Produzione di chip
Se chiedi qual è la materia prima del chip, tutti daranno facilmente la risposta: è il silicio. Questo non è falso, ma da dove viene il silicio? In effetti, è la sabbia più insignificante. È difficile da immaginare. La struttura costosa, complicata, potente e misteriosa chip proviene dalla sabbia che è praticamente senza valore. Ovviamente, ci deve essere un complicato processo di fabbricazione nel mezzo.
Materie prime di base per la produzione di chip
Se chiedi qual è la materia prima del chip, tutti daranno facilmente la risposta: è il silicio. Questo non è falso, ma da dove viene il silicio? In effetti, è la sabbia più insignificante. È difficile da immaginare. La struttura costosa, complicata, potente e misteriosa chip proviene dalla sabbia che è praticamente senza valore. Ovviamente, ci deve essere un complicato processo di fabbricazione nel mezzo. Tuttavia, non è solo una manciata di sabbia che può essere utilizzata come materia prima. Deve essere accuratamente selezionato per estrarre le materie prime di silicio più pure da esso. Immagina se le materie prime più economiche con riserve sufficienti fossero utilizzate per produrre trucioli, quale sarebbe la qualità del prodotto finito, puoi ancora utilizzare un processore ad alte prestazioni come adesso?
Oltre al silicio, un materiale importante per la produzione di chip è il metallo. Finora, l'alluminio è diventato il principale materiale metallico per la fabbricazione di parti interne dei processori, mentre il rame viene gradualmente eliminato. Ciò è dovuto ad alcuni motivi. Alla corrente tensione di funzionamento del chip, le caratteristiche di elettromigrazione dell'alluminio sono significativamente migliori del rame. Il cosiddetto problema dell'elettromigrazione si riferisce a quando un gran numero di elettroni fluisce attraverso una sezione del conduttore, gli atomi della sostanza conduttrice sono influenzati dagli elettroni e lasciano la posizione originale, lasciando i posti vacanti. Stare in altre posizioni provocherà un corto circuito in altre posizioni e influenzerà la funzione logica del chip, il che renderà il chip inutilizzabile.
Questo è il motivo per cui molti Northwood Pentium 4 vengono sostituiti con SNDS (North Wood Storm Syndrome). Quando gli appassionati hanno overcloccato per la prima volta Northwood Pentium 4, erano ansiosi di raggiungere il successo. Quando la tensione del chip è stata notevolmente aumentata, gravi problemi di elettromigrazione hanno causato il chip paralizzato. Questa è la prima esperienza di Intel&# 39 con la tecnologia di interconnessione in rame e ha chiaramente bisogno di miglioramenti. D'altra parte, l'uso della tecnologia di interconnessione in rame può ridurre l'area del chip. Allo stesso tempo, a causa della minore resistenza del conduttore di rame, anche la corrente che lo attraversa è più veloce.
Oltre a questi due materiali principali, nel processo di progettazione del chip sono necessari alcuni tipi di materie prime chimiche. Giocano ruoli diversi e non verranno ripetuti qui.
La fase di preparazione della produzione di chip
Una volta completata la raccolta delle materie prime necessarie, alcune di queste materie prime devono essere preelaborate. Essendo la materia prima più importante, la lavorazione del silicio è cruciale. Innanzitutto, le materie prime al silicio devono essere purificate chimicamente e questo passaggio le porta a un livello di materie prime che può essere utilizzato dall'industria dei semiconduttori. Affinché queste materie prime al silicio soddisfino le esigenze di lavorazione della produzione di circuiti integrati, devono anche essere modellate. Questo passaggio viene realizzato fondendo le materie prime al silicio e quindi versando il silicio liquido in un grande contenitore al quarzo ad alta temperatura.
Quindi, le materie prime vengono fuse ad alte temperature. Nella classe di chimica della scuola media abbiamo appreso che molti atomi all'interno di un solido hanno una struttura cristallina, così come il silicio. Per soddisfare i requisiti dei processori ad alte prestazioni, l'intera materia prima del silicio deve essere silicio altamente puro e monocristallino. Quindi, la materia prima di silicio viene estratta dal contenitore ad alta temperatura mediante stiramento rotante e viene prodotto un lingotto cilindrico di silicio. A giudicare dal processo attualmente utilizzato, il diametro della sezione circolare del lingotto di silicio è di 200 mm. Ma ora Intel e alcune altre aziende hanno iniziato a utilizzare lingotti di silicio con diametro di 300 mm. È abbastanza difficile aumentare l'area della sezione trasversale pur mantenendo le varie caratteristiche del lingotto di silicio, ma fino a quando la società è disposta a investire un sacco di soldi per studiare, può ancora essere raggiunta. La fabbrica di Intel&per lo sviluppo e la produzione di lingotti di silicio da 300 mm costa circa 3,5 miliardi di dollari. Il successo della nuova tecnologia consente a Intel di produrre circuiti integrati con funzioni più complesse e potenti. L'impianto di lingotti di silicio da 200 millimetri costa anche $ 1,5 miliardi. Il processo di produzione dei trucioli inizia con l'affettatura dei lingotti di silicio.
