Mikrokiipide tootmine on väga raske äri ning selle turu läheduse dikteerivad eelkõige tänapäeval domineeriva fotolitograafiatehnoloogia iseärasused. Mikroskoopilised elektroonilised vooluringid projitseeritakse räniplaadile läbi fotomaskide, millest igaüks võib maksta kuni $ 200 000. Samal ajal on ühe kiibi valmistamiseks vaja vähemalt 50 sellist maski. Lisage sellele uute mudelite väljatöötamise "katse-eksituse" kulud ja saate aru, et ainult väga suured ettevõtted suudavad protsessoreid väga suurtes kogustes toota.

Ja kuidas on lood teaduslaborite ja kõrgtehnoloogiliste idufirmadega, mis vajavad ebastandardseid skeeme? Kuidas on lood sõjaväega, kelle jaoks "tõenäoliselt vaenlaselt" protsessorite ostmine on pehmelt öeldes mitte comme il faut?

Külastasime Hollandi firma Mapper Venemaa tootmiskohta, tänu millele võib mikrolülituste tootmine lakata olemast taevaste hulk ja muutuda lihtsurelike elukutseks. Noh, peaaegu lihtne. Siin, Technopolise "Moskva" territooriumil toodetakse korporatsiooni "Rosnano" rahalisel toel Mapperi tehnoloogia põhikomponenti - elektron-optilist süsteemi.

Enne Mapperi maskita litograafia nüansside mõistmist tasub aga meeles pidada tavapärase fotolitograafia põhitõdesid.

kohmakas valgus

Kaasaegsel protsessoril Intel Core i7 mahutab umbes 2 miljardit transistorit (olenevalt mudelist), millest igaüks on 14 nm suurune. Püüdes arvutusvõimsus tootjad vähendavad igal aastal transistoride suurust ja suurendavad nende arvu. Tõenäoliseks tehnoloogiliseks piiriks selles võidusõidus võib pidada 5 nm: sellistel vahemaadel hakkavad ilmnema kvantefektid, mille tõttu võivad elektronid naaberrakkudes käituda ettearvamatult.

Mikroskoopiliste pooljuhtstruktuuride ladestamiseks räniplaadile kasutatakse fotograafilise suurendiga töötamise sarnast protsessi. Kui just tema eesmärk pole just vastupidine – teha pilt võimalikult väikeseks. Plaat (või kaitsekile) on kaetud fotoresistiga, valgustundliku polümeermaterjaliga, mis muudab valgusega kiiritades oma omadusi. Soovitud kiibi muster eksponeeritakse fotoresistile läbi maski ja koonduva läätse. Prinditud plaadid on tavaliselt neli korda väiksemad kui maskid.

Ainetel nagu räni või germaanium on välisenergia tasemel neli elektroni. Nad moodustavad ilusaid kristalle, mis näevad välja nagu metall. Kuid erinevalt metallist ei juhi nad elektrit: kõik nende elektronid on seotud võimsate kovalentsete sidemetega ega saa liikuda. Kõik aga muutub, kui lisada neile veidi doonorlisandit ainest, mille välistasandil on viis elektroni (fosfor või arseen). Neli elektroni astuvad räniga sidemesse ja üks jääb vabaks. Doonorlisandiga (n-tüüpi) räni on hea juht. Kui lisada ränile välistasandil kolme elektroniga ainest pärit aktseptorlisandi (boor, indium), tekivad sarnaselt “augud”, positiivse laengu virtuaalne analoog. Sel juhul räägime p-tüüpi pooljuhist. Ühendades p- ja n-tüüpi juhte, saame dioodi - pooljuhtseadise, mis läbib voolu ainult ühes suunas. P-n-p kombinatsioon või n-p-n annab meile transistori - vool läbib seda ainult siis, kui keskjuhile on rakendatud teatud pinge.

Valguse difraktsioon teeb selles protsessis omad kohandused: maski auke läbiv kiir murdub veidi ja ühe punkti asemel paljastub rida kontsentrilisi ringe, justkui basseini visatud kivist. Õnneks on difraktsioon pöördvõrdeline lainepikkusega, mida insenerid kasutavad ultraviolettvalgusega lainepikkusel 195 nm. Miks mitte isegi vähem? Lihtsalt lühemat lainet koonduv lääts ei murdu, kiired lähevad läbi fokuseerimata. Samuti on võimatu suurendada objektiivi kogumisvõimet - sfääriline aberratsioon ei võimalda: iga kiir läbib oma punktis optilist telge, häirides fookust.

Maksimaalne fotolitograafia abil kuvatav kontuurilaius on 70 nm. Kõrgema eraldusvõimega kiibid prinditakse mitmes etapis: rakendatakse 70 nm piirjooned, vooluring söövitatakse ja järgmine osa eksponeeritakse läbi uue maski.

Praegu on väljatöötamisel sügav ultraviolettfotolitograafia tehnoloogia, mis kasutab valgust äärmusliku lainepikkusega umbes 13,5 nm. Tehnoloogia hõlmab vaakum- ja mitmekihiliste peeglite kasutamist, mille peegeldus põhineb kihtidevahelisel interferentsil. Mask ei ole ka poolläbipaistev, vaid peegeldav element. Peeglitel puudub murdumisnähtus, mistõttu nad võivad töötada mis tahes lainepikkusega valgusega. Kuid praegu on see vaid kontseptsioon, mida võidakse tulevikus kasutada.

Kuidas protsessoreid tänapäeval tehakse

Täiuslikult poleeritud ümmargune 30 cm läbimõõduga ränivahv on kaetud õhukese fotoresisti kihiga. Tsentrifugaaljõud aitab fotoresisti ühtlaselt jaotada.

Tulevane vooluahel eksponeeritakse fotoresistiga läbi maski. Seda protsessi korratakse mitu korda, sest ühelt plaadilt saadakse palju kiipe.

Ultraviolettkiirgusega kokku puutunud fotoresisti osa muutub lahustuvaks ja seda saab kergesti kemikaalidega eemaldada.

Räniplaadi piirkonnad, mis ei ole fotoresistiga kaitstud, allutatakse keemilisele söövitamisele. Nende asemele moodustuvad lohud.

Plaadile kantakse uuesti fotoresisti kiht. Seekord paljastab kokkupuude ioonidega pommitavad alad.

Elektrivälja mõjul kiirendatakse lisandite ioonid kiiruseni üle 300 000 km/h ja tungivad läbi räni, andes sellele pooljuhi omadused.

Pärast fotoresisti jääkide eemaldamist jäävad valmis transistorid plaadile. Peal kantakse dielektriline kiht, millesse söövitatakse sama tehnoloogia abil kontaktide jaoks augud.

Plaat asetatakse vasksulfaadi lahusesse ja sellele kantakse elektrolüüsi teel juhtiv kiht. Seejärel eemaldatakse lihvimisega kogu kiht ja aukudesse jäävad kontaktid.

Kontaktid on ühendatud metallist "juhtmete" mitmekorruselise võrguga. "Korruste" arv võib olla kuni 20 ja üldist elektriskeemi nimetatakse protsessori arhitektuuriks.

Alles nüüd on plaat paljude sisse saetud üksikud kiibid. Iga "kristall" on testitud ja alles seejärel paigaldatud kontaktidega tahvlile ja kaetud hõbedase radiaatorikorgiga.

13 000 telerit

Elektrolitograafiat peetakse fotolitograafia alternatiiviks, kui see puutub kokku mitte valguse, vaid elektronide ja mitte foto-, vaid elektroresistiga. Elektronkiirt on lihtne fokuseerida minimaalse suurusega punktini, kuni 1 nm. Tehnoloogia meenutab televisiooni elektronkiiretoru: fokuseeritud elektronide voog suunatakse juhtpoolide abil kõrvale, joonistades kujutise räniplaadile.

