Svi su u rukama držali običan mikroprocesor, ali teško da bi itko pao na pamet da ga otvori i pregleda pod skenirajućim elektronskim mikroskopom. Upravo je to učinio švedski učitelj Kristian Storm kako bi učenicima demonstrirao mikročip. Fotografije su jednostavno nevjerojatne: kvaliteta vam omogućuje da vidite pojedinačne slojeve procesora. Očigledno, otprilike isti postupak koristili su sovjetski inženjeri koji su rastavljali i kopirali zapadnjačke razvoje. Otprilike isto se sada radi i za proučavanje proizvoda konkurenata.
Sve fotografije se mogu kliknuti i dostupne u visokoj rezoluciji.
Christian Storm koristio je P-III procesor. Za početak je bilo potrebno ukloniti sam mikrosklop izravno iz plastičnog kućišta (plavo), koje se nalazi u sredini ploče (zeleno).
Kao što možete vidjeti na poleđini pločice, potrebno je za izlaz kontakata iz mikroprocesora - sa svakog kontakta na procesoru signal ide na zaseban pin na ploči.
Isprva je Christian mislio da bi mikroprocesor mogao odvojiti zagrijavanjem, ali nije dobio ništa osim gadnog mirisa. Tada sam morao upotrijebiti grubu silu i izrezati odgovarajući dio. Uz pomoć pincete i skalpela izvukao je čip i pritom ga malo oštetio (međutim, Christian je svejedno namjeravao razbiti procesor za snimanje).
Evo što se dogodilo kao rezultat. Na poleđini mikrokruga, ispod odlomljenog plavog kućišta, možete vidjeti kontakte na mikrokrugu. Nekada su bili spojeni na pinove na ploči.
Ovdje se mikro krug čisti od plastike.
Sada počinje zabava: mikroskop ulazi u igru. Prvo, uobičajeni optički. Pod mikroskopom gledamo ulomak mikroprocesora s istim kontaktima.
Ako bolje pogledate, možete vidjeti strukturu unutar kontaktnih rupa.
Procesor se sastoji od mnogo metalnih slojeva jedan na drugom, oni su jasno vidljivi kroz rupe za kontakte.
Promjenom fokusa na mikroskopu možete redom pregledavati te slojeve. Ovdje je gornji sloj.
Srednji sloj.
I donji sloj.
Budući da optički mikroskop ne pruža potrebne detalje, Christian je odlučio koristiti skenirajući elektronski mikroskop. Kako bi vidio unutrašnjost procesora, razbio ga je i počeo ispitivati mjesta loma. Ispod možete vidjeti niz uzastopnih fotografija s postupnim povećanjem rezolucije.
Mikrokrug je okrenut naopako, tako da se na vrhu nalazi niz pinova koji su prethodno bili pričvršćeni na pločicu. U početku se ništa posebno ne vidi. Materijal svijetle boje između kontakata očito je neka vrsta polimera koji ispunjava prostor.
S daljnjim povećanjem slojevi su već jasno vidljivi. Možete čak i izbrojati njihov broj: šest.
Debljina donjeg metalnog sloja je približno 200-250 nm. Procesor P-III proizveden je po 250 nm procesnoj tehnologiji, a kasnije - 180 nm, tako da je ovaj donji sloj posljednji sloj s tranzistorima, daljnja aproksimacija više neće pokazivati nove elemente.
Ovako izgleda slika u poboljšanom obliku.
Posljednja fotografija snimljena je u istom mjerilu, samo odozgo. Na jednom mjestu slučajno je odlomljeno tijelo, tako da je otkrivena unutarnja struktura.
Nekoliko je metalnih slojeva jedan na drugom, ali Christian nije uspio fotografirati sloj po sloj i doći izravno do tranzistora (donji sloj), jer ne zna kako pažljivo ukloniti slojeve s čipa.
Moderni mikroprocesori su najbrži i najpametniji mikro krugovi na svijetu. Mogu izvesti do 4 milijarde operacija u sekundi i proizvode se korištenjem mnogo različitih tehnologija. Od ranih 90-ih godina dvadesetog stoljeća, kada su procesori ušli u masovnu upotrebu, prošli su kroz nekoliko faza razvoja. Apogejem razvoja mikroprocesorskih struktura korištenjem postojećih tehnologija mikroprocesora 6. generacije smatra se 2002. godina, kada je postalo dostupno korištenje svih osnovnih svojstava silicija za dobivanje visokih frekvencija uz najmanje gubitke u proizvodnji i stvaranju logičkih sklopova. . Sada učinkovitost novih procesora pomalo pada unatoč stalnom porastu učestalosti rada kristala, budući da se silicijeve tehnologije približavaju granici svojih mogućnosti.
