المقرر الدراسي: مراحل إنتاج المعالجات الدقيقة. كيف يتم تصنيع المعالجات الدقيقة التقنيات الحديثة لإنشاء المعالجات
كيف يتم إنشاء الرقائق
يتضمن إنتاج الرقائق ترسيب طبقات رقيقة ذات "أنماط" معقدة على ركائز السيليكون. أولاً، يتم إنشاء طبقة عازلة تعمل كبوابة كهربائية. أما بالنسبة لإنتاج الركائز، فيجب تقطيعها من أسطوانة أحادية البلورة إلى "فطائر" رفيعة بحيث يمكن بعد ذلك تقطيعها بسهولة إلى شرائح معالج فردية. تُستخدم المجسات الكهربائية لاختبار كل شريحة على الركيزة. أخيرًا، يتم قطع الركيزة إلى نوى فردية، ويتم التخلص على الفور من النوى غير العاملة. اعتمادا على الخصائص، يصبح النواة معالجا أو آخر ويتم تعبئته في حزمة تسهل تثبيت المعالج على اللوحة الأم. تخضع جميع الوحدات الوظيفية لاختبارات ضغط مكثفة.
كل شيء يبدأ بالركائز
تتم الخطوة الأولى في تصنيع المعالجات في غرفة نظيفة. بالمناسبة، من المهم أن نلاحظ أن مثل هذا الإنتاج عالي التقنية يمثل تراكمًا لرأس المال الهائل لكل متر مربع. إن بناء مصنع حديث بجميع المعدات يتكلف بسهولة 2-3 مليار دولار، ويتطلب التشغيل التجريبي للتقنيات الجديدة عدة أشهر. عندها فقط يمكن للمصنع إنتاج المعالجات بكميات كبيرة.
بشكل عام، تتكون عملية تصنيع الرقائق من عدة خطوات لمعالجة الرقاقة. يتضمن ذلك إنشاء الركائز نفسها، والتي سيتم تقطيعها في النهاية إلى بلورات فردية لـ Figurnov، V.E. كمبيوتر آي بي إم للمستخدم.-م.، 2004. - ص204.
إنتاج الركيزة
المرحلة الأولى هي زراعة بلورة واحدة. للقيام بذلك، يتم دمج بلورة البذور في حمام من السيليكون المنصهر، والذي يقع مباشرة فوق نقطة انصهار السيليكون متعدد البلورات. ومن المهم أن تنمو البلورات ببطء (حوالي يوم واحد) للتأكد من ترتيب الذرات بشكل صحيح. يتكون السيليكون متعدد البلورات أو السيليكون غير المتبلور من العديد من البلورات المختلفة، مما يؤدي إلى ظهور هياكل سطحية غير مرغوب فيها ذات خصائص كهربائية سيئة.
بمجرد صهر السيليكون، يمكن تطعيمه بمواد أخرى تغير خصائصه الكهربائية. تتم العملية برمتها في غرفة مغلقة بتركيبة هواء خاصة حتى لا يتأكسد السيليكون.
يتم قطع البلورة المفردة إلى "فطائر" باستخدام منشار ماسي دائري دقيق للغاية، والذي لا يخلق مخالفات كبيرة على سطح الركيزة. وبطبيعة الحال، فإن سطح الركائز لا يزال غير مسطح تماما، لذلك هناك حاجة إلى عمليات إضافية. تظهر البلورات المفردة في الشكل 1.
الشكل 1. ظهور بلورة واحدة.
أولاً، باستخدام ألواح فولاذية دوارة ومادة كاشطة (مثل أكسيد الألومنيوم)، تتم إزالة طبقة سميكة من الركائز (عملية تسمى اللف). ونتيجة لذلك، يتم التخلص من المخالفات التي تتراوح في الحجم من 0.05 ملم إلى حوالي 0.002 ملم (2000 نانومتر). ثم يجب عليك تقريب حواف كل دعامة، لأن الحواف الحادة يمكن أن تتسبب في تقشر الطبقات. بعد ذلك، يتم استخدام عملية الحفر، عند استخدام مواد كيميائية مختلفة (حمض الهيدروفلوريك، حمض الأسيتيك، حمض النيتريك) يتم تنعيم السطح بحوالي 50 ميكرون. لا يتحلل السطح ماديًا نظرًا لأن العملية برمتها كيميائية بالكامل. فهو يسمح لك بإزالة الأخطاء المتبقية في البنية البلورية، مما يؤدي إلى سطح قريب من المثالي.
الخطوة الأخيرة هي التلميع، الذي يعمل على تنعيم السطح إلى أقصى خشونة تصل إلى 3 نانومتر. يتم التلميع باستخدام خليط من هيدروكسيد الصوديوم والسيليكا الحبيبية.
اليوم، يبلغ قطر رقائق المعالجات الدقيقة 200 مم أو 300 مم، مما يسمح لصانعي الرقائق بإنتاج معالجات متعددة من كل واحدة. وستكون الخطوة التالية هي ركائز 450 ملم، ولكن لا ينبغي لنا أن نتوقع ذلك قبل عام 2013. بشكل عام، كلما زاد قطر الركيزة، كلما أمكن إنتاج رقائق أكثر من نفس الحجم. على سبيل المثال، تنتج رقاقة بحجم 300 ملم أكثر من ضعف عدد المعالجات التي تنتجها رقاقة بحجم 200 ملم.
المنشطات والانتشار
لقد سبق ذكر المنشطات التي يتم إجراؤها أثناء نمو بلورة واحدة. ولكن يتم إجراء المنشطات باستخدام الركيزة النهائية ولاحقًا أثناء عمليات الطباعة الحجرية الضوئية. يتيح لك ذلك تغيير الخصائص الكهربائية لمناطق وطبقات معينة، بدلاً من تغيير بنية البلورة بأكملها.
يمكن أن تتم إضافة المنشط من خلال الانتشار. تملأ ذرات المادة المشابهة المساحة الحرة داخل الشبكة البلورية، بين هياكل السيليكون. في بعض الحالات، من الممكن دمج الهيكل الحالي. ويتم الانتشار باستخدام الغازات (النيتروجين والأرجون) أو باستخدام المواد الصلبة أو غيرها من مصادر مادة السبائك هاسيغاوا، هـ. - عالم الحاسبات في أسئلة وأجوبة - م.، 2004 - ص 89..
إنشاء قناع
لإنشاء مقاطع من دائرة متكاملة، يتم استخدام عملية الطباعة الحجرية الضوئية. نظرًا لأنه ليس من الضروري تشعيع سطح الركيزة بالكامل، فمن المهم استخدام ما يسمى بالأقنعة التي تنقل الإشعاع عالي الكثافة إلى مناطق معينة فقط. يمكن مقارنة الأقنعة بالسلبيات بالأبيض والأسود. تحتوي الدوائر المتكاملة على طبقات عديدة (20 طبقة أو أكثر)، وكل واحدة منها تحتاج إلى قناع خاص بها.
يتم تطبيق هيكل من طبقة رقيقة من الكروم على سطح لوح زجاج الكوارتز لإنشاء نمط. في هذه العملية، تقوم الأدوات باهظة الثمن التي تستخدم تيارًا من الإلكترونات أو الليزر بكتابة بيانات الدائرة المتكاملة الضرورية، مما يؤدي إلى ظهور نمط الكروم على سطح ركيزة الكوارتز. من المهم أن نفهم أن كل تعديل على الدائرة المتكاملة يؤدي إلى الحاجة إلى إنتاج أقنعة جديدة، وبالتالي فإن عملية إجراء التغييرات بأكملها مكلفة للغاية.
الطباعة الضوئية
باستخدام الطباعة الحجرية الضوئية، يتم تشكيل الهيكل على ركيزة السيليكون. يتم تكرار العملية عدة مرات حتى يتم إنشاء العديد من الطبقات (أكثر من 20). يمكن أن تتكون الطبقات من مواد مختلفة، وتحتاج أيضًا إلى التفكير من خلال التوصيلات باستخدام الأسلاك المجهرية. يمكن أن تكون جميع الطبقات مصنوعة من الخشب، أ. المعالجات الدقيقة في الأسئلة والأجوبة - م، 2005.-ص.87.
قبل أن تبدأ عملية الطباعة الحجرية الضوئية، يتم تنظيف الركيزة وتسخينها لإزالة الجزيئات اللزجة والماء. ثم يتم طلاء الركيزة بثاني أكسيد السيليكون باستخدام جهاز خاص. بعد ذلك، يتم تطبيق عامل اقتران على الركيزة، مما يضمن بقاء المادة المقاومة للضوء التي سيتم تطبيقها في الخطوة التالية على الركيزة. يتم تطبيق مادة مقاومة للضوء على منتصف الركيزة، والتي تبدأ بعد ذلك في التدوير بسرعة عالية بحيث يتم توزيع الطبقة بالتساوي على كامل سطح الركيزة. ثم يتم تسخين الركيزة مرة أخرى. ويرد مبدأ تشغيل الطباعة الحجرية الضوئية في الشكل 2.
الشكل 2. مبدأ تشغيل الطباعة الحجرية
بعد ذلك، من خلال القناع، يتم تشعيع الغطاء بالليزر الكمي، والأشعة فوق البنفسجية الصلبة، والأشعة السينية، وأشعة الإلكترونات أو الأيونات - كل هذه المصادر الضوئية أو الطاقة يمكن استخدامها. تُستخدم حزم الإلكترون بشكل أساسي لإنشاء الأقنعة، وتستخدم الأشعة السينية والحزم الأيونية لأغراض البحث، ويهيمن على الإنتاج الصناعي اليوم الأشعة فوق البنفسجية الصلبة وأشعة الليزر الغازية.
تعمل الأشعة فوق البنفسجية الصلبة ذات الطول الموجي 13.5 نانومتر على إشعاع المادة المقاومة للضوء أثناء مرورها عبر القناع. وقت الإسقاط والتركيز مهمان جدًا لتحقيق النتيجة المرجوة. سيؤدي التركيز الضعيف إلى بقاء جزيئات زائدة من المواد المقاومة للضوء لأن بعض الثقوب الموجودة في القناع لن يتم تشعيعها بشكل صحيح. سيحدث نفس الشيء إذا كان وقت العرض قصيرًا جدًا. بعد ذلك، سيكون هيكل المادة المقاومة للضوء واسعًا جدًا، وستكون المناطق الموجودة أسفل الثقوب مكشوفة بشكل خافت. من ناحية أخرى، يؤدي وقت العرض المفرط إلى إنشاء مساحات كبيرة جدًا أسفل الثقوب وبنية ضيقة جدًا من المواد المقاومة للضوء. كقاعدة عامة، فهي كثيفة العمالة للغاية ويصعب ضبط العملية وتحسينها. سيؤدي التعديل غير الناجح إلى انحرافات خطيرة في موصلات التوصيل Maiorov، S.I. أعمال المعلومات: التوزيع والتسويق التجاري - م.، 2007. -ص.147..تركيب عرض خاص خطوة بخطوة ينقل الركيزة إلى الموضع المطلوب. ثم يمكن عرض خط أو قسم واحد، غالبًا ما يتوافق مع شريحة معالج واحدة. قد تؤدي عمليات التثبيت الصغيرة الإضافية إلى إجراء تغييرات أخرى. يمكنهم تصحيح أخطاء التكنولوجيا الحالية وتحسين العملية الفنية Kukin, V.N. المعلوماتية: التنظيم والإدارة.-م.,2005.-ص78.. تعمل المنشآت الصغيرة عادة في مساحات أقل من 1مربع. ملم، بينما تغطي التركيبات التقليدية مساحات أكبر.