Kuni viimase ajani ei suutnud see tehnoloogia oma väikese kiiruse tõttu traditsioonilise meetodiga konkureerida. Selleks, et elektroresist reageeriks kiiritamisele, peab see vastu võtma teatud arvu elektrone pindalaühiku kohta, nii et üks kiir võib paljastada parimal juhul 1 cm2 / h. See on vastuvõetav üksikute laborite tellimuste puhul, kuid ei kehti tööstuses.

Kahjuks on probleemi lahendamine kiire energia suurendamisega võimatu: nagu laengud tõrjuvad üksteist, nii et voolu kasvades muutub elektronkiir laiemaks. Kuid saate kiirte arvu suurendada, paljastades korraga mitu tsooni. Ja kui mitu on 13 000, nagu Mapperi tehnoloogias, siis on arvutuste kohaselt juba võimalik trükkida kümme täisväärtuslikku kiipi tunnis.

Loomulikult oleks võimatu ühendada ühte seadmesse 13 000 elektronkiiretoru. Mapperi puhul suunatakse allikast tulev kiirgus kollimaatori läätsele, mis moodustab laia paralleelse elektronkiire. Selle teele jääb avamaatriks, mis muudab selle 13 000 üksikuks kiireks. Talad läbivad blanker-maatriksi, 13 000 auguga räniplaadi. Kõigi nende lähedal on kõrvalekalduv elektrood. Kui sellele rakendatakse voolu, lähevad elektronid oma august mööda ja üks 13 000 kiirest lülitub välja.

Pärast blankeritest möödumist suunatakse talad deflektorite maatriksile, millest igaüks suudab oma kiirt plaadi liikumise suhtes paar mikronit paremale või vasakule kallutada (seega meenutab Mapper ikkagi 13 000 kineskoopi). Lõpuks fokusseeritakse iga kiir lisaks oma mikroläätsega, misjärel see suunatakse elektroresistile. Tänaseks kaardistamise tehnoloogia testiti Prantsusmaa mikroelektroonika uurimisinstituudis CEA-Leti ja TSMC-s, mis toodab mikroprotsessoreid juhtivatele turuosalistele (sh. Apple iPhone 6S). Süsteemi põhikomponendid, sealhulgas ränielektroonilised läätsed, toodetakse Moskva tehases.

Mapperi tehnoloogia tõotab uusi väljavaateid mitte ainult uurimislaboritele ja väikesemahulistele (sh sõjalistele) tööstustele, vaid ka suurtele tegijatele. Praegu tuleb uute protsessorite prototüüpide testimiseks teha täpselt samasuguseid fotomaske, mis masstootmise puhul. Suhteliselt kiire vooluahela prototüüpide loomise võimalus mitte ainult ei vähenda arenduskulusid, vaid ka kiirendab selle valdkonna arengut. Mis on lõppkokkuvõttes kasulik elektroonika massitarbijale ehk meile kõigile.

Meie digitaalse elustiili juured tulenevad kindlasti pooljuhtidest, mis on võimaldanud luua keerukaid transistoripõhiseid arvutuskiipe. Nad salvestavad ja töötlevad andmeid, mis on tänapäevaste mikroprotsessorite aluseks. Tänapäeval on liivast valmistatud pooljuhid võtmekomponent peaaegu iga elektrooniline seade, arvutitest sülearvutiteni ja Mobiiltelefonid. Ka autod ei saa nüüd hakkama ilma pooljuhtide ja elektroonikata, sest pooljuhid juhivad kliimasüsteemi, kütuse sissepritseprotsessi, süüdet, katuseluuki, peegleid ja isegi rooli (BMW Active Steering). Tänapäeval on peaaegu kõik energiat tarbivad seadmed ehitatud pooljuhtidele.

Mikroprotsessorid kuuluvad kahtlemata kõige keerulisemate pooljuhttoodete hulka, sest peagi jõuab transistoride arv miljardini ning funktsionaalsuse ulatus on juba täna hämmastav. Peaaegu valmis 45 nm Inteli protsessil ilmuvad peagi kahetuumalised Core 2 protsessorid, mis sisaldavad juba 410 miljonit transistorit (kuigi enamikku neist kasutatakse 6 MB L2 vahemälu jaoks). 45 nm protsess on oma nime saanud ühe transistori suuruse järgi, mis on praegu ligikaudu 1000 korda väiksem kui juuksekarva läbimõõt. Mingil määral hakkabki elektroonika meie elus kõike valitsema: isegi kui transistori mõõtmed olid suuremad, oli väga odav toota mitte eriti keerulisi mikroskeeme, transistoride eelarve oli üsna suur.

Meie artiklis vaatleme mikroprotsessorite valmistamise põhitõdesid, aga puudutame ka protsessorite ajalugu, arhitektuuri ja kaalume erinevaid tooteid Turul. Internetist leiate palju huvitav info, millest mõned on loetletud allpool.

• Wikipedia: mikroprotsessor. Selles artiklis käsitletakse erinevat tüüpi protsessoreid ja antakse linke tootjatele ja lisalehti Protsessoritele pühendatud Wiki.
• Wikipedia: mikroprotsessorid (kategooria). Veelgi rohkem linke ja teavet leiate mikroprotsessori jaotisest.

PC-konkurendid: AMD ja Intel

1969. aastal asutatud Advanced Micro Devices Inc. peakorter asub Californias Sunnyvale'is, samas kui vaid aasta varem asutatud Inteli süda asub mõne miili kaugusel Santa Claras. AMD-l on täna kaks tehast: Austinis (Texas, USA) ja Dresdenis (Saksamaa). Uus tehas hakkab varsti tööle. Lisaks on AMD ühendanud jõud IBM-iga protsessorite tehnoloogia ja tootmise arendamisel. Loomulikult on see kõik vaid murdosa Inteli suurusest, kuna turuliidril on täna ligi 20 tehast üheksas kohas. Ligikaudu pooled neist kasutatakse mikroprotsessorite tootmiseks. Nii et kui võrdlete AMD-d ja Inteli, pidage meeles, et võrdlete Taavetit ja Koljatit.

Intelil on vaieldamatu eelis tohutu tootmisvõimsuse näol. Jah, ettevõte on täna arenenud tehnoloogiliste protsesside rakendamisel liider. Intel on selles osas AMD-st umbes aasta võrra ees. Selle tulemusena saab Intel seda oma protsessorites kasutada rohkem transistorid ja suurem maht vahemälu. AMD peab erinevalt Intelist tehnilist protsessi võimalikult efektiivselt optimeerima, et konkurendiga sammu pidada ja korralikke protsessoreid toota. Loomulikult on protsessorite disain ja nende arhitektuur väga erinevad, kuid tehniline tootmisprotsess on üles ehitatud samadele aluspõhimõtetele. Kuigi loomulikult on selles palju erinevusi.

Mikroprotsessorite tootmine

Mikroprotsessorite tootmine koosneb kahest olulisest etapist. Esimene on substraadi tootmine, mida AMD ja Intel teevad oma tehastes. See hõlmab aluspinnale juhtivate omaduste andmist. Teine etapp on substraatide testimine, protsessori kokkupanek ja pakendamine. Viimane operatsioon tehakse tavaliselt vähemaga kallid riigid. Kui vaatate Inteli protsessoreid, siis leiate, et pakend on valmistatud Costa Ricas, Malaisias, Filipiinidel jne.

AMD ja Intel üritavad täna tooteid välja anda maksimaalne arv turusegmentides, pealegi minimaalse võimaliku kristallide sortimendi alusel. Ideaalne näide on Intel Core 2 Duo protsessorite sari. Siin on kolm protsessorit, koodnimega erinevate turgude jaoks: Merom for mobiilirakendused, Conroe- töölaua versioon, Woodcrest - serveri versioon. Kõik kolm protsessorit on ehitatud samale tehnoloogilisele alusele, mis võimaldab tootjal teha otsuseid tootmise viimastes etappides. Funktsioone saab lubada või keelata ning praegune taktsagedus annab Intelile suurepärase kiibi tootlikkuse määra. Kui nõudlus mobiilsete protsessorite järele turul suureneb, võib Intel keskenduda Socket 479 mudelite väljalaskmisele. lauaarvuti mudelid, siis ettevõte testib, valideerib ja pakendab stantse Socket 775 jaoks, serveriprotsessoreid aga Socket 771 jaoks. Nii luuakse isegi neljatuumalisi protsessoreid: ühte paketti paigaldatakse kaks kahetuumalist stantsi, nii et saame neli südamikku.