Mikroprocesor je integrirani krug formiran na malom silicijskom čipu. Silicij se koristi u mikro krugovima zbog činjenice da ima poluvodička svojstva: njegova je električna vodljivost veća od vodljivosti dielektrika, ali manja od metala. Silicij se može napraviti i kao izolator koji sprječava kretanje električnih naboja, i kao vodič - tada će električni naboji slobodno prolaziti kroz njega. Vodljivost poluvodiča može se kontrolirati uvođenjem nečistoća.
Mikroprocesor sadrži milijune tranzistora, međusobno povezanih najtanjim vodičima od aluminija ili bakra, koji se koriste za obradu podataka. Tako se formiraju unutarnje gume. Kao rezultat toga, mikroprocesor obavlja mnoge funkcije - od matematičkih i logičkih operacija do upravljanja radom ostalih mikrosklopova i cijelog računala.
Jedan od glavnih parametara procesora je kristalna frekvencija, koja određuje broj operacija po jedinici vremena, frekvenciju sistemske sabirnice i količinu interne SRAM predmemorije. Procesor je označen frekvencijom kristala. Učestalost rada kristala određena je brzinom kojom tranzistori prelaze iz zatvorenog u otvoreno stanje. Sposobnost tranzistora da se brže prebaci određena je tehnologijom proizvodnje silikonskih pločica od kojih su čipovi izrađeni. Tehnološki proces određuje veličinu tranzistora (njegovu debljinu i duljinu vrata). Na primjer, korištenjem 90nm procesne tehnologije, koja je uvedena početkom 2004., veličina tranzistora je 90nm, a duljina vrata je 50nm.
Svi moderni procesori koriste tranzistore s efektom polja. Prijelaz na novi tehnološki proces omogućuje izradu tranzistora s višom frekvencijom prebacivanja, nižim strujama propuštanja i manjim dimenzijama. Smanjenje veličine omogućuje vam da istovremeno smanjite površinu matrice, a time i rasipanje topline, a tanja kapija vam omogućuje da primijenite manje napona za prebacivanje, što također smanjuje potrošnju energije i rasipanje topline.
Tehnologija i tržište
Sada se na tržištu uočava zanimljiv trend: s jedne strane, proizvodne tvrtke nastoje što brže uvesti nove tehničke procese i tehnologije u svoje nove proizvode, s druge strane, postoji umjetno ograničavanje rasta procesora. frekvencije. Prvo, trgovci smatraju da tržište nije u potpunosti spremno za sljedeću promjenu obitelji procesora, a tvrtke još nisu ostvarile dovoljnu dobit od prodaje CPU-a koji se trenutno proizvode - zalihe još nisu presušile. Prilično je uočljiva prevalenca važnosti cijene gotovog proizvoda nad svim ostalim interesima tvrtki. Drugo, značajno smanjenje stope "utrke frekvencije" povezano je s razumijevanjem potrebe za uvođenjem novih tehnologija koje zapravo povećavaju produktivnost uz minimalan iznos tehnoloških troškova. Kao što je već navedeno, proizvođači su se suočili s problemima u prijelazu na nove tehničke procese.Pokazalo se da je tehnološka norma od 90 nm prilično ozbiljna tehnološka prepreka za mnoge proizvođače čipova. To potvrđuje i TSMC, koji proizvodi čipove za mnoge tržišne divove, kao što su AMD, nVidia, ATI, VIA. Dugo vremena nije uspjela uspostaviti proizvodnju čipsa po tehnologiji od 0,09 mikrona, što je dovelo do niskog prinosa odgovarajućih kristala. To je jedan od razloga zašto AMD već duže vrijeme odgađa izlazak svojih SOI (Silicon-on-Insulator) procesora. Kašnjenja su posljedica činjenice da su se upravo na ovoj dimenziji elemenata počele snažno manifestirati sve vrste prethodno ne tako jako uočljivih negativnih čimbenika: struje curenja, veliki raspršivanje parametara i eksponencijalno povećanje oslobađanja topline. Shvatimo to redom.