هناك عمليات الحفر الرطبة والجافة التي تعالج مناطق ثاني أكسيد السيليكون. تستخدم العمليات الرطبة المركبات الكيميائية، بينما تستخدم العمليات الجافة الغاز. تتضمن عملية منفصلة إزالة المواد المقاومة للضوء المتبقية. غالبًا ما يجمع المصنعون بين الإزالة الرطبة والجافة لضمان إزالة المادة المقاومة للضوء بالكامل. وهذا أمر مهم لأن المادة المقاومة للضوء عضوية وإذا لم يتم إزالتها يمكن أن تسبب عيوبًا في الركيزة.
بعد الحفر والتنظيف، يمكنك البدء في فحص الركيزة، والذي يحدث عادة في كل مرحلة مهمة، أو نقل الركيزة إلى دورة الطباعة الحجرية الضوئية الجديدة. يظهر اختبار الركيزة في الشكل 3.
الشكل 3. اختبار الركيزة
يتم اختبار الركائز النهائية فيما يسمى بمنشآت اختبار المسبار. إنهم يعملون مع الركيزة بأكملها. يتم تطبيق نقاط اتصال المسبار على نقاط اتصال كل بلورة، مما يسمح بإجراء الاختبارات الكهربائية. يقوم البرنامج باختبار جميع وظائف كل نواة. يظهر قطع الركيزة في الشكل 4.
الشكل 4. قطع الركيزة
عن طريق القطع، يمكن الحصول على حبات فردية من الركيزة. في الوقت الحالي، حددت منشآت التحكم في المسبار بالفعل البلورات التي تحتوي على أخطاء، لذلك يمكن بعد قطعها فصلها عن البلورات الجيدة. في السابق، تم وضع علامة مادية على البلورات التالفة، والآن ليست هناك حاجة لذلك، يتم تخزين جميع المعلومات في قاعدة بيانات واحدة Semenenko، V. A.، Stupin. يو. كتيب عن تكنولوجيا الكمبيوتر الإلكترونية - م.، 2006. - ص45..
يجب بعد ذلك ربط النواة الوظيفية بحزمة المعالج باستخدام مادة لاصقة. بعد ذلك، تحتاج إلى إجراء اتصالات سلكية تربط جهات الاتصال أو أرجل العبوة والبلورة نفسها (الشكل 5). يمكن استخدام وصلات الذهب أو الألومنيوم أو النحاس.
تستخدم معظم المعالجات الحديثة العبوات البلاستيكية مع موزع الحرارة. عادةً ما يتم تغليف القلب بالسيراميك أو البلاستيك لمنع التلف. تم تجهيز المعالجات الحديثة بما يسمى بالموزع الحراري، والذي يوفر حماية إضافية للرقاقة (الشكل 6).
الشكل 5. اتصال سلك الركيزة
تتضمن المرحلة الأخيرة اختبار المعالج، والذي يتم في درجات حرارة مرتفعة، وفقًا لمواصفات المعالج. يتم تثبيت المعالج تلقائيًا في مقبس الاختبار، وبعد ذلك يتم تحليل جميع الوظائف الضرورية.
الشكل 6. تغليف المعالج
كيف يتم صنع الدوائر الدقيقة؟
لفهم الفرق الرئيسي بين هاتين التقنيتين، من الضروري القيام برحلة قصيرة إلى تكنولوجيا إنتاج المعالجات الحديثة أو الدوائر المتكاملة.
كما تعلم من دورة الفيزياء المدرسية، فإن المكونات الرئيسية للدوائر المتكاملة في الإلكترونيات الحديثة هي أشباه الموصلات من النوع p والنوع n (اعتمادًا على نوع الموصلية). أشباه الموصلات هي مادة ذات موصلية أعلى من المواد العازلة، ولكنها أقل شأنا من المعادن. يمكن أن يكون أساس كلا النوعين من أشباه الموصلات هو السيليكون (Si)، والذي في شكله النقي (ما يسمى بأشباه الموصلات الجوهرية) يوصل التيار الكهربائي بشكل سيئ، ولكن إضافة (إدخال) شوائب معينة إلى السيليكون يمكن أن يغير خصائصه الموصلة بشكل جذري . هناك نوعان من الشوائب: المانحة والمتقبلة. تؤدي شوائب المانح إلى تكوين أشباه الموصلات من النوع n ذات الموصلية الإلكترونية، وتؤدي الشوائب المستقبلة إلى تكوين أشباه الموصلات من النوع p ذات الموصلية من النوع الثقب. تتيح جهات الاتصال لأشباه الموصلات p و n تكوين الترانزستورات - العناصر الهيكلية الرئيسية للدوائر الدقيقة الحديثة. يمكن لهذه الترانزستورات، التي تسمى ترانزستورات CMOS، أن توجد في حالتين أساسيتين: مفتوحة، عندما تقوم بتوصيل الكهرباء، ومتوقفة، عندما لا تقوم بتوصيل الكهرباء. نظرا لأن ترانزستورات CMOS هي العناصر الرئيسية للدوائر الدقيقة الحديثة، فلنتحدث عنها بمزيد من التفاصيل.
كيف يعمل ترانزستور CMOS؟
يحتوي أبسط ترانزستور CMOS من النوع n على ثلاثة أقطاب كهربائية: المصدر والبوابة والصرف. يتكون الترانزستور نفسه من أشباه الموصلات من النوع p مع موصلية الثقب، وتتشكل أشباه الموصلات من النوع n ذات الموصلية الإلكترونية في مناطق التصريف والمصدر. بطبيعة الحال، بسبب انتشار الثقوب من المنطقة p إلى المنطقة n والانتشار العكسي للإلكترونات من المنطقة n إلى المنطقة p، تتشكل طبقات النضوب (الطبقات التي لا توجد فيها حاملات شحنة رئيسية) عند حدود التحولات في المناطق p و n. في حالته الطبيعية، أي عندما لا يتم تطبيق أي جهد على البوابة، يكون الترانزستور في حالة "مقفلة"، أي أنه غير قادر على توصيل التيار من المصدر إلى المصرف. لا يتغير الوضع حتى لو تم تطبيق جهد بين المصرف والمصدر (نحن لا نأخذ في الاعتبار تيارات التسرب الناتجة عن الحركة تحت تأثير المجالات الكهربائية المولدة لحاملات الشحنة الأقلية، أي ثقوب المنطقة n والإلكترونات للمنطقة p).
ومع ذلك، إذا تم تطبيق إمكانات إيجابية على البوابة (الشكل 1)، فإن الوضع سوف يتغير جذريا. تحت تأثير المجال الكهربائي للبوابة، يتم دفع الثقوب عميقًا داخل أشباه الموصلات p، وعلى العكس من ذلك، يتم سحب الإلكترونات إلى المنطقة الموجودة أسفل البوابة، لتشكل قناة غنية بالإلكترونات بين المصدر والصرف. إذا تم تطبيق جهد موجب على البوابة، تبدأ هذه الإلكترونات في التحرك من المصدر إلى المصرف. في هذه الحالة، يوصل الترانزستور التيار؛ ويقال إن الترانزستور "مفتوح". إذا تمت إزالة جهد البوابة، تتوقف الإلكترونات عن الانجذاب إلى المنطقة الواقعة بين المصدر والصرف، ويتم تدمير قناة التوصيل ويتوقف الترانزستور عن تمرير التيار، أي أنه "ينطفئ". وبالتالي، من خلال تغيير جهد البوابة، يمكنك فتح أو إغلاق الترانزستور، على غرار الطريقة التي يمكنك بها تشغيل أو إيقاف تشغيل مفتاح التبديل العادي، والتحكم في تدفق التيار عبر الدائرة. ولهذا السبب تسمى الترانزستورات أحيانًا بالمفاتيح الإلكترونية. ومع ذلك، على عكس المفاتيح الميكانيكية التقليدية، فإن ترانزستورات CMOS خالية من القصور الذاتي تقريبًا وقادرة على التبديل من التشغيل إلى الإيقاف تريليونات المرات في الثانية! هذه الخاصية، أي القدرة على التبديل الفوري، هي التي تحدد في النهاية أداء المعالج، الذي يتكون من عشرات الملايين من هذه الترانزستورات البسيطة.
لذلك، تتكون الدائرة المتكاملة الحديثة من عشرات الملايين من ترانزستورات CMOS البسيطة. دعونا نتناول بمزيد من التفصيل عملية تصنيع الدوائر الدقيقة، والمرحلة الأولى منها هي إنتاج ركائز السيليكون.
الخطوة 1. تزايد الفراغات
يبدأ إنشاء مثل هذه الركائز بتنمية بلورة مفردة من السيليكون الأسطواني. بعد ذلك، يتم تقطيع هذه الفراغات أحادية البلورية (الفراغات) إلى رقائق دائرية (رقائق)، يبلغ سمكها حوالي 1/40 بوصة وقطرها 200 مم (8 بوصة) أو 300 مم (12 بوصة). هذه هي ركائز السيليكون المستخدمة لإنتاج الدوائر الدقيقة.
عند تشكيل رقائق من بلورات السيليكون المفردة، يتم أخذ حقيقة أن الخصائص الفيزيائية للهياكل البلورية المثالية تعتمد إلى حد كبير على الاتجاه المختار (خاصية تباين الخواص) في الاعتبار. على سبيل المثال، مقاومة ركيزة السيليكون ستكون مختلفة في الاتجاهين الطولي والعرضي. وبالمثل، اعتمادًا على اتجاه الشبكة البلورية، ستتفاعل بلورة السيليكون بشكل مختلف مع أي تأثيرات خارجية مرتبطة بمعالجتها الإضافية (على سبيل المثال، النقش، الاخرق، وما إلى ذلك). لذلك، يجب قطع اللوحة من بلورة واحدة بحيث يتم الحفاظ بشكل صارم على اتجاه الشبكة البلورية بالنسبة للسطح في اتجاه معين.
كما ذكرنا سابقًا، يبلغ قطر قطعة العمل البلورية السيليكونية 200 أو 300 مم. علاوة على ذلك، فإن القطر 300 ملم هو تقنية جديدة نسبيًا، والتي سنناقشها أدناه. من الواضح أن لوحة بهذا القطر يمكن أن تستوعب أكثر من دائرة دقيقة واحدة، حتى لو كنا نتحدث عن معالج Intel Pentium 4، في الواقع، يتم تشكيل عدة عشرات من الدوائر الدقيقة (المعالجات) على لوحة ركيزة واحدة، ولكن من أجل البساطة، سنفعل ذلك ضع في اعتبارك فقط العمليات التي تحدث على مساحة صغيرة من معالج دقيق واحد في المستقبل.
الخطوة 2. تطبيق طبقة واقية من العازل الكهربائي (SiO2)
بعد تشكيل الركيزة السيليكون، تبدأ مرحلة إنشاء بنية معقدة من أشباه الموصلات.
للقيام بذلك، من الضروري إدخال ما يسمى بالشوائب المانحة والمتقبلة في السيليكون. لكن السؤال الذي يطرح نفسه: كيف يتم إدخال الشوائب وفق نمط محدد بدقة؟ ولجعل ذلك ممكنًا، تتم حماية المناطق التي لا يلزم إدخال الشوائب فيها بطبقة خاصة من ثاني أكسيد السيليكون، مع ترك المناطق المكشوفة فقط والتي تخضع لمزيد من المعالجة (الشكل 2). تتكون عملية تشكيل مثل هذا الفيلم الواقي بالنمط المرغوب من عدة مراحل.
