Opintojakso: Mikroprosessorituotannon vaiheet. Kuinka mikroprosessorit valmistetaan Nykyaikaiset tekniikat prosessorien luomiseen
Kuinka sirut syntyvät
Sirun valmistuksessa kerrostetaan ohuita kerroksia, joissa on monimutkaisia "kuvioita" piisubstraateille. Ensin luodaan eristävä kerros, joka toimii sähköporttina. Mitä tulee substraattien valmistukseen, ne on leikattava yhdestä sylinterimäisestä monokiteestä ohuiksi "pannukakkuiksi", jotta ne voidaan sitten helposti leikata yksittäisiksi prosessorisiruiksi. Jokaisen alustalla olevan sirun testaamiseen käytetään sähköantureita. Lopuksi substraatti leikataan yksittäisiksi ytimiksi, ja toimimattomat ytimet poistetaan välittömästi. Ominaisuuksista riippuen ytimestä tulee yksi tai toinen prosessori ja se pakataan pakkaukseen, joka helpottaa prosessorin asentamista emolevylle. Kaikille toiminnallisille yksiköille tehdään intensiiviset stressitestit.
Kaikki alkaa substraateista
Ensimmäinen vaihe prosessorien valmistuksessa tehdään puhdastilassa. Muuten on tärkeää huomata, että tällainen korkean teknologian tuotanto edustaa valtavan pääoman kertymistä neliömetriä kohti. Nykyaikaisen laitoksen rakentaminen kaikkine laitteineen maksaa helposti 2-3 miljardia dollaria, ja uusien teknologioiden koeajot vaativat useita kuukausia. Vasta sitten tehdas voi massa tuottaa prosessoreita.
Yleensä sirun valmistusprosessi koostuu useista kiekkojen käsittelyvaiheista. Tämä sisältää itse substraattien luomisen, jotka lopulta leikataan yksittäisiksi kiteiksi Figurnov, V.E. IBM PC käyttäjälle.-M., 2004. - P.204.
Substraatin tuotanto
Ensimmäinen vaihe on yksittäiskiteen kasvattaminen. Tätä varten siemenkide upotetaan sulan piin kylpyyn, joka sijaitsee juuri monikiteisen piin sulamispisteen yläpuolella. On tärkeää, että kiteet kasvavat hitaasti (noin päivä), jotta varmistetaan, että atomit ovat järjestetty oikein. Monikiteinen tai amorfinen pii koostuu monista erilaisista kiteistä, mikä johtaa ei-toivottujen pintarakenteiden ilmaantumista, joilla on huonot sähköiset ominaisuudet.
Kun pii on sulanut, se voidaan seostaa muilla aineilla, jotka muuttavat sen sähköisiä ominaisuuksia. Koko prosessi tapahtuu suljetussa huoneessa, jossa on erityinen ilmakoostumus, jotta pii ei hapetu.
Yksikiteinen kide leikataan "pannukakkuiksi" erittäin tarkalla pyöreällä timanttisahalla, joka ei aiheuta suuria epäsäännöllisyyksiä alustan pintaan. Substraattien pinta ei tietenkään ole vielä täysin tasainen, joten lisätoimenpiteitä tarvitaan. Yksittäiset kiteet on esitetty kuvassa 1.
Kuva 1. Yksittäisen kiteen ulkonäkö.
Ensin käyttämällä pyöriviä teräslevyjä ja hankaavaa materiaalia (kuten alumiinioksidia) substraateilta poistetaan paksu kerros (prosessia kutsutaan läppäyksellä). Tämän seurauksena epäsäännöllisyydet, joiden koko vaihtelee välillä 0,05 mm - noin 0,002 mm (2 000 nm), eliminoidaan. Sitten sinun tulee pyöristää jokaisen taustan reunat, koska terävät reunat voivat aiheuttaa kerrosten irtoamista. Seuraavaksi käytetään etsausprosessia, jossa erilaisia kemikaaleja (fluorivetyhappo, etikkahappo, typpihappo) käytettäessä pinta tasoitetaan noin 50 mikronia. Pinta ei fysikaalisesti hajoa, koska koko prosessi on täysin kemiallinen. Sen avulla voit poistaa jäljellä olevat virheet kiderakenteessa, jolloin saadaan pinta, joka on lähellä ihannetta.
Viimeinen vaihe on kiillotus, joka tasoittaa pinnan maksimikarheudeksi 3 nm. Kiillotus suoritetaan käyttämällä natriumhydroksidin ja rakeisen piidioksidin seosta.
Nykyään mikroprosessorikiekot ovat halkaisijaltaan 200 mm tai 300 mm, joten sirujen valmistajat voivat tuottaa useita prosessoreita kustakin. Seuraava askel on 450 mm:n alustat, mutta meidän ei pitäisi odottaa niitä ennen vuotta 2013. Yleensä mitä suurempi alustan halkaisija on, sitä enemmän samankokoisia lastuja voidaan valmistaa. Esimerkiksi 300 mm:n kiekko tuottaa yli kaksi kertaa enemmän prosessoreita kuin 200 mm:n kiekko.
Doping ja diffuusio
Doping, joka suoritetaan yksittäisen kiteen kasvun aikana, on jo mainittu. Mutta seostus tehdään sekä valmiilla alustalla että myöhemmin fotolitografiaprosessien aikana. Tämän avulla voit muuttaa tiettyjen alueiden ja kerrosten sähköisiä ominaisuuksia, ei koko kiteen rakennetta.
Seostusaineen lisääminen voi tapahtua diffuusion kautta. Seostusaineen atomit täyttävät vapaan tilan kidehilan sisällä, piirakenteiden välissä. Joissakin tapauksissa on mahdollista seostaa olemassa oleva rakenne. Diffuusio suoritetaan käyttämällä kaasuja (typpi ja argon) tai käyttämällä kiinteitä aineita tai muita seosaineen lähteitä Hasegawa, H. - World of Computers in Questions and Answers - M., 2004 - P.89..
Maskin luominen
Integroidun piirin osien luomiseen käytetään fotolitografiaprosessia. Koska substraatin koko pintaa ei tarvitse säteilyttää, on tärkeää käyttää ns. maskeja, jotka välittävät voimakasta säteilyä vain tietyille alueille. Maskeja voidaan verrata mustavalkoisiin negatiivisiin. Integroiduissa piireissä on useita kerroksia (20 tai enemmän), ja jokainen niistä vaatii oman maskin.
Ohut kromikalvorakenne levitetään kvartsilasilevyn pinnalle kuvion luomiseksi. Tässä prosessissa kalliit elektronivirtaa tai laseria käyttävät instrumentit kirjoittavat tarvittavat integroidut piiritiedot, mikä johtaa kromikuvioon kvartsisubstraatin pinnalle. On tärkeää ymmärtää, että jokainen integroidun piirin muutos johtaa tarpeeseen tuottaa uusia maskeja, joten koko muutosprosessi on erittäin kallista.
Fotolitografia
Fotolitografiaa käyttämällä rakenne muodostetaan piisubstraatille. Prosessi toistetaan useita kertoja, kunnes syntyy useita kerroksia (yli 20). Kerrokset voivat koostua erilaisista materiaaleista, ja sinun on myös mietittävä liitännät mikroskooppisilla johtoilla. Kaikki kerrokset voidaan seostaa Puu, A. Mikroprosessorit kysymyksissä ja vastauksissa - M., 2005.-S.87.
Ennen fotolitografiaprosessin aloittamista alusta puhdistetaan ja kuumennetaan tahmeiden hiukkasten ja veden poistamiseksi. Substraatti päällystetään sitten piidioksidilla erityisellä laitteella. Seuraavaksi substraatille levitetään kytkentäainetta, joka varmistaa, että seuraavassa vaiheessa levitettävä fotoresistimateriaali pysyy alustalla. Fotoresistimateriaalia levitetään alustan keskelle, joka sitten alkaa pyöriä suurella nopeudella niin, että kerros jakautuu tasaisesti koko alustan pinnalle. Sitten alustaa lämmitetään uudelleen. Fotolitografian toimintaperiaate on esitetty kuvassa 2.
Kuva 2. Fotolitografian toimintaperiaate
Sitten maskin läpi kansi säteilytetään kvanttilaserilla, kovalla ultraviolettisäteilyllä, röntgensäteillä, elektroni- tai ionisäteillä - kaikkia näitä valo- tai energialähteitä voidaan käyttää. Elektronisäteitä käytetään pääasiassa maskien valmistukseen, röntgensäteitä ja ionisäteitä tutkimustarkoituksiin, ja teollista tuotantoa hallitsevat nykyään kova UV-säteily ja kaasulaserit.
Kova UV-säteily, jonka aallonpituus on 13,5 nm, säteilyttää fotoresistimateriaalia sen kulkiessa maskin läpi. Projisointiaika ja keskittyminen ovat erittäin tärkeitä halutun tuloksen saavuttamiseksi. Huono tarkennus johtaa siihen, että fotoresistimateriaalia jää jäljelle liikaa, koska jotkin maskin reiät eivät säteilyty kunnolla. Sama tapahtuu, jos projisointiaika on liian lyhyt. Silloin fotoresistimateriaalin rakenne on liian leveä, reikien alla olevat alueet alivalottuvat. Toisaalta liiallinen projisointiaika luo liian suuria alueita reikien alle ja liian kapeaa fotoresistimateriaalia. Yleensä se on erittäin työvoimavaltaista ja vaikeaa säätää ja optimoida prosessia. Epäonnistunut säätö johtaa vakaviin poikkeamiin liitäntäjohtimissa Maiorov, S.I. Tietoliiketoiminta: kaupallinen jakelu ja markkinointi - M., 2007. -S.147..Erityinen vaiheittainen projektioasennus siirtää alustan haluttuun asentoon. Sitten voidaan projisoida viiva tai yksi osa, joka useimmiten vastaa yhtä prosessorisirua. Lisämikroasennukset voivat tehdä muita muutoksia. He voivat korjata olemassa olevan teknologian virheitä ja optimoida teknisen prosessin Kukin, V.N. Informatiikka: organisointi ja hallinta.-M., 2005.-S.78.. Mikroasennukset toimivat yleensä alle 1 neliön alueilla. mm, kun taas perinteiset asennukset kattavat suurempia alueita.
On olemassa märkä- ja kuivaetsausprosesseja, jotka käsittelevät piidioksidialueita. Märkäprosesseissa käytetään kemiallisia yhdisteitä, kun taas kuivissa prosesseissa käytetään kaasua. Erillinen prosessi sisältää fotoresistijäännösmateriaalin poistamisen. Valmistajat yhdistävät usein märkä- ja kuivapoiston varmistaakseen, että fotoresistimateriaali poistetaan kokonaan. Tämä on tärkeää, koska fotoresistimateriaali on orgaanista ja jos sitä ei poisteta, se voi aiheuttaa vikoja alustassa.