Kao što znate, postoje dvije struje curenja: struja propuštanja vrata i curenje ispod praga. Prvi je uzrokovan spontanim kretanjem elektrona između silicijevog supstrata kanala i polisilikonskih vrata. Drugi je spontano kretanje elektrona od izvora tranzistora do odvoda. Oba ova učinka dovode do činjenice da morate povisiti napon napajanja kako biste kontrolirali struje u tranzistoru, a to negativno utječe na rasipanje topline. Dakle, smanjenjem veličine tranzistora prije svega smanjujemo njegova vrata i sloj silicij dioksida (SiO2), koji je prirodna barijera između vrata i kanala. S jedne strane, to poboljšava brzinu tranzistora (vrijeme prebacivanja), ali s druge strane povećava curenje. Odnosno, ispada neka vrsta začaranog kruga. Dakle, prijelaz na 90 nm je još jedno smanjenje debljine sloja dioksida, a ujedno i povećanje curenja. Borba protiv curenja je, opet, povećanje upravljačkih napona, a shodno tome i značajno povećanje proizvodnje topline. Sve je to dovelo do kašnjenja u uvođenju novog tehničkog procesa od strane konkurenata na tržištu mikroprocesora - Intela i AMD-a.
Jedno alternativno rješenje je korištenje SOI (silicij na izolatoru) tehnologije, koju je AMD nedavno predstavio u svojim 64-bitnim procesorima. No, to ju je koštalo mnogo truda i prevladavanja velikog broja popratnih poteškoća. Ali sama tehnologija pruža ogroman broj prednosti uz relativno mali broj nedostataka. Bit tehnologije, općenito, sasvim je logična - tranzistor je odvojen od silicijevog supstrata još jednim tankim slojem izolatora. Ima puno plusa. Nema nekontroliranog kretanja elektrona ispod kanala tranzistora, što utječe na njegove električne karakteristike - ovaj put. Nakon dovoda struje otključavanja na kapiju, vrijeme ionizacije kanala u radno stanje (do trenutka kada radna struja teče kroz njega) se smanjuje, odnosno poboljšava se drugi ključni parametar performansi tranzistora, vrijeme njegovog uključivanja/isključivanja je dva. Ili, pri istoj brzini, možete jednostavno smanjiti struju otključavanja - to je tri. Ili pronađite neku vrstu kompromisa između povećanja brzine rada i smanjenja napona. Uz održavanje iste struje otključavanja, povećanje performansi tranzistora može biti i do 30%, ako ostavite frekvenciju istu, usredotočujući se na uštedu energije, tada plus može biti velik - do 50%. Konačno, karakteristike kanala postaju predvidljivije, a sam tranzistor postaje otporniji na sporadične pogreške, poput onih uzrokovanih kozmičkim česticama, koje upadaju u podlogu kanala i neočekivano ga ioniziraju. Sada, ulazeći u podlogu koja se nalazi ispod sloja izolatora, ni na koji način ne utječu na rad tranzistora. Jedini nedostatak SOI-a je to što je potrebno smanjiti dubinu emiter/kolektorske regije, što izravno i izravno utječe na povećanje njegovog otpora kako se debljina smanjuje.
I na kraju, treći razlog koji je pridonio usporavanju stope rasta frekvencija je niska aktivnost konkurenata na tržištu. Možemo reći da je svatko bio zauzet svojim poslovima. AMD je bio angažiran na širokom uvođenju 64-bitnih procesora, za Intel je to bilo razdoblje poboljšanja novog tehničkog procesa, otklanjanja pogrešaka za povećanje prinosa odgovarajućih kristala.
Početak godine trebao bi nam donijeti veliku količinu novosti iz područja tehnologije, jer bi upravo ove godine obje tvrtke trebale prijeći na tehnološke standarde od 90 nm. Ali to uopće ne znači novi brzi porast frekvencije procesora, već naprotiv. U početku će na tržištu nastupiti zatišje: konkurenti će početi izdavati procesore koristeći nove tehničke procese, ali sa starim frekvencijama. Kako se proizvodni proces bude svladao, počet će i određeni porast učestalosti čipsa. Najvjerojatnije neće biti tako primjetno kao prije. Do kraja 2004., kada će se prinos odgovarajućih kristala na 90nm procesnoj tehnologiji značajno povećati, Intel očekuje da će osvojiti vrh na 4 GHz, ili čak i više. AMD procesori će doći s nekim tradicionalnim kašnjenjem frekvencije, što općenito ne utječe na performanse koliko na značajke mikroarhitekture.
