Cum procesoare

Este greu de crezut, dar un procesor modern este produsul final cel mai dificil din lume - și, de fapt, s-ar părea că complicat despre această bucată de fier?

Deci, atunci când o fabrică pentru producția de procesoare cu o noua tehnologie este construit, are 4 ani de la faptul că randamentul investițiilor (mai mult de 5 miliarde $) și pentru a genera profituri.

Din calcul simplu secret se dovedește că materialul pentru a produce cel puțin 100 de alveole pe oră de lucru.

Pe scurt procesul de fabricație procesor este după cum urmează: de siliciu topit singur cristal este crescut formă specială echipament cilindric.

Lingoul rezultat se răcește și se taie în „clatite“, a căror suprafață este atent nivelat și șlefuită la un finisaj oglinda.

Apoi, în „camere curate“ fabrici din materiale semiconductoare pe plachete de siliciu prin fotolitografie și gravură sunt circuite integrate.

După plăci re-rafinare, laboranti produc procesoare de testare microscopică eșantion - în cazul în care toate „OK“, placa gata se taie în procesoare individuale, care ulterior se închise în carcasă.

lecții de chimie

Nisip, in special de cuart, are un procent ridicat de siliciu sub formă de dioxid de siliciu (SiO2) și începutul procesului de producție este o componentă de bază pentru crearea de semiconductori.

Inițial luate SiO2 ca nisip, care, în cuptoarele cu arc electric (la o temperatură de aproximativ 1800 ° C) a redus de cocs:

SiO2 + 2C = Si + 2CO

O astfel de siliciu este cunoscut sub numele de „tehnic“ și are o puritate de 98-99.9%. Pentru procesoarele de producție necesită multă materie primă mai pură numit „siliciu electronic“ - în aceasta trebuie să fie mai mult de un atom de străin pe miliard atomi de siliciu.

Pentru a curăța un nivel, siliciu literal „născut din nou.“ Prin clorurarea siliciu preparat tetraclorură de siliciu (SiCI4), care este transformat ulterior în triclorosilanului (SiHCl3):

Aceste reacții care folosesc substanțe silicoase reciclu laterale formate reduc costurile și eliminarea problemelor de mediu:

Hidrogenul rezultat poate fi folosit în multe locuri, dar cel mai important lucru care a fost obținut de siliciu „electronic“, pur-cel mai pur (99.9999999%). Mai târziu în acest siliciu topi picături primer ( „creștere dot“), este tras treptat din creuzet.

Rezultatul este un așa-numit „taur“ - monocristal cu înălțimea de adult. Greutatea corespunzătoare - în producerea unui astfel de modul cântărește aproximativ 100 kg.

PIELE „Lingou nulevku“ :) și se taie cu un ferăstrău cu diamant. În aval - plăci (cu numele de cod „wafer“) de aproximativ 1 mm grosime și diametru de 300 mm (

12 inch; este utilizat pentru o astfel de tehnologie de proces la 32nm cu tehnologia HKMG, High-K / Gate Metal).

După ce, la un moment dat Intel utilizat discuri cu un diametru de 50 mm (2 „), iar în viitorul apropiat, este deja planificat pentru a merge la placa cu un diametru de 450 mm, - este justificată, cel puțin în ceea ce privește reducerea costurilor de producție de chips-uri calea economiilor -. Toate aceste cristale sunt cultivate este Intel, pentru producția de CPU sunt achiziționate în altă parte.

Fiecare placă este lustruit, face un perfect plat, aducând suprafața sa la un finisaj oglinda.

Producția de chips-uri este format din mai mult de trei sute de operațiuni, în urma cărora mai mult de 20 de straturi pentru a forma complex structură tridimensională. Să ne foarte pe scurt pe cele mai importante etape.

Deci Plăcuțele de siliciu lustruit trebuie să fie transferate structura procesorului următor, care este introdus în anumite porțiuni ale siliciu wafer impuritate care formează în cele din urmă tranzistori. Cum de a face acest lucru?

În general, aplicarea diferitelor straturi de pe procesor sub el - este o știință, deoarece chiar și în teorie, acest proces nu este ușor.

fotolitografie

Problema este rezolvată prin tehnologia fotolitografie - procesul de selective corodarea stratului protector de suprafață cu ajutorul unui foto-mască. Tehnologia se bazează pe principiul „-model de lumină-fotorezist“ și este după cum urmează:

- Pe un substrat de siliciu, un strat de material pentru a forma un model. Fotorezist i se aplică - un strat dintr-un material polimeric fotosensibil care schimbă proprietățile fizico-chimice atunci când este iradiat cu lumină.
- expunerea Produs (photolayer iluminat pentru o perioadă de timp bine stabilită) printr-o foto-mască
- Eliminarea fotorezist deșeurilor.