في المرحلة الأولى، يتم تغطية رقاقة السيليكون بأكملها بالكامل بطبقة رقيقة من ثاني أكسيد السيليكون (SiO2)، وهو عازل جيد جدًا ويعمل كطبقة واقية أثناء المعالجة الإضافية لبلورة السيليكون. توضع الرقائق في غرفة حيث، عند درجة حرارة عالية (من 900 إلى 1100 درجة مئوية) وضغط، ينتشر الأكسجين إلى الطبقات السطحية للرقائق، مما يؤدي إلى أكسدة السيليكون وتكوين طبقة سطحية من ثاني أكسيد السيليكون. لكي يكون لطبقة ثاني أكسيد السيليكون سمك محدد بدقة وتكون خالية من العيوب، من الضروري الحفاظ بشكل صارم على درجة حرارة ثابتة في جميع نقاط الرقاقة أثناء عملية الأكسدة. إذا لم يتم تغطية الرقاقة بأكملها بطبقة من ثاني أكسيد السيليكون، فسيتم تطبيق قناع Si3N4 أولاً على ركيزة السيليكون لمنع الأكسدة غير المرغوب فيها.
الخطوة 3. تطبيق مقاوم الضوء
بعد تغطية ركيزة السيليكون بطبقة واقية من ثاني أكسيد السيليكون، من الضروري إزالة هذا الفيلم من تلك المناطق التي ستخضع لمزيد من المعالجة. تتم إزالة الفيلم عن طريق الحفر، ولحماية المناطق المتبقية من الحفر، يتم تطبيق طبقة مما يسمى بمقاوم الضوء على سطح الرقاقة. يشير مصطلح "مقاومات الضوء" إلى مركبات حساسة للضوء ومقاومة للعوامل العدوانية. يجب أن تتمتع التركيبات المستخدمة، من ناحية، بخصائص فوتوغرافية معينة (تصبح قابلة للذوبان ويتم غسلها أثناء عملية النقش تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية)، ومن ناحية أخرى، مقاومة، مما يسمح لها بمقاومة النقش في الأحماض والقلويات. ، التدفئة، الخ. الغرض الرئيسي من مقاومات الضوء هو خلق راحة وقائية للتكوين المطلوب.
تسمى عملية تطبيق مقاوم الضوء وتشعيعه الإضافي بالأشعة فوق البنفسجية وفقًا لنمط معين بالطباعة الحجرية الضوئية وتتضمن العمليات الأساسية التالية: تكوين طبقة مقاومة الضوء (معالجة الركيزة، التطبيق، التجفيف)، تشكيل الإغاثة الواقية (التعرض، التطوير) والتجفيف) ونقل الصورة إلى الركيزة (النقش، الاخرق وما إلى ذلك).
قبل تطبيق طبقة من مقاوم الضوء (الشكل 3) على الركيزة، تخضع الأخيرة للمعالجة المسبقة، ونتيجة لذلك يتحسن التصاقها بطبقة مقاوم الضوء. لتطبيق طبقة موحدة من مقاوم الضوء، يتم استخدام طريقة الطرد المركزي. يتم وضع الركيزة على قرص دوار (جهاز طرد مركزي)، وتحت تأثير قوى الطرد المركزي، يتم توزيع مقاوم الضوء على سطح الركيزة في طبقة موحدة تقريبًا. (عند الحديث عن طبقة موحدة تقريبًا، نأخذ في الاعتبار حقيقة أنه تحت تأثير قوى الطرد المركزي، يزداد سمك الفيلم الناتج من المركز إلى الحواف، ومع ذلك، فإن هذه الطريقة في تطبيق مقاوم الضوء يمكن أن تتحمل التقلبات في الطبقة سمك في حدود ± 10٪.)
الخطوة 4. الطباعة الحجرية
بعد تطبيق وتجفيف الطبقة المقاومة للضوء، تبدأ مرحلة تكوين التخفيف الوقائي اللازم. يتشكل التضاريس نتيجة لحقيقة أنه تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية التي تسقط على مناطق معينة من الطبقة المقاومة للضوء، فإن هذه الأخيرة تغير خصائص الذوبان، على سبيل المثال، تتوقف المناطق المضيئة عن الذوبان في المذيب، مما يزيل مناطق الطبقة التي لم تتعرض للإضاءة أو العكس - تذوب المناطق المضيئة. بناء على طريقة تكوين الإغاثة، يتم تقسيم مقاومات الضوء إلى سلبية وإيجابية. تشكل مقاومات الضوء السلبية، عند تعرضها للأشعة فوق البنفسجية، مناطق إغاثة وقائية. على العكس من ذلك، فإن مقاومات الضوء الإيجابية، تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية، تكتسب خصائص السيولة ويتم غسلها بواسطة المذيب. وبناء على ذلك، يتم تشكيل طبقة واقية في تلك المناطق التي لا تتعرض للأشعة فوق البنفسجية.
لإلقاء الضوء على المناطق المرغوبة من طبقة مقاومة الضوء، يتم استخدام قالب قناع خاص. في أغلب الأحيان، يتم استخدام ألواح الزجاج البصري ذات العناصر غير الشفافة التي تم الحصول عليها فوتوغرافيًا أو بطريقة أخرى لهذا الغرض. في الواقع، يحتوي هذا القالب على رسم لإحدى طبقات الدائرة الدقيقة المستقبلية (قد يكون هناك عدة مئات من هذه الطبقات في المجموع). وبما أن هذا القالب هو مرجع، فإنه يجب أن يتم بدقة كبيرة. بالإضافة إلى ذلك، مع الأخذ في الاعتبار حقيقة أن العديد من لوحات الصور سيتم تصنيعها من قناع ضوئي واحد، يجب أن تكون متينة ومقاومة للتلف. من هذا يتضح أن القناع الضوئي شيء مكلف للغاية: اعتمادًا على مدى تعقيد الدائرة الدقيقة، يمكن أن يكلف عشرات الآلاف من الدولارات.
الأشعة فوق البنفسجية، التي تمر عبر هذا القالب (الشكل 4)، تضيء فقط المناطق الضرورية من سطح الطبقة المقاومة للضوء. بعد التشعيع، يخضع مقاوم الضوء للتطوير، ونتيجة لذلك تتم إزالة المناطق غير الضرورية من الطبقة. وهذا يكشف الجزء المقابل من طبقة ثاني أكسيد السيليكون.
على الرغم من البساطة الواضحة لعملية الطباعة الحجرية الضوئية، فإن هذه المرحلة من إنتاج الدوائر الدقيقة هي الأكثر تعقيدًا. الحقيقة هي أنه وفقًا لتنبؤات مور، فإن عدد الترانزستورات الموجودة على شريحة واحدة يزيد بشكل كبير (يتضاعف كل عامين). مثل هذه الزيادة في عدد الترانزستورات لا يمكن تحقيقها إلا بسبب انخفاض حجمها، لكن النقصان هو الذي "يعتمد" على عملية الطباعة الحجرية. من أجل جعل الترانزستورات أصغر، من الضروري تقليل الأبعاد الهندسية للخطوط المطبقة على طبقة مقاومة الضوء. ولكن هناك حد لكل شيء؛ إن تركيز شعاع الليزر على نقطة ما ليس بالأمر السهل. والحقيقة هي أنه وفقًا لقوانين البصريات الموجية، يتم تحديد الحد الأدنى لحجم البقعة التي يتركز فيها شعاع الليزر (في الواقع، إنها ليست مجرد بقعة، ولكنها نمط حيود)، من بين عوامل أخرى، بواسطة الطول الموجي للضوء. كان تطور تكنولوجيا الطباعة الحجرية منذ اختراعها في أوائل السبعينيات في اتجاه تقليل الطول الموجي للضوء. وهذا ما جعل من الممكن تقليل حجم عناصر الدائرة المتكاملة. منذ منتصف الثمانينات، بدأت الطباعة الحجرية الضوئية في استخدام الأشعة فوق البنفسجية التي ينتجها الليزر. الفكرة بسيطة: الطول الموجي للأشعة فوق البنفسجية أقصر من الطول الموجي للضوء المرئي، وبالتالي من الممكن الحصول على خطوط أدق على سطح مقاوم الضوء. حتى وقت قريب، استخدمت الطباعة الحجرية الأشعة فوق البنفسجية العميقة (DUV) بطول موجة يبلغ 248 نانومتر. ومع ذلك، عندما تجاوزت الطباعة الحجرية الضوئية 200 نانومتر، ظهرت مشاكل خطيرة ألقت ظلالًا من الشك لأول مرة على استمرار استخدام هذه التكنولوجيا. على سبيل المثال، عند الأطوال الموجية الأقل من 200 ميكرون، تمتص الطبقة الحساسة للضوء الكثير من الضوء، مما يؤدي إلى تعقيد وإبطاء عملية نقل قالب الدائرة إلى المعالج. تدفع مثل هذه المشكلات الباحثين والمصنعين إلى البحث عن بدائل لتكنولوجيا الطباعة الحجرية التقليدية.
تعتمد تقنية الطباعة الحجرية الجديدة، والتي تسمى الطباعة الحجرية EUV (الأشعة فوق البنفسجية فائقة الصلابة)، على استخدام الأشعة فوق البنفسجية بطول موجة يبلغ 13 نانومتر.
يوفر الانتقال من الطباعة الحجرية DUV إلى الطباعة الحجرية EUV انخفاضًا بأكثر من 10 أضعاف في الطول الموجي والانتقال إلى نطاق يمكن مقارنته بحجم بضع عشرات فقط من الذرات.
تسمح تقنية الطباعة الحجرية الحالية بنموذج بعرض موصل لا يقل عن 100 نانومتر، بينما تتيح الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية (EUV) طباعة خطوط بعرض أصغر بكثير - يصل إلى 30 نانومتر. إن التحكم في الإشعاع الفائق القصر ليس سهلاً كما يبدو. وبما أن الزجاج يمتص الأشعة فوق البنفسجية بشكل جيد، فإن التقنية الجديدة تتضمن استخدام سلسلة من أربع مرايا محدبة خاصة تعمل على تقليل وتركيز الصورة التي تم الحصول عليها بعد تطبيق القناع (الشكل 5، ). تحتوي كل مرآة على 80 طبقة معدنية فردية يبلغ سمكها حوالي 12 ذرة.
الخطوة 5: النقش
بعد تعريض الطبقة المقاومة للضوء، تبدأ مرحلة النقش بإزالة طبقة ثاني أكسيد السيليكون (الشكل 8).
غالبًا ما ترتبط عملية النقش بالحمامات الحمضية. طريقة النقش بالحمض هذه معروفة جيدًا لهواة الراديو الذين صنعوا لوحات الدوائر المطبوعة الخاصة بهم. للقيام بذلك، يتم تطبيق نمط من المسارات للوحة المستقبلية على PCB المطلي بالرقائق مع الورنيش، والذي يعمل كطبقة واقية، ثم يتم إنزال اللوحة في حمام من حمض النيتريك. يتم حفر الأجزاء غير الضرورية من الرقاقة، مما يؤدي إلى كشف PCB النظيف. تحتوي هذه الطريقة على عدد من العيوب، أهمها عدم القدرة على التحكم بدقة في عملية إزالة الطبقة، حيث تؤثر عوامل كثيرة جدًا على عملية النقش: تركيز الحمض، ودرجة الحرارة، والحمل الحراري، وما إلى ذلك. بالإضافة إلى ذلك، يتفاعل الحمض مع المادة في جميع الاتجاهات ويتغلغل تدريجياً تحت حافة القناع المقاوم للضوء، أي أنه يدمر الطبقات المغطاة بمقاوم الضوء من الجانب. ولذلك، في إنتاج المعالجات، يتم استخدام طريقة الحفر الجاف، وتسمى أيضا البلازما. تسمح هذه الطريقة بالتحكم الدقيق في عملية الحفر، ويتم تدمير الطبقة المحفورة بشكل صارم في الاتجاه الرأسي.
يستخدم الحفر الجاف غازًا متأينًا (بلازما) لإزالة ثاني أكسيد السيليكون من سطح الرقاقة، والذي يتفاعل مع سطح ثاني أكسيد السيليكون لإنتاج منتجات ثانوية متطايرة.
