroprocesor jest osadzony w obudowie ochronnej, która zapewnia również elektryczne połączenie chipa mikroprocesora z urządzeniami zewnętrznymi. Rodzaj obudowy zależy od typu i przeznaczenia mikroprocesora.

Po zamknięciu w obudowie każdy mikroprocesor jest ponownie testowany. Wadliwe procesory są wyrzucane, a sprawne procesory poddawane są testom warunków skrajnych. Procesory są następnie sortowane na podstawie ich zachowania przy różnych częstotliwościach zegara i napięciach zasilania.

Zaawansowane technologie

Proces technologiczny wytwarzania mikroukładów (w szczególności procesorów) jest przez nas rozpatrywany w bardzo uproszczony sposób. Ale nawet ta powierzchowna prezentacja pozwala zrozumieć trudności technologiczne, z jakimi trzeba się zmierzyć przy zmniejszaniu wielkości tranzystorów.

Zanim jednak rozważymy nowe obiecujące technologie, odpowiedzmy na pytanie postawione na samym początku artykułu: jaki jest standard projektowy procesu technologicznego i czym tak naprawdę standard projektowy 130 nm różni się od standardu 180 nm ? 130 nm lub 180 nm to charakterystyczna minimalna odległość między dwoma sąsiednimi elementami w jednej warstwie mikroukładu, czyli rodzaj stopnia siatki, z którym związane są elementy mikroukładu. Jednocześnie jest dość oczywiste, że im mniejszy jest ten charakterystyczny rozmiar, tym więcej tranzystorów można umieścić na tym samym obszarze mikroukładu.

Obecnie do produkcji procesorów Intela stosuje się proces produkcyjny o wielkości 0,13 mikrona. Ta technologia jest używana do produkcji procesora Intel Pentium 4 z rdzeniem Northwood, procesora Intel Pentium III z rdzeniem Tualatin oraz procesora Intel Celeron. W przypadku zastosowania takiego procesu technologicznego efektywna szerokość kanału tranzystora wynosi 60 nm, a grubość warstwy tlenku bramki nie przekracza 1,5 nm. W sumie procesor Intel Pentium 4 zawiera 55 milionów tranzystorów.

Wraz ze wzrostem gęstości tranzystorów w krysztale procesora technologia 0,13 mikrona, która zastąpiła technologię 0,18 mikrona, ma inne innowacje. Po pierwsze wykorzystuje miedziane połączenia między poszczególnymi tranzystorami (w technologii 0,18 mikrona połączenia były aluminiowe). Po drugie, technologia 0,13 mikrona zapewnia mniejsze zużycie energii. Na przykład w przypadku technologii mobilnej oznacza to, że zużycie energii przez mikroprocesory spada, a żywotność baterii jest dłuższa.

Otóż ostatnią innowacją, która została wdrożona przy przejściu do procesu technologicznego 0,13 mikrona, jest zastosowanie wafli krzemowych (waferów) o średnicy 300 mm. Przypomnijmy, że wcześniej większość procesorów i mikroukładów została wykonana na bazie płytek 200 mm.

Zwiększenie średnicy płyt pozwala obniżyć koszt każdego procesora i zwiększyć uzysk produktów odpowiedniej jakości. Rzeczywiście, powierzchnia płyty o średnicy 300 mm jest 2,25 razy większa niż powierzchnia płyty o średnicy odpowiednio 200 mm, a liczba procesorów uzyskana z jednej płyty o średnicy 300 mm jest ponad dwukrotnie większy.

W 2003 roku przewiduje się wprowadzenie nowego procesu technologicznego o jeszcze niższym standardzie konstrukcyjnym, a mianowicie 90-nanometrowym. Nowy proces produkcyjny, który Intel będzie wykorzystywał do wytwarzania większości swoich produktów, w tym procesorów, chipsetów i sprzętu komunikacyjnego, został opracowany w pilotażowym zakładzie waflowym D1C firmy Intel o średnicy 300 mm w Hillsboro w stanie Oregon.