Lingotto di silicio monocristallino
Dopo aver realizzato il lingotto di silicio e assicurato che sia un cilindro assoluto, il passo successivo è tagliare il lingotto di silicio cilindrico. Più sottile è la fetta, meno materiale viene utilizzato e naturalmente possono essere prodotti più chip del processore. L'affettatura richiede anche una finitura a specchio per garantire che la superficie sia assolutamente liscia, quindi verificare la presenza di distorsioni o altri problemi. Questa fase del controllo di qualità è particolarmente importante, determina direttamente la qualità del chip finito.
Le nuove sezioni devono essere drogate con alcune sostanze per trasformarle in materiali semiconduttori reali, e quindi i circuiti a transistor che rappresentano varie funzioni logiche vengono scritti su di esse. Gli atomi del materiale drogato entrano negli spazi tra gli atomi di silicio e le forze atomiche agiscono l'una sull'altra in modo che le materie prime al silicio abbiano le caratteristiche dei semiconduttori. Oggi la produzione di semiconduttori di&# è più un processo CMOS (complementare metallo-ossido-semiconduttore). Il termine complementare si riferisce all'interazione tra transistor MOS di tipo N e transistor MOS di tipo P nei semiconduttori. N e P rappresentano rispettivamente l'elettrodo negativo e l'elettrodo positivo nel processo elettronico. Nella maggior parte dei casi, la fetta viene drogata con sostanze chimiche per formare un substrato di tipo P. Il circuito logico scritto su di esso deve essere progettato per seguire le caratteristiche del circuito nMOS. Questo tipo di transistor ha un maggiore utilizzo dello spazio ed è più efficiente dal punto di vista energetico. Allo stesso tempo, nella maggior parte dei casi, l'aspetto dei transistor pMOS deve essere limitato il più possibile, poiché, nelle fasi successive del processo di fabbricazione, i materiali di tipo N devono essere impiantati nel substrato di tipo P, e questo processo porterà alla formazione di tubi pMOS.
Una volta completato il lavoro di incorporazione di sostanze chimiche, viene completata l'affettatura standard. Quindi ogni fetta viene posta in un forno ad alta temperatura e riscaldata, e un film di biossido di silicio viene generato sulla superficie della fetta controllando il tempo di riscaldamento. Monitorando attentamente la temperatura, la composizione dell'aria e il tempo di riscaldamento, è possibile controllare lo spessore dello strato di silice. Nel processo di produzione a 90 nanometri di Intel&# 39, la larghezza dell'ossido di gate è piccola quanto uno straordinario spessore di 5 atomi. Questo circuito di gate layer fa anche parte del circuito gate di transistor. Il ruolo del circuito di gate a transistor è di controllare il flusso di elettroni tra loro. Attraverso il controllo della tensione di gate, il flusso di elettroni è rigorosamente controllato, indipendentemente dalle dimensioni della tensione di ingresso e uscita. Il processo finale della preparazione è di coprire uno strato fotosensibile sullo strato di biossido di silicio. Questo strato di materiale viene utilizzato per altre applicazioni di controllo nello stesso livello. Questo strato di materiale ha una buona fotosensibilità quando viene essiccato e dopo che il processo di fotolitografia è terminato, può essere sciolto e rimosso con metodi chimici.
fotoincisione
Questo è un passaggio molto complicato nell'attuale processo di produzione dei chip. Perché dici questo? Il processo di fotoincisione consiste nell'utilizzare una certa lunghezza d'onda della luce per incidere il punteggio corrispondente nello strato fotosensibile, modificando così le proprietà chimiche del materiale lì. Questa tecnologia ha requisiti estremamente severi sulla lunghezza d'onda della luce utilizzata, che richiede l'uso di raggi ultravioletti a lunghezza d'onda corta e lenti di curvatura di grandi dimensioni. Anche il processo di incisione è influenzato da macchie sul wafer. Ogni fase dell'incisione è un processo complesso e delicato. La quantità di dati richiesta per progettare ciascuna fase del processo può essere misurata in unità di 10 GB e le fasi di attacco necessarie per fabbricare ciascun processore sono più di 20 fasi (ogni strato è inciso). Inoltre, se i disegni incisi di ogni strato vengono ingranditi molte volte, può essere ancora più complicato della mappa di tutta la città di New York più la gamma suburbana. Immagina di ridurre l'intera mappa di New York a un'area reale disolo 100 millimetri quadrati. Sul chip, puoi immaginare quanto sia complicata la struttura di questo chip.
