Как песок становится кремнием? Объяснение производства ЦП

Мир работает на информации, и человечество создает примерно 2,5 миллиона терабайт данных в день. Однако все эти данные бесполезны, если мы не можем их обработать, поэтому, возможно, одна из вещей, без которых современный мир не может жить, — это процессоры.

Но как сделать процессор? Почему это современное чудо? Как производитель может разместить миллиарды транзисторов в таком маленьком корпусе? Давайте углубимся в то, как Intel, один из крупнейших мировых производителей чипов, создает ЦП из песка.

Извлечение кремния из песка

Основной ингредиент любого процессора, кремний, извлекается из песка пустыни. Этот материал в изобилии встречается в земной коре и состоит примерно на 25-50% из диоксида кремния. Он обрабатывается для отделения кремния от всех других материалов в песке.

Обработка повторяется несколько раз, пока производитель не создаст образец чистотой 99,9999%. Затем очищенный кремний выливается в цилиндрический слиток электронного качества. Диаметр цилиндра составляет 300 мм, а вес около 100 кг.

Затем производитель нарезает слиток на пластины толщиной 925 микрометров. После этого он полируется до зеркального блеска, удаляя все изъяны и дефекты на его поверхности. Эти готовые пластины затем отправляются на завод Intel по производству полупроводников для превращения из пластины кремния в высокотехнологичный компьютерный мозг.

Шоссе ФОУП

Поскольку процессоры являются высокоточными деталями, их основа из чистого кремния не должна загрязняться ни до, ни во время, ни после изготовления. Здесь на помощь приходят открывающиеся спереди унифицированные контейнеры (FOUP). Эти автоматизированные контейнеры вмещают 25 пластин одновременно, сохраняя их в целости и сохранности в пространстве с контролируемой средой при транспортировке пластин между машинами.

Кроме того, каждая пластина может проходить одни и те же шаги сотни раз, иногда переходя из одного конца здания в другой. Весь процесс встроен в машины, так что FOUP знает, куда идти для каждого шага.

Кроме того, FOUP перемещаются по монорельсам, подвешенным к потолку, что позволяет им максимально быстро и эффективно перемещать деталь с одного производственного этапа на другой.

Фотолитография

В процессе фотолитографии используется фоторезист для печати рисунков на кремниевой пластине. Фоторезист — это прочный, светочувствительный материал, похожий на то, что вы найдете на пленке. После этого пластина подвергается воздействию ультрафиолетового света с маской рисунка процессора.

Маска гарантирует, что экспонируются только те места, которые они хотят обработать, оставляя фоторезист в этой области растворимым. Как только рисунок полностью отпечатывается на кремниевой пластине, он проходит через химическую ванну, чтобы удалить все. экспонированный фоторезист, оставляя образец голого кремния, который пройдет следующие этапы в процесс.

Ионная имплантация

Этот процесс, также известный как легирование, включает в себя атомы различных элементов для улучшения проводимости. После завершения первоначальный слой фоторезиста удаляется и наносится новый, чтобы подготовить пластину к следующему шагу.

Офорт

После еще одного цикла фотолитографии кремниевая пластина направляется на травление, где начинают формироваться транзисторы процессора. Фоторезист наносится на участки, где кремний должен остаться, а участки, которые необходимо удалить, химически травятся.

Оставшийся материал медленно становится каналами транзисторов, по которым электроны перетекают из одной точки в другую.

Отложение материала

После создания каналов кремниевая пластина возвращается в фотолитографию для добавления или удаления слоев фоторезиста по мере необходимости. Затем он переходит к нанесению материала. Различные слои различных материалов, таких как диоксид кремния, поликристаллический кремний, диэлектрик с высоким коэффициентом k, различные металлические сплавы и медь добавляются и травятся для создания, доработки и соединения миллионов транзисторов на чип.

Химическая механическая планаризация

Каждый слой процессора подвергается химико-механической планаризации, также известной как полировка, для удаления лишнего материала. После удаления самого верхнего слоя обнажается лежащий в основе медный узор, что позволяет производителю создавать дополнительные медные слои для соединения различных транзисторов по мере необходимости.

Хотя процессоры выглядят невероятно тонкими, они обычно имеют более 30 слоев сложной схемы. Это позволяет ему обеспечивать вычислительную мощность, необходимую для современных приложений.

Тестирование, нарезка и сортировка

Кремниевая пластина может пройти через все вышеперечисленные процессы для создания процессора. Как только кремниевая пластина завершит этот путь, она начнет тестирование. Этот процесс проверяет каждую созданную деталь на пластине на функциональность — работает она или нет.

После этого вафля разрезается на кусочки, называемые штампом. Затем он сортируется, и годные матрицы отправляются на упаковку, а неисправные выбрасываются.

Превращение кремниевого кристалла в процессор

Этот процесс, называемый упаковкой, превращает штампы в процессоры. Подложка, обычно печатная плата, и теплораспределитель помещаются на кристалл для формирования процессора, который вы покупаете. Подложка — это место, где кристалл физически соединяется с материнской платой, а теплораспределитель взаимодействует с вашим Охлаждающий вентилятор процессора постоянного тока или ШИМ.

Тестирование и контроль качества

Затем готовые процессоры снова тестируются, но на этот раз на производительность, мощность и функциональность. Этот тест определяет что это будет за чип— хорошо ли быть процессор i3, i5, i7 или i9. Затем процессоры соответствующим образом группируются для розничной упаковки или помещаются в лотки для доставки производителям компьютеров.

Микроскопически маленький, но невероятно сложный

Хотя процессоры выглядят простыми снаружи, они чрезвычайно сложны. Производство процессоров занимает от двух с половиной до трех месяцев непрерывной работы 7 дней в неделю. И, несмотря на то, что за этими чипами стоит высокоточная инженерия, нет никакой гарантии, что они получат идеальную пластину.

На самом деле производители процессоров могут потерять от 20 до 70% кристаллов на пластине из-за дефектов, загрязнений и т. д. На это значение дополнительно влияют все более мелкие процессорные процессы, при этом новейшие чипы размером всего 4 нм.

Однако, как гласит закон Мура, мы все еще можем ожидать, что производительность процессора будет удваиваться каждые два года до 2025 года. До тех пор, пока процессоры не достигнут фундаментального потолка атомного размера, все эти производственные процессы должны справляться с конструкциями, необходимыми для производства чипов, которые нам нужны.

Что такое закон Мура и актуален ли он в 2022 году?

Читать далее