بعد إجراء النقش، أي عندما يتم كشف المناطق المطلوبة من السيليكون النقي، تتم إزالة الجزء المتبقي من الطبقة الضوئية. وهكذا، يبقى النمط الذي صنعه ثاني أكسيد السيليكون على ركيزة السيليكون.
الخطوة 6. الانتشار (زرع الأيونات)
دعونا نتذكر أن العملية السابقة لتشكيل النموذج المطلوب على ركيزة السيليكون كانت مطلوبة من أجل إنشاء هياكل أشباه الموصلات في الأماكن الصحيحة عن طريق إدخال شوائب مانحة أو متقبلة. تتم عملية إدخال الشوائب من خلال الانتشار (الشكل 9) عن طريق الإدخال المنتظم لذرات الشوائب في الشبكة البلورية السيليكونية. للحصول على أشباه الموصلات من النوع n، عادة ما يتم استخدام الأنتيمون أو الزرنيخ أو الفوسفور. للحصول على أشباه الموصلات من النوع p، يتم استخدام البورون أو الغاليوم أو الألومنيوم كشوائب.
يتم استخدام زرع الأيونات في عملية نشر المنشطات. تتكون عملية الزرع من أيونات الشوائب المرغوبة التي يتم "إطلاقها" من مسرع الجهد العالي، وبوجود طاقة كافية، تخترق الطبقات السطحية من السيليكون.
لذلك، في نهاية مرحلة زرع الأيونات، تم إنشاء الطبقة اللازمة من هيكل أشباه الموصلات. ومع ذلك، في المعالجات الدقيقة قد يكون هناك عدة طبقات من هذا القبيل. ولإنشاء الطبقة التالية في نمط الدائرة الناتج، تتم زراعة طبقة رقيقة إضافية من ثاني أكسيد السيليكون. بعد ذلك، يتم ترسيب طبقة من السيليكون متعدد البلورات وطبقة أخرى من مقاوم الضوء. يتم تمرير الأشعة فوق البنفسجية عبر القناع الثاني وتسلط الضوء على النمط المقابل على طبقة الصورة. ثم تتبع مرة أخرى مراحل إذابة الطبقة الضوئية والحفر وزرع الأيونات.
الخطوة 7. الاخرق والترسيب
يتم تنفيذ طبقات جديدة عدة مرات، بينما بالنسبة للاتصالات البينية، يتم ترك "نوافذ" في الطبقات المملوءة بذرات معدنية؛ ونتيجة لذلك، يتم إنشاء مناطق موصلة للشرائط المعدنية على البلورة. وبهذه الطريقة، تقوم المعالجات الحديثة بإنشاء اتصالات بين الطبقات التي تشكل دائرة معقدة ثلاثية الأبعاد. وتستمر عملية النمو ومعالجة جميع الطبقات عدة أسابيع، وتتكون دورة الإنتاج نفسها من أكثر من 300 مرحلة. ونتيجة لذلك، يتم تشكيل مئات المعالجات المتطابقة على رقاقة السيليكون.
لتحمل التأثيرات التي تتعرض لها الرقائق أثناء عملية وضع الطبقات، يتم تصنيع رقائق السيليكون في البداية بسماكة كبيرة. لذلك، قبل تقطيع الرقاقة إلى معالجات فردية، يتم تقليل سمكها بنسبة 33% ويتم إزالة الأوساخ من الجانب الخلفي. ثم يتم تطبيق طبقة من المواد الخاصة على الجانب الخلفي من الركيزة لتحسين ربط البلورة بجسم المعالج المستقبلي.
الخطوة 8. المرحلة النهائية
وفي نهاية دورة التكوين، يتم اختبار جميع المعالجات بدقة. بعد ذلك، يتم قطع بلورات محددة اجتازت الاختبار بالفعل من لوحة الركيزة باستخدام جهاز خاص (الشكل 10).
يتم تضمين كل معالج دقيق في غلاف واقي، والذي يوفر أيضًا اتصالاً كهربائيًا بين شريحة المعالج الدقيق والأجهزة الخارجية. يعتمد نوع الغلاف على نوع المعالج الدقيق والتطبيق المقصود منه.
بعد إغلاق العلبة، يتم إعادة اختبار كل معالج دقيق. يتم رفض المعالجات المعيبة، وتخضع المعالجات العاملة لاختبارات التحميل. يتم بعد ذلك فرز المعالجات بناءً على سلوكها عند سرعات الساعة المختلفة وفولتية الإمداد.
تقنيات واعدة
لقد نظرنا في العملية التكنولوجية لإنتاج الدوائر الدقيقة (على وجه الخصوص، المعالجات) بطريقة مبسطة للغاية. ولكن حتى مثل هذا العرض السطحي يسمح لنا بفهم الصعوبات التكنولوجية التي نواجهها عند تقليل حجم الترانزستورات.
ومع ذلك، قبل النظر في التقنيات الواعدة الجديدة، سنجيب على السؤال المطروح في بداية المقال: ما هو معيار التصميم للعملية التكنولوجية وكيف يختلف معيار التصميم 130 نانومتر في الواقع عن معيار 180 نانومتر؟ 130 نانومتر أو 180 نانومتر هذا هو الحد الأدنى المميز للمسافة بين عنصرين متجاورين في طبقة واحدة من الدائرة الدقيقة، أي نوع من خطوة الشبكة التي ترتبط بها عناصر الدائرة الدقيقة. ومن الواضح تماما أنه كلما كان هذا الحجم المميز أصغر، كلما زاد عدد الترانزستورات التي يمكن وضعها على نفس المنطقة من الدائرة الدقيقة.
حاليًا، تستخدم معالجات Intel تقنية معالجة تبلغ 0.13 ميكرون. وتستخدم هذه التقنية في تصنيع معالج Intel Pentium 4 بنواة Northwood، ومعالج Intel Pentium III بنواة Tualatin، ومعالج Intel Celeron. عند استخدام مثل هذه العملية التكنولوجية، يكون عرض القناة المفيدة للترانزستور 60 نانومتر، ولا يتجاوز سمك طبقة أكسيد البوابة 1.5 نانومتر. في المجموع، يحتوي معالج Intel Pentium 4 على 55 مليون ترانزستور.
وإلى جانب زيادة كثافة الترانزستورات في شريحة المعالج، فإن تقنية 0.13 ميكرون، التي حلت محل تقنية 0.18 ميكرون، لديها ابتكارات أخرى. أولاً، يستخدم وصلات نحاسية بين الترانزستورات الفردية (في تقنية 0.18 ميكرون كانت التوصيلات مصنوعة من الألومنيوم). ثانيًا، توفر تقنية 0.13 ميكرون استهلاكًا أقل للطاقة. بالنسبة للأجهزة المحمولة، على سبيل المثال، هذا يعني أن استهلاك الطاقة للمعالجات الدقيقة يصبح أقل وعمر البطارية أطول.
حسنًا، آخر ابتكار تم تنفيذه أثناء الانتقال إلى عملية تكنولوجية تبلغ 0.13 ميكرون هو استخدام رقائق السيليكون (الرقاقة) التي يبلغ قطرها 300 ملم. أذكر أنه قبل ذلك، تم تصنيع معظم المعالجات والدوائر الدقيقة على أساس رقائق 200 ملم.
تتيح زيادة قطر الرقاقة إمكانية تقليل تكلفة كل معالج وزيادة إنتاجية المنتجات ذات الجودة المناسبة. وبالفعل فإن مساحة الرقاقة التي يبلغ قطرها 300 ملم أكبر بـ 2.25 مرة من مساحة الرقاقة التي يبلغ قطرها 200 ملم، وبالتالي فإن عدد المعالجات التي يتم الحصول عليها من رقاقة واحدة يبلغ قطرها 300 ملم مم أكبر مرتين.
وفي عام 2003، من المتوقع أن يتم إدخال عملية تكنولوجية جديدة بمعيار تصميم أصغر، وهو 90 نانومتر. تم تطوير العملية الجديدة التي ستقوم إنتل من خلالها بتصنيع معظم منتجاتها، بما في ذلك المعالجات والشرائح ومعدات الاتصالات، في مصنع إنتل التجريبي لرقائق الويفر D1C 300 ملم في هيلزبورو بولاية أوريجون.
في 23 أكتوبر 2002، أعلنت إنتل عن افتتاح منشأة جديدة بقيمة 2 مليار دولار في ريو رانشو، نيو مكسيكو. وسيستخدم المصنع الجديد، المسمى F11X، أحدث التقنيات لإنتاج معالجات على رقائق بقطر 300 ملم باستخدام عملية تصميم تبلغ 0.13 ميكرون. وفي عام 2003، سيتم تحويل المصنع إلى عملية تكنولوجية بمعيار تصميم يبلغ 90 نانومتر.
بالإضافة إلى ذلك، أعلنت إنتل بالفعل عن استئناف بناء منشأة إنتاج أخرى في Fab 24 في ليكسليب (أيرلندا)، والتي تم تصميمها لإنتاج مكونات أشباه الموصلات على رقائق السيليكون مقاس 300 مم بمعيار تصميم 90 نانومتر. مشروع جديد بمساحة إجمالية تزيد عن مليون متر مربع. قدم مع غرف نظيفة بشكل خاص بمساحة 160 ألف متر مربع. ومن المتوقع أن يبدأ تشغيله في النصف الأول من عام 2004 وسيوظف أكثر من ألف موظف. وتبلغ تكلفة المنشأة حوالي 2 مليار دولار.
تستخدم عملية 90 نانومتر مجموعة من التقنيات المتقدمة. هذه هي أصغر ترانزستورات CMOS يتم إنتاجها بكميات كبيرة في العالم ويبلغ طول البوابة 50 نانومتر (الشكل 11)، والتي توفر أداءً متزايدًا مع تقليل استهلاك الطاقة، كما أنها أنحف طبقة أكسيد البوابة من أي ترانزستور تم إنتاجه على الإطلاق - 1.2 نانومتر فقط (الشكل 1). 12)، أو أقل من 5 طبقات ذرية، وأول تطبيق في الصناعة لتقنية السيليكون المتوتر عالي الأداء.
من بين الخصائص المذكورة، ربما يحتاج مفهوم "السيليكون المجهد" فقط إلى التعليق (الشكل 13). في مثل هذا السيليكون، تكون المسافة بين الذرات أكبر مما هي عليه في أشباه الموصلات التقليدية. وهذا بدوره يسمح للتيار بالتدفق بحرية أكبر، على غرار كيفية تحرك حركة المرور بحرية أكبر وأسرع على طريق ذي ممرات أوسع.
نتيجة لجميع الابتكارات، تم تحسين خصائص أداء الترانزستورات بنسبة 10-20٪، بينما زادت تكاليف الإنتاج بنسبة 2٪ فقط.
بالإضافة إلى ذلك، تستخدم عملية 90 نانومتر سبع طبقات على الرقاقة (الشكل 14)، وطبقة واحدة أكثر من عملية 130 نانومتر، بالإضافة إلى وصلات نحاسية.
كل هذه الميزات، جنبًا إلى جنب مع رقائق السيليكون مقاس 300 مم، توفر لشركة Intel فوائد من حيث الأداء وحجم الإنتاج والتكلفة. ويستفيد المستهلكون أيضًا، حيث تسمح تقنية المعالجة الجديدة من Intel للصناعة بمواصلة التطور وفقًا لقانون مور، مما يؤدي إلى زيادة أداء المعالج مرارًا وتكرارًا.