23 października 2002 r. Intel ogłosił otwarcie nowego obiektu o wartości 2 miliardów dolarów w Rio Rancho w stanie Nowy Meksyk. Nowa fabryka, nazwana F11X, będzie wykorzystywać najnowocześniejszą technologię do produkcji procesorów na 300-milimetrowych waflach przy użyciu procesu projektowego o wielkości 0,13 mikrona. W 2003 roku zakład zostanie przeniesiony do procesu technologicznego o standardzie projektowym 90 nm.

Ponadto Intel ogłosił już wznowienie budowy w Fab 24 w Lakeslip w Irlandii, w celu produkcji elementów półprzewodnikowych na 300-milimetrowych waflach krzemowych z 90-nanometrową zasadą projektową. Nowe przedsiębiorstwo o łącznej powierzchni ponad 1 mln mkw. ft. z ultra-czystymi pokojami o powierzchni 160 tys. ft. ma rozpocząć działalność w pierwszej połowie 2004 roku i zatrudniać ponad tysiąc pracowników. Koszt obiektu to około 2 miliardy dolarów.

Proces 90 nm wykorzystuje szereg zaawansowanych technologii. Jest to również najmniejszy na świecie dostępny na rynku tranzystor CMOS z bramką o długości 50 nm (rys. 11), która zapewnia zwiększoną wydajność przy jednoczesnym zmniejszeniu zużycia energii, a także najcieńszą warstwą tlenku bramki spośród wszystkich wyprodukowanych tranzystorów — tylko 1,2 nm (rys. 12) lub mniej niż 5 warstw atomowych i pierwsze w branży wdrożenie wysokowydajnej technologii naprężonego krzemu.

Spośród wymienionych cech chyba tylko pojęcie „napiętego krzemu” wymaga komentarza (ryc. 13). W takim krzemie odległość między atomami jest większa niż w konwencjonalnym półprzewodniku. To z kolei zapewnia swobodniejszy przepływ prądu, podobnie jak ruch uliczny porusza się swobodniej i szybciej na drodze z szerszymi pasami ruchu.

W wyniku wszystkich innowacji wydajność tranzystorów poprawiła się o 10-20%, przy wzroście kosztów produkcji tylko o 2%.

Ponadto proces 90 nm wykorzystuje siedem warstw na chip (Rysunek 14), o jedną warstwę więcej niż proces 130 nm oraz połączenia miedziane.

Wszystkie te cechy, w połączeniu z 300-milimetrowymi płytkami krzemowymi, zapewniają firmie Intel wzrost wydajności, produkcji i kosztów. Konsumenci również odnoszą korzyści, ponieważ nowy proces technologiczny firmy Intel stale rozwija branżę zgodnie z prawem Moore'a, jednocześnie stale poprawiając wydajność procesora.

Produkcja mikroukładów to bardzo trudna branża, a zamknięty charakter tego rynku jest podyktowany przede wszystkim specyfiką dominującej dziś technologii fotolitografii. Mikroskopijne obwody elektroniczne są rzutowane na płytkę krzemową przez fotomaski, z których każda może kosztować nawet 200 000 dolarów. Tymczasem do wyprodukowania jednego chipa potrzeba co najmniej 50 takich masek. Dodaj do tego koszt prób i błędów przy opracowywaniu nowych modeli, a zdasz sobie sprawę, że tylko bardzo duże firmy mogą produkować procesory w bardzo dużych ilościach.

Ale co z laboratoriami naukowymi i zaawansowanymi technologicznie startupami, które potrzebują niestandardowych programów? Jak być wojskowym, dla którego kupowanie procesorów od „potencjalnego wroga” nie jest, delikatnie mówiąc, comme il faut?