Syövytyksen ja puhdistuksen jälkeen voit aloittaa alustan tarkastamisen, mikä yleensä tapahtuu jokaisessa tärkeässä vaiheessa, tai siirtää alustan uuteen fotolitografiasykliin. Substraattitesti on esitetty kuvassa 3.
Kuva 3. Substraattitesti
Valmiit alustat testataan niin sanotuissa koetintestausasennuksissa. Ne toimivat koko alustan kanssa. Jokaisen kiteen koskettimiin kiinnitetään anturin koskettimet, mikä mahdollistaa sähköisten testien suorittamisen. Ohjelmisto testaa jokaisen ytimen kaikki toiminnot. Alustan leikkaus on esitetty kuvassa 4.
Kuva 4. Alustan leikkaaminen
Leikkaamalla substraatista voidaan saada yksittäisiä ytimiä. Tällä hetkellä anturin ohjauslaitteistot ovat jo tunnistaneet mitkä kiteet sisältävät virheitä, joten leikkauksen jälkeen ne voidaan erottaa hyvistä. Aiemmin vaurioituneet kiteet oli merkitty fyysisesti, nyt siihen ei ole tarvetta, kaikki tiedot on tallennettu yhteen tietokantaan Semenenko, V. A., Stupin. Yu V. Käsikirja elektronisesta tietokonetekniikasta - M., 2006. - P.45..
Toiminnallinen ydin on sitten liitettävä prosessoripakkaukseen liimamateriaalilla. Tämän jälkeen sinun on tehtävä johdot, jotka yhdistävät pakkauksen koskettimet tai jalat ja itse kristalli (kuva 5). Kulta-, alumiini- tai kupariliitoksia voidaan käyttää.
Useimmat nykyaikaiset prosessorit käyttävät muovipakkauksia lämmönlevittimellä. Tyypillisesti ydin on koteloitu keraamiseen tai muoviin vaurioiden estämiseksi. Nykyaikaiset prosessorit on varustettu ns. lämmönlevittimellä, joka tarjoaa lisäsuojaa sirulle (kuva 6).
Kuva 5. Alustan johtoliitäntä
Viimeinen vaihe sisältää prosessorin testauksen, joka tapahtuu korotetuissa lämpötiloissa prosessorin määritysten mukaisesti. Prosessori asennetaan automaattisesti testipistorasiaan, minkä jälkeen kaikki tarvittavat toiminnot analysoidaan.
Kuva 6. Prosessorin pakkaus
Miten mikropiirit valmistetaan?
Ymmärtääksesi, mikä tärkein ero näiden kahden tekniikan välillä on, on tarpeen tehdä lyhyt retki nykyaikaisten prosessorien tai integroitujen piirien tuotantotekniikkaan.
Kuten koulun fysiikan kurssista tiedät, modernissa elektroniikassa integroitujen piirien pääkomponentit ovat p- ja n-tyypin puolijohteet (johtavuuden tyypistä riippuen). Puolijohde on aine, jonka johtavuus on parempi kuin dielektrikot, mutta huonompi kuin metallit. Molempien puolijohteiden perustana voi olla pii (Si), joka puhtaassa muodossaan (ns. sisäinen puolijohde) johtaa huonosti sähkövirtaa, mutta tietyn epäpuhtauden lisääminen piihin voi muuttaa sen johtavia ominaisuuksia radikaalisti. . On olemassa kahdenlaisia epäpuhtauksia: luovuttaja ja vastaanottaja. Luovuttajaepäpuhtaus johtaa n-tyypin puolijohteiden muodostumiseen, joilla on elektroninen johtavuus, ja akseptoriepäpuhtaus johtaa p-tyypin puolijohteiden muodostumiseen, joiden johtavuus on reikätyyppinen. P- ja n-puolijohteiden koskettimet mahdollistavat transistoreiden muodostamisen - nykyaikaisten mikropiirien päärakenneosat. Nämä transistorit, joita kutsutaan CMOS-transistoreiksi, voivat olla kahdessa perustilassa: auki, kun ne johtavat sähköä, ja pois päältä, kun ne eivät johda sähköä. Koska CMOS-transistorit ovat nykyaikaisten mikropiirien pääelementtejä, puhutaanpa niistä tarkemmin.
Kuinka CMOS-transistori toimii?
Yksinkertaisimmassa n-tyypin CMOS-transistorissa on kolme elektrodia: lähde, portti ja nielu. Itse transistori on valmistettu p-tyypin puolijohteesta, jolla on reikäjohtavuus, ja n-tyypin puolijohteita, joilla on elektroninen johtavuus, muodostetaan nielu- ja lähdealueille. Luonnollisesti reikien diffuusio p-alueelta n-alueelle ja elektronien käänteinen diffuusio n-alueelta p-alueelle muodostaa tyhjennyskerroksia (kerroksia, joissa ei ole suuria varauksenkantajia). p- ja n-alueiden siirtymien rajoilla. Normaalitilassaan, eli kun hilaan ei syötetä jännitettä, transistori on "lukitussa" tilassa, eli se ei pysty johtamaan virtaa lähteestä viemäriin. Tilanne ei muutu, vaikka nielun ja lähteen väliin syötettäisiin jännite (emme ota huomioon vuotovirtoja, jotka aiheutuvat liikkeestä vähemmistövarauksenkuljettajien syntyneiden sähkökenttien vaikutuksesta, eli reikiä n-alue ja elektronit p-alueelle).
Kuitenkin, jos positiivinen potentiaali kohdistetaan porttiin (kuva 1), tilanne muuttuu radikaalisti. Portin sähkökentän vaikutuksesta reiät työnnetään syvälle p-puolijohteeseen, ja elektronit päinvastoin vedetään portin alla olevalle alueelle muodostaen elektronirikkaan kanavan lähteen ja viemärin väliin. Jos hilaan kohdistetaan positiivinen jännite, nämä elektronit alkavat liikkua lähteestä viemäriin. Tässä tapauksessa transistori johtaa virtaa, transistorin sanotaan "auki". Jos hilajännite poistetaan, elektronit lakkaavat vetäytymästä lähteen ja nielun väliselle alueelle, johtava kanava tuhoutuu ja transistori lakkaa kulkemasta virtaa, eli se "sammuu". Siten muuttamalla hilajännitettä voit avata tai sulkea transistorin, samalla tavalla kuin voit kytkeä tavallisen vaihtokytkimen päälle tai pois päältä ohjaamalla virran virtausta piirin läpi. Tästä syystä transistoreja kutsutaan joskus elektronisiksi kytkimiksi. Kuitenkin toisin kuin perinteiset mekaaniset kytkimet, CMOS-transistorit ovat käytännössä inertiattomia ja pystyvät kytkeytymään päälle biljoonaa kertaa sekunnissa! Juuri tämä ominaisuus, eli kyky vaihtaa välittömästi, määrää viime kädessä kymmenistä miljoonista tällaisista yksinkertaisista transistoreista koostuvan prosessorin suorituskyvyn.
Joten moderni integroitu piiri koostuu kymmenistä miljoonista yksinkertaisista CMOS-transistoreista. Tarkastellaanpa tarkemmin mikropiirien valmistusprosessia, jonka ensimmäinen vaihe on piisubstraattien valmistus.
Vaihe 1. Aihioiden kasvattaminen
Tällaisten substraattien luominen alkaa sylinterimäisen piikiteen kasvattamisella. Tämän jälkeen nämä yksikiteiset aihiot (aihiot) leikataan pyöreiksi kiekoiksi (kiekot), joiden paksuus on noin 1/40 tuumaa ja halkaisija on 200 mm (8 tuumaa) tai 300 mm (12 tuumaa). Näitä piisubstraatteja käytetään mikropiirien valmistukseen.
Piin yksittäiskiteistä kiekkoja muodostettaessa huomioidaan se, että ihanteellisten kiderakenteiden fysikaaliset ominaisuudet riippuvat suurelta osin valitusta suunnasta (anisotropiaominaisuus). Esimerkiksi piisubstraatin vastus on erilainen pituus- ja poikittaissuunnassa. Samoin kidehilan suunnasta riippuen piikide reagoi eri tavalla kaikkiin sen jatkokäsittelyyn liittyviin ulkoisiin vaikutuksiin (esimerkiksi syövytykseen, sputterointiin jne.). Siksi levy on leikattava yksittäiskiteestä siten, että kidehilan suuntaus suhteessa pintaan säilyy tiukasti tietyssä suunnassa.
Kuten jo todettiin, piiyksikidetyökappaleen halkaisija on joko 200 tai 300 mm. Lisäksi 300 mm:n halkaisija on suhteellisen uusi tekniikka, jota käsittelemme jäljempänä. On selvää, että tämän halkaisijan levyyn mahtuu useampi kuin yksi mikropiiri, vaikka puhummekin Intel Pentium 4 -prosessorista. Yhdelle tällaiselle alustalevylle on todellakin muodostettu useita kymmeniä mikropiirejä (prosessoreita), mutta yksinkertaisuuden vuoksi teemme. harkitse vain yhden tulevan mikroprosessorin pienellä alueella tapahtuvia prosesseja.
Vaihe 2. Suojaava dielektrinen kalvo (SiO2)
Piisubstraatin muodostumisen jälkeen alkaa monimutkaisen puolijohderakenteen luomisvaihe.
Tätä varten piihin on lisättävä niin sanottuja luovuttaja- ja akseptoriepäpuhtauksia. Herää kuitenkin kysymys: kuinka lisätä epäpuhtauksia tarkasti määritellyn kaavan mukaan? Tämän mahdollistamiseksi alueet, joihin ei tarvitse lisätä epäpuhtauksia, suojataan erityisellä piidioksidikalvolla, jolloin vain ne alueet jäävät näkyviin, jotka ovat jatkokäsittelyn kohteena (kuva 2). Prosessi sellaisen suojakalvon muodostamiseksi, jolla on haluttu kuvio, koostuu useista vaiheista.