تعد المعالجات الدقيقة الحديثة من أكثر الأجهزة التي يصنعها الإنسان تعقيدًا. إن إنتاج بلورات أشباه الموصلات يتطلب استخدامًا أكبر بكثير للموارد من تشييد مبنى متعدد الطوابق أو تنظيم معرض كبير على سبيل المثال. ومع ذلك، بفضل الإنتاج الضخم لوحدات المعالجة المركزية من الناحية النقدية، فإننا لا نلاحظ ذلك، ونادرا ما يفكر أحد في ضخامة العناصر التي تشغل مثل هذا المكان البارز داخل وحدة النظام. قررنا دراسة تفاصيل إنتاج المعالج والحديث عنها في هذه المادة. لحسن الحظ، هناك معلومات كافية حول هذا الموضوع على الإنترنت اليوم، وتسمح لك مجموعة متخصصة من العروض التقديمية والشرائح من شركة Intel بإكمال المهمة بأكبر قدر ممكن من الوضوح. تعمل شركات عمالقة صناعة أشباه الموصلات الأخرى على نفس المبدأ، لذلك يمكننا أن نقول بثقة أن جميع الدوائر الدقيقة الحديثة تمر عبر مسار إنشاء مماثل.
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
أول شيء يستحق الذكر هو مواد البناء للمعالجات. يعد السيليكون ثاني أكثر العناصر شيوعًا على الكوكب بعد الأكسجين. وهو شبه موصل طبيعي ويستخدم كمادة رئيسية لإنتاج رقائق الدوائر الدقيقة المختلفة. يوجد معظم السيليكون في الرمل العادي (خاصة الكوارتز) على شكل ثاني أكسيد السيليكون (SiO2).
ومع ذلك، السيليكون ليس المادة الوحيدة. أقرب قريب وبديل له هو الجرمانيوم، ولكن في عملية تحسين الإنتاج، يحدد العلماء خصائص أشباه الموصلات الجيدة في مركبات العناصر الأخرى ويستعدون لاختبارها عمليًا أو يقومون بذلك بالفعل.
1 يمر السيليكون بعملية تنقية متعددة المراحل: لا يمكن أن تحتوي المواد الخام للدوائر الدقيقة على شوائب أكثر من ذرة غريبة واحدة لكل مليار.
2 يتم إذابة السيليكون في حاوية خاصة، وبعد إنزال قضيب دوار مبرد باستمرار بالداخل، يتم "جرح" المادة حوله بفضل قوى التوتر السطحي.
3 والنتيجة هي فراغات طولية (بلورات مفردة) ذات مقطع عرضي دائري، وزن كل منها حوالي 100 كجم.
4 يتم تقطيع قطعة العمل إلى أقراص سيليكون فردية - رقائق تحتوي على مئات المعالجات الدقيقة. لهذه الأغراض، يتم استخدام آلات ذات أقراص قطع الماس أو تركيبات جلخ الأسلاك.
5 يتم صقل الركائز حتى النهاية المرآة لإزالة جميع عيوب السطح. والخطوة التالية هي تطبيق أنحف طبقة فوتوبوليمر.
6 تتعرض الركيزة المعالجة للأشعة فوق البنفسجية القاسية. يحدث تفاعل كيميائي في طبقة البوليمر الضوئي: الضوء، الذي يمر عبر العديد من قوالب الاستنسل، يكرر أنماط طبقات وحدة المعالجة المركزية.
7 الحجم الفعلي للصورة المطبقة أصغر بعدة مرات من الاستنسل نفسه.
8 يتم غسل المناطق "المحفورة" بالإشعاع. يتم الحصول على نمط على ركيزة السيليكون، والتي يتم ربطها بعد ذلك.
9 المرحلة التالية في تصنيع طبقة واحدة هي التأين، حيث يتم خلالها قصف مناطق السيليكون الخالية من البوليمر بالأيونات.
10 في الأماكن التي ضربوا فيها، تتغير خصائص التوصيل الكهربائي.
11 تتم إزالة البوليمر المتبقي ويكتمل الترانزستور تقريبًا. يتم عمل ثقوب في الطبقات العازلة، والتي بفضل تفاعل كيميائي تمتلئ بذرات النحاس المستخدمة كملامسات.
12 اتصال الترانزستورات هو الأسلاك متعددة المستويات. إذا نظرت عبر المجهر، ستلاحظ على البلورة العديد من الموصلات المعدنية وذرات السيليكون الموضوعة بينها أو بين بدائلها الحديثة.
13 يخضع جزء من الركيزة النهائية لاختبار الأداء الوظيفي الأول. في هذه المرحلة، يتم تطبيق التيار على كل من الترانزستورات المحددة، ويقوم النظام الآلي بفحص معلمات التشغيل لأشباه الموصلات.
14 يتم قطع الركيزة إلى أجزاء منفصلة باستخدام أنحف عجلات القطع.
15 تُستخدم البلورات الصالحة للاستخدام التي تم الحصول عليها نتيجة لهذه العملية في إنتاج المعالجات، ويتم إرسال البلورات المعيبة إلى النفايات.
16 يتم وضع الشريحة المنفصلة التي سيصنع منها المعالج بين قاعدة (الركيزة) لوحدة المعالجة المركزية وغطاء توزيع الحرارة و"معبأة".
17 أثناء الاختبار النهائي، يتم فحص المعالجات النهائية للتأكد من مطابقتها للمعايير المطلوبة، وبعد ذلك فقط يتم فرزها. بناءً على البيانات الواردة، يتم وميض الرمز الصغير فيها، مما يسمح للنظام بالتعرف على وحدة المعالجة المركزية بشكل صحيح.
18 يتم تعبئة الأجهزة النهائية وإرسالها إلى السوق.
 |
 |
 |
 |
حقائق مثيرة للاهتمام حول المعالجات وإنتاجها
"وادي السيليكون" (وادي السيليكون، الولايات المتحدة الأمريكية، كاليفورنيا)
حصلت على اسمها من عنصر البناء الرئيسي المستخدم في إنتاج الرقائق الدقيقة.
"لماذا تكون رقائق المعالج مستديرة؟"- ربما سوف تسأل.
لإنتاج بلورات السيليكون، يتم استخدام التكنولوجيا التي تجعل من الممكن الحصول على الفراغات الأسطوانية فقط، والتي يتم بعد ذلك تقطيعها إلى قطع. وحتى الآن لم يتمكن أحد من إنتاج لوحة مربعة خالية من العيوب.
لماذا الرقائق الدقيقة مربعة؟
هذا النوع من الطباعة الحجرية هو الذي يسمح باستخدام منطقة الرقاقة بأقصى قدر من الكفاءة.
لماذا تحتاج المعالجات إلى الكثير من الدبابيس/الدبابيس؟
بالإضافة إلى خطوط الإشارة، يتطلب كل معالج طاقة ثابتة للعمل. مع استهلاك طاقة يبلغ حوالي 100-120 واط والجهد المنخفض، يمكن أن يتدفق تيار يصل إلى 100 أمبير عبر جهات الاتصال. يتم تخصيص جزء كبير من جهات اتصال وحدة المعالجة المركزية خصيصًا لنظام إمداد الطاقة ويتم تكراره.
التخلص من مخلفات الإنتاج
في السابق، كانت الرقائق المعيبة وبقاياها والرقائق الدقيقة المعيبة تذهب سدى. واليوم تجري التطورات لاستخدامها كأساس لإنتاج الخلايا الشمسية.
"زي الارنب"
هذا هو الاسم الذي يطلق على الملابس البيضاء التي يجب على جميع العاملين في منشآت الإنتاج ارتدائها. ويتم ذلك للحفاظ على أقصى قدر من النظافة والحماية من الدخول العرضي لجزيئات الغبار إلى مرافق الإنتاج. تم استخدام "بدلة الأرنب" لأول مرة في مصانع المعالجات في عام 1973 وأصبحت منذ ذلك الحين معيارًا مقبولاً.
99,9999%
فقط السيليكون عالي النقاء هو المناسب لإنتاج المعالجات. يتم تنظيف الفراغات بمواد كيميائية خاصة.
300 ملم
هذا هو قطر رقائق السيليكون الحديثة المستخدمة في إنتاج المعالجات.
1000 مرة
هذا هو مقدار نظافة الهواء في مباني مصانع الرقائق مقارنة بغرفة العمليات.
20 طبقة
شريحة المعالج رفيعة جدًا (أقل من ملليمتر)، ولكنها تحتوي على أكثر من 20 طبقة من التركيبات الهيكلية المعقدة للترانزستورات التي تشبه الطرق السريعة متعددة المستويات.
2500
هذا هو بالضبط عدد شرائح معالج Intel Atom (التي تحتوي على أصغر مساحة بين وحدات المعالجة المركزية الحديثة) الموضوعة على رقاقة واحدة مقاس 300 مم.
10 000 000 000 000 000 000
يتم شحن مائة كوينتيليون ترانزستور، وهي الوحدات الأساسية للرقائق الدقيقة، من المصانع كل عام. وهذا ما يقرب من 100 مرة أكثر من العدد المقدر للنمل على هذا الكوكب.
أ
تكلفة إنتاج ترانزستور واحد في المعالج اليوم تساوي تكلفة طباعة حرف واحد في إحدى الصحف.
في عملية إعداد هذا المقال تم استخدام مواد من الموقع الرسمي لشركة إنتل، www.intel.ua
أين يتم تصنيع معالجات إنتل؟
كما كتبت في منشور سابق، لدى Intel حاليًا 4 مصانع قادرة على الإنتاج الضخم للمعالجات باستخدام تقنية 32 نانومتر: D1D وD1C في ولاية أوريغون، وFab 32 في أريزونا، وFab 11X في نيو مكسيكو.
دعونا نرى كيف يعملون
يبلغ ارتفاع كل مصنع لتصنيع عمليات Intel مستوى نظام التهوية يتكون المعالج الدقيق من ملايين الترانزستورات مستوى الغرفة النظيفة تغطي الأرضية مساحة العديد من ملاعب كرة القدم بالإضافة إلى زيادة متطلبات تعقيم المباني، المستويات الدنيا مصممة للأنظمة التي تدعم تشغيل المرافق المستوى الهندسي |
يستغرق بناء مصنع بهذا المستوى حوالي 3 سنوات وحوالي 5 مليارات - وهذا هو المبلغ الذي سيتعين على المصنع "استعادته" في السنوات الأربع القادمة (بحلول الوقت الذي تظهر فيه العملية التكنولوجية والهندسة المعمارية الجديدة، تكون الإنتاجية المطلوبة وهذا يعني حوالي 100 رقاقة سيليكون عاملة في الساعة). لبناء مصنع سوف تحتاج:
- أكثر من 19 ألف طن من الفولاذ
— أكثر من 112.000 متر مكعب من الخرسانة
- أكثر من 900 كيلومتر من الكابلات
كيف تصنع المعالجات الدقيقة
من الناحية الفنية، يتم تصنيع المعالج الدقيق الحديث على شكل دائرة متكاملة كبيرة جدًا، تتكون من عدة مليارات من العناصر - وهي واحدة من أكثر الهياكل تعقيدًا التي أنشأها الإنسان. العناصر الأساسية لأي معالج دقيق هي المفاتيح المنفصلة - الترانزستورات. من خلال منع وتمرير التيار الكهربائي (التشغيل والإيقاف)، فإنها تمكن الدوائر المنطقية للكمبيوتر من العمل في حالتين، أي في نظام ثنائي. يتم قياس أحجام الترانزستور بالنانومتر. النانومتر (نانومتر) هو جزء من مليار من المتر.
باختصار، تبدو عملية تصنيع المعالج كما يلي: يتم زراعة بلورة مفردة أسطوانية من السيليكون المنصهر على معدات خاصة. يتم تبريد السبيكة الناتجة وتقطيعها إلى "فطائر"، ويتم تسوية سطحها بعناية وصقله حتى يلمع كالمرآة. وبعد ذلك، في "الغرف النظيفة" لمصانع أشباه الموصلات، يتم إنشاء دوائر متكاملة على رقائق السيليكون باستخدام الطباعة الحجرية الضوئية والحفر. بعد إعادة تنظيف الرقائق، يقوم المتخصصون في المختبر بإجراء اختبار انتقائي للمعالجات تحت المجهر - إذا كان كل شيء على ما يرام، فسيتم تقطيع الرقائق النهائية إلى معالجات فردية، والتي يتم وضعها لاحقًا في أغلفة.
