Kako se prave procesori?

Kako se prave procesori?

U edukativnom tekstu koji sledi, je na vrlo slikovit način objašnjen proces kreiranja procesorskog vafera, ali i samog procesora kao gotovog proizvoda. Svaki od kratkih tekstualnih komentara se odnosi na ilustracije koje su postavljene iznad
 

Pesak (levo)
Sa otprilike 25% Silicijum je, nakon kiseonika, najčešći element zemljine kore. Pesak, posebno kvarcni pesak, sadrži visok procenat Silicijuma u formi Silicijum dioksida (SiO2) koji je osnovna sirovina za izradu poluprovodnika.

Topljeni Silicijum (sredina) – razmer: Nivo vafera (~300mm)
Silicijum se prečišćava kroz više faza kako bi se dobio kvalitet koji zadovoljava standarde za izradu poluprovodnika. Prećišćen, naziva se “silicijum elektronskog stepena” (Electronic Grade Silicon). On može imati svega jedan strani atom na milijardu silicijumskih atoma. Na ovoj slici može se videti kako nastaje kristal iz prečišćenog istopljenog silicijuma. Takav mono-kristal naziva se Ingot.

Monokristalni Silicijumski Ingot (desno) – razmer: nivo vafera (~300mm)
Ingot je napravljen iz silicijuma elektronskog stepena. Svaki pojedinačno teži oko 100 kilograma i po sastavu je  99.9999% silicijuma.

Sečenje Ingota(levo) – razmer: nivo vafera (~300mm)
Ingot se seče u individualne silicijumske diskove koji se zovu vaferi.

Vafer (desno) – razmer: nivo vafera (~300mm)
Vaferi se poliraju dok se sa njihove površine ne ukloni i najmanja greškica i dok ne postanu glatki kao površina ogledala. Intel kupuje već gotove vafere od proizvođača, a za naprednu tehnologiju 45nm High-K-Metal Gate koristi vafere sa prečnika 300mm. Kada je Intel započeo proizvodnju čipova, elektronska kola su štampana na vaferima od 2 inča (oko 50.8mm). Sada kompanija koristi 300 milimetarske (12-inčne) vafere, što značajno doprinosi smanjenju troškova.

Nanošenje foto-osetljivog sloja (levo)– razmer: nivo vafera (~300mm)
Tečnost (plave boje na slici) koja se sipa dok se vafer okreće je foto-osetljiv sloj sličan onom koj se korsiti u analognoj fotografiji. Vafer se, tokom ovog koraka, okreće kako bi se omogućilo da naneti foto-osetljivi sloj bude veoma tanak i ujednačen.

Izlaganje (sredina) – razmer: nivo vafera (~300mm)
Foto-osetljivi sloj se izlaže ultra-ljubičastom svetlu. Hemijska reakcija koja se događa slična je onome što se dešava sa filmom u analognom foto-aparatu, kada pritisnemo dugme za slikanje. Foto-osetljivi sloj, izložen UV svetlu, menja strukturu i postaje uklonjiv. Izlaganje svetlu obavlja se tako što se koriste razne maske koje imaju ulogu matrica u ovoj fazi proizvodnje. Korišćene sa UV svetlom, maske prave različite kružne šare na svakom sloju mikroprocesora.

Izlaganje (desno) – razmer: nivo tranzistora (~50nm)
Iako se nekoliko mikroprocesora pravi na istom vaferu, ova slikovita priča sada će se fokusirati na mali delić mikroprocesora – na transistor ili njegov deo. Tranzistor funkcioniše kao prekidač, kontrolišući protok električne struje u kompjuterskom čipu. Intelovi istraživači razvili su toliko male tranzistore da njih čak 30 miliona može stati na glavu čiode.

Ispiranje foto-osetljivog sloja – razmer: nivo tranzistora (~50nm)
Omekšali, želatinozni deo foto-osetljivog sloja se u potpunosti uklanja rastvaračem. Ovo otkriva šaru koju je na foto-osetljivom sloju ostavila maska.

Urezivanje (sredina) – razmer: nivo tranzistora (~50nm)
Foto-osetljivi sloj neizložen UV svetlu, ne bi trebalo da bude oštećen. Na delu sa koga je uklonjen hemijskim putem urezaće se željena šara.

Uklanjanje foto-osetljivog sloja (desno) – razmer: nivo tranzistora (~50nm)
Nakon urezivanja željena šara postaje vidljiva.

Primena foto-osetljivog sloja (levo) – razmer: nivo tranzistora (~50nm)
Nanešeni foto-osetljivi sloj (plava boja), na koji se delovalo, ispira se do sledećeg koraka.