Ensimmäisessä vaiheessa koko piikiekko peitetään kokonaan ohuella piidioksidikalvolla (SiO2), joka on erittäin hyvä eriste ja toimii suojakalvona piikiteen jatkokäsittelyssä. Kiekot sijoitetaan kammioon, jossa korkeassa lämpötilassa (900 - 1100 °C) ja paineessa happea diffundoituu kiekkojen pintakerroksiin, mikä johtaa piin hapettumiseen ja piidioksidin pintakalvon muodostumiseen. Jotta piidioksidikalvolla olisi tarkasti määritelty paksuus ja siinä ei ole vikoja, on välttämätöntä säilyttää tiukasti vakio lämpötila kiekon kaikissa kohdissa hapetusprosessin aikana. Jos koko kiekkoa ei haluta peittää piidioksidikalvolla, piisubstraatille levitetään ensin Si3N4-naamio ei-toivotun hapettumisen estämiseksi.
Vaihe 3. Fotoresistin levittäminen
Kun piisubstraatti on peitetty piidioksidin suojakalvolla, tämä kalvo on poistettava alueilta, joita käsitellään jatkossa. Kalvo poistetaan syövyttämällä, ja jäljellä olevien alueiden suojaamiseksi etsaukselta levitetään kerros ns. fotoresistiä kiekon pinnalle. Termi "fotoresistit" viittaa yhdisteisiin, jotka ovat valoherkkiä ja kestäviä aggressiivisia tekijöitä vastaan. Käytetyillä koostumuksilla tulee olla toisaalta tietyt valokuvausominaisuudet (ultravioletisen valon vaikutuksesta ne liukenevat ja huuhtoutuvat pois etsausprosessin aikana) ja toisaalta resistiivisiä, jotta ne kestävät syövytystä hapoissa ja emäksissä. , lämmitys jne. Fotoresistien päätarkoitus on luoda halutun kokoonpanon suojaava kohokuvio.
Prosessia, jossa fotoresisti levitetään ja sen edelleen säteilytetään ultraviolettivalolla tietyn kuvion mukaisesti, kutsutaan fotolitografiaksi, ja se sisältää seuraavat perustoiminnot: fotoresistikerroksen muodostus (substraatin käsittely, levitys, kuivaus), suojaavan kohokuvion muodostus (altistus, kehitys , kuivaus) ja kuvan siirto alustalle (etsaus, sputterointi jne.).
Ennen fotoresistikerroksen (kuvio 3) levittämistä alustalle jälkikäsittely esikäsitellään, minkä seurauksena sen tarttuvuus fotoresistikerrokseen paranee. Tasaisen fotoresistikerroksen levittämiseksi käytetään sentrifugointimenetelmää. Substraatti asetetaan pyörivälle kiekolle (sentrifugi), ja keskipakovoimien vaikutuksesta fotoresisti jakautuu substraatin pinnalle lähes yhtenäiseksi kerrokseksi. (Kun puhutaan melkein yhtenäisestä kerroksesta, otamme huomioon sen tosiasian, että keskipakoisvoimien vaikutuksesta tuloksena olevan kalvon paksuus kasvaa keskeltä reunoihin, mutta tämä fotoresistin levitysmenetelmä kestää kerroksen vaihtelut. paksuus ±10 %:n sisällä)
Vaihe 4. Litografia
Fotoresistikerroksen levittämisen ja kuivaamisen jälkeen alkaa tarvittavan suojakehotuksen muodostusvaihe. Reliefi muodostuu siitä syystä, että fotoresistikerroksen tietyille alueille osuvan ultraviolettisäteilyn vaikutuksesta jälkimmäinen muuttaa liukoisuusominaisuuksia, esimerkiksi valaistut alueet lakkaavat liukenemasta liuottimeen, mikä poistaa pinta-alaa. kerros, joka ei ollut alttiina valaistukselle, tai päinvastoin - valaistut alueet liukenevat. Reljefinmuodostusmenetelmän perusteella fotoresistit jaetaan negatiivisiin ja positiivisiin. Ultraviolettisäteilylle altistuneet negatiiviset fotoresistit muodostavat suojaavia alueita. Positiiviset fotoresistit päinvastoin saavat ultraviolettisäteilyn vaikutuksesta juoksevuusominaisuudet ja liuotin huuhtoutuvat pois. Näin ollen suojakerros muodostuu niille alueille, jotka eivät ole alttiina ultraviolettisäteilylle.
Valaisemaan halutut fotoresistikerroksen alueet käytetään erityistä maskimallia. Useimmiten tähän tarkoitukseen käytetään optisia lasilevyjä, joissa on valokuvallisesti tai muuten saatuja läpinäkymättömiä elementtejä. Itse asiassa tällainen malli sisältää piirustuksen yhdestä tulevan mikropiirin kerroksista (tällaisia kerroksia voi olla yhteensä useita satoja). Koska tämä malli on viite, se on tehtävä erittäin tarkasti. Lisäksi, kun otetaan huomioon, että yhdestä valokuvanaamarista valmistetaan useita valokuvalevyjä, sen on oltava kestävä ja vaurioitumaton. Tästä on selvää, että valokuvanaamari on erittäin kallis asia: mikropiirin monimutkaisuudesta riippuen se voi maksaa kymmeniä tuhansia dollareita.
Ultraviolettisäteily, joka kulkee tällaisen mallineen läpi (kuva 4), valaisee vain tarvittavat alueet fotoresistikerroksen pinnasta. Säteilytyksen jälkeen fotoresisti kehittyy, minkä seurauksena kerroksen tarpeettomat alueet poistetaan. Tämä paljastaa vastaavan osan piidioksidikerrosta.
Huolimatta valolitografisen prosessin näennäisestä yksinkertaisuudesta, tämä mikropiirituotannon vaihe on monimutkaisin. Tosiasia on, että Mooren ennusteen mukaisesti transistorien määrä yhdellä sirulla kasvaa eksponentiaalisesti (kaksinkertaistuu joka toinen vuosi). Tällainen transistorien määrän lisääminen on mahdollista vain niiden koon pienenemisen vuoksi, mutta juuri pienentäminen "lepää" litografiaprosessissa. Transistoreiden pienentämiseksi on tarpeen pienentää fotoresistikerrokseen levitettyjen viivojen geometrisiä mittoja. Mutta kaikella on rajansa, lasersäteen tarkentaminen tiettyyn pisteeseen ei ole niin helppoa. Tosiasia on, että aaltooptiikan lakien mukaisesti pisteen vähimmäiskoko, johon lasersäde kohdistetaan (itse asiassa se ei ole vain piste, vaan diffraktiokuvio), määräytyy muiden tekijöiden ohella, valon aallonpituuden mukaan. Litografisen tekniikan kehitys sen keksimisestä 70-luvun alussa on ollut valon aallonpituuden pienentämisen suuntaan. Tämä mahdollisti integroidun piirin elementtien koon pienentämisen. 80-luvun puolivälistä lähtien fotolitografiassa alettiin käyttää laserin tuottamaa ultraviolettisäteilyä. Idea on yksinkertainen: ultraviolettisäteilyn aallonpituus on lyhyempi kuin näkyvän valon aallonpituus, joten fotoresistin pinnalle on mahdollista saada hienompia viivoja. Viime aikoihin asti litografiassa käytettiin syvää ultraviolettisäteilyä (DUV), jonka aallonpituus oli 248 nm. Kun fotolitografia kuitenkin ylitti 200 nm:n, ilmaantui vakavia ongelmia, jotka ensimmäistä kertaa asettivat kyseenalaiseksi tämän tekniikan käytön jatkamisen. Esimerkiksi alle 200 mikronin aallonpituuksilla valoherkkä kerros absorboi liikaa valoa, mikä tekee piirimallin lähettämisestä prosessorille vaikeampaa ja hitaampaa. Tämänkaltaiset ongelmat saavat tutkijat ja valmistajat etsimään vaihtoehtoja perinteiselle litografiateknologialle.
Uusi litografiateknologia, nimeltään EUV-litografia (Extreme UltraViolet ultra-hard ultraviolet radiation), perustuu ultraviolettisäteilyn käyttöön, jonka aallonpituus on 13 nm.
Siirtyminen DUV:sta EUV-litografiaan mahdollistaa yli 10-kertaisen aallonpituuden pienenemisen ja siirtymisen alueelle, jossa se on verrattavissa vain muutaman kymmenen atomin kokoon.
Nykyinen litografiatekniikka mahdollistaa kuvion, jonka langan vähimmäisleveys on 100 nm, kun taas EUV-litografia mahdollistaa paljon pienempien viivojen, jopa 30 nm:n, tulostamisen. Ultralyhyen säteilyn hallinta ei ole niin helppoa kuin miltä näyttää. Koska lasi absorboi EUV-säteilyä hyvin, uudessa tekniikassa käytetään neljän erityisen kuperan peilin sarjaa, jotka pienentävät ja tarkentavat maskin levittämisen jälkeen saatua kuvaa (kuva 5, ,). Jokainen tällainen peili sisältää 80 yksittäistä metallikerrosta, joiden paksuus on noin 12 atomia.
Vaihe 5: Etsaus
Fotoresistikerroksen valottamisen jälkeen etsausvaihe alkaa poistaa piidioksidikalvoa (kuva 8).
Syövytysprosessi liittyy usein happokylpyihin. Tämä happoetsausmenetelmä on hyvin tuttu radioamatöörit, jotka ovat tehneet omat piirilevynsä. Tätä varten kalvopäällysteiselle piirilevylle lakalla levitetään tulevan levyn raitojen kuvio, joka toimii suojakerroksena, ja sitten levy lasketaan typpihappokylpyyn. Kalvon tarpeettomat osat syövytetään pois, jolloin puhtaat piirilevyt tulevat näkyviin. Tällä menetelmällä on useita haittoja, joista tärkein on kyvyttömyys ohjata tarkasti kerroksen poistoprosessia, koska liian monet tekijät vaikuttavat syövytysprosessiin: happopitoisuus, lämpötila, konvektio jne. Lisäksi happo on vuorovaikutuksessa materiaalin kanssa kaikkiin suuntiin ja tunkeutuu vähitellen fotoresistimaskin reunan alle, eli se tuhoaa fotoresistillä peitetyt kerrokset sivulta. Siksi prosessorien valmistuksessa käytetään kuivaetsausmenetelmää, jota kutsutaan myös plasmaksi. Tämä menetelmä mahdollistaa etsausprosessin tarkan hallinnan, ja syövytetyn kerroksen tuhoutuminen tapahtuu tiukasti pystysuunnassa.
Kuivaetsaus käyttää ionisoitua kaasua (plasmaa) poistamaan kiekon pinnalta piidioksidia, joka reagoi piidioksidipinnan kanssa tuottaen haihtuvia sivutuotteita.
Etsaustoimenpiteen jälkeen, eli kun halutut puhtaan piin alueet paljastetaan, jäljelle jäänyt osa valokerroksesta poistetaan. Siten piisubstraatille jää piidioksidin muodostama kuvio.