دعونا ننظر إلى العملية برمتها بمزيد من التفصيل.
في البداية، يتم أخذ SiO2 على شكل رمل، والذي يتم اختزاله بفحم الكوك في أفران القوس (عند درجة حرارة حوالي 1800 درجة مئوية):
SiO2 + 2C = Si + 2CO
يُطلق على هذا السيليكون اسم "تقني" ويبلغ نقاوته 98-99.9٪. وتتطلب معالجات التصنيع مادة خام أنقى بكثير تسمى "السيليكون الإلكتروني"، والتي لا ينبغي أن تحتوي على أكثر من ذرة أجنبية واحدة لكل مليار ذرة سيليكون. ومن أجل التنقية إلى هذا المستوى، فإن السيليكون "يولد من جديد" حرفيًا. من خلال كلورة السيليكون التقني، يتم الحصول على رابع كلوريد السيليكون (SiCl4)، والذي يتم تحويله لاحقًا إلى ثلاثي كلوروسيلان (SiHCl3):
3SiCl4 + 2H2 + سي ↔ 4SiHCl3
هذه التفاعلات، باستخدام إعادة تدوير المنتجات الثانوية الناتجة التي تحتوي على السيليكون، تقلل التكاليف وتزيل المشاكل البيئية:
2SiHCl3 ↔ SiH2Cl2 + SiCl4
2SiH2Cl2 ↔ SiH3Cl + SiHCl3
2SiH3Cl ↔ SiH4 + SiH2Cl2
SiH4 ↔ سي + 2H2
يمكن استخدام الهيدروجين الناتج في العديد من الأماكن، لكن الشيء الأكثر أهمية هو أنه تم الحصول على السيليكون "الإلكتروني"، نقي، نقي جدًا (99.9999999٪). وبعد ذلك بقليل، يتم إنزال البذرة ("نقطة النمو") في ذوبان هذا السيليكون، والتي يتم سحبها تدريجياً من البوتقة. ونتيجة لذلك، يتم تشكيل ما يسمى "بولة" - بلورة واحدة بطول الشخص البالغ. الوزن مناسب - في إنتاج مثل هذه الكرة تزن حوالي 100 كجم.
يتم صقل السبيكة بـ "صفر" :) ويتم قطعها بمنشار ماسي. الناتج عبارة عن رقائق (يُطلق عليها الاسم الرمزي "الرقاقة") يبلغ سمكها حوالي 1 مم وقطرها 300 مم (حوالي 12 بوصة؛ وهي تلك المستخدمة في عملية 32 نانومتر مع تقنية HKMG، High-K/Metal Gate).
الآن الشيء الأكثر إثارة للاهتمام هو أنه من الضروري نقل هيكل المعالج المستقبلي إلى رقائق السيليكون المصقولة، أي إدخال الشوائب في مناطق معينة من رقاقة السيليكون، والتي تشكل في النهاية الترانزستورات. كيف افعلها؟
تم حل المشكلة باستخدام تقنية الطباعة الحجرية الضوئية - وهي عملية حفر انتقائي للطبقة السطحية باستخدام قناع ضوئي واقي. تعتمد هذه التقنية على مبدأ "مقاوم الضوء لقالب الضوء" وتتم على النحو التالي:
- يتم تطبيق طبقة من المادة على ركيزة السيليكون التي سيتم تشكيل النموذج منها. يتم تطبيق مقاوم الضوء عليه - طبقة من مادة البوليمر الحساسة للضوء والتي تغير خصائصها الفيزيائية والكيميائية عند تشعيعها بالضوء.
— يتم تنفيذ التعريض (إضاءة طبقة الصورة لفترة زمنية محددة بدقة) من خلال قناع ضوئي
- إزالة مقاوم الضوء المستهلك.
يتم رسم الهيكل المطلوب على قناع ضوئي - كقاعدة عامة، هذه لوحة من الزجاج البصري يتم تطبيق المناطق المعتمة عليها ضوئيًا. يحتوي كل قالب من هذا القبيل على إحدى طبقات المعالج المستقبلي، لذلك يجب أن يكون دقيقًا وعمليًا للغاية.
يتم تشعيع الرقاقة بواسطة تيار من الأيونات (ذرات موجبة أو سالبة الشحنة)، والتي تخترق في أماكن محددة تحت سطح الرقاقة وتغير خصائص السيليكون الموصلة (المساحات الخضراء هي ذرات غريبة مدمجة).
في التصوير الفوتوغرافي، يمر الضوء عبر الفيلم السلبي، ويضرب سطح ورقة التصوير الفوتوغرافي، ويغير خصائصه الكيميائية. في الطباعة الحجرية الضوئية، المبدأ مشابه: يتم تمرير الضوء من خلال قناع ضوئي إلى مقاوم الضوء، وفي تلك الأماكن التي يمر فيها القناع، تتغير خصائص الأجزاء الفردية من مقاوم الضوء. ينتقل الإشعاع الضوئي من خلال الأقنعة، التي تركز على الركيزة. للتركيز الدقيق، يلزم وجود نظام خاص من العدسات أو المرايا، والذي لا يمكنه فقط تقليل الصورة المقطوعة على القناع إلى حجم الشريحة، ولكن أيضًا عرضها بدقة على قطعة العمل. عادة ما تكون الرقائق المطبوعة أصغر بأربع مرات من الأقنعة نفسها. 
تتم إزالة جميع مقاومات الضوء المستهلكة (التي غيرت قابليتها للذوبان تحت تأثير التشعيع) بمحلول كيميائي خاص - بالإضافة إلى ذلك، يذوب أيضًا جزء من الركيزة تحت مقاوم الضوء المضيء. لن يذوب جزء الركيزة الذي كان محميًا من الضوء بواسطة القناع. إنه يشكل موصلًا أو عنصرًا نشطًا في المستقبل - نتيجة هذا النهج هي أنماط دوائر مختلفة في كل طبقة من المعالجات الدقيقة.
في الواقع، كانت جميع الخطوات السابقة ضرورية لإنشاء هياكل أشباه الموصلات في الأماكن المطلوبة عن طريق إدخال شوائب مانحة (نوع n) أو شوائب متقبلة (نوع p). لنفترض أننا بحاجة إلى إنشاء منطقة تركيز للحاملات من النوع p في السيليكون، أي منطقة توصيل الثقب. للقيام بذلك، تتم معالجة الرقاقة باستخدام جهاز يسمى المزروع - يتم إطلاق أيونات البورون ذات الطاقة الهائلة من مسرع الجهد العالي ويتم توزيعها بالتساوي في المناطق غير المحمية التي تشكلت أثناء الطباعة الحجرية الضوئية.
في حالة إزالة العازل الكهربائي، تخترق الأيونات طبقة السيليكون غير المحمية - وإلا فإنها "عالقة" في العازل الكهربائي. بعد عملية الحفر التالية، تتم إزالة العازل المتبقي، وتبقى المناطق التي يوجد فيها البورون المحلي على اللوحة. من الواضح أن المعالجات الحديثة قد تحتوي على عدة طبقات من هذا القبيل - في هذه الحالة، يتم زراعة طبقة عازلة مرة أخرى على الصورة الناتجة ثم يتبع كل شيء المسار المعتاد - طبقة أخرى من مقاوم الضوء، عملية الطباعة الحجرية الضوئية (باستخدام قناع جديد) ، النقش، الزرع...
يجب أن تكون العناصر المنطقية التي تتشكل أثناء عملية الطباعة الحجرية الضوئية مرتبطة ببعضها البعض. للقيام بذلك، يتم وضع الألواح في محلول كبريتات النحاس، حيث تحت تأثير التيار الكهربائي، "تستقر" ذرات المعدن في "الممرات" المتبقية - ونتيجة لهذه العملية الكلفانية، يتم تشكيل مناطق موصلة ، إنشاء اتصالات بين الأجزاء الفردية من المعالج "المنطق". تتم إزالة الطلاء الموصل الزائد عن طريق التلميع.
يا هلا - لقد انتهى الجزء الأصعب. كل ما تبقى هو طريقة ماكرة لتوصيل "بقايا" الترانزستورات - ويسمى مبدأ وتسلسل كل هذه التوصيلات (الحافلات) بهندسة المعالج. تختلف هذه التوصيلات لكل معالج - على الرغم من أن الدوائر تبدو مسطحة تمامًا، إلا أنه في بعض الحالات يمكن استخدام ما يصل إلى 30 مستوى من هذه "الأسلاك".
عند اكتمال معالجة الرقاقة، يتم نقل الرقاقات من الإنتاج إلى ورشة التجميع والاختبار. هناك، تخضع البلورات للاختبارات الأولى، وتلك التي تجتاز الاختبار (وهذه هي الغالبية العظمى) يتم قطعها من الركيزة باستخدام جهاز خاص.
في المرحلة التالية، يتم تجميع المعالج في الركيزة (في الصورة - معالج Intel Core i5، يتكون من وحدة المعالجة المركزية وشريحة رسومات عالية الدقة).
ترتبط الركيزة والكريستال وغطاء توزيع الحرارة معًا - وهذا هو المنتج الذي سنعنيه عندما نقول كلمة "المعالج". تعمل الركيزة الخضراء على إنشاء واجهة كهربائية وميكانيكية (يتم استخدام الذهب لتوصيل شريحة السيليكون بالعلبة كهربائيًا)، مما يجعل من الممكن تثبيت المعالج في مقبس اللوحة الأم - في الواقع، هذه مجرد منصة يتم من خلالها جهات الاتصال يتم توجيه الشريحة الصغيرة. غطاء توزيع الحرارة عبارة عن واجهة حرارية تعمل على تبريد المعالج أثناء التشغيل - وسيتم توصيل نظام التبريد بهذا الغطاء، سواء كان مبردًا مبردًا أو كتلة مياه صحية.
تخيل الآن أن شركة تعلن مثلاً عن 20 معالجًا جديدًا. إنها كلها مختلفة - عدد النوى، وأحجام ذاكرة التخزين المؤقت، والتقنيات المدعومة... يستخدم كل طراز معالج عددًا معينًا من الترانزستورات (يعد بالملايين وحتى المليارات)، ومبدأه الخاص في توصيل العناصر... وكل هذا يجب أن يكون مصممة ومبتكرة/آلية - قوالب، عدسات، طباعة حجرية، مئات من المعلمات لكل عملية، اختبار... وكل هذا يجب أن يعمل على مدار الساعة، في العديد من المصانع في وقت واحد... ونتيجة لذلك، يجب أن تظهر الأجهزة التي لا تحتوي على مجال للخطأ في التشغيل.. وتكلفة هذه التحف التكنولوجية يجب أن تكون في حدود الحشمة..
كيف يتم تصنيع المعالجات الدقيقة؟
هل سبق لك أن زرت قلب صناعة أشباه الموصلات - مصنع الرقائق؟ كل هيكل من هذا القبيل هو إبداع يمكن أن يثير إعجاب أي شخص، حتى شخص غير مطلع على عمليات الإنتاج.
كان لدى أولئك الذين زاروا هناك شعور بأنهم يقومون برحلة رائعة إلى عش النمل المستقبلي من الروبوتات أو داخل الدائرة الدقيقة نفسها. هناك، في غرفة معقمة بحجم ثلاثة ملاعب كرة قدم، تنطلق الروبوتات وعشرات المتخصصين الذين يرتدون بدلات فضائية وخوذات واقية. وآلات عالية الدقة لإنتاج الرقائق الدقيقة «تطفو» على منصات خاصة، مضاءة بضوء أصفر برتقالي...