Modelul dorit este desenată pe foto-mască - de obicei o placă de sticlă optice pe care zonele opace imprimate fotografic. Fiecare șablon conține unul dintre straturile de viitorul procesor, așa că ar trebui să fie foarte precise și practice.

Uneori asedieze aceste sau alte materiale în locurile potrivite ale plăcii este pur și simplu imposibil, deci este mult mai ușor de aplicat materialul direct pe întreaga suprafață prin eliminarea excesului de acele locuri unde nu este nevoie - în imaginea de mai sus arată depunerea de fotorezist albastru.

Placa este iradiat cu ioni (atomi incarcati pozitiv sau negativ), care pătrund în locuri predeterminate sub suprafața plăcii și schimbarea proprietăților de siliciu conductive (porții verzi - este implantat atomi străini).

Cum de a izola zona care nu necesită post-procesare?

Înainte de litografie pe suprafața plachetei de siliciu (la o temperatură ridicată într-o cameră specială) este aplicată folie de protecție dielectric - așa cum am menționat deja, în loc de dioxidul de siliciu tradițional a fost folosit Compania Intel High-K-izolator.

Acesta este mai gros decât dioxidul de siliciu, dar în același timp el aceleași proprietăți rezervor. Mai mult decât atât, datorită creșterii grosimii reduse a curentului de scurgere prin izolator, și ca o consecință - a devenit posibilă producerea de procesoare mai eficiente energetic.

In general, este mult mai dificil să se asigure uniformitatea filmului pe toată suprafața plăcii - în acest sens este utilizat la fabricarea de control al temperaturii de înaltă precizie.

Deci In acele zone care vor fi procesate de impurități, folia de protecție nu este necesar - se îndepărtează ușor, folosind corodare (strat zone de îndepărtare, pentru a forma o structură multistrat cu proprietăți definite).

Cum să eliminați nu este peste tot, dar numai în zonele potrivite? Pentru aceasta pe partea de sus a filmului trebuie să fie aplicat un alt strat de fotorezist - datorită forței centrifuge a plăcii rotative, se aplică foarte slab.

În fotografie, lumina a trecut prin filmul negativ, hârtie fotografică care se încadrează la suprafață și a schimbat proprietățile sale chimice. În fotolitografie, un principiu similar: lumina a trecut prin fotorezist pe o foto-mască, și în acele locuri în care a trecut prin masca, zone ale proprietăților fotorezistent schimba selectate. Dupa ce masca este trecut lumina care este axat pe substrat.

Pentru focalizare precisă necesită un sistem special de lentile sau oglinzi care nu pot fi pur și simplu redus, chipul cioplit pe masca, la dimensiunea cip, dar, de asemenea, proiectat cu exactitate, pe piesa de prelucrat. placă de imprimat, de obicei, de patru ori mai mică decât masca reală.

Toate fotorezist de evacuare (schimba solubilitatea lor sub acțiunea radiației) este îndepărtată cu o soluție chimică - împreună cu ea dizolvată și porțiunea iluminată a substratului sub fotorezist. O parte a substratului, care a fost închis de către masca de lumină se dizolvă.

Acesta formează un conductor sau un element activ viitor - rezultatul acestei abordări sunt diferite model de defect pe fiecare strat de microprocesor.

Strict vorbind, toți pașii anteriori au fost necesare pentru a crea structura câmpului semiconductor necesar, prin introducerea unui donator (tip n) sau acceptor (tip p) impurități.

Să presupunem că trebuie să facem în zona de siliciu a concentrației purtătoare de tip p, adică zona de conductivitate de tip p. La această placă a fost tratată cu un dispozitiv numit implanter - ioni de bor cu energie extraordinară de accelerație a tras ridicat și uniform distribuite în zonele neprotejate formate de fotolitografie.

În cazul în care un izolator a fost eliminat, ionii pătrunde în stratul de siliciu neprotejat - altfel, ele sunt „blocat“ în dielectric. După alte reziduuri de corodare sunt îndepărtate un dielectric, iar pe placa sunt zonele în care există local bor.

Este clar că procesoarele moderne pot fi de mai multe astfel de straturi - în acest caz, în figură achiziționată din nou crescut un strat dielectric și apoi totul merge pe calea bine bătătorit - un alt strat de fotorezist, proces de fotolitografie (deja pe o nouă mască), gravare, implantare ... tu Am înțeles.