Kuidas krõpse valmistatakse

Laastude tootmine seisneb keerulise "mustriga" õhukeste kihtide pealekandmises ränisubstraatidele. Esiteks luuakse isolatsioonikiht, mis toimib elektrilise aknaluugina. Seejärel kantakse peal fotoresistmaterjal ja soovimatud alad eemaldatakse maskide ja suure intensiivsusega kiiritusega. Kui kiiritatud alad eemaldatakse, avanevad nende all ränidioksiidi alad, mis eemaldatakse söövitamise teel. Peale seda eemaldatakse ka fotoresistiivne materjal ja saame ränipinnale kindla struktuuri. Seejärel viiakse läbi täiendavaid fotolitograafiaprotsesse erinevate materjalidega, kuni saadakse soovitud ruumiline struktuur. Iga kihti saab legeerida teatud aine või ioonidega, muutes elektrilisi omadusi. Igasse kihti luuakse aknad, et seejärel tuua metallühendused.

Mis puudutab substraatide tootmist, siis tuleb need ühest ühekristall-silindrist õhukesteks "pannkookideks" lõigata, et neid hiljem hõlpsasti eraldi protsessorikristallideks lõigata. Kvaliteedi hindamiseks viiakse igal tootmisetapil läbi keerulisi katseid. Iga substraadil oleva kiibi testimiseks kasutatakse elektrilisi sonde. Lõpuks lõigatakse substraat üksikuteks südamikeks, mittetöötavad südamikud eemaldatakse koheselt. Sõltuvalt omadustest saab tuum üheks või teiseks protsessoriks ja see on suletud pakendisse, mis hõlbustab protsessori paigaldamist emaplaadile. Kõik funktsionaalsed plokid läbivad intensiivse stressitesti.

Kõik algab padjakestest

Protsessori valmistamise esimene samm tehakse puhtas ruumis. Muide, on oluline märkida, et selline tehnoloogiline tootmine on tohutu kapitali kogumine ruutmeeter. Kaasaegse tehase ehitamine koos kõigi seadmetega "lendab" kergesti 2-3 miljardit dollarit ja uute tehnoloogiate katsetamiseks kulub mitu kuud. Alles siis saab tehas töötlejaid masstootma.

Üldiselt koosneb kiibi valmistamise protsess mitmest substraadi töötlemise etapist. See hõlmab substraatide endi loomist, mis lõpuks lõigatakse üksikuteks kristallideks.

Kõik algab monokristalli kasvatamisest, mille idukristall on asetatud sularäni vanni, mis asub polükristallilise räni sulamistemperatuurist veidi kõrgemal. Selle tagamiseks on oluline, et kristallid kasvaksid aeglaselt (umbes päev). õige asukoht aatomid. Polükristalliline või amorfne räni koosneb paljudest erinevatest kristallidest, mille tulemuseks on halbade elektriliste omadustega soovimatud pinnastruktuurid. Kui räni on sulanud, saab seda legeerida teiste ainetega, mis muudavad selle elektrilisi omadusi. Kogu protsess toimub suletud ruumis, kus on spetsiaalne õhukompositsioon, et räni ei oksüdeeruks.

Monokristall lõigatakse "pannkookideks" kasutades ketassae, mis on väga täpne ja ei tekita aluspindadele suuri ebatasasusi. Loomulikult ei ole sel juhul aluspindade pind ikka veel täiesti tasane, mistõttu on vaja täiendavaid toiminguid.

Esiteks, kasutades pöörlevaid terasplaate ja abrasiivset materjali (nt alumiiniumoksiidi), eemaldatakse aluspinnalt paks kiht (seda nimetatakse lappimiseks). Selle tulemusena kõrvaldatakse ebakorrapärasused suurusega 0,05 mm kuni ligikaudu 0,002 mm (2000 nm). Seejärel tuleks iga aluspinna servad ümardada, kuna teravad servad võivad põhjustada kihtide mahakoorumist. Järgmisena kasutatakse söövitusprotsessi, erinevate kemikaalide (vesinikfluoriidhape, äädikhape, lämmastikhape) kasutamisel silutakse pinda veel 50 mikroni võrra. Pinna füüsikalist riknemist ei toimu, kuna kogu protsess on täielikult keemiline. See võimaldab eemaldada kristallstruktuuris allesjäänud vead, mille tulemusena on pind ideaalilähedane.

Viimaseks sammuks on poleerimine, mis silub pinna kuni kareduseni, maksimaalselt 3 nm. Poleerimine toimub naatriumhüdroksiidi ja granuleeritud ränidioksiidi seguga.

Tänapäeval on mikroprotsessoriplaatide läbimõõt 200 või 300 mm, mis võimaldab kiibitootjatel saada igast vahvlist palju protsessoreid. Järgmine samm on 450 mm aluspinnad, kuid enne 2013. aastat ei tohiks neid oodata. Üldiselt, mida suurem on substraadi läbimõõt, seda rohkem saab toota sama suurusega laaste. Näiteks 300 mm vahvel annab rohkem kui kaks korda rohkem protsessoreid kui 200 mm vahvel.

Oleme juba maininud dopingut, mis viiakse läbi monokristalli kasvu ajal. Kuid dopingut tehakse nii valmis substraadiga kui ka hiljem fotolitograafia protsesside käigus. See võimaldab muuta teatud alade ja kihtide elektrilisi omadusi, mitte aga kogu kristalli struktuuri.

Lisandi lisamine võib toimuda difusiooni teel. Lisandiaatomid täidavad vaba ruumi kristallvõre sees, ränistruktuuride vahel. Mõnel juhul võib olemasolevat konstruktsiooni ka legeerida. Difusioon viiakse läbi gaaside (lämmastik ja argoon) või tahkete ainete või muude lisandiallikate abil.

Teine lähenemisviis dopingule on ioonide implanteerimine, mis on väga kasulik legeeritud substraadi omaduste muutmisel, kuna ioonide implanteerimine toimub tavalisel temperatuuril. Seetõttu olemasolevad lisandid ei haju. Aluspinnale saab kanda maski, mis võimaldab töödelda ainult teatud piirkondi. Muidugi võib ioonide implanteerimisest rääkida pikalt ja arutleda läbitungimissügavuse, lisandi aktiveerimise üle kl. kõrge temperatuur, kanaliefektid, tungimine oksiiditasemetesse jne, kuid see ei kuulu meie artikli ulatusse. Protseduuri saab tootmise ajal mitu korda korrata.

Integraallülituse sektsioonide loomiseks kasutatakse fotolitograafia protsessi. Kuna sel juhul ei ole vaja kiiritada kogu substraadi pinda, on oluline kasutada nn maske, mis edastavad kõrge intensiivsusega kiirgust ainult teatud piirkondadesse. Maske võib võrrelda mustvalge negatiiviga. Integraallülitustel on palju kihte (20 või enam) ja igaüks neist nõuab oma maski.

Mustri loomiseks kantakse kvartsklaasplaadi pinnale õhuke kroomkile struktuur. Samal ajal kirjutavad kallid tööriistad elektronkiirt või laserit kasutavad integraallülituse vajalikud andmed, mille tulemusena saame kvartssubstraadi pinnale kroomi mustri. Oluline on mõista, et iga integraallülituse modifikatsioon toob kaasa vajaduse toota uusi maske, mistõttu on kogu muudatuste tegemise protsess väga kulukas. Väga jaoks keerulised skeemid maske luuakse väga pikka aega.

Fotolitograafia abil moodustatakse ränisubstraadile struktuur. Protsessi korratakse mitu korda, kuni tekib palju kihte (üle 20). Kihid võivad olla erinevad materjalid, pealegi tuleb läbi mõelda ka ühendused mikroskoopiliste juhtmetega. Kõik kihid võivad olla legeeritud.