مراحل إنتاج الرقائق والطباعة الحجرية الضوئية
تصنع الدوائر المتكاملة على سطح السيليكون أحادي البلورة (يستخدم السيليكون (Si) لأنه أنسب أشباه الموصلات لهذه الأغراض. وبدورها فإن أشباه الموصلات هي فئة من المواد التي تقع موصليتها الكهربائية بين موصلية الموصلات (المعادن بشكل رئيسي) ) والعوازل (العوازل). يمكن أن يعمل السيليكون أيضًا كعازل وموصل - اعتمادًا على كمية ونوع الشوائب الموجودة في العناصر الكيميائية الأخرى، ومع ذلك، تُستخدم هذه الميزة على نطاق واسع في إنتاج الدوائر الدقيقة في حالات نادرة، يتم أيضًا استخدام مواد أخرى بدلاً من السيليكون. وعلى وجه الخصوص، تستطيع إنتل إدخال ترانزستورات ثنائية القطب غير متجانسة (HBT) على السيليكون والجرمانيوم (SiGe) في تقنية المعالجة بطول 90 نانومتر عن طريق إنشاء طبقات مختلفة بشكل تسلسلي على طبقة رقيقة. أقل من ملليمتر) مستديرة (يصل قطرها إلى 30 سم) رقاقة سيليكون تسمى الركيزة [يتم قطع الرقائق الرقيقة من سبيكة أسطوانية طويلة ثقيلة من السيليكون أحادي البلورة، والتي يتم زراعتها باستخدام طريقة دقيقة خاصة. ثم يتم صقل الألواح حتى تصبح مرآة باستخدام الطرق الميكانيكية والكيميائية. يجب أن يكون سطح "العمل" (أي السطح الذي يتم إنشاء الدائرة الدقيقة عليه بشكل أكبر) للوحة سلسًا ومثاليًا على المستوى الذري وأن يكون له اتجاه بلوري دقيق للغاية (على غرار الجوانب المختلفة للماس عند القطع، بل أكمل)]. يتم تشكيل الطبقات من خلال عمليات مختلفة باستخدام المواد الكيميائية والغازات والضوء. يعد إنتاج المعالجات الدقيقة الحديثة عملية معقدة تتكون من أكثر من ثلاثمائة خطوة - أكثر من عشرين طبقة متصلة "بشكل مزخرف" ببعضها البعض لتشكيل دائرة معالج دقيق ذات هيكل ثلاثي الأبعاد. يعتمد العدد الدقيق للطبقات الموجودة على الركيزة (الرقاقة) على مشروع التصميم الخاص بمعالج معين. يتم إنشاء المئات من المعالجات الدقيقة المتطابقة على ركيزة سيليكون واحدة ويتم تقطيعها في المرحلة النهائية إلى بلورات فردية مستطيلة - رقائق.
إن عمليات تشكيل طبقات وأنماط مختلفة من عناصر الدوائر الدقيقة على الركيزة معقدة للغاية (في الواقع، هذا مجال علمي كامل)، ولكنها تعتمد على فكرة واحدة بسيطة: نظرًا لأن الأبعاد المميزة للنمط الذي تم إنشاؤه صغيرة جدًا (على سبيل المثال، خلية ذاكرة التخزين المؤقت للمعالج على نواة بريسكوت 90 نانومتر أصغر بمائة مرة من خلية الدم الحمراء (كريات الدم الحمراء)، وأحد ترانزستوراتها بحجم فيروس الأنفلونزا)، مما يجعل من المستحيل ببساطة وضع مواد معينة في الأماكن الصحيحة، يتم ذلك بشكل أسهل - يتم ترسيب المادة مباشرة على كامل سطح الركيزة، ثم تتم إزالتها بعناية من الأماكن التي لا تكون هناك حاجة إليها. ويتم تحقيق ذلك من خلال عملية الطباعة الحجرية الضوئية.
ح 
ما هي "الغرفة النظيفة" ولماذا يتم استخدامها في مصانع أشباه الموصلات؟
يجب أن يتم إنتاج رقائق الرقائق في ظروف جوية محكمة ونظيفة للغاية. نظرًا لأن العناصر الوظيفية (الترانزستورات والموصلات) الموجودة على الرقائق الدقيقة صغيرة جدًا، فإن أي جسيم غريب (غبار أو دخان أو رقائق جلدية) يصل إلى رقاقة تحتوي على دوائر دقيقة مستقبلية في المراحل المتوسطة من إنتاجها يمكن أن يؤدي إلى إتلاف البلورة بأكملها. يتم تصنيف الغرف النظيفة حسب حجم وعدد الجسيمات الدقيقة الموجودة لكل وحدة حجم (قدم مكعب، حوالي واحد على ثلاثين من المتر المكعب) من الهواء. على سبيل المثال، غرف الفئة 1 المستخدمة في التصنيع الحديث هي أنظف بحوالي ألف مرة من غرفة العمليات الجراحية. تتحكم الغرفة النظيفة في نقاء الهواء عن طريق تصفية الهواء الوارد، وإزالة الأوساخ من المنشآت، وتحريك الهواء بشكل صفائحي من السقف إلى الأرض (في حوالي ست ثوانٍ)، وضبط الرطوبة ودرجة الحرارة. يرتدي الأشخاص في "الغرف النظيفة" بدلات فضائية خاصة تغطي، من بين أشياء أخرى، شعرهم بالكامل (وفي بعض الحالات، حتى نظام التنفس الخاص بهم). للتخلص من الاهتزازات، يتم وضع الغرف النظيفة على أساس مقاوم للاهتزازات.
الطباعة الضوئية هي الأساس الذي لا يتزعزع لإنتاج الدوائر الدقيقة، وفي المستقبل المنظور، من غير المرجح أن يكون هناك بديل يستحق ذلك. ولذلك، فمن المنطقي أن ننظر في الأمر بمزيد من التفصيل. على سبيل المثال، نحتاج إلى إنشاء نمط في طبقة من بعض المواد - ثاني أكسيد السيليكون أو المعدن (هذه هي العمليات الأكثر شيوعا في الإنتاج الحديث). بادئ ذي بدء، يتم إنشاء طبقة رقيقة (عادة أرق من ميكرون واحد) ومستمرة، دون عيوب، طبقة من المادة المرغوبة على الركيزة بطريقة أو بأخرى. بعد ذلك، يتم إجراء الطباعة الضوئية عليها. للقيام بذلك، يتم أولاً وضع طبقة رقيقة من مادة حساسة للضوء تسمى مقاوم الضوء على سطح الرقاقة (يتم تطبيق مقاوم الضوء من الطور السائل، ويتم توزيعه بالتساوي على سطح الرقاقة عن طريق التدوير في جهاز طرد مركزي وتجفيفه حتى يصلب). ثم يتم وضع الرقاقة المزودة بمقاوم الضوء في تركيب دقيق، حيث يتم تشعيع المناطق المطلوبة من السطح بالأشعة فوق البنفسجية من خلال ثقوب شفافة في القناع الضوئي (يُسمى أيضًا القناع الضوئي). يحتوي القناع على نمط مطابق (مطبق على سطح الرقاقة)، والذي تم تطويره لكل طبقة أثناء عملية تصميم الرقاقة. تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية، تغير المناطق المشععة من مقاوم الضوء خصائصها بحيث يصبح من الممكن إزالتها بشكل انتقائي باستخدام كواشف كيميائية معينة (هناك مقاومات ضوئية سلبية وإيجابية. "يصبح المرء أقوى" عندما يتعرض للإشعاع، وبالتالي فإن مناطقه غير المشععة تكون تتم إزالتها، بينما الآخر، على العكس من ذلك، يفقد مقاومته الكيميائية، وبالتالي تتم إزالة مناطقه المشععة، وبناء على ذلك يتم التمييز بين الليثوغرافيا الضوئية الإيجابية والسلبية). بعد إزالة مقاوم الضوء، تبقى فقط تلك المناطق من سطح الرقاقة مفتوحة والتي يجب إجراء العملية المطلوبة عليها - على سبيل المثال، إزالة طبقة من العازل الكهربائي أو المعدن. تمت إزالتها بنجاح (يسمى هذا الإجراء النقش - الكيميائي أو الكيميائي البلازمي)، وبعد ذلك يمكن إزالة بقايا مقاوم الضوء أخيرًا من سطح الرقاقة، وكشف النمط المتكون في طبقة المادة المطلوبة لمزيد من الإجراءات تم الانتهاء من الطباعة الضوئية.
ص 
في إنتاج المعالجات الدقيقة الحديثة، من الضروري إجراء عمليات الطباعة الحجرية الضوئية حتى 20-25 مرة - في كل مرة على طبقة جديدة. في المجموع يستغرق عدة أسابيع! في بعض الحالات، تكون هذه طبقات من المواد العازلة التي تعمل كبوابة عازلة للترانزستورات أو طبقات التخميل (العازلة) بين الترانزستورات والموصلات. في حالات أخرى، يكون هذا هو تشكيل بوابات البولي سيليكون الموصلة للترانزستورات والموصلات المعدنية التي تربط الترانزستورات (من أجل البساطة، يتم أحيانًا دمج بعض العمليات - على سبيل المثال، يتم تصنيع ما يسمى بالبوابات ذاتية المحاذاة على أساس نفس الطباعة الحجرية الضوئية من خلال تشكيل نمط من بوابة عازلة وبوابة رقيقة من البولي سيليكون في نفس الوقت). ثالثًا، هذا هو تكوين مناطق مخدرة بشكل انتقائي (مصارف ومصادر الترانزستورات بشكل أساسي)، وتطعيم مناطق سطح رقاقة السيليكون أحادية البلورة مع ذرات متأينة من عناصر كيميائية مختلفة (من أجل إنشاء n- أو p- نوع مناطق أشباه الموصلات في السيليكون) لا يتم من خلال النوافذ في مقاوم الضوء (وهو غير مستقر للغاية بالنسبة لهذا)، ولكن من خلال النمط في طبقة سميكة بما فيه الكفاية من العازل المطبق (على سبيل المثال، نفس أكسيد السيليكون). وبعد ذلك تتم إزالة العازل مع مقاوم الضوء.
في بعض الأحيان يتم استخدام طريقة مثيرة للاهتمام مثل الطباعة الحجرية الضوئية المتفجرة. وهذا يعني أنه يتم أولاً تشكيل نمط (يتم حفر النوافذ في الطبقة المقاومة للضوء أو الطبقة العازلة المؤقتة)، ثم يتم تطبيق طبقة مستمرة من مادة جديدة (على سبيل المثال، المعدن) على سطح الرقاقة، وأخيراً يتم وضع الرقاقة في كاشف يزيل بقايا مقاوم الضوء أو العازل المؤقت. ونتيجة لذلك، يبدو أن الطبقة التي تمت إزالتها "تنفجر" من الداخل، وتأخذ معها قطع المعدن الأخير المطبق عليها، وفي المناطق "المفتوحة" سابقًا (النوافذ) بقي المعدن وشكل النمط الوظيفي نحتاج (الموصلات أو البوابات). وهذا مجرد غيض من فيض يسمى التكنولوجيا الإلكترونية الدقيقة، والتي تقوم على مبدأ الطباعة الحجرية الضوئية.
وبهذه الطريقة، يتم إنشاء هيكل معقد ثلاثي الأبعاد يبلغ سمكه عدة ميكرونات على سطح رقاقة السيليكون، وهي في الواقع دائرة إلكترونية. في الأعلى، يتم تغطية الدائرة بطبقة سميكة (ميكرونات) من العازل الكهربائي، مما يحمي البنية الرقيقة من التأثيرات الخارجية. إنه يفتح فقط النوافذ لمنصات اتصال معدنية مربعة كبيرة الحجم بحجم عشرات الميكرونات، والتي من خلالها يتم إمداد الدائرة بجهد الإمداد والإشارات الكهربائية من الخارج. ومن الأسفل، الأساس الميكانيكي للدائرة الدقيقة عبارة عن رقاقة سيليكون يبلغ سمكها مئات الميكرونات. من الناحية النظرية، يمكن جعل هذه الدائرة رقيقة جدًا (10-30 ميكرون)، وإذا رغبت في ذلك، يمكن حتى "لفها في أنبوب" دون فقدان الوظيفة. وهناك أعمال مماثلة جارية منذ بعض الوقت في اتجاهات معينة، على الرغم من أن بلورات الدوائر الدقيقة التقليدية (الرقائق) لا تزال "غير قابلة للانحناء".