Quando tutte queste incisioni sono completate, il wafer viene capovolto. La luce a lunghezza d'onda corta viene irradiata sullo strato fotosensibile del wafer attraverso la tacca cava sul modello al quarzo, quindi la luce e il modello vengono rimossi. Il materiale dello strato fotosensibile esposto all'esterno viene rimosso con metodi chimici e il biossido di silicio viene immediatamente generato sotto la posizione vacante.
Doping
Dopo aver rimosso il materiale dello strato fotosensibile rimanente, ciò che rimane è lo strato di biossido di silicio della trincea riempita e lo strato di silicio esposto sotto lo strato. Dopo questo passaggio, viene completato un altro strato di biossido di silicio. Quindi, viene aggiunto un altro strato di polisilicio con uno strato fotosensibile. Il polisilicio è un altro tipo di circuito di gate. A causa dell'uso di materie prime metalliche (da qui il nome di semiconduttori di ossido di metallo) qui, il polisilicio consente di stabilire le porte prima che la tensione sulla porta della coda del transistor diventi attiva. Lo strato fotosensibile è anche inciso dalla luce a lunghezza d'onda corta attraverso la maschera. Dopo un'altra incisione, tutti i circuiti di gate richiesti sono stati sostanzialmente formati. Quindi, lo strato di silicio esposto viene bombardato chimicamente con ioni. Lo scopo qui è quello di creare un canale N o un canale P. Questo processo di doping crea tutti i transistor e la connessione del circuito tra di loro. Nessun transistor ha un ingresso e un'uscita e le due estremità sono chiamate porte.
Ripeti questo processo
Da questo passaggio, continuerai ad aggiungere strati, aggiungere uno strato di biossido di silicio e quindi una volta la litografia. Ripeti questi passaggi e poi c'è un'architettura tridimensionale multistrato, che è lo stato embrionale del processore che stai attualmente utilizzando. Tra ogni strato, la tecnologia del rivestimento metallico viene utilizzata per condurre la connessione conduttiva tra gli strati. Oggi il processore P4 di&# 7 utilizza 7 strati di connessioni metalliche, mentre Athlon64 utilizza 9 strati. Il numero di strati utilizzati dipende dalla progettazione del layout iniziale e non rappresenta direttamente la differenza di prestazioni del prodotto finale.
Nelle prossime settimane, i wafer verranno testati uno per uno, incluso il test delle caratteristiche elettriche del wafer per vedere se ci sono errori logici e, in tal caso, su quale strato e così via. Successivamente, ciascuna unità chip sul wafer che presenta un problema verrà testata individualmente per determinare se il chip ha esigenze di elaborazione speciali.
Quindi, l'intero wafer viene tagliato in singole unità di chip del processore. Nel test iniziale, le unità che hanno fallito il test verranno abbandonate. Queste unità di chip che vengono tagliate verranno impacchettate in un certo modo in modo che possano essere facilmente inserite nella scheda madre di una specifica specifica dell'interfaccia. La maggior parte dei processori Intel e AMD sono coperti da un dissipatore di calore. Una volta completato il prodotto finito del processore, è necessaria anche una gamma completa di test di funzionalità del chip. Questa parte produrrà diversi gradi di prodotti, alcuni chip funzionano ad una frequenza relativamente alta, quindi il nome e il numero di prodotti ad alta frequenza sono etichettati e quei chip con frequenze operative relativamente basse vengono modificati per etichettare, altri modelli a bassa frequenza. Questo è il processore di diversi posizionamenti sul mercato. E alcuni processori potrebbero presentare alcune carenze nella funzione del chip. Ad esempio, ha difetti nella funzione cache (questo difetto è sufficiente per causare la paralisi della maggior parte dei chip), quindi saranno protetti da una certa capacità della cache, riducendo le prestazioni e, naturalmente, abbassando il prezzo del prodotto. Questo è Celeron e l'origine di Sempron.
Una volta completato il processo di confezionamento del chip, molti prodotti devono eseguire un altro test per garantire che non vi siano omissioni nel precedente processo di fabbricazione e che il prodotto sia pienamente conforme alle specifiche senza deviazione.
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