Jak powstają procesory?

Proces wytwarzania

Jak już wszyscy wiemy, wszystko zaczęło się od piasku. Krzem jako pierwiastek występuje na Ziemi bardzo często. 1/4 skorupy ziemskiej, to właśnie Si (krzem). Zwłaszcza kwarc (minerał) zawiera wiele krzemu w postaci utlenionej, tj. w postaci dwutlenku krzemu (SiO₂). Jest to podstawowy budulec w szeroko rozumianym przemyśle półprzewodnikowym.

Zwykły piasek, prezent w butelce od Krzysia Jarzyny ze Szczecina:

Na początek krzem oczyszczany jest z wszelkiego rodzaju zanieczyszczeń, włączając w to wszystkie możliwe opcje. Wieloetapowy proces pozwala na uzyskanie niemal krystalicznie czystego pierwiastka, który może posłużyć jako materiał do dalszych działań. Electronic Grade Silicon, bo tak nazywa się z angielskiego krzem poddany takiej obróbce, może posiadać jedynie jeden atom zanieczyszczeń na miliard atomów właściwych. Znalazłeś igłę w stogu siana i nazywasz się hardkorem? Oto wyzwanie dla Ciebie!

Topienie krzemu:

Z czystego krzemu klasy Electronic Grade Silicon (jego zawartość stanowi 99,9999% Si) powstają 100 kg bryły o średnicy 300 mm.

Monokryształ krzemu EGS:

Wycinanie wafli wygląda w ten właśnie sposób:

A tutaj już gotowy wafel w postaci cienkiego dysku:  

Plaster jest tak długo polerowany, zarówno z wierzchu, jak i od spodu, dopóki nie będzie posiadał idealnie płaskiej i gładkiej jak lustro powierzchni. Dopiero wtedy można przejść do kolejnego etapu. Firma Intel kupuje tak wyprodukowane "wafelki" od firm, które się w tym specjalizują. W obecnym, 45nm procesie technologicznym wykorzystuje się wafle o średnicy 300mm. Dla porównania, do pierwszych układów scalonych Intela używano wafli o średnicy 50mm. Wniosek jest prosty - większe wafle pozwalają na znaczne obniżenie kosztów produkcji układów.

Następnie na wafel nakładana jest warstwa materiału światłoczułego (na obrazku w kolorze niebieskim). Proces ten jest podobny do tego stosowanego w produkcji klasycznych, analogowych błon fotograficznych. Ruch obrotowy podczas nakładania warstwy pozwala na równomierne rozmieszczenie materiału światłoczułego.

Nakładanie warstwy światłoczułego materiału:

Po tej operacji warstwa światłoczuła naświetlana jest przy pomocy promieniowania ultrafioletowego UV. Podobnie jak chwilę wcześniej, zachodzi tu reakcja chemiczna podobna do tej, która zachodzi w momencie naciśnięcia spustu migawki analogowego aparatu fotograficznego. Światłoczuła warstwa pod wpływem (nie alkoholu!) staje się rozpuszczalna. W procesie tym możliwe jest odwzorowanie na powierzchni plastra wcześniej zaprojektowanej struktury obwodów, elementów elektronicznych i całej reszty. Co więcej, rzecz dzieje się w kilku warstwach, bo tak zbudowane są mikroprocesory.

Proces naświetlania promieniowaniem ultrafioletowym UV:

Przeniesiemy się teraz w wymiary jeszcze mniejsze, bowiem w okolice ~ 50 nm. Skupimy się bowiem na bardzo małym, ale podstawowym elemencie każdego mikroprocesora - tranzystorze i jego strukturze.

Jak już wspomnieliśmy wyżej, pełni on rolę przełącznika w przepływie prądu elektrycznego w mikroprocesorze. Dzięki bardzo zaawansowanej technologii Intela, tranzystory są tak małe, że w główce od szpilki zmieściłoby się ich aż 30 milionów!

Naświetlanie pojedynczego tranzystora:

Warstwa, która została zmodyfikowana w czasie naświetlania zostaje wypłukana przez odpowiedni rozpuszczalnik. Na krzemowym plastrze pozostaje jednak wzór struktury, który miała światłoczuła maska.