Enne fotolitograafiaprotsessi algust substraat puhastatakse ja kuumutatakse, et eemaldada kleepuvad osakesed ja vesi. Seejärel substraat koos spetsiaalne seade kaetud ränidioksiidiga. Järgmisena kantakse aluspinnale sideaine, mis tagab, et järgmises etapis kantav fotoresistmaterjal jääb aluspinnale. Fotoresistmaterjal kantakse substraadi keskele, mis seejärel hakkab koos pöörlema suur kiirus nii, et kiht jaotub ühtlaselt kogu aluspinna pinnale. Seejärel soojendatakse substraati uuesti.

Seejärel kiiritatakse katet läbi maski kvantlaseriga, kõva ultraviolettkiirgusega, röntgeni-, elektron- või ioonkiirtega – kõiki neid valgus- või energiaallikaid saab kasutada. Elektronkiire kasutatakse peamiselt maskide, röntgeni- ja ioonkiirte jaoks teadusuuringute eesmärgil ning tööstuslikus tootmises domineerivad tänapäeval kõva UV-kiirgus ja gaaslaserid.

Kõva UV-kiirgus lainepikkusel 13,5 nm kiiritab fotoresistmaterjali, kui see läbib maski.

Projektsiooniaeg ja fookus on soovitud tulemuse saavutamiseks väga olulised. Halb teravustamine põhjustab fotoresisti materjali lisaosakesi, kuna mõned maski augud ei kiirita korralikult. Sama juhtub ka siis, kui projitseerimisaeg on liiga lühike. Siis jääb fotoresisti struktuur liiga laiaks, aukude all olevad alad on alasäritatud. Teisest küljest tekitab liigne projektsiooniaeg aukude alla liiga suuri alasid ja liiga kitsa fotoresisti struktuuri. Reeglina on see väga aeganõudev ning protsessi kohandamine ja optimeerimine keeruline. Ebaõnnestunud reguleerimine põhjustab ühendusjuhtmetes tõsiseid kõrvalekaldeid.

Spetsiaalne stepperprojektsiooniüksus liigutab substraadi sisse soovitud asend. Seejärel saab projitseerida rida või ühte sektsiooni, mis enamasti vastab ühele protsessorikiibile. Täiendavad mikroseaded võivad kaasa aidata täiendavad muudatused. Nad saavad olemasolevat tehnoloogiat siluda ja protsessi optimeerida. Mikropaigaldised töötavad tavaliselt aladel, mis on väiksemad kui 1 ruutmeetrit. mm, samas kui tavapärased paigaldised hõlmavad suuremaid alasid.

Siis substraat läheb uus etapp, kus nõrgestatud fotoresisti materjal eemaldatakse, võimaldades juurdepääsu ränidioksiidile. On olemas märg- ja kuivsöövitusprotsesse, mis töötlevad ränidioksiidi piirkondi. Märgprotsessides kasutatakse keemilisi ühendeid, kuivprotsessides aga gaasi. Eraldi protsess on fotoresisti materjali jäänuste eemaldamine. Tootjad kombineerivad sageli märg- ja kuiveemaldust, nii et fotoresisti materjal eemaldatakse täielikult. See on oluline, kuna fotoresisti materjal on orgaaniline ja eemaldamata jätmisel võib see põhjustada aluspinnas defekte. Pärast söövitamist ja puhastamist võite jätkata substraadi kontrollimist, mis tavaliselt toimub igal olulisel etapil, või viia substraadi uude fotolitograafia tsüklisse.

Substraadi katsetamine, kokkupanek, pakendamine

Valmis substraate testitakse niinimetatud sondi juhtseadmetel. Nad töötavad kogu substraadiga. Sondi kontaktid on asetatud iga kristalli kontaktidele, võimaldades läbi viia elektrilisi katseid. Kasutades tarkvara testitakse iga tuuma kõiki funktsioone.

Substraadist lõigates saab üksikuid tuumasid. Hetkel on sondi juhtimispaigaldised juba tuvastanud, millised kristallid sisaldavad vigu, nii et pärast lõikamist saab need headest eraldada. Varem olid kahjustatud kristallid füüsiliselt märgistatud, nüüd pole see vajalik, kogu teave on salvestatud ühte andmebaasi.

Kristalli kinnitus

Seejärel tuleb funktsionaalne südamik liimimaterjali abil liimida protsessoripaketiga.

Seejärel peate tegema juhtmeühendused, mis ühendavad pakendi kontakte või jalgu ja kristalli ennast. Kasutada võib kullast, alumiiniumist või vasest ühendusi.

Enamik kaasaegseid protsessoreid kasutab soojusjaoturiga plastpakendeid.

Tavaliselt on südamik kahjustuste vältimiseks ümbritsetud keraamilisest või plastpakendist. Kaasaegsed protsessorid on varustatud nn soojusjaoturiga, mis annab lisakaitse kristall, samuti suur kontaktpind jahutiga.

Protsessori testimine

Viimane etapp hõlmab protsessori testimist, mis juhtub siis, kui kõrgendatud temperatuurid, vastavalt protsessori spetsifikatsioonidele. Protsessor paigaldatakse automaatselt testpesasse, mille järel analüüsitakse kõiki vajalikke funktsioone.

Kõik hoidsid käes tavalist mikroprotsessorit, kuid vaevalt tuli kellelegi pähe seda lõigata ja skaneeriva elektronmikroskoobi all uurida. Just seda tegi Rootsi õpetaja Kristian Storm, et mikrokiibiseadet õpilastele demonstreerida. Fotod on lihtsalt hämmastavad: kvaliteet võimaldab näha protsessori üksikuid kihte. Ilmselt kasutasid Nõukogude insenerid, kes Lääne arendusi lahti võtsid ja kopeerisid, ligikaudu sama protseduuri. Ligikaudu sama tehakse praegu ka konkurentide toodete uurimiseks.

Kõik fotod on klõpsatavad ja saadaval kõrge eraldusvõimega.

Christian Storm kasutas P-III protsessorit. Alustuseks oli vaja mikrolülitus ise otse eemaldada plastikust korpusest (sinine), mis asub trükkplaadi keskel (roheline).

Nagu näete trükkplaadi tagaküljel, on see vajalik kontaktide väljastamiseks mikroprotsessorist - protsessori igalt kontaktilt edastatakse signaal plaadil olevale eraldi kontaktile.

Alguses arvas Christian, et suudab mikroprotsessori soojusega eraldada, kuid peale halva lõhna ei saanud. Siis pidin kasutama toores jõud ja lõigake vastav osa välja. Tangide ja skalpelli abil tõmbas ta kiibi välja, vigastades seda selle käigus kergelt (samas kavatses Christian juba tulistamiseks protsessorit lõhkuda).

Selle tulemusena juhtus järgmine. Mikroskeemi tagaküljel katkise sinise korpuse all on näha mikroskeemi kontaktid. Varem olid need ühendatud tahvli tihvtidega.

Siin on plastikust puhastatud kiip.

Nüüd algab lõbu: mängu tuleb mikroskoop. Esiteks tavaline optika. Mikroskoobi all vaatleme samade kontaktidega mikroprotsessori fragmenti.

Kui vaatate lähemalt, näete tihvtide aukude sees olevat struktuuri.

Protsessor koosneb paljudest üksteise peal asuvatest metallikihtidest, need on läbi tihvtide aukude hästi näha.

Mikroskoobi fookust muutes saate neid kihte omakorda uurida. Siin on pealmine kiht.

keskmine kiht.

Ja alumine kiht.

Kuna optiline mikroskoop ei anna vajalikke detaile, otsustas Christian kasutada skaneerivat elektronmikroskoopi. Protsessori sisemuste nägemiseks murdis ta selle tükkideks ja asus katkiseid kohti uurima. Allpool näete järjestikuste fotode seeriat järk-järgult suureneva eraldusvõimega.