Implantacija jona (sredina) – razmer: nivo tranzistora (~50nm)
Kroz proces koji se zove implantacija jona (jedan oblik ovog procesa zove se “dodavanje primese”), izložena zona silicijumskog vafera se bombarduje raznim hemijskim primesama koje se nazivaju joni. Joni se implantiraju u silicijumski vafer kako bi se, na tim delovima, promenila njegova provodljivost elektriciteta. Joni se ispaljuju na površinu vafera veoma velikim brzinama. Električno polje ubrzava jone do brzine od preko 300.000 km/h.

Uklanjanje foto-osetljivog sloja (desno) – razmer: nivo tranzistora (~50nm)
Nakon jonske implantacije, foto-osetljivi sloj se konačno uklanja, i strani atomi su implantirani (na slici su označeni zelenom bojom)

Gotov tranzistor (levo) – razmer: nivo tranzistora (~50nm)
Izrada tranzistora se približava kraju. Tri rupe su izbušene u zaštitnom omotaču iznad tranzistora. Ove tri rupe će biti ispunjene bakrom kako bi se napravio spoj sa drugim tranzistorom.

Elektroforeza (sredina) – razmer: nivo tranzistora (~50nm)
Vaferi se stavljaju u sumporni rastvor u ovoj fazi. Joni bakra se polažu na trenzistor procesom koji se zove elektroforeza. Joni bakra putuju od pozitivno naelektrisanog pola Anode do negativnog (katode) koju predstavlja sam vafer.

Nakon elektroforeze (desno) – razmer: nivo tranzistora (~50nm)
Na površini vafera ovi joni napraviće tanak sloj bakra.

Poliranje (levo) – razmer: nivo tranzistora (~50nm)
Višak materijala će poliranjem biti odstranjen.

Metalni Slojevi (desno): Nivo tranzistora (6 Tranzistora ~150nm)
Višeslojni nanosi od metala su, poput žica, spojili različite tranzistore. Način na koji se oni spajaju odredili su arhitektonski i dizajnerski timovi koji se staraju o funkcionalnosti datog procesora (npr. Intel Core i7 procesora). Iako se kompjuterski čipovi čine vrlo tankim, oni mogu imati preko 20 slojeva kojim se formira vrlo složeno kolo. Ako se uvećano gleda na čip, može se uočiti splet linija, kola i tranzistora koji izgledaju kao futuristički, višeslojni sistem autoputeva.

Test sortiranja vafera (levo) (~40mm)
Ovaj delić kompletiranog vafera se stavlja na prvi funkcijski test. U ovoj fazi, svaki čip se pojedinačno testira i odgovor koji čip daje se poredi sa prethodno utvrđenim “ispravnim odgovorom”.

Sečenje vafera (srednja) – razmer: Nivo Vafera (~300mm)
Vafer se seče na deliće koji se zovu kockice (dies).

Odbacivanje neispravnih kockica – razmer: Nivo Vafera (~300mm)
One kockice koje su ispravno reagovale na test prolaze test i idu na sledeći korak (pakovanje).

Individualna kockica (levo) – razmer: Nivo kockice (~20mm)
Ovo je pojedinačna kockica koja je dobijena sečenjem i postupkom opisanim u prethodnim koracima.

Pakovanje (srednja) – razmer: Nivo pakovanja (~40mm)
Podloga, kockica i sloj koji služi za odvođenje viška toplote spajaju se kako bi se kompletirao procesor. Zelena podloga predstavlja električki i mehanički kontakt preko kojeg će procesor komunicirati sa ostatkom računarskog sistema. Srebrna pločica na vrhu procesora je termički kontakt na koji će doći uređaj za hlađenje. To će sve pomoći procesoru da se hladi tokom rada.

Procesor (desno) – razmera: Nivo pakovanja (~40mm)
Završen procesor. Mikroprocesor je najkompleksiji napravljeni proizvod na zemlji. U stvari, on se izrađuje iz stotina i stotina koraka i to u najčistijem od svih mogućih okruženja (fabrici mikroprocesora), a u ovom pregledu smo prikazali samo one koji su najznačajniji.

Testiranje i određivanje klase (levo) – razmer: Nivo pakovanja
Tokom finalnog testiranja, procesori se testiraju kako bi im se utvrdile ključne karakteristike (kao što su na primer potrošnja energije i maksimalna frekvencija).

Raspoređivanje (srednja) – razmer: Nivo pakovanja
Na osnovu testa, procesori sličnih karakteristika se grupišu i pakuju u zajedničke transportne posude.

Maloprodajno pakovanje (desno) – razmer: Nivo pakovanja
Jednom sklopljeni i testirani, procesori idu ili specijalistima koji sklapaju konfiguracije ili u maloprodaju, spakovani u prepoznatljive kutije.

Kontakt: Intel