Wypłukiwanie naświetlonej warstwy światłoczułej:

Skomplikowana maszyna zwana "stepperem" bierze czynny udział w powyższych czynnościach. Najpierw wyrównuje ona tzw. maskę z waflem, później naświetla powierzchnię.

Po tych czynnościach tranzystor poddawany jest "wytrawianiu". Znaczy to ni mniej, ni więcej, jak umieszczenie warstwy środków chemicznych, które powodują owe "wytrawianie". Światłoczuły materiał jest odporny na ich działanie.

Wytrawianie:

Po wytrawieniu usunięta zostaje warstwa światłoczuła i wtedy ujawnia się kształt zaprojektowanego układu.

Powierzchnia tranzystora ponownie zostaje pokryta materiałem światłoczułym (ponownie kolor niebieski). Podobnie jak wcześniej, materiał ten zostanie później naświetlony, zmodyfikowany przez promienie UV oraz ostatecznie wypłukany. Różnica polega na tym, iż pozostała warstwa światłoczuła ma chronić przed implantacją (zagnieżdżeniem) jonów, co jest kolejnym etapem w produkcji.

Ponowne nakładanie warstwy światłoczułej:

Implantacja jonów, wystąp. Etap ten nazywany jest również  "domieszkowaniem". Polega on na bombardowaniu materiału, tj. krzemu przez jony innych pierwiastków lub związków chemicznych. Jony te zostają umieszczone w miejscach, gdzie brak jest warstwy światłoczułego materiału. Funkcją tych drobinek jest zmiana parametrów elektrycznych. Najprościej rzecz biorąc - mamy do czynienia z włącznikiem i wyłącznikiem, czyli krótko ujmując z jedynką i zerem. Same jony osiągają prędkość ponad 300 000 km / godzinę. Przyspieszenie uzyskują dzięki polu elektrycznemu o dużym natężeniu.

Bombardowanie jonami:

Po zakończeniu inwazji na tranzystor, pozostała warstwa światłoczuła ponownie zostaje usunięta. Odpowiednie elementy (kolor zielony) zostały domieszkowane, tj. prawidłowo zaatakowane przez jony. Poza krzemem mamy więc inne pierwiastki i związki (proszę zwrócić uwagę na niewielkie różnice kolorów).

Usuwanie warstwy światłoczułej:

Przebrnęliśmy już niemal przez całość procesu przygotowania pojedynczego tranzystora. W purpurowej warstwie (izolator) powyżej tranzystora, widzimy trzy otwory. Już za chwilę zostaną one wypełnione miedzią, która umożliwi utworzenie połączeń elektrycznych pomiędzy tranzystorem, a pozostałymi elementami.

Niemal gotowy tranzystor:

Plastry krzemu umieszczone zostają w roztworze siarczanu miedzi, co rozpoczyna proces galwanizacji. Polega on na pokrywaniu całości miedzią. Plaster podłączony jest do źródła prądu stałego i jako katoda przyciąga jony miedzi, które usadawiają się na powierzchni tranzystora.

Po procesie galwanizacji mamy na powierzchni cienką warstwę miedzi, czyli materiału przewodzącego prąd.

Po galwanizacji:

Po nałożeniu warstwy miedzi, jej nadmiar jest usuwany. Tranzystor zostaje wypolerowany.

Po polerowaniu:

Na powierzchni mikroprocesora tworzonych jest mnóstwo warstw z metalicznymi ścieżkami. Najprościej zobrazować sobie je jako przewody elektryczne, które łączą różne tranzystory. Struktura tych połączeń jest ściśle określona i zaprojektowana przez grupę fachowców z firmy Intel, która projektowała dane urządzenie. Wydaje się, że procesory są bardzo płaskie, tj. z jednej lub kilku warstw. Otóż okazuje się, że procesory składają się z ponad 20 warstw, które tworzą bardzo złożony i skomplikowany układ połączeń elektrycznych. Gdybyśmy przyjrzeli się procesorowi pod dużym powiększeniem, stwierdzilibyśmy z pewnością, iż jest to pewien rodzaj futurystycznej autostrady. Bardzo skomplikowanej autostrady, która przebiega na kilkunastu poziomach.