Vaihe 6. Diffuusio (ioni-istutus)
Muistetaan, että edeltävä prosessi tarvittavan kuvion muodostamiseksi piisubstraatille vaadittiin puolijohderakenteiden luomiseksi oikeisiin paikkoihin lisäämällä luovuttaja- tai akseptoriepäpuhtautta. Prosessi epäpuhtauksien lisäämiseksi suoritetaan diffuusion (kuvio 9) avulla epäpuhtausatomien tasaisella lisäämisellä piikidehilaan. N-tyypin puolijohteen saamiseksi käytetään yleensä antimonia, arseenia tai fosforia. P-tyypin puolijohteen saamiseksi käytetään epäpuhtauksina booria, galliumia tai alumiinia.
Ioni-istutusta käytetään seostusaineen diffuusioprosessissa. Implantaatioprosessi koostuu halutun epäpuhtauden ioneista, jotka "sammutetaan" suurjännitekiihdyttimestä ja riittävällä energialla tunkeutuvat piin pintakerroksiin.
Joten ioni-istutusvaiheen lopussa puolijohderakenteen tarvittava kerros on luotu. Mikroprosessoreissa voi kuitenkin olla useita tällaisia kerroksia. Seuraavan kerroksen luomiseksi tuloksena olevaan piirikuvioon kasvatetaan ylimääräinen ohut kerros piidioksidia. Tämän jälkeen kerrostetaan kerros monikiteistä piitä ja toinen kerros fotoresistiä. Ultraviolettisäteily kulkee toisen maskin läpi ja korostaa vastaavan kuvion valokuvakerroksessa. Sitten taas seuraavat vaiheet: valokerroksen liukeneminen, syövytys ja ioni-istutus.
Vaihe 7. Sputterointi ja kerrostaminen
Uusien kerrosten levitys suoritetaan useita kertoja, kun taas kerrosten välisissä liitoksissa kerroksiin jätetään "ikkunat", jotka on täytetty metalliatomeilla; Tämän seurauksena kiteen päälle muodostuu metalliliuskoja, jotka johtavat alueisiin. Tällä tavalla nykyaikaiset prosessorit muodostavat yhteyksiä kerrosten välille, jotka muodostavat monimutkaisen kolmiulotteisen piirin. Kaikkien kerrosten kasvatus- ja käsittelyprosessi kestää useita viikkoja, ja itse tuotantosykli koostuu yli 300 vaiheesta. Tämän seurauksena piikiekolle muodostuu satoja identtisiä prosessoreita.
Piikiekot tehdään aluksi melko paksuiksi kestämään iskuja, joille kiekot joutuvat kerrostuksen aikana. Siksi ennen kiekon leikkaamista yksittäisiksi prosessoreiksi sen paksuutta pienennetään 33% ja lika poistetaan takapuolelta. Sitten substraatin takapuolelle levitetään kerros erityistä materiaalia parantamaan kiteen kiinnittymistä tulevan prosessorin runkoon.
Vaihe 8. Viimeinen vaihe
Muodostusjakson lopussa kaikki prosessorit testataan perusteellisesti. Tämän jälkeen tietyt kiteet, jotka ovat jo läpäisseet testin, leikataan substraattilevystä erityisellä laitteella (kuva 10).
Jokainen mikroprosessori on upotettu suojaavaan koteloon, joka myös muodostaa sähköisen yhteyden mikroprosessorisirun ja ulkoisten laitteiden välillä. Kotelon tyyppi riippuu mikroprosessorin tyypistä ja käyttötarkoituksesta.
Kotelon sulkemisen jälkeen jokainen mikroprosessori testataan uudelleen. Vialliset prosessorit hylätään, ja toimivat prosessorit testataan. Prosessorit lajitellaan sitten niiden käyttäytymisen perusteella eri kellotaajuuksilla ja syöttöjännitteillä.
Lupaavia tekniikoita
Olemme pohtineet mikropiirien (erityisesti prosessorien) valmistusprosessia hyvin yksinkertaistetulla tavalla. Mutta jopa tällainen pinnallinen esitys antaa meille mahdollisuuden ymmärtää teknologiset vaikeudet, joita kohdataan transistorien koon pienentämisessä.
Ennen kuin tarkastelemme uusia lupaavia teknologioita, vastaamme kuitenkin artikkelin alussa esitettyyn kysymykseen: mikä on teknologisen prosessin suunnittelustandardi ja miten itse asiassa 130 nm:n suunnittelustandardi eroaa 180:n standardista. nm? 130 nm tai 180 nm tämä on mikropiirin yhdessä kerroksessa olevien kahden vierekkäisen elementin välinen tyypillinen minimietäisyys, eli eräänlainen ruudukkoaskel, johon mikropiirin elementit on kytketty. On aivan selvää, että mitä pienempi tämä ominaiskoko, sitä enemmän transistoreita voidaan sijoittaa samalle mikropiirin alueelle.
Tällä hetkellä Intel-prosessorit käyttävät 0,13 mikronin prosessitekniikkaa. Tätä tekniikkaa käytetään Intel Pentium 4 -prosessorin Northwood-ytimellä, Intel Pentium III -prosessorin Tualatin-ytimellä ja Intel Celeron -prosessorin valmistukseen. Tällaista teknologista prosessia käytettäessä transistorin hyödyllinen kanavan leveys on 60 nm, ja hilaoksidikerroksen paksuus ei ylitä 1,5 nm. Intel Pentium 4 -prosessori sisältää yhteensä 55 miljoonaa transistoria.
Prosessorisirun transistorien tiheyden lisäämisen ohella 0,13 mikronin teknologia, joka korvasi 0,18 mikronin tekniikan, sisältää muitakin innovaatioita. Ensinnäkin se käyttää kupariliitoksia yksittäisten transistorien välillä (0,18 mikronin tekniikassa liitännät olivat alumiinia). Toiseksi 0,13 mikronin tekniikka tarjoaa pienemmän virrankulutuksen. Esimerkiksi mobiililaitteille tämä tarkoittaa sitä, että mikroprosessorien virrankulutus pienenee ja akun käyttöikä pitenee.
No, viimeinen innovaatio, joka otettiin käyttöön siirtyessä 0,13 mikronin teknologiseen prosessiin, on halkaisijaltaan 300 mm:n piikiekkojen (kiekkojen) käyttö. Muistakaamme, että ennen tätä suurin osa prosessoreista ja mikropiireistä valmistettiin 200 mm kiekkojen pohjalta.
Kiekon halkaisijan kasvattaminen mahdollistaa kunkin prosessorin kustannusten alentamisen ja riittävän laadukkaiden tuotteiden tuoton lisäämisen. Itse asiassa halkaisijaltaan 300 mm:n kiekon pinta-ala on 2,25 kertaa suurempi kuin halkaisijaltaan 200 mm:n kiekon pinta-ala, ja vastaavasti yhdestä halkaisijaltaan 300 kiekosta saatujen prosessorien määrä mm on yli kaksi kertaa suurempi.
Vuonna 2003 odotetaan tulevan käyttöön uusi teknologinen prosessi, jossa on vieläkin pienempi suunnittelustandardi, nimittäin 90 nanometri. Uusi prosessi, jolla Intel valmistaa suurimman osan tuotteistaan, mukaan lukien prosessorit, piirisarjat ja tietoliikennelaitteet, kehitettiin Intelin D1C 300 mm kiekkojen pilottitehtaalla Hillsborossa, Oregonissa.
23. lokakuuta 2002 Intel ilmoitti avaavansa uuden 2 miljardin dollarin toimipisteen Rio Ranchossa, New Mexicossa. Uusi tehdas, nimeltään F11X, käyttää uusinta tekniikkaa prosessorien valmistukseen 300 mm kiekoilla käyttämällä 0,13 mikronin suunnitteluprosessia. Vuonna 2003 laitos siirtyy teknologiseen prosessiin, jonka suunnittelustandardi on 90 nm.
Lisäksi Intel on jo ilmoittanut aloittavansa toisen tuotantolaitoksen rakentamisen Fab 24:ssä Leixlipissä (Irlanti), joka on suunniteltu tuottamaan puolijohdekomponentteja 300 mm:n piikiekoilla, joiden suunnittelustandardi on 90 nm. Uusi yritys, jonka kokonaispinta-ala on yli miljoona neliömetriä. jalat erityisen puhtailla huoneilla, joiden pinta-ala on 160 tuhatta neliömetriä. ft:n odotetaan olevan toiminnassa vuoden 2004 ensimmäisellä puoliskolla ja se työllistää yli tuhat työntekijää. Laitoksen hinta on noin 2 miljardia dollaria.
90 nm:n prosessissa käytetään useita kehittyneitä teknologioita. Nämä ovat maailman pienimmät massatuotetut CMOS-transistorit, joiden hilan pituus on 50 nm (kuva 11), mikä parantaa suorituskykyä ja vähentää virrankulutusta, ja ohuin hilaoksidikerros koskaan valmistetuista transistoreista - vain 1,2 nm (kuva 11). 12), tai alle 5 atomikerrosta, ja alan ensimmäinen korkean suorituskyvyn jännittynyt piiteknologian toteutus.
Listatuista ominaisuuksista ehkä vain käsite "jännitetty pii" kaipaa kommentointia (kuva 13). Tällaisessa piissä atomien välinen etäisyys on suurempi kuin tavanomaisessa puolijohteessa. Tämä puolestaan antaa virran kulkea vapaammin, samalla tavalla kuin liikenne liikkuu vapaammin ja nopeammin tiellä, jossa on leveämpi kaista.
Kaikkien innovaatioiden seurauksena transistorien suorituskykyominaisuudet paranevat 10-20 %, kun taas tuotantokustannukset kasvavat vain 2 %.
Lisäksi 90 nm:n prosessi käyttää sirussa seitsemää kerrosta (kuva 14), yhden kerroksen enemmän kuin 130 nm:n prosessissa, sekä kupariliitoksia.
Kaikki nämä ominaisuudet yhdistettynä 300 mm:n piikiekoihin tarjoavat Intelille etuja suorituskyvyn, tuotantomäärien ja kustannusten suhteen. Myös kuluttajat hyötyvät, sillä Intelin uusi prosessitekniikka mahdollistaa teollisuuden kehittymisen Mooren lain mukaisesti ja lisää prosessorin suorituskykyä yhä uudelleen.