Kiip on tagurpidi, nii et peal on rida tihvte, mis olid eelnevalt trükkplaadi külge kinnitatud. Esialgu pole midagi erilist näha. Kerge materjal kontaktide vahel on nähtavasti mingi polümeer ruumi täitmiseks.

Edasisel suurendusel on kihid juba selgelt nähtavad. Saate isegi nende arvu kokku lugeda: kuus.

Alumise metallikihi paksus on ligikaudu 200-250 nm. P-III protsessor valmistati 250nm ja hiljem 180nm, seega on see alumine kiht viimane transistoridega kiht, edasine lähendamine uusi elemente ei näita.

Siit saate teada, milline näeb pilt välja, kui seda täiustatakse.

Viimane foto on tehtud samas mõõtkavas, ainult ülevalt. Ühest kohast murdus keha kogemata ära, nii et ta paljastus sisemine struktuur.

Üksteise peal on mitu metallikihti, kuid Christian ei saanud kiht-kihilt fotosid teha ja otse transistorideni (alumine kiht) pääseda, sest ta ei tea, kuidas kiibilt kihte ettevaatlikult eemaldada.

Kaasaegsed mikroprotsessorid on maailma kiireimad ja nutikaimad mikroskeemid. Need suudavad sooritada kuni 4 miljardit toimingut sekundis ja on toodetud paljude erinevate tehnoloogiate abil. Alates 1990. aastate algusest, mil protsessorid massikasutusse läksid, on need läbinud mitu arenguetappi. Mikroprotsessorite struktuuride arendamise apogeeks, kasutades olemasolevaid 6. põlvkonna mikroprotsessorite tehnoloogiaid, peetakse 2002. aastat, mil sellest sai taskukohane kasutamine kõik räni peamised omadused, et saada kõrgeid sagedusi kõige väiksemate kadudega loogikaahelate tootmisel ja loomisel. Nüüd on uute protsessorite efektiivsus vaatamata kristallide sageduse pidevale tõusule mõnevõrra langemas, kuna ränitehnoloogiad lähenevad oma võimaluste piirile.

Mikroprotsessor on väikesele ränikiibile moodustatud integraallülitus. Räni kasutatakse mikroskeemides tänu sellele, et sellel on pooljuhtomadused: selle elektrijuhtivus on suurem kui dielektrikutel, kuid väiksem kui metallidel. Ränist saab teha nii isolaatori, mis takistab elektrilaengute liikumist, kui ka juhi – siis lähevad elektrilaengud sellest vabalt läbi. Pooljuhtide juhtivust saab kontrollida lisandite sisseviimisega.

Mikroprotsessor sisaldab miljoneid transistore, mis on omavahel ühendatud kõige õhemate alumiiniumist või vasest juhtmetega ja mida kasutatakse andmetöötluseks. Nii need moodustuvad siserehvid. Selle tulemusena täidab mikroprotsessor paljusid funktsioone - alates matemaatilistest ja loogilisi tehteid teiste mikroskeemide ja kogu arvuti töö juhtimiseks.

Protsessori üks peamisi parameetreid on kristalli sagedus, mis määrab toimingute arvu ajaühikus, töösageduse süsteemisiin, sisemise SRAM-i vahemälu maht. Protsessorit tähistab kristalli sagedus. Kristalli sageduse määrab transistoride suletud asendist avatud olekusse lülitamise kiirus. Transistori kiirema ümberlülitusvõime määrab räniplaatide valmistamise tehnoloogia, millest kiibid on valmistatud. Tootmisprotsess määrab transistori mõõtmed (selle paksuse ja värava pikkuse). Näiteks 2004. aasta alguses kasutusele võetud 90 nm protsessi kasutades on transistori suurus 90 nm ja värava pikkus 50 nm.

Kõik kaasaegsed protsessorid kasutavad väljatransistore. Üleminek uuele protsessitehnoloogiale võimaldab teil luua suurema lülitussagedusega, väiksema lekkevooluga transistore, väiksemad suurused. Suuruse vähendamine vähendab samaaegselt kiibi pindala ja seega ka soojuse hajumist ning õhem värav võimaldab lülitamiseks kasutada vähem pinget, mis vähendab ka energiatarbimist ja soojuse hajumist.

Tehnoloogia ja turg

Nüüd on turul näha huvitav trend: ühelt poolt püüavad tootmisettevõtted oma uutesse toodetesse võimalikult kiiresti uusi tehnilisi protsesse ja tehnoloogiaid juurutada, teisalt aga kunstlikult piiratakse protsessorite kasvu. sagedused. Esiteks tunnevad turundajad, et turg ei ole veel täielikult valmis järgmiseks protsessoriperede muudatuseks ning ettevõtted pole hetkel toodetud protsessorite müügimahust veel piisavalt kasumit saanud – varud pole veel kokku kuivanud. Üsna märgatav on valmistoote hinna olulisuse ülekaal kõigi teiste ettevõtete huvide ees. Teiseks on "sagedusvõistluse" tempo märkimisväärne vähenemine seotud arusaamaga vajadusest võtta kasutusele uusi tehnoloogiaid, mis tõesti tõstavad tootlikkust minimaalsete tehnoloogiliste kuludega. Nagu juba märgitud, on tootjatel uutele tehnilistele protsessidele üleminekul tekkinud probleeme.

Tehnoloogiline norm 90 nm osutus paljudele kiibitootjatele üsna tõsiseks tehnoloogiliseks barjääriks. Seda kinnitab ka TSMC, kes toodab kiipe paljudele turugigantidele nagu AMD, nVidia, ATI, VIA. Ta ei suutnud pikka aega luua kiipide tootmist 0,09 mikroni tehnoloogiaga, mis tõi kaasa sobivate kristallide madala saagise. See on üks põhjusi, miks AMD pikka aega lükkas edasi oma SOI (Silicon-on-Isolator) tehnoloogiaga protsessorite väljalaskmist. Viivitused on tingitud sellest, et just sellel elementide dimensioonil hakkasid tugevalt avalduma kõikvõimalikud varem mitte nii märgatavad negatiivsed tegurid: lekkevoolud, parameetrite suur levik ja soojuse tekke eksponentsiaalne kasv. Mõtleme selle järjekorras välja.

Nagu teate, on kaks lekkevoolu: värava lekkevool ja alamlävi leke. Esimene on põhjustatud elektronide spontaansest liikumisest kanali ränisubstraadi ja polüsilikoonvärava vahel. Teine on elektronide spontaanne liikumine transistori allikast äravoolu. Mõlemad efektid põhjustavad tõsiasja, et transistori voolude juhtimiseks on vaja toitepinget tõsta ja see mõjutab negatiivselt soojuse hajumist. Seega vähendame transistori suurust ennekõike selle väravat ja ränidioksiidi (SiO2) kihti, mis on loomulik barjäär värava ja kanali vahel. Ühelt poolt parandab see transistori kiirust (lülitusaega), teisalt aga suurendab leket. See tähendab, et see osutub omamoodi nõiaringiks. Nii et üleminek 90 nm on järjekordne dioksiidikihi paksuse vähenemine ja samal ajal lekete suurenemine. Võitlus lekke vastu on jällegi juhtpinge suurendamine ja vastavalt soojuse tootmise märkimisväärne suurenemine. Kõik see viis mikroprotsessorite turule konkurentide - Inteli ja AMD - uue tehnilise protsessi kasutuselevõtu viivituseni.