Tworzenie warstw metalicznych:

Gdy mamy już gotowe mikroprocesory, przechodzą one pierwsze testy funkcjonalności. W tym celu używa się odpowiednio spreparowanych sygnałów testowych. Odpowiedzi procesora są pod ścisłą kontrolą i porównywane z wzorcem, by wszystko było tak, jak powinno.

Pierwsze procedury testowe (skala ~40 mm, odpowiada wymiarom procesora bez obudowy):

Następnie pozostaje tylko pocięcie wafla krzemu (prawie jak Grzesiek, dziel na 6) na gotowe mikroprocesory. Czyni to bardzo dokładna piła. Płytki krzemowe (tzw. kości) zawierające pełną strukturę półprzewodnikową pojedynczych jednostek, mogą trafić do dalszego etapu. Rdzenie te pozbawione są zarówno obudowy, jak i wszelkich zewnętrznych połączeń. Po angielsku zwykło się zwać te produkty kostkami, tj. "die" (nie mylić z umarłymi).

Cięcie plastrów krzemu (skala odpowiada wymiarom wafla, tj. ~300mm):

Układy, które pomyślnie przeszły przez wstępne procedury testowe, trafiają dalej do utworzenia połączeń zewnętrznych i zapakowania w obudowę. Pozostałe są odrzucane.

Selekcja mikroprocesorów:

Gdy układy są posegregowane wg kryterium: działa / nie działa, sprawne mikroprocesory trafiają do dalszej obróbki. Goły rdzeń o wymiarach ~20 mm wygląda tak, jak na zdjęciu poniżej.

Goły rdzeń:

Następnie rdzeń wycięty z wafla zostaje umieszczony w nowym domku o dwukrotnie większych wymiarach (~40 mm). Dodana zostaje warstwa podkładu oraz radiator, czyli znany wszystkim IHS, czy potoczna "czapa". Dolna część (kolor zielony) zawiera szereg styków tworzący mechaniczny i elektryczny interfejs z pozostałymi elementami komputera. Srebrny radiator (IHS) tworzy z rdzeniem połączenie termiczne, które wraz z zamontowanym systemem chłodzenia ma utrzymywać odpowiednio niską temperaturę układu.

Przed złożeniem klocków Lego:

Żeby było ciekawiej, obudowy też są różne. Wyróżnia się dwa typy, a pierwsza z nich to obudowa typu "flip - chip". Na samym początku producent łączy metalowe wypustki z chipem, które utworzą wspomniane połączenia elektryczne i mechaniczne z podłożem. Następnie układ jest odwracany (stąd właśnie wzięła się nazwa). Firma Intel używa ograniczonego, polimerowego podłoża, by maksymalnie zwiększyć sprawność miedzianych kontaktów między mikroprocesorem a płytą drukowaną. Następnie pomiędzy kość (rdzeń, chip) a podstawkę dodawany jest materiał, którego celem jest złagodzenie - z wiadomych względów - naprężeń mechanicznych. Na sam koniec dodawana jest substancja odpowiedzialna za rozproszenie ciepła podczas pracy.

Drugiego typu obudowa, zwana "stacked - chip" jest rozwiązaniem dość innowacyjnym. Pozwala ona na umieszczenie kości w niewiele grubszej obudowie, co ma bardzo duże znaczenie w przypadku urządzeń przenośnych. Podczas podłączania chipu używa się specjalnego materiału, który ma zoptymalizować pracę pod względem sprawności mechanicznej, termicznej i elektrycznej, aby dosłownie "przykleić" rdzeń do podstawki. Czynić tak można wiele razy, umieszczając obok siebie kilkanaście chipów. Po rozłożeniu, specjalne maszyny przeciągają ultracienkie przewody pomiędzy rdzeniem a obudową. Proces ten zwany "ultrakompresją" (wire bonding) jest powtarzany dla każdej kości, dopkóki wszystkie nie zostaną połączone z tą samą obudową. Ta jest następnie hermetyzowana za pomocą formowania wtryskowego oraz ochronnej powłoki, która wpływa w niewielkie szczeliny pomiędzy podstawką a rdzeniem. Na sam koniec przytwierdza się od spodu obudowy "kulki", które stanowić będą elektryczne połączenie między układem a płytą drukowaną.