Nykyaikaiset mikroprosessorit ovat yksi monimutkaisimmista ihmisen valmistamista laitteista. Puolijohdekiteen valmistaminen on paljon resurssivaltaisempaa kuin esimerkiksi monikerroksisen talon rakentaminen tai suuren näyttelytapahtuman järjestäminen. Prosessorien rahamääräisen massatuotannon ansiosta emme kuitenkaan huomaa tätä, ja harvoin kukaan ajattelee niiden elementtien valtavaa määrää, jotka ovat niin näkyvällä paikalla järjestelmäyksikön sisällä. Päätimme tutkia prosessorituotannon yksityiskohtia ja puhua niistä tässä materiaalissa. Onneksi Internetissä on nykyään tarpeeksi tietoa tästä aiheesta, ja Intel Corporationin erikoistunut esitelmien ja diojen valikoima mahdollistaa tehtävän suorittamisen mahdollisimman selkeästi. Muiden puolijohdeteollisuuden jättiläisten yritykset toimivat samalla periaatteella, joten voimme luottavaisesti sanoa, että kaikki nykyaikaiset mikropiirit kulkevat identtisen luomispolun läpi.
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
Ensimmäinen mainitsemisen arvoinen asia on prosessorien rakennusmateriaali. Pii on toiseksi yleisin alkuaine planeetalla hapen jälkeen. Se on luonnollinen puolijohde ja sitä käytetään päämateriaalina erilaisten mikropiirien sirujen valmistuksessa. Suurin osa piistä löytyy tavallisesta hiekasta (erityisesti kvartsista) piidioksidin (SiO2) muodossa.
Pii ei kuitenkaan ole ainoa materiaali. Sen lähin sukulainen ja korvike on germanium, mutta tuotantoa parantaessaan tutkijat tunnistavat hyviä puolijohdeominaisuuksia muiden alkuaineiden yhdisteistä ja valmistautuvat testaamaan niitä käytännössä tai tekevät niin.
1 Pii käy läpi monivaiheisen puhdistusprosessin: mikropiirien raaka-aineet eivät saa sisältää enempää epäpuhtauksia kuin yksi vieras atomi miljardia kohden.
2 Pii sulatetaan erityisessä säiliössä ja laskettuaan jatkuvasti jäähdytetyn pyörivän tangon sisään, aine "kiertyy" sen ympärille pintajännitysvoimien ansiosta.
3 Tuloksena on poikkileikkaukseltaan pyöreitä pitkittäisiä aihioita (yksikiteitä), joista jokainen painaa noin 100 kg.
4 Työkappale leikataan yksittäisiksi piilevyiksi - kiekoiksi, joihin sijoitetaan satoja mikroprosessoreita. Näihin tarkoituksiin käytetään koneita, joissa on timanttileikkauslevyt tai lankahiomalaitteistot.
5 Alustat on kiillotettu peilipintaiseksi kaikkien pintavirheiden poistamiseksi. Seuraava vaihe on ohuimman fotopolymeerikerroksen levittäminen.
6 Käsitelty substraatti altistuu voimakkaalle ultraviolettisäteilylle. Valopolymeerikerroksessa tapahtuu kemiallinen reaktio: valo, joka kulkee lukuisten stensiilien läpi, toistaa CPU-kerrosten kuvioita.
7 Käytetyn kuvan todellinen koko on useita kertoja pienempi kuin itse stensiili.
8 Säteilyn "etsaamiset" alueet huuhtoutuvat pois. Piisubstraatille saadaan kuvio, joka sitten liimataan.
9 Seuraava vaihe yhden kerroksen valmistuksessa on ionisaatio, jonka aikana polymeerivapaita piin alueita pommitetaan ioneilla.
10 Paikoissa, joissa ne osuvat, sähkönjohtavuuden ominaisuudet muuttuvat.
11 Jäljelle jäänyt polymeeri poistetaan ja transistori on melkein valmis. Eristyskerroksiin tehdään reikiä, jotka kemiallisen reaktion ansiosta täyttyvät kontakteina käytettävillä kupariatomeilla.
12 Transistorien liitäntä on monitasoinen johdotus. Jos katsot mikroskoopin läpi, huomaat kiteessä monia metallijohtimia ja niiden väliin sijoitettuja piiatomeja tai sen moderneja korvikkeita.
13 Osa valmiista alustasta käy läpi ensimmäisen toimintatestin. Tässä vaiheessa kullekin valitulle transistorille syötetään virtaa ja automaattinen järjestelmä tarkistaa puolijohteen toimintaparametrit.
14 Alusta leikataan erillisiin osiin ohuimmilla leikkuulaikoilla.
15 Tämän toimenpiteen tuloksena saadut käyttökelpoiset kiteet käytetään prosessorien valmistuksessa ja vialliset viedään roskiin.
16 Erillinen siru, josta prosessori valmistetaan, asetetaan CPU:n alustan (substraatin) ja lämmönjakelukannen väliin ja "pakattu".
17 Lopputestauksen aikana valmiit prosessorit tarkastetaan vaadittujen parametrien suhteen ja vasta sitten lajitellaan. Vastaanotettujen tietojen perusteella niihin välähdetään mikrokoodi, jonka avulla järjestelmä voi tunnistaa suorittimen oikein.
18 Valmiit laitteet pakataan ja lähetetään markkinoille.
 |
 |
 |
 |
Mielenkiintoisia faktoja prosessoreista ja niiden tuotannosta
"Silicon Valley" (Piilaakso, USA, Kalifornia)
Se on saanut nimensä mikrosirujen valmistuksessa käytetystä päärakennuselementistä.
"Miksi prosessorikiekot ovat pyöreitä?"- luultavasti kysyt.
Piikiteiden valmistukseen käytetään tekniikkaa, jonka avulla voidaan saada vain lieriömäisiä aihioita, jotka sitten leikataan paloiksi. Tähän mennessä kukaan ei ole kyennyt valmistamaan virheetöntä nelikulmaista levyä.
Miksi mikrosirut ovat neliömäisiä?
Juuri tämäntyyppinen litografia mahdollistaa kiekkoalueen käytön mahdollisimman tehokkaasti.
Miksi prosessorit tarvitsevat niin monta nastaa/nastaa?
Signaalilinjojen lisäksi jokainen prosessori tarvitsee vakaan tehon toimiakseen. Noin 100-120 W:n virrankulutuksella ja matalalla jännitteellä voi kulkea jopa 100 A:n virtaa. Merkittävä osa CPU-koskettimista on omistettu nimenomaan virransyöttöjärjestelmään ja kopioidaan.
Tuotantojätteiden hävittäminen
Aiemmin vialliset kiekot, niiden jäänteet ja vialliset mikrosirut menivät hukkaan. Nykyään niitä kehitetään aurinkokennojen tuotannon perustana.
"Kapu puku"
Tämä on nimitys valkoisille haalareille, joita kaikkien tuotantotilojen työntekijöiden on käytettävä. Tämä tehdään maksimaalisen puhtauden ylläpitämiseksi ja suojaamiseksi pölyhiukkasten vahingossa pääsyltä tuotantotiloihin. Pupupukua käytettiin ensimmäisen kerran prosessoritehtaissa vuonna 1973, ja siitä on sittemmin tullut hyväksytty standardi.
99,9999%
Prosessorien valmistukseen soveltuu vain puhtaimman puhdas pii. Aihiot puhdistetaan erityisillä kemikaaleilla.
300 mm
Tämä on prosessorien valmistukseen tarkoitettujen nykyaikaisten piikiekkojen halkaisija.
1000 kertaa
Näin paljon puhtaampaa ilma on haketehtaiden tiloissa kuin leikkaussalissa.
20 kerrosta
Prosessorisiru on erittäin ohut (alle millimetri), mutta se sisältää yli 20 kerrosta monimutkaisia transistorien rakenteellisia yhdistelmiä, jotka näyttävät monitasoisilta moottoriteiltä.
2500
Juuri näin monta Intel Atom -prosessorin sirua (niillä on pienin pinta-ala nykyaikaisista prosessoreista) sijoitetaan yhdelle 300 mm kiekolle.
10 000 000 000 000 000 000
Sata kvintiljoonaa transistoria, mikrosirujen rakennuspalikoita, toimitetaan tehtailta vuosittain. Tämä on noin 100 kertaa enemmän kuin planeetalla olevien muurahaisten arvioitu määrä.
A
Yhden transistorin tuotantokustannukset prosessorissa ovat nykyään yhtä suuria kuin yhden kirjeen painaminen sanomalehteen.
Tämän artikkelin valmistelussa käytettiin materiaaleja Intel Corporationin viralliselta verkkosivustolta, www.intel.ua
MISSÄ Intel-prosessorit valmistetaan?
Kuten kirjoitin edellisessä viestissä, Intelillä on tällä hetkellä 4 tehdasta, jotka pystyvät 32nm-teknologian prosessorien massatuotantoon: D1D ja D1C Oregonissa, Fab 32 Arizonassa ja Fab 11X New Mexicossa.
Katsotaan kuinka ne toimivat
Jokaisen Intelin prosessitehtaan korkeus on Ilmanvaihtojärjestelmän taso Mikroprosessori koostuu miljoonista transistoreista Puhdas huonetaso Lattia kattaa alueen useilta jalkapallokentiltä Tilojen steriiliyden kohonneiden vaatimusten lisäksi Alempi taso Suunniteltu järjestelmiin, jotka tukevat fa- Tekninen taso |
Tämän tason tehtaan rakentaminen kestää noin 3 vuotta ja noin 5 miljardia - tämä on määrä, jonka tehtaan on "valtava takaisin" seuraavien 4 vuoden aikana (kun uusi teknologinen prosessi ja arkkitehtuuri ilmestyy, vaaditaan tuottavuutta tämä on noin 100 toimivaa piikiekkoa tunnissa). Kasvin rakentamiseen tarvitset:
— yli 19 000 tonnia terästä
— yli 112 000 kuutiometriä betonia
— yli 900 kilometriä kaapelia
MITEN mikroprosessorit valmistetaan
Teknisesti moderni mikroprosessori on valmistettu yhdestä erittäin suuresta integroidusta piiristä, joka koostuu useista miljardeista elementeistä - tämä on yksi monimutkaisimmista ihmisen luomista rakenteista. Minkä tahansa mikroprosessorin avainelementit ovat erilliset kytkimet - transistorit. Estämällä ja ohjaamalla sähkövirtaa (on-off) ne mahdollistavat tietokoneen logiikkapiirien toiminnan kahdessa tilassa eli binäärijärjestelmässä. Transistorien koot mitataan nanometreinä. Yksi nanometri (nm) on metrin miljardisosa.