Üks alternatiiv on kasutada SOI (silicon on insulator) tehnoloogiat, mille AMD on hiljuti oma 64-bitistes protsessorites juurutanud. Kuid see maksis talle palju pingutusi ja suure hulga juhuslike raskuste ületamist. Kuid tehnoloogia ise pakub tohutul hulgal eeliseid suhteliselt väikese arvu puudustega. Tehnoloogia olemus on üldiselt üsna loogiline - transistor eraldatakse ränisubstraadist teise õhukese isolaatorikihiga. Plussid - kaal. Ei mingit kontrollimatut elektronide liikumist transistori kanali all, mõjutades selle elektrilisi omadusi - seekord. Pärast avamisvoolu rakendamist paisule väheneb kanali ionisatsiooniaeg tööolekusse (kuni töövool seda läbib), see tähendab, et teise võtmetransistori jõudlusparameeter paraneb, selle sisse- / väljalülitusaeg on kaks. Või saate samal kiirusel lihtsalt lukustusvoolu alandada - see on kolm. Või leidke mingi kompromiss töökiiruse suurendamise ja pinge vähendamise vahel. Säilitades sama lukustusvoolu, võib transistori jõudluse kasv olla kuni 30%, kui jätta sagedus samaks, pannes rõhku energiasäästule, võib pluss olla veelgi suurem - kuni 50%. Lõpuks muutuvad kanali omadused prognoositavamaks ja transistor ise vastupidavamaks juhuslikele vigadele, nagu need, mis on põhjustatud kosmilistest osakestest, mis sisenevad kanali substraati ja ioniseerivad selle ootamatult. Nüüd, sattudes isolaatorikihi all asuvasse substraati, ei mõjuta need kuidagi transistori tööd. SOI ainus puudus on see, et peate vähendama emitteri/kollektori piirkonna sügavust, mis mõjutab otseselt ja otseselt selle takistuse suurenemist, kui paksus väheneb.

Ja lõpuks kolmas põhjus, mis sageduse kasvu aeglustumisele kaasa aitas, on konkurentide madal aktiivsus turul. Võib öelda, et igaüks tegeles oma asjadega. AMD tegeles 64-bitiste protsessorite laialdase kasutuselevõtuga, Inteli jaoks oli see periood uue tehnilise protsessi täiustamiseks, silumiseks sobivate kristallide suurendamiseks.

Alanud aasta peaks meile tooma palju uudiseid tehnoloogia vallast, sest sel aastal peaksid mõlemad ettevõtted üle minema 90 nm tehnoloogia standarditele. Kuid see ei tähenda sugugi uut kiiret protsessorite sageduste tõusu, pigem vastupidi. Algul valitseb turul tuulevaikus: konkurendid hakkavad tootma uutel tehnilistel protsessidel põhinevaid, kuid vanade sagedustega protsessoreid. Kui tootmisprotsess on omandatud, algab kiipide sageduse mõningane tõus. Tõenäoliselt pole see nii märgatav kui varem. 2004. aasta lõpuks, kui 90 nm kiibi tootlikkus märkimisväärselt suureneb, Intel loodab 4 GHz või isegi enama tipu vallutamist. AMD protsessoritega on kaasas mõningane traditsiooniline sagedusviivitus, mis üldiselt ei mõjuta jõudlust nii palju kui mikroarhitektuuri funktsioone.

Seega on vajadus minna üle uutele tehnilistele protsessidele, kuid see antakse tehnoloogidele iga kord suurte raskustega. Esimesed Pentiumi mikroprotsessorid (1993) toodeti 0,8 mikroni protsessitehnoloogia järgi, seejärel 0,6 mikronit. 1995. aastal kasutati 6. põlvkonna protsessorite puhul esimest korda 0,35 mikronit protsessitehnoloogiat. 1997. aastal muutus see 0,25 mikroniks ja 1999. aastal 0,18 mikroniks. Tänapäevased protsessorid on valmistatud 0,13 ja 0,09 mikroni tehnoloogiate abil, viimane võeti kasutusele 2004. aastal. Nagu näete, järgitakse nende tehniliste protsesside puhul Moore'i seadust, mis ütleb, et iga kahe aasta järel kahekordistub kristallide sagedus koos nende transistoride arvu suurenemisega. Tehnoloogiline protsess muutub samas tempos. Tõsi, tulevikus ületab "sagedusjooks" selle seaduse. Aastaks 2006 kavatseb Intel omandada 65 nm protsessitehnoloogia ja 2009. aastaks 32 nm.

Siin on aeg meenutada transistori struktuuri, nimelt õhukest ränidioksiidi kihti, värava ja kanali vahel asuvat isolaatorit, mis täidab täiesti arusaadavat funktsiooni - elektronide takistust, mis takistab paisuvoolu lekkimist. Ilmselgelt, mida paksem see kiht, seda paremini täidab see oma isoleerivaid funktsioone. Aga ta on lahutamatu osa kanali pikkust (transistori suurust) vähendades ei ole vähem ilmne, et vähendada selle paksust ja seda väga kiiresti. Muide, viimase paarikümne aasta jooksul on selle kihi paksus olnud keskmiselt umbes 1/45 kogu kanali pikkusest. Kuid sellel protsessil on oma lõpp – nagu Intel viis aastat tagasi väitis, kui jätkate SiO2 kasutamist, nagu see on olnud viimased 30 aastat, on minimaalne kihi paksus 2,3 nm, vastasel juhul muutub väravavoolu leke lihtsalt ebareaalseteks väärtusteks. .

Kuni viimase ajani pole alamkanalite lekke vähendamiseks midagi ette võetud. Nüüd hakkab olukord muutuma, kuna töövool koos paisu reaktsiooniajaga on üks kahest peamisest transistori kiirust iseloomustavast parameetrist ja väljalülitatud olekus leke mõjutab seda otseselt - et säilitada Kui transistori kasutegur on vajalik, on vaja töövoolu vastavalt tõsta, koos kõigi sellest tulenevate tingimustega.

Mikroprotsessorite tootmine

Mikroprotsessori valmistamine on keeruline protsess, mis hõlmab enam kui 300 etappi. Mikroprotsessorid moodustuvad õhukeste ümmarguste räniplaatide - substraatide - pinnale erinevate töötlemisprotsesside teatud järjestuse tulemusena, kasutades kemikaale, gaase ja ultraviolettkiirgust.

Substraatide läbimõõt on tavaliselt 200 millimeetrit või 8 tolli. Intel on aga juba liikunud 300 mm või 12-tollistele vahvlitele. Uued plaadid võimaldavad saada ligi 4 korda rohkem kristalle ja saagis on palju suurem. Vahvlid on valmistatud ränist, mis rafineeritakse, sulatatakse ja kasvatatakse pikkadeks silindrilisteks kristallideks. Seejärel lõigatakse kristallid õhukesteks plaatideks ja poleeritakse, kuni nende pinnad on peegelsiled ja defektideta. Seejärel viiakse järjestikku, tsükliliselt korduv, termiline oksüdatsioon (SiO2 kile moodustumine), fotolitograafia, lisandite difusioon (fosfor), epitaksia (kihi kasvatamine).

Mikroskeemide valmistamise käigus kantakse tühjadele plaatidele hoolikalt arvutatud mustritena kõige õhemad materjalikihid. Ühele plaadile asetatakse kuni mitusada mikroprotsessorit, mille valmistamine nõuab üle 300 toimingu. Kogu protsessorite tootmisprotsessi saab jagada mitmeks etapiks: ränidioksiidi kasvatamine ja juhtivate piirkondade loomine, testimine, pakendi valmistamine ja tarnimine.

Ränidioksiidi kasvatamine ja juhtivate piirkondade loomine. Mikroprotsessori tootmisprotsess algab poleeritud plaadi pinnale isoleeriva ränidioksiidikihi "kasvatamisega". See etapp viiakse läbi elektriahjus väga kõrgel temperatuuril. Oksiidkihi paksus oleneb temperatuurist ja ajast, mille plaat ahjus viibib.

Sellele järgneb fotolitograafia – protsess, mille käigus tekib plaadi pinnale muster. Esiteks kantakse plaadile ajutine valgustundliku materjali kiht, fotoresisti, millele projitseeritakse ultraviolettkiirguse abil malli läbipaistvate osade kujutis ehk fotomask. Maskid tehakse protsessori projekteerimise käigus ja neid kasutatakse vooluahela mustrite genereerimiseks igas protsessorikihis. Kiirguse mõjul muutuvad fotokihi avatud alad lahustuvaks ja need eemaldatakse lahustiga (vesinikfluoriidhape), paljastades nende all oleva ränidioksiidi.