Przebrnęliśmy przez cały system produkcji procesora. Jest to obecnie najbardziej skomplikowany produkt wytwarzany na szeroką skalę przez człowieka. Powyższe schematy są jedynie niewielką częścią wszystkich etapów produkcji. Wybrane one zostały jako te "najważniejsze" dla Czytelnika. Wszystko to ma miejsce w najczystszych miejscach na Ziemi. I nie jest to bynajmniej Błękitna Laguna, czy Lazurowe Wybrzeże. Procesory wytwarza się w specjalnych fabrykach układów półprzewodnikowych, gdzie czystość i zasady BHP są przestrzegane jak nigdzie indziej. Ale o tym chwilkę później.

Gotowy procesor Intel:

Gdy mamy już gotowy procesor, czas na ostatnie testy. Przeprowadzane one są w kilku kategoriach, jak chociażby w zakresie maksymalnej częstotliwości pracy, czy poziomu generowanego ciepła podczas pracy. Chipy mogą bowiem trafić do różnego rodzaju urządzeń (od silników samochodowych, po statki kosmiczne), tak więc muszą być odporne na zagrożenia ze strony otaczającego środowiska. Po akceptacji jednostki są kodowane elektronicznie i sprawdzane wizualnie.

Testowanie parametrów:

Mikroprocesory sortowane są według wyników w poprzedniej fazie. Trafiają do oddzielnych linii transportowych. To na tym etapie znika kilka procesorów, które kilka dni później pojawiają się w Międzyrzeczu.

Sortowanie układów:

Z odpowiednich linii produkcyjnych procesory trafiają do opakowań zbiorczych, skąd wysyłane są do producentów komputerów lub też do pojedynczych opakowań, takich, jak na zdjęciu poniżej. Na drodze do przeciętnego Kowalskiego stoi już tylko Ocean Atlantycki, kilka tysięcy kilometrów i znudzony swą pracą sprzedawca.

Specjalnie dla leniów, leserów, i kogóż tam jeszcze - wersja mini, czyli tzw. ściągawka. Krótko, zwięźle i na temat.

Jeśli ktoś czegoś nie zrozumiał, nie ma najmniejszego problemu. Poniżej prezentujemy mini słowniczek, który z pewnością rozjaśni Wam to i owo.

Bramka - obszar sterujący przepływem prądu przez tranzystor, do którego przykładane jest dodatnie lub ujemne napięcie.

Chip - mały, kwadratowy lub prostokątny układ, który zawiera scalone obwody elektroniczne. Najbardziej zaawansowanym chipem jest mikroprocesor.

Domieszkowanie - etap obróbki wafli, w którym odsłonięte obszary krzemu są bombardowane chemicznymi zanieczyszczeniami w celu zmiany sposobu, w jaki krzem przewodzi prąd.

Dren - mocno domieszkowany obszar tranzystora przylegający do kanału, w którym przepływa prąd. Przenosi elektrony od tranzystora do następnego elementu obwodu lub przewodnika.

Dwutlenek krzemu - związek chemiczny wytwarzany na waflu lub nakładany na niego jako warstwa izolacyjna.

Fotorezyst - substancja, która staje się rozpuszczalna po wystawieniu na działanie światła ultrafioletowego. Używana do wyznaczenia obwodów podczas wytwarzania układów scalonych.

FOUP - pojemnik stanowiący część zautomatyzowanego systemu do przechowywania i transportowania wafli krzemowych. Kolor FOUP określa, czy wafle zawierają miedź (kolorowe), czy aluminium (zielone). 

Maska - kwarcowa płyta ze wzorcem z napylonego chromu. Używana podczas obróbki wafli do "drukowania" warstwowych obwodów na chipie.

Obwód - ścieżka, przez którą może płynąć prąd elektryczny.

Polikrzem - skrót od "polikrystalicznego krzemu", czyli krzemu złożonego z wielu kryształów. Ten materiał przewodzący jest używany jako warstwa łącząca w chipie.

Półprzewodnik - materiał (taki jak krzem), który może być zmieniony tak, aby przewodził prąd albo blokował jego przepływ.

• « pierwsza
• ‹ poprzednia
• 1
• 2
• 3
• 4
• 5
• następna ›
• ostatnia »