Odwiedziliśmy rosyjski zakład produkcyjny holenderskiej firmy Mapper, dzięki czemu produkcja mikroukładów może przestać być udziałem niebiańskich i stać się zajęciem dla zwykłych śmiertelników. Cóż, prawie proste. Tutaj, na terenie Technopolis "Moskwa", przy wsparciu finansowym korporacji "Rusnano", produkowany jest kluczowy element technologii Mapper - system elektrooptyczny.

Zanim jednak zagłębimy się w niuanse litografii bezmaskowej Mappera, warto przypomnieć sobie podstawy konwencjonalnej fotolitografii.

Ogromne światło

Na nowoczesnym procesorze Intel Core i7 może pomieścić około 2 miliardy tranzystorów (w zależności od modelu), z których każdy ma rozmiar 14 nm. W pogoni za mocą obliczeniową producenci corocznie zmniejszają rozmiar tranzystorów i zwiększają ich liczbę. Prawdopodobną granicę technologiczną w tym wyścigu można uznać za 5 nm: na takich odległościach zaczynają się manifestować efekty kwantowe, dzięki którym elektrony w sąsiednich komórkach mogą zachowywać się nieprzewidywalnie.

Aby nanieść mikroskopijne struktury półprzewodnikowe na płytkę krzemową, stosuje się proces podobny do pracy z powiększaczem zdjęć. Chyba że jego cel jest odwrotny - aby obraz był jak najmniejszy. Płyta (lub folia ochronna) pokryte są fotorezystem - polimerowym materiałem światłoczułym, który zmienia swoje właściwości pod wpływem światła. Pożądany wzór chipa jest eksponowany na fotomaskę przez maskę i soczewkę zbierającą. Drukowane płytki są zazwyczaj cztery razy mniejsze niż maski.

Substancje takie jak krzem czy german mają po cztery elektrony na zewnętrznym poziomie energetycznym. Tworzą piękne kryształy przypominające metal. Ale w przeciwieństwie do metalu nie przewodzą prądu elektrycznego: wszystkie ich elektrony są zaangażowane w silne wiązania kowalencyjne i nie mogą się poruszać. Jednak wszystko się zmieni, jeśli dodasz do nich trochę nieczystości dawcy z substancji z pięcioma elektronami na zewnętrznym poziomie (fosfor lub arsen). Cztery elektrony wiążą się z krzemem, a jeden pozostaje wolny. Krzem domieszkowany donorem (typu n) jest dobrym przewodnikiem. Jeśli do krzemu dodamy zanieczyszczenie akceptorowe z substancji z trzema elektronami na poziomie zewnętrznym (bor, ind), w podobny sposób powstają „dziury”, wirtualny analog ładunku dodatniego. W tym przypadku mówimy o półprzewodniku typu p. Łącząc przewodniki typu p i n otrzymujemy diodę - urządzenie półprzewodnikowe, które przepuszcza prąd tylko w jednym kierunku. Kombinacja p-n-p lub n-p-n daje nam tranzystor - prąd przepływa przez niego tylko wtedy, gdy do przewodu środkowego zostanie przyłożone określone napięcie.

Dyfrakcja światła sama dostosowuje się do tego procesu: wiązka przechodząca przez otwory maski jest lekko załamywana, a zamiast jednego punktu odsłania szereg koncentrycznych kręgów, jak kamień wrzucony do wiru. Na szczęście dyfrakcja jest odwrotnie powiązana z długością fali, z której inżynierowie korzystają podczas korzystania ze światła ultrafioletowego o długości fali 195 nm. Dlaczego nie mniej? Tyle, że krótsza fala nie zostanie załamana przez soczewkę zbierającą, promienie przejdą bez ogniskowania. Niemożliwe jest również zwiększenie zdolności zbierania obiektywu - aberracja sferyczna nie pozwoli: każdy promień przejdzie przez oś optyczną w swoim punkcie, łamiąc ognisko.

Maksymalna szerokość konturu, którą można wyświetlić za pomocą fotolitografii, wynosi 70 nm. Układy scalone o wyższej rozdzielczości drukowane są w kilku krokach: nakładają 70-nanometrowe kontury, wytrawiają obwód, a następnie naświetlają kolejną część przez nową maskę.