Lyhyesti sanottuna prosessorin valmistusprosessi näyttää tältä: sylinterimäinen yksikiteinen kasvatetaan sulasta piistä erityisillä laitteilla. Tuloksena oleva harkko jäähdytetään ja leikataan "pannukakkuiksi", joiden pinta tasoitetaan huolellisesti ja kiillotetaan peilikiiltoon. Sitten puolijohdetehtaiden "puhtaissa tiloissa" piikiekkoille luodaan integroituja piirejä fotolitografiaa ja syövytystä käyttäen. Kiekkojen uudelleenpuhdistuksen jälkeen laboratorioasiantuntijat suorittavat prosessorien valikoivan testauksen mikroskoopilla - jos kaikki on "OK", valmiit kiekot leikataan yksittäisiksi prosessoreiksi, jotka suljetaan myöhemmin koteloihin.
Katsotaanpa koko prosessia tarkemmin.
Aluksi SiO2 otetaan hiekan muodossa, joka pelkistetään koksilla kaariuuneissa (lämpötilassa noin 1800 °C):
Si02 + 2C = Si + 2CO
Tällaista piitä kutsutaan "tekniseksi" ja sen puhtaus on 98-99,9%. Valmistusprosessorit vaativat paljon puhtaampaa raaka-ainetta, jota kutsutaan "elektroniseksi piiksi", joka ei saa sisältää enempää kuin yksi vieras atomi miljardia piiatomia kohden. Puhdistaakseen tälle tasolle pii kirjaimellisesti "syntyy uudelleen". Klooraamalla teknistä piitä saadaan piitetrakloridia (SiCl4), joka muunnetaan sittemmin trikloorisilaaniksi (SiHCl3):
3SiCl4 + 2H2 + Si ↔ 4SiHCl3
Nämä reaktiot, joissa käytetään syntyneiden piitä sisältävien sivutuotteiden kierrätystä, vähentävät kustannuksia ja eliminoivat ympäristöongelmia:
2SiHCl3 ↔ SiH2Cl2 + SiCl4
2SiH2Cl2 ↔ SiH3Cl + SiHCl3
2SiH3Cl ↔ SiH4 + SiH2Cl2
SiH4 ↔ Si + 2H2
Syntynyttä vetyä voidaan käyttää monessa paikassa, mutta tärkeintä on, että saatiin "elektroninen" pii, puhdasta, erittäin puhdasta (99,9999999%). Hieman myöhemmin siemen ("kasvupiste") lasketaan tällaisen piin sulaan, joka vedetään vähitellen ulos upokkaasta. Tämän seurauksena muodostuu niin kutsuttu "boule" - yksittäinen kide, joka on yhtä korkea kuin aikuisella. Paino on sopiva - tuotannossa tällainen petankki painaa noin 100 kg.
Harkko hiotaan "nollalla" :) ja leikataan timanttisahalla. Tulosteena on kiekkoja (koodinimeltään "kiekko"), joiden paksuus on noin 1 mm ja halkaisija 300 mm (~12 tuumaa; näitä käytetään 32 nm:n prosessissa HKMG, High-K/Metal Gate -teknologialla).
Nyt mielenkiintoisin asia on, että tulevan prosessorin rakenne on tarpeen siirtää kiillotettuihin piikiekoihin, eli tuoda epäpuhtaudet tietyille piikiekon alueille, jotka lopulta muodostavat transistoreita. Kuinka tehdä se?
Ongelma ratkaistaan käyttämällä fotolitografiatekniikkaa - pintakerroksen selektiivistä etsausta käyttämällä suojaavaa valonaamiota. Tekniikka on rakennettu "light-template-photoresist" -periaatteelle ja etenee seuraavasti:
— Piisubstraatille levitetään materiaalikerros, josta kuvio muodostetaan. Siihen levitetään fotoresisti - kerros polymeeristä valoherkkää materiaalia, joka muuttaa sen fysikaalisia ja kemiallisia ominaisuuksia, kun sitä säteilytetään valolla.
— Valotus suoritetaan (valokuvakerroksen valaistus tarkasti asetetun ajan) valokuvanaamion kautta
— Kuluneen fotoresistin poistaminen.
Haluttu rakenne piirretään valokuvanaamioon - yleensä tämä on optista lasia oleva levy, jolle peitetään valokuvaavia alueita. Jokainen tällainen malli sisältää yhden tulevan prosessorin kerroksista, joten sen on oltava erittäin tarkka ja käytännöllinen.
Kiekkoa säteilyttää ionivirta (positiivisesti tai negatiivisesti varautuneita atomeja), jotka tietyissä paikoissa tunkeutuvat kiekon pinnan alle ja muuttavat piin johtavia ominaisuuksia (vihreät alueet ovat upotettuja vieraita atomeja).
Valokuvauksessa valo kulki negatiivifilmin läpi, osui valokuvapaperin pintaan ja muutti sen kemiallisia ominaisuuksia. Fotolitografiassa periaate on samanlainen: valo johdetaan fotomaskin läpi fotoresistille, ja niissä paikoissa, joissa se kulki maskin läpi, fotoresistin yksittäiset osat muuttavat ominaisuuksia. Maskien läpi välittyy valosäteily, joka kohdistuu substraattiin. Tarkkaa tarkennusta varten tarvitaan erityinen linssi- tai peilijärjestelmä, joka ei vain voi pienentää maskista leikattua kuvaa sirun kokoon, vaan myös projisoida sen tarkasti työkappaleeseen. Painetut kiekot ovat tyypillisesti neljä kertaa pienempiä kuin itse maskit. 
Kaikki käytetty fotoresist (joka on muuttanut liukoisuuttaan säteilytyksen vaikutuksesta) poistetaan erityisellä kemiallisella liuoksella - sen mukana myös osa valaistun fotoresistin alla olevasta substraatista liukenee. Se osa substraatista, jota maski suojasi valolta, ei liukene. Se muodostaa johtimen tai tulevan aktiivisen elementin - tämän lähestymistavan tuloksena on erilaiset piirikuviot mikroprosessorin jokaisessa kerroksessa.
Itse asiassa kaikki aiemmat vaiheet olivat välttämättömiä puolijohderakenteiden luomiseksi tarvittaviin paikkoihin lisäämällä luovuttaja (n-tyyppi) tai vastaanottaja (p-tyyppi) epäpuhtaus. Oletetaan, että meidän on luotava p-tyypin kantajien keskittymisalue piissä, toisin sanoen aukkojohtavuusvyöhyke. Tätä varten kiekko käsitellään implantteri-nimisellä laitteella - valtavan energian boori-ionit laukeavat korkeajännitekiihdyttimestä ja ne jakautuvat tasaisesti fotolitografian aikana muodostuneille suojaamattomille vyöhykkeille.
Kun eriste on poistettu, ionit tunkeutuvat suojaamattoman piikerrokseen - muuten ne "jumiutuvat" dielektriseen aineeseen. Seuraavan etsausprosessin jälkeen jäljellä oleva eriste poistetaan ja levylle jää vyöhykkeitä, joissa on paikallista booria. On selvää, että nykyaikaisilla prosessoreilla voi olla useita tällaisia kerroksia - tässä tapauksessa tuloksena olevalle kuvalle kasvatetaan taas dielektrinen kerros ja sitten kaikki kulkee hyvin kuljettua polkua - toinen kerros fotoresistiä, fotolitografiaprosessi (uusi maskia käyttämällä) , etsaus, istutus...
Fotolitografiaprosessin aikana muodostuvat loogiset elementit on kytkettävä toisiinsa. Tätä varten levyt asetetaan kuparisulfaattiliuokseen, jossa sähkövirran vaikutuksesta metalliatomit "laskeutuvat" jäljellä oleviin "käytäviin" - tämän galvaanisen prosessin seurauksena muodostuu johtavia alueita , luo yhteyksiä prosessorin "logiikan" yksittäisten osien välille. Ylimääräinen johtava pinnoite poistetaan kiillottamalla.
Hurraa - vaikein osa on ohi. Jäljelle jää vain ovela tapa yhdistää transistorien "jäännökset" - kaikkien näiden kytkentöjen (väylöiden) periaatetta ja järjestystä kutsutaan prosessoriarkkitehtuuriksi. Nämä liitännät ovat erilaisia kullekin prosessorille - vaikka piirit näyttävät täysin litteiltä, joissakin tapauksissa voidaan käyttää jopa 30 tasoa tällaisia "johtoja".
Kun kiekkojen käsittely on valmis, kiekot siirretään tuotannosta kokoonpano- ja testauspajaan. Siellä kiteet käyvät läpi ensimmäiset testit, ja ne, jotka läpäisevät testin (ja tämä on suurin osa), leikataan substraatista erityisellä laitteella.
Seuraavassa vaiheessa prosessori pakataan alustalle (kuvassa - Intel Core i5 -prosessori, joka koostuu suorittimesta ja HD-grafiikkasirun).
Substraatti, kristalli ja lämmönjakokansi on liitetty toisiinsa - tätä tuotetta tarkoitamme, kun sanomme sanan "prosessori". Vihreä substraatti luo sähköisen ja mekaanisen rajapinnan (kultaa käytetään piisirun sähköiseen liittämiseen koteloon), jonka ansiosta prosessori voidaan asentaa emolevyn liitäntään - itse asiassa tämä on vain alusta, jolla pienen sirun kontaktit reititetään. Lämmönjakokansi on lämpöliitäntä, joka jäähdyttää prosessoria käytön aikana - tähän kanteen kiinnitetään jäähdytysjärjestelmä, olipa kyseessä sitten jäähdytin tai terve vesilohko.
Kuvittele nyt, että yritys ilmoittaa esimerkiksi 20 uudesta prosessorista. Ne ovat kaikki erilaisia - ytimien määrä, välimuistin koot, tuetut tekniikat... Jokainen prosessorimalli käyttää tiettyä määrää transistoreita (miljooniin ja jopa miljardeihin laskettuna), omaa elementtien yhdistämisperiaatetta... Ja kaiken tämän täytyy olla suunniteltu ja luotu/automatisoitu - mallit, linssit, litografia, satoja parametreja jokaiselle prosessille, testaus... Ja kaiken tämän pitäisi toimia kellon ympäri, useissa tehtaissa kerralla... Tuloksena pitäisi ilmaantua laitteita, joissa ei ole toiminnassa on tilaa virheille... Ja näiden teknisten mestariteosten kustannusten pitäisi olla säädyllisyyden rajoissa...
Miten mikroprosessorit valmistetaan?
Oletko koskaan käynyt puolijohdeteollisuuden ytimessä - sirutehtaassa? Jokainen tällainen rakenne on luomus, joka voi tehdä vaikutuksen keneen tahansa, jopa sellaiseen, joka ei ole perehtynyt tuotantoprosesseihin.