بعد الانتهاء من الإجراءات التكنولوجية، يتم اختبار كل بلورة من البلورات الموجودة على الرقاقة (المزيد حول هذا في المقالة التالية)، ومن ثم يتم تقطيع الرقاقة إلى بلورات فردية (رقائق مستطيلة) باستخدام منشار الماس (قبل التقطيع إلى بلورات، يجب التأكد من سمك يتم تقليل كمية الرقاقة في المعالجات الدقيقة الحديثة بحوالي الثلث عند استخدام التلميع الميكانيكي، وهذا يسمح بوضعها في عبوات أكثر إحكاما، كما يخدم تلميع الجانب الخلفي أيضًا غرض إزالة المواد الغريبة مع تكوين اتصالات كهربائية ولاصقة لاحقًا الركيزة أثناء التعبئة). بعد ذلك، يتم تعبئة كل شريحة في غلافها الخاص، مما يسمح لها بالاتصال بأجهزة أخرى. يعتمد نوع العبوة على نوع الشريحة وكيفية استخدامها. أخيرًا، يتم اختبار جميع الرقائق المعبأة مرة أخرى (يتم رفض الرقائق غير المناسبة، وتخضع الرقائق المناسبة لاختبارات ضغط خاصة في درجات حرارة ورطوبة مختلفة، بالإضافة إلى اختبار التفريغ الكهروستاتيكي)، ويتم فرزها حسب الخصائص والامتثال لمواصفات معينة، ويتم شحنها إلى العميل.
إنتل نسخ التكنولوجيا بالضبط
ش 
بالنسبة لمعظم الشركات المصنعة للرقائق، تختلف المعدات والعمليات المستخدمة في مختبرات البحث والتطوير الخاصة بهم عن تلك المستخدمة في مصانع المنتجات النهائية الخاصة بهم. وعند نقل الإنتاج من الإنتاج التجريبي إلى الإنتاج التسلسلي، غالبًا ما تنشأ تأخيرات خطيرة بسبب حقيقة أن المعدات الجديدة تتطلب تعديلًا كبيرًا وتكييف العمليات التكنولوجية من أجل تحقيق نسبة عالية من إنتاجية المنتج المناسبة التي تم الحصول عليها مسبقًا في المختبرات. ولا يؤدي هذا إلى تأخير الإنتاج الضخم فحسب، بل يؤدي أيضًا إلى تغييرات في مئات من معلمات العملية وحتى المنتجات النهائية. وينطبق الشيء نفسه إذا تم نقل العملية التي تم إنشاؤها في مصنع إلى آخر باستخدام معدات جديدة.
لتجنب التكاليف المحتملة، قدمت شركة Intel، التي لديها بالفعل أكثر من عشرة مصانع لأشباه الموصلات، منذ عدة سنوات تقنية Copy بالضبط، وجوهرها هو أنه عندما يتم نقل تكنولوجيا التصنيع لمنتج معين من المختبر إلى المصنع أو بين مصانع مختلفة، تكرار كامل (تكرار) لكل ما يتعلق بهذه العملية التقنية وصولاً إلى أصغر التفاصيل. ولهذا الغرض، على وجه الخصوص، يشارك مديرو المصانع في تطوير المنتجات. وعند نقل التكنولوجيا، يتم نسخ كل شيء حرفيًا - ليس فقط معلمات الإدخال والإخراج للعمليات (أكثر من 500!) ولكن أيضًا تدفقها ومعداتها وإعداداتها وموردي المواد الخام للعمليات الفنية ونظام خطوط الأنابيب والغرف النظيفة وحتى أساليب تدريب الموظفين.
وقد أثبتت هذه التقنية المبتكرة لنقل التكنولوجيا نجاحها الكبير. واليوم، يسمح هذا النظام للمصانع بالوصول إلى طاقتها الكاملة على الفور تقريبًا بعد بدء التشغيل - في غضون بضعة أسابيع. بالإضافة إلى ذلك، تمنح تقنية Copy Exactly مصانع إحدى الشركات قدرًا أكبر من المرونة: حيث يمكن إكمال الرقاقات التي يتم إنتاجها في مصنع واحد في مصنع آخر دون المساس بالجودة والإنتاجية. وفي حالة وقوع حادث أو إعادة تنظيم أحد المصانع، سوف "يتولى" الآخرون عمله ولن تعاني الشركة عمليا. وتحظى هذه التقنية أيضًا بتقدير المنافسين - مثل AMD وIBM - على الرغم من أنها غير قابلة للتطبيق فيما بينهم حاليًا، نظرًا لأن مسارات التكنولوجيا الخاصة بهم مختلفة بعض الشيء.
مصانع أشباه الموصلات
مع 
تقترب صناعة الرقائق الآن من نهاية إحدى تلك الثورات التي تغير وجه الصناعة مرة كل عقد. ينتقل المصنعون من الرقائق التي يبلغ قطرها 200 مم إلى الرقائق التي يبلغ قطرها 300 مم (انظر الصورة على اليمين)، ونتيجة لذلك يصبح من الممكن تقليل تكلفة إنتاج الدوائر الدقيقة بشكل كبير، ومعها جميع أشباه الموصلات الإلكترونية منتجات. والحقيقة هي أن الركيزة التي يبلغ قطرها 300 ملم توفر زيادة بنسبة 225٪ في مساحة رقاقة السيليكون وزيادة بنسبة 240٪ في العائد المفيد للرقائق من كل ركيزة. بالإضافة إلى ذلك، تم تحسين الخصائص البيئية للإنتاج بشكل كبير، الأمر الذي يتطلب استهلاكًا أقل للمواد الكيميائية والطاقة لكل معالج، ويخلق نفايات أقل. بالمقارنة مع المصنع الذي يعمل على رقائق 200 ملم، فإن المصنع الجديد يصدر مركبات عضوية متطايرة أقل بنسبة 48%، ويستخدم مياه أقل نقاء بنسبة 42%، ويستخدم طاقة أقل بنسبة 40% تقريبًا، وفقًا لشركة إنتل. يتم تخفيض تكاليف العمالة بنسبة 50٪.
ومصانع «300 ملم» الحديثة هي منشآت صناعية عملاقة تبلغ قيمتها نحو 2 مليار دولار وتبلغ مساحتها أكثر من مئات الآلاف من الأمتار المربعة. فقط عدد قليل من شركات الرقائق اليوم (انظر الشريط الجانبي في الصفحة 34 للتعرف على أفضل 20 شركة) يمكنها تحمل تكاليف الاستثمار في مثل هذه الشركات المصنعة الباهظة الثمن. ففي نهاية المطاف، لبناء مثل هذه المشاريع وتشغيلها، من الضروري تحقيق مبيعات سنوية لا تقل عن 6 مليار دولار لكل مصنع. تسمى هذه المصانع عادة "مسبك" - إحدى ترجمات هذا المصطلح إلى اللغة الروسية تعني "مسبك". يجسد الاسم النطاق الصناعي الضخم: تصبح عملية المجوهرات لتصنيع عناصر المعالجات الدقيقة عالية التقنية تيارًا صناعيًا لا يمكن مقارنته إلا بحجم إنتاج ورش العمل المعدنية الضخمة. في عام 2000، عندما كانت مبيعات الرقائق مزدهرة، كانت مبيعات عشر شركات فقط في العالم تتجاوز 6 مليارات دولار. من بين "الحرس القديم"، تمتلك شركات Intel وIBM وInfineon وAMD وTexas Instruments وSamsung فقط مصانعها العاملة لإنتاج الرقائق على ركائز 300 مم. ويتم إنشاء شركات أخرى وإدارتها بشكل مشترك من خلال مجموعات من الشركات - على سبيل المثال، موتورولا - فيليبس - إس تي ميكروإلكترونيكس - تايوان لأشباه الموصلات. إن الشركة الرائدة بلا شك في خطط بناء مصانع جديدة هي تايوان. بالفعل في عام 2001، أنتجت الجزيرة خمس إجمالي إنتاج الركيزة في العالم، وبحلول عام 2010 يمكن أن تصل هذه الحصة إلى 40٪. وتأتي الصين وماليزيا وسنغافورة في أعقاب تايوان، إذ تخطط لبناء 15 مصنعاً، خمسة منها ستعمل على تصنيع الرقائق بقطر 300 ملم.
ش 
تمتلك شركة إنتل بالفعل أربعة مصانع من هذا النوع على نطاق صناعي: F11X في ريو رانشو (نيو مكسيكو)، واثنان - D1C وD1D - في هيلزبورو (أوريجون)، ومصنع Fab 24 الذي تم تشغيله مؤخرًا في مدينة ليكسليب الأيرلندية. جميعها يمكنها إنتاج معالجات باستخدام تقنية 90 نانومتر؛ أما المصنع الخامس، وهو Fab 12 في تشاندلر (أريزونا) لتكنولوجيا معالجة 65 نانومتر، فسيتم نقله إلى رقائق 300 ملم بحلول عام 2005. وعلى سبيل المثال، تخطط AMD لتشغيل أول مصنع Fab 36 مقاس 300 مم في العام المقبل فقط، راجع المراجعة على www.terralab.ru/system/33692. ويعتقد الخبراء أن المصانع الحالية التي تستخدم ركائز 200 ملم ستكون قادرة على البقاء واقفة على قدميها حتى عام 2005، وبعد ذلك لن تكون قادرة على تحمل المنافسة السعرية مع عملية 300 ملم. بحلول عام 2005، سيتم تصنيع الرقائق باستخدام تقنية 65 نانومتر، وسيتم دمج مليار ترانزستور في المعالجات الدقيقة! ستصبح الرقائق صغيرة جدًا لدرجة أنها ستسمح بدمج الهواتف المحمولة ذات الاتصال الصوتي في قلم.
لماذا تعتبر مصانع الرقائق باهظة الثمن (تصل إلى 5 مليارات دولار)؟ تؤدي الشركات المصنعة لأشباه الموصلات المهام الأكثر تعقيدًا من أي شركة تصنيع أخرى في العالم. إنهم يستخدمون فقط المواد المتخصصة، والمسامير، والعناصر الهيكلية، والمعدات، وما إلى ذلك. بالإضافة إلى ذلك، فإن مصانع إنتل، على سبيل المثال، يبلغ حجمها تقريبًا ضعف متوسط حجم المصانع المماثلة في العالم. تبلغ تكلفة المبنى نفسه حوالي 25٪ من التكلفة الإجمالية للمصنع، ويظل لمدة عشر سنوات أخرى بعد البناء هيكلًا مناسبًا لحل أحدث المشكلات. وتكلف المعدات (تركيبات الطباعة الحجرية الضوئية، وترسيب الطور الغازي، وزرع الأيونات) والآلات الموجودة على الأرض نسبة 75% المتبقية.
يتم أخذ قياسات إضافية للتأكد من مقاومة الاهتزاز للأساسات والمنشآت. وحتى لو كان المصنع خارجياً مبنى واحداً، فهو في الحقيقة عبارة عن عدة مباني تفصل بينها مسافات كبيرة (تصل إلى 10 سم)، ولكل مبنى أساسه الخاص. ويساعد ذلك على تخفيف الاهتزازات المختلفة - سواء من المصادر الخارجية (المركبات والقطارات) أو الاهتزازات الخاصة بالمعدات.