Obecnie opracowywana jest technologia fotolitografii w głębokim ultrafiolecie, wykorzystująca światło o ekstremalnej długości fali około 13,5 nm. Technologia polega na zastosowaniu zwierciadeł próżniowych i wielowarstwowych z odbiciem opartym na interferencji międzywarstwowej. Maska również nie będzie przezroczysta, ale będzie elementem odblaskowym. Lustra pozbawione są zjawiska załamania, dlatego mogą pracować ze światłem o dowolnej długości fali. Ale na razie jest to tylko koncepcja, którą można zastosować w przyszłości.

Jak dziś powstają procesory

Idealnie wypolerowany okrągły wafel krzemowy o średnicy 30 cm pokryty jest cienką warstwą fotorezystu. Siła odśrodkowa pomaga równomiernie rozprowadzić fotomaskę.

Przyszły obwód jest wystawiony na działanie fotorezystu przez maskę. Proces ten powtarza się wiele razy, ponieważ wiele żetonów powstaje z jednego wafla.

Część fotorezystu wystawiona na działanie promieniowania ultrafioletowego staje się rozpuszczalna i można ją łatwo usunąć chemikaliami.

Obszary płytki krzemowej, które nie są chronione przez fotorezyst, są wytrawiane chemicznie. Na ich miejscu powstają depresje.

Na płytkę ponownie nakłada się warstwę fotorezystu. Tym razem ekspozycja służy do odsłonięcia tych obszarów, które zostaną poddane bombardowaniu jonami.

Pod wpływem pola elektrycznego jony zanieczyszczeń są przyspieszane do prędkości ponad 300 000 km/h i wnikają w krzem, nadając mu właściwości półprzewodnika.

Po usunięciu resztek fotorezystu na płytce pozostają gotowe tranzystory. Na wierzch nakładana jest warstwa dielektryczna, w której przy użyciu tej samej technologii wytrawiane są otwory na styki.

Płytkę umieszcza się w roztworze siarczanu miedzi i na drodze elektrolizy nakłada się na nią warstwę przewodzącą. Następnie cała warstwa jest usuwana przez szlifowanie, a styki w otworach pozostają.

Styki są połączone wielopiętrową siecią metalowych „przewodów”. Liczba „pięter” może wynosić do 20, a ogólny układ przewodów nazywa się architekturą procesora.

Dopiero teraz płyta jest cięta na wiele pojedynczych wiórów. Każdy „kryształ” jest testowany i dopiero potem instalowany na płytce ze stykami i zakrywany srebrną zaślepką chłodnicy.

13 000 telewizorów

Alternatywą dla fotolitografii jest elektrolitografia, gdy jest naświetlana nie światłem, ale elektronami, a nie zdjęciem, ale elektrooporem. Wiązka elektronów jest łatwo skupiana do punktu o minimalnej wielkości, do 1 nm. Technologia przypomina kineskopy telewizora: skupiony strumień elektronów jest odchylany przez cewki sterujące, tworząc obraz na płytce krzemowej.

Do niedawna technologia ta nie mogła konkurować z metodą tradycyjną ze względu na niską prędkość. Aby elektroopornik reagował na promieniowanie, musi przyjąć określoną liczbę elektronów na jednostkę powierzchni, tak aby jedna wiązka mogła naświetlać co najwyżej 1 cm2/h. Jest to dopuszczalne w przypadku pojedynczych zamówień z laboratoriów, ale nie ma zastosowania w przemyśle.

Niestety nie można rozwiązać problemu poprzez zwiększenie energii wiązki: ładunki o tej samej nazwie są odpychane, dlatego wraz ze wzrostem prądu wiązka elektronów staje się szersza. Możesz jednak zwiększyć liczbę promieni, naświetlając jednocześnie kilka stref. A jeśli kilka - to 13 000, jak w technologii Mapper, to według obliczeń można wydrukować już dziesięć pełnowartościowych żetonów na godzinę.