Dakle, potreba za prelaskom na nove tehničke procese je očigledna, ali tehnolozima se to svaki put sve više i teže daje. Prvi Pentium mikroprocesori (1993.) proizvedeni su po 0,8 µm procesnoj tehnologiji, zatim po 0,6 µm. Godine 1995. prvi put je za procesore 6. generacije korišten tehnički proces od 0,35 mikrona. Godine 1997. promijenio se na 0,25 mikrona, a 1999. godine - na 0,18 mikrona. Moderni procesori izrađeni su tehnologijom od 0,13 i 0,09 mikrona, a potonja je predstavljena 2004. godine. Kao što vidite, za ove tehničke procese se poštuje Mooreov zakon koji kaže da se svake dvije godine učestalost kristala udvostručuje s povećanjem broja tranzistora iz njih. Tehnički proces se mijenja istom brzinom. Istina, u budućnosti će "utrka frekvencije" prestići ovaj zakon. Do 2006. Intel planira svladati 65nm procesnu tehnologiju, a 2009. - 32nm.
Ovdje je vrijeme da se prisjetimo strukture tranzistora, naime, tankog sloja silicijevog dioksida, izolatora koji se nalazi između vrata i kanala, a koji obavlja potpuno razumljivu funkciju - barijeru za elektrone, sprječavajući curenje struje vrata. Očito, što je ovaj sloj deblji, to bolje obavlja svoju izolacijsku funkciju. Ali on je sastavni dio kanala i nije manje očito da ako želimo smanjiti duljinu kanala (veličinu tranzistora), onda moramo smanjiti njegovu debljinu, i to vrlo brzim tempom . Inače, tijekom posljednjih nekoliko desetljeća, debljina ovog sloja je u prosjeku oko 1/45 cijele duljine kanala. Ali ovaj proces ima svoj kraj - kao što je Intel tvrdio prije pet godina, ako se SiO2 nastavi koristiti, kao što je to bilo u proteklih 30 godina, minimalna debljina sloja bit će 2,3 nm, inače će struja curenja struje gejta postati jednostavno nerealno.
Donedavno ništa nije poduzeto da se smanji curenje pod-kanala. Sada se situacija počinje mijenjati, budući da je radna struja, zajedno s vremenom odziva vrata, jedan od dva glavna parametra koji karakteriziraju brzinu tranzistora, a curenje u isključenom stanju izravno utječe na nju - kako bi se održao Za postizanje potrebne učinkovitosti tranzistora, potrebno je, sukladno tome, povećati radnu struju sa svim uvjetima koji iz toga proizlaze.
Proizvodnja mikroprocesora
Proizvodnja mikroprocesora je složen proces koji uključuje više od 300 faza. Mikroprocesori se formiraju na površini tankih kružnih silikonskih pločica - supstrata, kao rezultat određenog slijeda različitih procesa obrade kemikalijama, plinovima i ultraljubičastim zračenjem.Podloge su obično promjera 200 milimetara ili 8 inča. Međutim, Intel je već prešao na 300mm, odnosno 12" pločice. Nove ploče omogućuju dobivanje gotovo 4 puta više kristala, a prinos je znatno veći. Oblatne su izrađene od silicija, koji se rafinira, topi i uzgaja u dugačke cilindrične kristale. Kristali se zatim izrezuju u tanke pločice i poliraju sve dok njihove površine ne budu zrcalno glatke i bez nedostataka. Zatim se, uzastopno, ciklički ponavlja, provodi termička oksidacija (formiranje SiO2 filma), fotolitografija, difuzija nečistoća (fosfor), epitaksija (rast sloja).
U procesu proizvodnje mikro krugova, najtanji slojevi materijala nanose se na prazne ploče u obliku pažljivo izračunatih uzoraka. Jedna ploča može primiti do nekoliko stotina mikroprocesora za čiju izradu je potrebno više od 300 operacija. Cijeli proces proizvodnje procesora može se podijeliti u nekoliko faza: uzgoj silicijevog dioksida i stvaranje vodljivih područja, testiranje, izrada kućišta i otprema.
Uzgoj silicijevog dioksida i stvaranje vodljivih područja. Proces proizvodnje mikroprocesora počinje "uzgajanjem" izolacijskog sloja silicijevog dioksida na površini polirane ploče. Ova faza se provodi u električnoj pećnici na vrlo visokoj temperaturi. Debljina oksidnog sloja ovisi o temperaturi i vremenu koje ploča provodi u pećnici.