Mărimea caracteristică a tranzistorului acum - 32 nm și lungimea de undă, care este procesat siliciu - nu este chiar lumina normala si speciala cu raze ultraviolete cu laser excimer - 193 nm. Cu toate acestea, legile nu permit optica pentru a rezolva două obiecte aflate la o distanță mai mică decât jumătate din lungimea de undă. Acest lucru se întâmplă datorită difracției luminii. Ce să fac?

Se aplică diferite trucuri - de exemplu, altele decât cele menționate lasere excimer strălucitoare până în prezent în spectrul ultraviolet, în fotolitografie modern, utilizat cu mai multe straturi optice reflectorizante cu măști speciale și proces special de scufundare (imersie) litografie.

elemente logice care sunt formate în procesul de fotolitografie, să fie conectate între ele. La această placă este plasată într-o soluție de sulfat de cupru, în care un curent de „chiuveta“ electric în „trece“ atomii metalici rămași - ca rezultat al procesului de electrochimie produce regiuni conductive, care creează legătura între părțile individuale ale procesorului „logica“.

strat conductor în exces sunt îndepărtate prin polizare.

Cea mai grea parte din spatele. Rămâne un mod complicat de a conecta „resturi“ de tranzistori - principiul și secvența tuturor acestor compuși (anvelope) și se numește arhitectura procesorului.

Pentru fiecare procesor, acești compuși sunt diferite - chiar circuite, și par a fi complet plat, în unele cazuri, pot fi utilizate până la 30 de niveluri ale acestor „fire“.

Remotely (la o mărire foarte mare), totul arata ca un drum futurist intersecții - și pentru că cineva a avut modele bile!

În cazul în care prelucrarea plachetelor este finalizată, plăcile sunt transferate de la ansamblul de producție și un magazin de testare. cristale Acolo trece primul test, iar cele care trec testul (care este marea majoritate) sunt tăiate din substrat printr-un dispozitiv special.

In pasul urmator procesorul este ambalat într-un substrat (în imagine - procesor Intel Core i5, constând dintr-un CPU și chip HD grafică).

cristal substrat și capacul de distribuție a căldurii sunt unite - acesta este produsul pe care îl avem în vedere, spunând cuvântul „procesor“.

Substratul verde creează o interfață electrică și mecanică (pentru conectarea electrică cip de siliciu la carcasa folosind aur), datorită căruia va fi posibilă instalarea procesorului la mufa placa de baza - de fapt, este doar o platformă pe care contactele sunt separate printr-un cip mic.

capacul de distribuție a căldurii este o interfață termică, răcirea procesorului în timpul funcționării - este acest capac se va rezema sistemul de răcire, indiferent dacă acesta este sănătos sau mai rece WaterBlock radiator.

O priză (priză CPU) - sau conector mamă cu fante destinate procesorului central.

Utilizarea conectorului în locul procesorului unsoldering direct asupra CPU placa de baza simplifică înlocuirea pentru actualizarea sau repararea calculatorului.

Conectorul poate fi proiectat pentru a se potrivi procesorul real sau CPU-card (de exemplu, Pegasos). Fiecare conector permite instalarea doar un anumit tip de procesor sau CPU-card.

În etapa finală de producție procesoare gata să treacă testele finale pentru conformitatea cu caracteristicile de bază - dacă totul merge bine, procesoarele sunt sortate în ordinea corectă în tăvi speciale - în această formă va merge la producători sau prelucrători vor merge la OEM-vânzare.

Chiar și unele părți vor merge la vânzare într-o cutie-versiune - într-o cutie frumoasă, cu sistem de răcire de scurgere.

Acum, imaginați-vă că compania anunță, de exemplu, 20 de noi procesoare. Toate acestea sunt diferite unele de altele - numărul de nuclee, dimensiunea memoriei cache, susținută de tehnologie ...

În fiecare model, procesorul folosește un anumit număr de tranzistori (în milioane și chiar miliarde), principiul său de a combina elementele ... Și toate acestea sunt necesare pentru a proiecta și de a construi / automatiza - modele, lentile, litografii, sute de parametri pentru fiecare proces, de testare ...

Și toate acestea trebuie să lucreze în jurul valorii de ceas în mai multe fabrici ...

Ca urmare, aparatul ar trebui să apară cu nici o marjă de eroare în muncă, iar costul acestor capodopere tehnologice ar trebui să fie în limitele decenței.