Siellä vierailijoilla oli tunne, että he tekivät fantastisen matkan futuristiseen robottien muurahaispesään tai itse mikropiiriin. Siellä kolmen jalkapallokentän kokoisessa steriilissä huoneessa kiertelee robotteja ja kymmeniä avaruuspukuihin ja suojakypäriin pukeutuneita asiantuntijoita. Ja korkean tarkkuuden koneet mikrosirujen tuotantoon "kelluvat" erityisillä alustoilla, jotka valaisevat keltaoranssilla valolla...
Sirun valmistuksen ja fotolitografian vaiheet
Integroidut piirit valmistetaan monokiteisen piin pinnalle (Piitä (Si) käytetään, koska se on sopivin puolijohde näihin tarkoituksiin. Puolijohteet puolestaan ovat materiaaliluokka, jonka sähkönjohtavuus on johtimien (pääasiassa metallien) johtavuuden välissä ) ja eristimet (dielektrit) voivat myös toimia sekä dielektrisenä että johtimena - riippuen muiden siinä olevien kemiallisten elementtien määrästä ja tyypistä, ja tätä ominaisuutta käytetään kuitenkin laajasti mikropiirien valmistuksessa harvoin, piin sijasta käytetään myös muita materiaaleja. Erityisesti Intel pystyy tuomaan 90 nm:n prosessitekniikkaansa heteroliitosbipolaarisia transistoreita (HBT) luomalla erilaisia kerroksia ohuelle (. alle millimetrin) pyöreä (halkaisijaltaan enintään 30 cm) piikiekko, jota kutsutaan substraatiksi [Ohuet kiekot leikataan raskaasta, pitkästä sylinterimäisestä yksikiteisestä piistä, joka kasvatetaan erityisellä tarkkuusmenetelmällä. Sitten levyt kiillotetaan peilipintaiseksi mekaanisin ja kemiallisin menetelmin. Levyn "työskentelypinnan" (eli sen pinnan, jolle mikropiiri luodaan edelleen) on oltava sileä ja täydellinen atomitasolla ja sillä on oltava erittäin tarkka kristallografinen suunta (samanlainen kuin timantin eri puolia leikattaessa, mutta vielä täydellisempi)]. Kerrokset muodostuvat erilaisilla prosesseilla käyttämällä kemikaaleja, kaasuja ja valoa. Nykyaikaisten mikroprosessorien valmistus on monimutkainen prosessi, joka koostuu yli kolmestasadasta vaiheesta - yli kaksikymmentä kerrosta on "koristeellisesti" kytketty toisiinsa kolmiulotteisen rakenteen omaavan mikroprosessoripiirin muodostamiseksi. Substraatin (kiekon) kerrosten tarkka määrä riippuu tietyn prosessorin suunnitteluprojektista. Satoja identtisiä mikroprosessoreita luodaan yhdelle piisubstraatille ja loppuvaiheessa leikataan yksittäisiksi suorakaiteen muotoisiksi kiteiksi - siruiksi.
Mikropiirielementtien eri kerrosten ja kuvioiden muodostamisprosessit substraatille ovat melko kehittyneitä (itse asiassa tämä on koko tieteenala), mutta ne perustuvat yhteen yksinkertaiseen ajatukseen: koska luodun kuvion ominaismitat ovat niin pieniä. (Esimerkiksi prosessorin välimuistisolu 90 nm:n Prescott-ytimessä, joka on sata kertaa pienempi kuin punasolu (erytrosyytti), ja yksi sen transistoreista on flunssaviruksen kokoinen), mikä tekee sen yksinkertaisesti mahdottomaksi aseta tietyt materiaalit oikeisiin paikkoihin, he tekevät sen yksinkertaisemmin - materiaali kerrostetaan välittömästi koko alustan pinnalle ja poistetaan sitten varovasti paikoista, joissa sitä ei tarvita. Tämä saavutetaan fotolitografian avulla.
H 
Mikä on "puhdas huone" ja miksi niitä käytetään puolijohdetehtaissa?
Haketta tulee tuottaa kontrolloiduissa ja erittäin puhtaissa ilman olosuhteissa. Koska mikrosirujen toiminnalliset elementit (transistorit, johtimet) ovat hyvin pieniä, kaikki vieraat hiukkaset (pöly, savu tai ihohiutaleet), jotka joutuvat tulevien mikropiirien sisältävään kiekkoon sen tuotannon välivaiheissa, voivat vahingoittaa koko kiteitä. Puhtaat huoneet luokitellaan tilavuusyksikköä (kuutiojalkaa, noin kolmasosaa kuutiometristä) sisältävien mikrohiukkasten koon ja lukumäärän mukaan. Esimerkiksi nykyaikaisessa valmistuksessa käytetyt luokan 1 huoneet ovat noin tuhat kertaa puhtaampia kuin leikkaussali. Puhdashuone säätelee ilman puhtautta suodattamalla sisään tulevaa ilmaa, poistamalla likaa asennuksista, siirtämällä ilmaa laminaarisesti katosta lattialle (noin kuudessa sekunnissa) sekä säätämällä kosteutta ja lämpötilaa. ”Puhdashuoneissa” olevat ihmiset käyttävät erityisiä avaruuspukuja, jotka peittävät muun muassa heidän koko hiuksensa (ja joissain tapauksissa jopa oman hengitysjärjestelmän). Tärinän poistamiseksi puhdastilat sijoitetaan omalle tärinänkestävälle pohjalle.
Fotolitografia on mikropiirituotannon horjumaton perusta, ja lähitulevaisuudessa sille ei todennäköisesti löydy arvokasta korvaavaa. Siksi on järkevää tarkastella sitä yksityiskohtaisemmin. Meidän on esimerkiksi luotava kuvio jonkin materiaalin - piidioksidin tai metallin - kerrokseen (nämä ovat yleisimpiä toimintoja nykyaikaisessa tuotannossa). Ensinnäkin substraatille luodaan tavalla tai toisella ohut (yleensä ohuempi kuin yksi mikroni) ja jatkuva, virheetön kerros halutusta materiaalista. Seuraavaksi sille tehdään fotolitografia. Tätä varten levyn pinnalle levitetään ensin ohut kerros valoherkkää materiaalia nimeltä fotoresist (Photoresisti levitetään nestefaasista, jaetaan tasaisesti kiekon pinnalle pyörittämällä sentrifugissa ja kuivataan, kunnes se kiinteytyy). Tämän jälkeen fotoresistillä varustettu kiekko asetetaan tarkkuusasennukseen, jossa pinnan halutut alueet säteilytetään ultraviolettivalolla fotomaskin läpinäkyvien reikien kautta (kutsutaan myös valonaamioksi). Maskissa on vastaava (kiekon pintaan levitetty) kuvio, joka kehitetään kullekin kerrokselle sirusuunnitteluprosessin aikana. Ultraviolettisäteilyn vaikutuksesta fotoresistin säteilytetyt alueet muuttavat ominaisuuksiaan niin, että ne on mahdollista poistaa valikoivasti käyttämällä tiettyjä kemiallisia reagensseja (On negatiivisia ja positiivisia fotoresistejä. Yksi "vahvistuu" säteilytettäessä, joten sen säteilyttämättömät alueet ovat poistetaan, kun taas toinen päinvastoin menettää kemiallisen kestävyytensä, joten sen säteilytetyt alueet erotetaan toisistaan. Fotoresistin poistamisen jälkeen jää auki vain ne alueet kiekon pinnasta, joille haluttu toimenpide on suoritettava - esimerkiksi eriste- tai metallikerros poistetaan. Ne poistetaan onnistuneesti (tätä menettelyä kutsutaan etsaukseksi - kemiallinen tai plasmakemiallinen), minkä jälkeen fotoresistin jäännökset voidaan lopulta poistaa kiekon pinnalta paljastaen halutun materiaalin kerrokseen muodostuneen kuvion jatkotoimenpiteitä varten. Fotolitografia on valmis.
P 
Nykyaikaisten mikroprosessorien tuotannossa on tarpeen suorittaa fotolitografiaoperaatioita jopa 20–25 kertaa - joka kerta uudelle kerrokselle. Kaiken kaikkiaan kestää useita viikkoja! Joissakin tapauksissa nämä ovat eristysmateriaalikerroksia, jotka toimivat transistorien hiladielektrisinä tai passivoivina (eristys) kerroksina transistorien ja johtimien välillä. Toisissa tämä on transistoreiden ja transistoreita yhdistävien metallijohtimien johtavien polypiihivien muodostumista (Yksinkertaisuuden vuoksi osa toiminnoista joskus yhdistetään - esimerkiksi ns. itsekohdistetut portit tehdään sama fotolitografia muodostamalla samanaikaisesti kuvion hiladielektristä ja ohuesta polypiistä). Kolmanneksi tämä on valikoivasti seostettujen alueiden (pääasiassa nielun ja transistorien lähteiden) muodostuminen ja yksikiteisen piikiekon pinnan alueiden seostus erilaisten kemiallisten alkuaineiden ionisoiduilla atomeilla (n- tai p- tyyppisiä puolijohdealueita piissä) ei tehdä valoresistissä olevien ikkunoiden läpi (se on liian epävakaa tähän) eikä kuvion läpi riittävän paksussa levitetyn eristeen kerroksessa (esimerkiksi sama piioksidi). Tämän jälkeen eriste poistetaan yhdessä fotoresistin kanssa.
Joskus käytetään mielenkiintoista menetelmää, kuten räjähtävää fotolitografiaa. Eli ensin muodostetaan kuvio (ikkunat syövytetään valoresisti- tai väliaikaiseen eristekerrokseen), sitten levyn pinnalle levitetään jatkuva kerros uutta materiaalia (esim. metallia) ja lopuksi kiekko asetetaan reagenssi, joka poistaa fotoresistin tai väliaikaisen eristeen jäänteet. Seurauksena on, että poistettu kerros näyttää "räjähtävän" sisältä ja vie mukanaan viimeksi levitetyn metallin palaset, jotka makaavat sen päällä, ja aiemmin "avoimissa" paikoissa (ikkunoissa) metalli jäi ja muodosti toiminnallisen kuvion. tarvitsemme (johtimet tai portit). Ja tämä on vain jäävuoren huippu nimeltä mikroelektroniikkatekniikka, joka perustuu fotolitografian periaatteeseen.