Oczywiście połączenie 13 000 lamp katodowych w jednym urządzeniu byłoby niemożliwe. W przypadku Mappera promieniowanie ze źródła kierowane jest na soczewkę kolimatora, która tworzy szeroką, równoległą wiązkę elektronów. Na jej drodze stoi matryca apertury, która zamienia ją w 13 000 pojedynczych wiązek. Wiązki przechodzą przez matrycę blanker, 13 000-otworowy wafel krzemowy. W pobliżu każdego z nich znajduje się elektroda odchylająca. Jeśli przyłoży się do niego prąd, elektrony „omijają” swoją dziurę i jeden z 13 000 promieni zostaje wyłączony.

Po przejściu przez blankery, wiązki są kierowane do szeregu deflektorów, z których każdy może odchylić swoją wiązkę o kilka mikronów w prawo lub w lewo w stosunku do ruchu płyty (więc Mapper nadal przypomina 13 000 CRT). Ostatecznie każda wiązka jest dodatkowo ogniskowana przez własną mikrosoczewkę, po czym kierowana jest na elektroopornik. Do tej pory technologia Mapper była testowana we francuskim instytucie badawczym ds. mikroelektroniki CEA-Leti oraz w firmie TSMC, która produkuje mikroprocesory dla wiodących graczy rynkowych (m.in. Apple iPhone 6S). Kluczowe elementy systemu, w tym silikonowe soczewki elektroniczne, są produkowane w moskiewskim zakładzie.

Technologia Mapper obiecuje nowe perspektywy nie tylko dla laboratoriów badawczych i produkcji na małą skalę (w tym wojskową), ale także dla dużych graczy. W dzisiejszych czasach, aby przetestować prototypy nowych procesorów, trzeba wykonać dokładnie takie same fotomaski, jak przy masowej produkcji. Możliwość stosunkowo szybkiego prototypowania układów zapowiada nie tylko obniżenie kosztów rozwoju, ale także przyspieszenie postępów w tej dziedzinie. Co ostatecznie trafia w ręce masowego konsumenta elektroniki, czyli nas wszystkich.

procesor to jest serce każdego nowoczesny komputer... Każdy mikroprocesor jest zasadniczo układem scalonym o dużej skali, na którym znajdują się tranzystory. Przepuszczając prąd elektryczny, tranzystory umożliwiają tworzenie binarnych obliczeń logicznych (włącz - wyłącz). Nowoczesne procesory oparte są na technologii 45 nm. 45 nm (nanometr) to rozmiar jednego tranzystora znajdującego się na płytce procesora. Do niedawna wykorzystywano głównie technologię 90 nm.

Płyty wykonane są z krzemu, który jest drugim co do wielkości osadem w skorupie ziemskiej.

Krzem pozyskiwany jest poprzez obróbkę chemiczną, oczyszczającą go z zanieczyszczeń. Następnie zaczynają go topić, tworząc silikonowy cylinder o średnicy 300 milimetrów. Ten cylinder jest następnie cięty na płytki z gwintem diamentowym. Każda płyta ma grubość około 1 mm. Aby płyta miała idealną powierzchnię, po nacięciu gwintem jest szlifowana specjalną szlifierką.

Następnie powierzchnia wafla krzemowego jest idealnie płaska. Nawiasem mówiąc, wiele firm produkcyjnych już ogłosiło możliwość pracy z płytami 450 mm. Im większa powierzchnia, tym więcej tranzystorów do umieszczenia i wyższa wydajność procesora.

procesor składa się z płytki krzemowej, na której powierzchni znajduje się do dziewięciu poziomów tranzystorów, oddzielonych warstwami tlenków, służących do izolacji.