Katmata ränidioksiid eemaldatakse protsessiga, mida nimetatakse "söövitamiseks". Seejärel eemaldatakse ülejäänud fotokiht, jättes vahvlile ränidioksiidi mustri. Mitmete fotolitograafia ja söövitamise lisaoperatsioonide abil kantakse vahvlile ka polükristalliline räni, millel on juhi omadused. Järgmise operatsiooni ajal, mida nimetatakse "dopinguks", pommitatakse räniplaadi avatud alasid erinevate keemiliste elementide ioonidega, mis moodustavad ränis negatiivseid ja positiivseid laenguid, muutes nende piirkondade elektrijuhtivust.

Uute kihtide pealekandmine koos järgneva ahela söövitusega viiakse läbi mitu korda, samas kui kihtidevaheliste ühenduste jaoks jäetakse kihtides "aknad", mis täidetakse metalliga, moodustades kihtide vahel elektriühendused. Intel kasutas oma 0,13 mikroni protsessitehnoloogias vaskjuhte. 0,18 mikroni tootmisprotsessis ja varasemates protsessides Inteli põlvkonnad kasutatud alumiinium. Nii vask kui alumiinium on suurepärased elektrijuhid. 0,18-mikronilise protsessitehnoloogia kasutamisel kasutati 6 kihti, 90 nm protsessitehnoloogia juurutamisel 2004. aastal 7 kihti räni.

Protsessori igal kihil on oma muster, koos moodustavad kõik need kihid kolmemõõtmelise elektroonilise vooluringi. Kihtide pealekandmist korratakse 20-25 korda mitme nädala jooksul.

Testimine. Räniplaadid peavad algselt olema piisavalt paksud, et taluda pingeid, millega aluspinnad kihistamise käigus kokku puutuvad. Seetõttu vähendatakse enne plaadi lõikamist üksikuteks mikroprotsessoriteks selle paksust spetsiaalsete protsesside abil 33% ja tagaküljelt eemaldatakse mustus. Seejärel kantakse "õhema" plaadi tagaküljele spetsiaalsest materjalist kiht, mis parandab kristalli hilisemat kinnitamist korpuse külge. Lisaks sellele pakub see kiht elektriline kontakt integraallülituse tagapinna ja pakendi vahele pärast kokkupanekut.

Pärast seda testitakse plaate, et kontrollida kõigi töötlemistoimingute kvaliteeti. Et teha kindlaks, kas protsessorid töötavad korralikult, testitakse nende üksikuid komponente. Kui tõrkeid avastatakse, analüüsitakse neid, et mõista, millises töötlemise etapis rike ilmnes.

Seejärel ühendatakse iga protsessoriga elektrilised sondid ja rakendatakse toidet. Protsessoreid testib arvuti, mis teeb kindlaks, kas toodetavate protsessorite omadused vastavad etteantud nõuetele.

Korpuse valmistamine. Pärast testimist saadetakse vahvlid koostetehasesse, kus need lõigatakse väikesteks ristkülikuteks, millest igaüks sisaldab integraallülitust. Plaadi eraldamiseks kasutatakse spetsiaalset täppissaagi. Mittetöötavad kristallid lükatakse tagasi.

Seejärel asetatakse iga kristall eraldi korpusesse. Korpus kaitseb kristalli välismõjude eest ja annab selle elektriühendus tahvliga, millele see hiljem paigaldatakse. Väikesed jootekuulid, mis asuvad kristalli teatud punktides, on joodetud elektripistikud korpus. Nüüd elektrilised signaalid võib voolata laualt kiibile ja vastupidi.

Intel kasutab tulevastes protsessorites BBUL-tehnoloogiat, mis võimaldab luua põhimõtteliselt uusi korpuseid, mille soojuseraldus ja mahtuvus protsessori jalgade vahel on väiksem.

Pärast stantsi paigaldamist paketti testitakse protsessorit uuesti, et teha kindlaks, kas see töötab. Vigased protsessorid lükatakse tagasi ja töökorras olevatele tehakse stressitestid: kokkupuude erinevate temperatuuri- ja niiskustingimustega, samuti elektrostaatilised lahendused. Pärast iga stressitesti testitakse protsessorit, et teha kindlaks selle funktsionaalne seisund. Seejärel sorteeritakse protsessorid sõltuvalt nende käitumisest erinevatesse kella kiirused ja toitepinged.

Kohaletoimetamine. Testi läbinud protsessorid lähevad lõppkontrolli, mille ülesandeks on kinnitada, et kõigi eelnevate testide tulemused olid õiged ning integraallülituse parameetrid vastavad kehtestatud standarditele või isegi ületavad neid. Kõik protsessorid, mis läbivad väljundkontrolli, on märgistatud ja pakitud klientidele tarnimiseks.

Mikroprotsessorite tootmise tulevikutehnoloogiad

Teadaolevalt on olemasolevatel CMOS-transistoridel palju piiranguid ja need ei võimalda lähiajal protsessorite sagedusi nii valutult tõsta. 2003. aasta lõpus, Tokyo konverentsil, tegid Inteli spetsialistid väga olulise teate uute materjalide väljatöötamise kohta. pooljuhttransistorid tulevik. Esiteks räägime uuest suure dielektrilise konstandiga transistori paisu dielektrikust (nn "kõrge k" materjal), millega asendatakse tänapäeval kasutusel olnud ränidioksiidi (SiO2), aga ka uutest. uue värava dielektrikuga ühilduvad metallisulamid. Teadlaste pakutud lahendus vähendab lekkevoolu 100 korda, mis võimaldab läheneda tootmisprotsessi juurutamisele, mille projekteerimisnorm on 45 nanomeetrit. Eksperdid peavad seda väikeseks revolutsiooniks mikroelektroonikatehnoloogiate maailmas.

Et aru saada, millest jutt, vaatame esmalt tavalist MOSFETi, mille baasil valmistatakse kõige keerulisemad protsessorid.

Selles on juhtiv polüräni pais eraldatud transistori kanalist kõige õhema (ainult 1,2 nm ehk 5 aatomi paksuse) ränidioksiidikihiga (materjal, mida kasutati aastakümneid paisu dielektrikuna).

Selline väike dielektriline paksus on vajalik mitte ainult transistori kui terviku väikeste mõõtmete saamiseks, vaid ka selle suurima jõudluse saavutamiseks (laetud osakesed liiguvad kiiremini läbi värava, mille tulemusena võib selline VT lülituda kuni 10 miljardit korda sekundis). Lihtsustatult - mida lähemal on värav transistori kanalile (st mida õhem on dielektrik), seda "suurem mõju" on selle kiiruse osas transistori kanali elektronidele ja aukudele.

Seetõttu ei saa Inteli teadlaste avastuse tähtsust alahinnata. Pärast viit aastat kestnud uurimistööd laborites on ettevõtted arenenud eriline materjal asendama traditsioonilist ränidioksiidi tavapärasel kiibi valmistamisel. Nõuded sellisele materjalile on väga tõsised: kõrge keemiline ja mehaaniline (aatomitasandil) ühilduvus räniga, traditsioonilise räniprotsessi tehnoloogia ühe tsükliga tootmise lihtsus, kuid mis kõige tähtsam - madal leke ja kõrge dielektriline konstant.

Kui oleme hädas leketega, siis tuleb dielektriku paksust suurendada vähemalt 2-3 nm-ni (vt ülaltoodud joonist). Transistori varasema transjuhtivuse (voolu sõltuvus pingest) säilitamiseks on vaja proportsionaalselt suurendada dielektrilise materjali dielektrikonstanti. Kui ränidioksiidi puiste läbilaskvus on 4 (või üliõhukeste kihtide puhul veidi vähem), võib uue "Inteli" dielektriku dielektrilise konstandi mõistlikuks väärtuseks pidada väärtust vahemikus 10-12. Vaatamata sellele, et sellise läbilaskvusega materjale on palju (kondensaatorkeraamika või räni monokristall), pole siinkohal vähem olulised ka materjalide tehnoloogilise ühilduvuse tegurid. Seetõttu töötati uue kõrge k-sisaldusega materjali jaoks välja ülitäpne sadestamisprotsess, mille käigus moodustub sellest materjalist ühe tsükli jooksul üks molekulaarne kiht.