Tällä tavalla piikiekon pintaan syntyy monimutkainen, useiden mikrometrien paksuinen kolmiulotteinen rakenne, joka itse asiassa on elektroninen piiri. Päälle piiri on peitetty paksulla (mikronin) kerroksella passivoivaa dielektristä, joka suojaa ohutta rakennetta ulkoisilta vaikutuksilta. Se avaa vain ikkunat suurille, kymmenien mikrometrien kokoisille, neliömäisille metallikoskettimille, joiden kautta piiriin syötetään ulkopuolelta syöttöjännitteet ja sähköiset signaalit. Ja alhaalta katsottuna mikropiirin mekaaninen perusta on satojen mikrometrien paksuinen piikiekko. Teoreettisesti tällainen piiri voitaisiin tehdä erittäin ohueksi (10–30 mikronia) ja haluttaessa jopa "käärittää putkeen" toimivuuden menettämättä. Ja samanlainen työ on ollut käynnissä jo jonkin aikaa tietyissä suunnissa, vaikka perinteiset mikropiirikiteet (sirut) ovat edelleen "taivumattomia".
Teknisten toimenpiteiden suorittamisen jälkeen kaikki kiekon kiteet testataan (tästä lisää seuraavassa artikkelissa), ja sitten kiekko leikataan yksittäisiksi kiteiksi (suorakaiteen muotoisiksi siruiksi) timanttisahalla (ennen kiteiksi leikkaamista, paksuus Nykyaikaisissa mikroprosessoreissa kiekkojen määrä vähenee noin kolmanneksella käyttämällä mekaanista kiillotusta. Tämä mahdollistaa niiden sijoittamisen kompaktimpiin pakkauksiin. Kääntöpuolen kiillotus palvelee myös vieraiden aineiden poistamista, jolloin muodostuu sähkö- ja liimakontakteja. substraatti pakkaamisen aikana). Seuraavaksi jokainen siru pakataan omaan koteloonsa, mikä mahdollistaa sen liittämisen muihin laitteisiin. Pakkauksen tyyppi riippuu sirun tyypistä ja siitä, miten sitä käytetään. Lopuksi kaikki pakatut sirut testataan uudelleen (sopimattomat hylätään, sopiville tehdään erityiset rasitustestit eri lämpötiloissa ja kosteusolosuhteissa sekä sähköstaattisten purkausten testaus), lajitellaan ominaisuuksien ja tiettyjen spesifikaatioiden mukaan ja lähetetään asiakkaalle.
Intel Copy Exactly -tekniikka
U 
Useimpien sirujen valmistajien T&K-laboratorioissa käytetyt laitteet ja prosessit poikkeavat niiden valmiiden tuotteiden tehtaissa käytetyistä. Ja kun tuotantoa siirretään pilotista sarjatuotantoon, syntyy usein vakavia viivästyksiä, koska uudet laitteet vaativat merkittäviä teknologisten prosessien muunnelmia ja mukautuksia, jotta saavutettaisiin korkea prosenttiosuus laboratorioissa aiemmin saatua sopivaa tuotesatoa. Tämä ei ainoastaan hidasta massatuotantoa, vaan johtaa myös muutoksiin sadoissa prosessiparametreissa ja jopa lopputuotteissa. Sama pätee, jos yhdessä tehtaassa vakiintunut prosessi siirretään toiselle uusilla laitteilla.
Mahdollisten kustannusten estämiseksi Intel Corporation, jolla on jo yli tusina puolijohdetehdasta, otti useita vuosia sitten käyttöön Copy Exactly -teknologian, jonka ydin on, että kun tietyn tuotteen valmistustekniikka siirretään laboratoriosta tehtaalle tai välillä eri tehtaita, kaiken tähän tekniseen prosessiin liittyvän täydellisen toiston (kopiointi) pienintä yksityiskohtaa myöten. Tätä tarkoitusta varten erityisesti tehdaspäälliköt ovat mukana tuotekehityksessä. Ja kun teknologiaa siirretään, kirjaimellisesti kaikki kopioidaan - ei vain prosessien syöttö- ja lähtöparametrit (yli 500!), vaan myös niiden virtaus, laitteet ja sen asetukset, teknisten prosessien raaka-aineiden toimittajat, putkisto, puhdastilat ja jopa henkilöstön koulutusmenetelmiä.
Tämä innovatiivinen teknologiansiirtotekniikka on osoittautunut erittäin menestyksekkääksi. Nykyään sen avulla tehtaat saavuttavat täyden kapasiteetin lähes välittömästi käynnistyksen jälkeen – muutamassa viikossa. Lisäksi Copy Exactly -teknologia antaa yhden yrityksen tehtaille lisää joustavuutta: yhdessä tehtaassa aloitetut kiekot voidaan valmistaa toisessa laadusta ja tuotosta tinkimättä. Ja yhden tehtaan onnettomuuden tai uudelleenjärjestelyn sattuessa muut "ottavat" sen työn vastaan, eikä liiketoiminta käytännössä kärsi. Myös kilpailijat - kuten AMD ja IBM - arvostavat tätä tekniikkaa, vaikka sitä ei tällä hetkellä voida soveltaa niiden välillä, koska niiden teknologiareitit ovat hieman erilaiset.
Puolijohdetehtaita
KANSSA 
Siruteollisuus on nyt lähellä loppua yksi niistä vallankumouksista, jotka muuttavat teollisuuden kasvot kerran vuosikymmenessä. Valmistajat siirtyvät halkaisijaltaan 200 mm:n kiekoista halkaisijaltaan 300 mm:n kiekkoihin (katso kuva oikealla), minkä seurauksena on mahdollista vähentää merkittävästi mikropiirien ja sen mukana kaiken elektronisen puolijohteen tuotantokustannuksia Tuotteet. Tosiasia on, että alusta, jonka halkaisija on 300 mm, lisää 225 % piikiekon pinta-alaa ja 240 % lisää sirujen hyötykäyttöä kustakin alustasta. Lisäksi tuotannon ympäristöominaisuudet paranevat merkittävästi, mikä vaatii vähemmän kemikaalien ja energian kulutusta prosessoria kohden ja tuottaa vähemmän jätettä. Verrattuna 200 mm:n kiekoilla toimivaan tehtaaseen, uusi fab päästää 48 % vähemmän VOC-yhdisteitä, käyttää 42 % vähemmän ultrapuhdasta vettä ja käyttää noin 40 % vähemmän energiaa Intelin mukaan. Työvoimakustannukset alenevat 50 prosenttia.
Nykyaikaiset "300 mm" tehtaat ovat jättimäisiä teollisuusyrityksiä, joiden arvo on noin 2 miljardia dollaria ja joiden pinta-ala on yli satoja tuhansia neliömetriä. Vain muutamalla nykypäivän siruyhtiöistä (katso sivupalkista 20 parasta) on varaa investoida niin kalliisiin tuotteisiin. Loppujen lopuksi tällaisten yritysten rakentamiseksi ja jatkamiseksi on saavutettava vähintään 6 miljardin dollarin vuosimyynti tehdasta kohti. Tällaisia tehtaita kutsutaan yleensä "valimoksi" - yksi tämän termin käännöksistä venäjäksi tarkoittaa "valimoa". Nimi personoi valtavan teollisen mittakaavan: korkean teknologian mikroprosessorielementtien valmistusprosessista tulee teollinen virta, jonka mittakaava on verrattavissa vain valtavien metallurgisten työpajojen tuotantoon. Vuonna 2000, kun sirujen myynti kasvoi, vain kymmenen yrityksen liikevaihto ylitti 6 miljardia dollaria maailmassa. "Vanhasta kaartista" nykyään vain Intel, IBM, Infineon, AMD, Texas Instruments ja Samsung omistavat omia toimivia tehtaita sirujen tuotantoa varten 300 mm substraateille. Muut luovat ja hallinnoivat yhdessä yritysten yhdistelmät - esimerkiksi Motorola - Philips - STMicroelectronics - Taiwan Semiconductor. Uusien tehtaiden rakentamissuunnitelmien kiistaton johtaja on Taiwan. Saari tuotti jo vuonna 2001 viidenneksen maailman substraattituotannosta, ja vuoteen 2010 mennessä osuus voi nousta 40 prosenttiin. Taiwanin kantapäässä ovat Kiina, Malesia ja Singapore – ne suunnittelevat rakentavansa 15 tehdasta, joista viisi työskentelee 300 mm kiekkojen kanssa.
U 
Intel Corporationilla on jo neljä tällaista teollisen mittakaavan tehdasta: F11X Rio Ranchossa (New Mexico), kaksi - D1C ja D1D - Hillsborossa (Oregon) ja äskettäin käyttöön otettu Fab 24 Irlannin Leixlipin kaupungissa. Kaikki ne voivat tuottaa prosessoreita 90 nm tekniikalla; viides, Fab 12 Chandlerissa (Arizona) 65 nm:n prosessiteknologiaa varten, siirretään 300 mm:n kiekkoihin vuoteen 2005 mennessä. Ja esimerkiksi AMD aikoo ottaa ensimmäisen 300 mm:n Fab 36 -tehtaan käyttöön vasta ensi vuonna, katso katsaus osoitteessa www.terralab.ru/system/33692. Asiantuntijat uskovat, että nykyiset tehtaat, joissa on 200 mm:n alustat, pystyvät pysymään pinnalla vuoteen 2005 asti, minkä jälkeen ne eivät enää kestä hintakilpailua 300 mm:n prosessilla. Vuoteen 2005 mennessä sirut valmistetaan 65 nm:n teknologialla, ja mikroprosessoreihin integroidaan miljardi transistoria! Siruista tulee niin pieniä, että niiden avulla puhelimet voidaan integroida kynään.
Miksi sirutehtaat ovat niin kalliita (jopa 5 miljardia dollaria)? Puolijohdetehtävät suorittavat maailman monimutkaisimmat tehtävät. Niissä käytetään vain erikoismateriaaleja, pultteja, rakenneosia, laitteita jne. Lisäksi esimerkiksi Intelin tehtaat ovat lähes kaksinkertaisia maailman vastaavien tehtaiden keskikokoon verrattuna. Itse rakennus maksaa noin 25 % tehtaan kokonaiskustannuksista ja vielä kymmenen vuotta rakentamisen jälkeen se on nykyaikaisimpien ongelmien ratkaisuun sopiva rakennelma. Laitteet (valolitografia-, kaasufaasipinnoitus-, ioni-istutuslaitteistot) ja koneet lattialla maksavat loput 75 %.
Perustuksen ja asennusten tärinänkestävyyden varmistamiseksi tehdään lisämittauksia. Vaikka tehdas on ulkoa yksi rakennus, se on itse asiassa useita rakennuksia, jotka on erotettu toisistaan suurilla (jopa 10 cm) etäisyyksillä, ja jokaisella rakennuksella on oma perustus. Tämä auttaa vaimentamaan erilaisia tärinöitä - sekä ulkoisista lähteistä (ajoneuvot, junat) että laitteen omasta tärinästä.