Rozwój technologii procesorowej

Gordon Moore, jeden z założycieli Intela, jednego z liderów w produkcji procesorów na świecie, w 1965 roku na podstawie swoich obserwacji odkrył prawo, zgodnie z którym nowe modele procesorów i mikroukładów pojawiały się w regularnych odstępach czasu. Wzrost liczby tranzystorów w procesorach podwaja się w ciągu 2 lat. Od 40 lat Prawo Gordona Moore'a działa bez zniekształceń. Opanowanie technologii przyszłości jest tuż za rogiem - istnieją już działające prototypy oparte na technologii procesorowej 32 nm i 22 nm. Do połowy 2004 r. moc procesora zależała przede wszystkim od częstotliwości procesora, ale od 2005 r. częstotliwość procesora praktycznie przestała rosnąć. Pojawiła się nowa technologia procesora wielordzeniowego. Oznacza to, że kilka rdzeni procesora jest tworzonych z równą częstotliwością zegara, a podczas pracy sumuje się moc rdzeni. Zwiększa to ogólną moc procesora.

Poniżej możesz obejrzeć film o produkcji procesorów.

Jak powstają frytki

Produkcja chipów polega na nakładaniu cienkich warstw o złożonym „wzorze” na podłoża krzemowe. Najpierw tworzona jest warstwa izolacyjna, która działa jak migawka elektryczna. Jeśli chodzi o produkcję podłoży, to muszą być one pocięte na cienkie „naleśniki” z litego monokryształu-cylindra, aby później można je było łatwo pociąć na osobne kryształy procesorowe. Sondy elektryczne służą do testowania każdego kryształu na podłożu. Na koniec podłoże jest cięte na pojedyncze rdzenie, niepracujące rdzenie są natychmiast odsiewane. W zależności od charakterystyki rdzeń staje się jednym lub drugim procesorem i jest zapakowany w opakowanie, które ułatwia instalację procesora na płycie głównej. Wszystkie bloki funkcjonalne przechodzą intensywne testy warunków skrajnych.

Wszystko zaczyna się od substratów

Pierwszy krok w produkcji procesorów odbywa się w czystym pomieszczeniu. Przy okazji warto zauważyć, że taka produkcja technologiczna to nagromadzenie ogromnego kapitału na metr kwadratowy... Budowa nowoczesnego zakładu z całym wyposażeniem może łatwo kosztować 2-3 miliardy dolarów, a testy nowych technologii trwają kilka miesięcy. Tylko wtedy zakład może produkować masowo przetwórców.

Ogólnie proces produkcji chipów składa się z kilku etapów obróbki podłoża. Obejmuje to tworzenie samych podłoży, które ostatecznie zostaną pocięte na oddzielne kryształy Figurnov, V.E. IBM PC dla użytkownika.-M., 2004. - P.204.

Produkcja podłoża

Pierwszym etapem jest wyhodowanie pojedynczego kryształu. W tym celu w kąpieli ze stopionego krzemu, która znajduje się tuż powyżej temperatury topnienia krzemu polikrystalicznego, osadza się zarodek kryształu. Ważne jest, aby kryształy rosły powoli (około dnia), aby zapewnić prawidłowe ułożenie atomów. Krzem polikrystaliczny lub amorficzny składa się z wielu różnych kryształów, które prowadzą do niepożądanych struktur powierzchniowych o słabych właściwościach elektrycznych.

Monokryształ jest cięty na „naleśniki” za pomocą bardzo precyzyjnej diamentowej piły tarczowej, która nie tworzy dużych nierówności na powierzchni podłoży. Oczywiście w tym przypadku powierzchnia podłoży nadal nie jest idealnie płaska, więc wymagane są dodatkowe operacje. Monokryształy pokazano na rysunku 1.

Rysunek 1. Widok zewnętrzny monokryształu.