Selle pildi põhjal võib oletada, et ka uus materjal on oksiid. Veelgi enam, monooksiid, mis tähendab peamiselt teise rühma materjalide, näiteks magneesiumi, tsingi või isegi vase kasutamist.

Kuid asi ei piirdunud ainult dielektrikuga. Vahetada oli vaja ka aknaluugi enda materjali - tavalist polükristallilist räni. Fakt on see, et ränidioksiidi asendamine kõrge k dielektrikuga põhjustab polükristallilise räniga interaktsiooni probleeme (transistori ribalaius määrab selle jaoks minimaalse võimaliku pinge). Neid probleeme saab kõrvaldada, kasutades mõlemat tüüpi transistoridele (n-MOS ja p-MOS) spetsiaalseid paismetalle koos spetsiaalsete transistoridega. tehnoloogiline protsess. See materjalide kombinatsioon saavutab rekordilise transistori jõudluse ja ainulaadselt madala lekkevoolu, mis on 100 korda väiksem kui praegustel materjalidel (vt graafikut). Sel juhul pole enam kiusatust kasutada lekete vastu võitlemiseks palju kallimat SOI (silicon on insulator) tehnoloogiat, nagu mõned teevad. suuremad tootjad mikroprotsessorid.

Samuti märgime ära veel ühe Inteli tehnoloogilise uuenduse – pingestatud räni tehnoloogia, mida kasutatakse esmakordselt 90-nanomeetrilistes protsessorites Prescott ja Dothan. Lõpuks on Intel üksikasjalikult selgitanud, kuidas selle CMOS-struktuurides moodustuvad pingestatud räni kihid. CMOS-rakk koosneb kahest transistorist, nMOS-ist ja pMOS-ist (vt joonist).

Esimeses (n-MOS) juhib transistori kanal (n-kanal) voolu elektronide (negatiivselt laetud osakesed) abil ja teises (p-MOS) - aukude (tinglikult positiivselt laetud osakesed) abil. ). Sellest tulenevalt on pingestatud räni moodustumise mehhanismid neil kahel juhul erinevad. n-MOS transistor kasutab välist katet räninitriidi (Si3N4) kihiga, mis tänu mehaaniline pinge venitab kergelt (protsentide kaupa) (voolu liikumise suunas) paisu all olevat ränikristallvõre, mille tulemusena suureneb kanali töövool 10% (suhteliselt öeldes muutub see elektronidele avaramaks kanali suunas liikumiseks). p-MOS transistoride puhul on olukord vastupidine: substraadi materjalis (täpsemalt ainult äravoolu- ja lähtepiirkonnas) on kasutatud räni-germaaniumi ühendit (SiGe), mis surub paisu all olevat ränikristallvõre kergelt kokku paisu suunas. kanal. Seetõttu muutub aukudel "lihtsam" läbi aktseptori lisandi aatomite "liikumine" ja kanali töövool suureneb 25%. Mõlema tehnoloogia kombinatsioon annab 20-30% vooluvõimenduse. Seega toob pingestatud räni tehnoloogia kasutamine mõlemat tüüpi seadmetes (n-MOS ja p-MOS) kaasa transistori jõudluse olulise tõusu koos nende tootmiskulude suurenemisega vaid ~2% võrra ning võimaldab luua järgmiste põlvkondade miniatuursed transistorid. Intel kavatseb kasutada pingestatud räni kõigi tulevaste tehniliste protsesside jaoks kuni 22 nm.

iPhone 4S. Võrdlus viidi läbi infotöötluskiiruse ja seadmete graafikavõimsuse osas. Selle prioriteedi annab uuele tootele A6 protsessor. Pärast Javascripti ja Geekbenchiga testimist võime julgelt väita, et A6 viib iPhone 5 konkurentidest kaugele ette.

Kokkupuutel

Ilmselgelt on A6 täna ja iPhone 5 pole mitte ainult võimsuse poolest, vaid loomulikult on see platvormi esimene telefon ARM Cortex. teised iPhone'i sõnad 5 on täielikult kohandatud absoluutselt kõigi Apple'i ülesannete täitmiseks. Lisaks kahele CPU-tuumale on nutitelefon varustatud kolme GPU-tuumaga. iFixiti kolleegide sõnul kasutasid Chipworksi spetsialistid A6 protsessori ehituse väljaselgitamiseks ja maailmale näitamiseks kalleid seadmeid, mis teostavad materjalide ioonkiirega söövitamist. See protsess kasutab pooljuhtobjektide kihtide järjestikuseks uurimiseks ioonkiirte abil, mis annab kõige täpsemad ja arusaadavad tulemused.
Esiteks sai Chipworks teada, et A6 valmistati 32 nm protsessil Samsung HKMG CMOS. Muide, sama tootmisprotsessi kasutasid Apple ja Samsung A5-protsessori tootmiseks Apple TV-s ja iPad 2-s. Tänu uuele võimsamale mikroskoobile suutsid Chipworksi meistrid saada täpsed NMOS- ja PMOS-seadmete profiilid. A6 kiibis. Selle mikroskoobi sees olev elektronpüstol põhineb kvantmehaanika põhimõtetel, mis tagab kiibi uurimisel kõrge eraldusvõime. Chipworks leidis ka Apple 338S1077 Cirrus helikodeki (D-klassi helivõimendi), Murata 339S0171 Wi-Fi mooduli, Qualcomm MDM9615 LTE modemi ja Qualcomm RTR8600 Multi-band/Mode RF transiiveri. WiFi moodul Murata väärib kindlasti tähelepanu:

Murata paneb kõik komponendid kokku, saadab need Foxconni, kus neist saab lõpuks iPhone'i valmis tahvel. Komponente analüüsides rääkisid Chipworksi eksperdid napisõnaliselt: "Murata ehitab maja, mis on täis välismaist mööblit."

Mis puutub A6 protsessori mitme kiibi pakendisse, siis, nagu teada, sisaldab see 1 GB Elpida RAM-i (mis on 512 MB), kahte ARM-i tuuma ja kolme GPU protsessorid. A6 kiibi mõõtmed on järgmised:

• laius - 9,70 mm;
• kõrgus - 9,97 mm;
• protsessori pindala on 96,71 ruutmeetrit. mm.

iSighti kaameramoodulid lõid Sony ja OmniVision. Sony jaoks tagumine kaamera telefon ja OmniVision jälgis FaceTime 720p videokonverentsikaamera loomist. Seoses kahetuumalise ARM-protsessoriga:

Võrreldes eelmise identse südamiku kinnitamise skeemiga, asuvad seekord videoprotsessori tuumad allosas ning ARM-i tuumad üsna ebatavaliselt.

Suuremal määral paigaldatakse loogilised plokid arvutitehnoloogia abil automaatselt. Siiski tundub, et mõned ARM-i tuumade plokid olid suvaliselt fikseeritud, st. käsitsi seadistada. ARM-i protsessorite meelevaldsuse uudised õhutavad taas kuulujutte, et Apple on lõpuks loonud uue Cortex-A15-ga sama kaliibriga kohandatud protsessori ja sellised protsessorid, kuid ainult kiibil suvaliselt paigutatuna, ilmuvad turule lähiaastate jooksul. .
See foto näitab transistoride struktuuri. Kas näete väikeseid kontakte transistoride vahel? Need on kihtidevahelised kontaktid. Kas see on märgatav? Nüüd mõelge, kuidas neid näha ilma ülivõimsat elektronmikroskoopi kasutamata. Arvan, et on aus öelda, et Samsung jääb Apple'i toodete üheks olulisemaks komponentide tarnijaks. Ja seda hoolimata asjaolust, et Apple ja veelgi enam sisemine insenerimeeskond Apple Intrinsityle ja PA Semile ei meeldi Lõuna-Korea gigandi huvi oma tehnoloogiate ja tootmisvõimsuste massmüügi vastu.