Po pierwsze, za pomocą obracających się stalowych płyt i materiału ściernego (takiego jak tlenek glinu) z podłoża usuwana jest gruba warstwa (proces zwany docieraniem). W rezultacie eliminowane są nieregularności o wielkości od 0,05 mm do około 0,002 mm (2000 nm). Następnie zaokrąglij krawędzie każdego podkładu, ponieważ ostre krawędzie mogą odrywać warstwy. Ponadto stosuje się proces trawienia, przy użyciu różnych środków chemicznych (kwas fluorowodorowy, kwas octowy, kwas azotowy) powierzchnia jest wygładzona o około 50 mikronów więcej. Fizycznie powierzchnia nie ulega pogorszeniu, ponieważ cały proces jest całkowicie chemiczny. Pozwala usunąć pozostałe błędy w strukturze kryształu, dzięki czemu powierzchnia będzie bliska ideału.

Ostatnim krokiem jest polerowanie, które wygładza powierzchnię do nierówności, maksymalnie 3 nm. Polerowanie przeprowadza się przy użyciu mieszaniny wodorotlenku sodu i ziarnistej krzemionki.

Obecnie podłoża mikroprocesorowe mają średnicę 200 mm lub 300 mm, co pozwala producentom chipów na uzyskanie wielu procesorów z każdego z nich. Następnym krokiem będą podłoża 450mm, ale nie należy się ich spodziewać do 2013 roku. Ogólnie rzecz biorąc, im większa średnica podłoża, tym więcej wiórów o tej samej wielkości można wyprodukować. Na przykład podłoże 300 mm zapewnia ponad dwukrotnie większą liczbę procesorów niż 200 mm.

Doping i dyfuzja

Wspomniano już o domieszkowaniu wykonywanym podczas wzrostu monokryształu. Ale domieszkowanie odbywa się zarówno na gotowym podłożu, jak i później podczas procesów fotolitograficznych. Pozwala to na zmianę właściwości elektrycznych niektórych obszarów i warstw, a nie całej struktury kryształu.

Utwórz maskę

Do tworzenia obszarów układu scalonego wykorzystuje się proces fotolitografii. Ponieważ w tym przypadku nie jest konieczne naświetlanie całej powierzchni podłoża, ważne jest stosowanie tzw. masek, które przepuszczają promieniowanie o dużym natężeniu tylko do określonych obszarów. Maski można porównać do czarno-białego negatywu. Układy scalone mają wiele warstw (20 lub więcej), a każda warstwa wymaga własnej maski.

Na powierzchnię płyty ze szkła kwarcowego nakładana jest cienka warstwa chromu, aby stworzyć wzór. Jednocześnie drogie instrumenty wykorzystujące przepływ elektronów lub laser przepisują niezbędne dane IC, w wyniku czego na powierzchni podłoża kwarcowego uzyskuje się wzór chromu. Ważne jest, aby zrozumieć, że każda modyfikacja układu scalonego wiąże się z koniecznością wyprodukowania nowych masek, więc cały proces wprowadzania zmian jest bardzo kosztowny.

Fotolitografia

Za pomocą fotolitografii na podłożu krzemowym powstaje struktura. Proces powtarza się kilka razy, aż do utworzenia wielu warstw (ponad 20). Warstwy mogą składać się z różnych materiałów, ponadto trzeba również przemyśleć połączenia mikroskopijnymi drutami. Wszystkie warstwy mogą być domieszkowane Drewno, A. Mikroprocesory w pytaniach i odpowiedziach - M., 2005.-P.87.

Przed rozpoczęciem procesu fotolitografii podłoże jest czyszczone i podgrzewane w celu usunięcia lepkich cząstek i wody. Następnie podłoże pokrywane jest dwutlenkiem krzemu za pomocą specjalnego urządzenia. Następnie na podłoże nakładany jest środek wiążący, który zapewnia, że materiał fotorezystu, który ma zostać nałożony w kolejnym kroku, pozostanie na podłożu. Materiał fotorezystu nakładany jest na środek podłoża, który następnie zaczyna się obracać z dużą prędkością, dzięki czemu warstwa jest równomiernie rozłożona na całej powierzchni podłoża. Następnie podłoże jest ponownie podgrzewane. Zasadę fotolitografii pokazano na rysunku 2.

Rysunek 2. Zasada fotolitografii

Twarde promieniowanie UV o długości fali 13,5 nm naświetla materiał fotorezystu podczas przechodzenia przez maskę. Czas projekcji i skupienie są bardzo ważne dla uzyskania pożądanego rezultatu. Słabe ogniskowanie pozostawi dodatkowe cząsteczki materiału fotorezystu, ponieważ niektóre otwory w masce nie będą odpowiednio napromieniowane. To samo stanie się, jeśli czas projekcji będzie zbyt krótki. Wtedy struktura materiału fotorezystu będzie zbyt szeroka, obszary pod otworami będą niedoświetlone. Z drugiej strony, nadmierny czas projekcji tworzy zbyt duże obszary pod otworami i zbyt wąską strukturę materiału fotomaski. Z reguły jest to bardzo czasochłonne i trudne do uregulowania i optymalizacji procesu. Nieudana regulacja doprowadzi do poważnych odchyleń w przewodach łączących Mayorov, S.I. Biznes informacyjny: dystrybucja handlowa i marketing - M., 2007. -P.147 .. Specjalne urządzenie do projekcji schodkowej przesuwa podłoże do żądanej pozycji. Następnie można rzutować linię lub jeden odcinek, najczęściej odpowiadający jednej matrycy procesora. Dodatkowe mikroinstalacje mogą wprowadzić inne zmiany. Mogą debugować istniejącą technologię i optymalizować proces techniczny Kukin, V.N. Informatyka: organizacja i zarządzanie -M., 2005.-P.78.. Mikroinstalacje zwykle pracują na powierzchniach poniżej 1 metra kwadratowego. mm, podczas gdy konwencjonalne instalacje obejmują większe powierzchnie.

Po wytrawieniu i oczyszczeniu można przystąpić do oględzin podłoża, co zwykle ma miejsce na każdym ważnym etapie, lub przenieść podłoże do nowego cyklu fotolitograficznego. Test podłoża pokazano na rysunku 3.

Rysunek 3. Test podłoża

Gotowe podłoża testowane są w tzw. instalacjach sondowych. Pracują na całym podłożu. Styki sondy nakładają się na styki każdego kryształu, co umożliwia przeprowadzenie testów elektrycznych. Wszystkie funkcje każdego rdzenia są testowane za pomocą oprogramowania. Cięcie podłoża pokazano na rysunku 4.

Rysunek 4. Cięcie podkładu

Poprzez cięcie z podłoża można uzyskać pojedyncze rdzenie. Na ten moment Jednostki sterujące sondą zidentyfikowały już, które kryształy zawierają błędy, więc po cięciu można je oddzielić od dobrych. Wcześniej uszkodzone kryształy były fizycznie oznaczane, teraz nie ma takiej potrzeby, wszystkie informacje są przechowywane w jednej bazie danych Semenenko, V.A., Stupin. Yu.V. Podręcznik dotyczący elektronicznej technologii komputerowej - M., 2006. - P.45 ..

Rdzeń funkcjonalny musi być następnie przyklejony do opakowania procesora za pomocą materiału klejącego. Następnie musisz wykonać połączenia przewodowe łączące styki lub nogi opakowania i sam kryształ (rysunek 5). Można zastosować połączenia złote, aluminiowe lub miedziane.

Większość nowoczesnych przetwórców używa folii plastikowej z rozpraszaczem ciepła. Zazwyczaj rdzeń jest owinięty w folię ceramiczną lub plastikową, aby zapobiec uszkodzeniom. Nowoczesne procesory wyposażone są w tzw. rozpraszacz ciepła, który zapewnia dodatkową ochronę kryształu (rysunek 6).

Rysunek 5. Przewodowe połączenie z podłożem

Ostatni etap to testowanie procesora, co dzieje się w podwyższonych temperaturach, zgodnie ze specyfikacją procesora. Procesor jest automatycznie instalowany w gnieździe testowym, po czym analizowane są wszystkie niezbędne funkcje.

Rysunek 6. Opakowanie procesora