Nakon toga slijedi fotolitografija – proces tijekom kojeg se na površini ploče formira shematski crtež. Najprije se na ploču nanosi privremeni sloj fotoosjetljivog materijala - fotorezist, na koji se ultraljubičastim zračenjem projicira slika prozirnih područja predloška ili fotomaske. Maske se izrađuju tijekom dizajna procesora i koriste se za generiranje uzoraka sklopova u svakom sloju procesora. Pod utjecajem zračenja, osvijetljena područja fotosloja postaju topljiva, a uklanjaju se uz pomoć otapala (fluorovodične kiseline), otkrivajući ispod njega silicij dioksid.
Izloženi silicij uklanja se postupkom koji se naziva jetkanjem. Zatim se uklanja preostali fotosloj, zbog čega na poluvodičkoj pločici ostaje uzorak silicijevog dioksida. Uz pomoć niza dodatnih operacija fotolitografije i jetkanja na pločicu se nanosi i polikristalni silicij sa svojstvima vodiča. Tijekom sljedeće operacije, zvane "doping", izložena područja silikonske pločice bombardiraju se ionima raznih kemijskih elemenata, koji u siliciju tvore negativne i pozitivne naboje, koji mijenjaju električnu vodljivost tih područja.
Nametanje novih slojeva s naknadnim jetkanjem kruga provodi se nekoliko puta, dok se za međuslojne veze u slojevima ostavljaju "prozori" koji se ispunjavaju metalom, tvoreći električne veze između slojeva. Intel je koristio bakrene vodiče u svom proizvodnom procesu od 0,13 mikrona. Intel je koristio aluminij u svojim procesima od 0,18 mikrona i prethodne generacije. I bakar i aluminij su izvrsni vodiči električne energije. Pri korištenju tehničkog procesa od 0,18 mikrona korišteno je 6 slojeva, dok je uvođenjem tehničkog procesa od 90 nm 2004. godine korišteno 7 slojeva silicija.
Svaki sloj procesora ima svoj vlastiti uzorak, zajedno svi ti slojevi čine trodimenzionalni elektronički sklop. Nanošenje slojeva se ponavlja 20 - 25 puta tijekom nekoliko tjedana.
Testiranje. Kako bi izdržale naprezanja kojima su podloge izložene tijekom procesa taloženja, silikonske pločice u početku moraju biti dovoljno debele. Stoga, prije rezanja ploče u zasebne mikroprocesore, njezina se debljina posebnim postupcima smanjuje za 33% i uklanja se kontaminacija sa stražnje strane. Zatim se na obrnutu stranu "tanje" ploče nanosi sloj posebnog materijala koji poboljšava naknadno pričvršćivanje kristala na kućište. Osim toga, ovaj sloj osigurava električni kontakt između stražnje površine integriranog kruga i paketa nakon montaže.
Nakon toga se ploče testiraju kako bi se provjerila kvaliteta svih operacija obrade. Kako bi se utvrdilo rade li procesori ispravno, testiraju se pojedine komponente. Ako se pronađu kvarovi, podaci se analiziraju kako bi se razumjelo u kojoj je fazi obrade došlo do kvara.
Električne sonde se zatim spajaju na svaki procesor i napajaju strujom. Procesori se testiraju na računalu kako bi se utvrdilo zadovoljavaju li proizvedeni procesori specificirane specifikacije.
Izrada kućišta. Nakon testiranja, oblatne se šalju u montažnu radnju gdje se režu u male pravokutnike od kojih svaki sadrži integrirani krug. Za odvajanje ploče koristi se posebna precizna pila. Kristali koji ne rade se odbacuju.
Zatim se svaki kristal stavlja u pojedinačnu kutiju. Kućište štiti kristal od vanjskih utjecaja i osigurava njegovu električnu vezu s pločom na koju će se naknadno ugraditi. Sitne kuglice lemljenja, smještene na određenim točkama na kristalu, zalemljene su na električne vodove paketa. Sada električni signali mogu ići s ploče na čip i obrnuto.
U budućim procesorima, Intel će koristiti BBUL tehnologiju, koja će omogućiti stvaranje temeljno novih kućišta s nižim rasipanjem topline i kapacitetom između nogu CPU-a.
Nakon ugradnje matrice u paket, procesor se ponovno testira kako bi se utvrdilo je li funkcionalan. Neispravni procesori se odbacuju, a servisni procesori se podvrgavaju stres testovima: izloženosti različitim temperaturnim i vlažnim uvjetima, kao i elektrostatičkim pražnjenjima. Nakon svakog testa opterećenja, procesor se testira kako bi se utvrdilo njegovo funkcionalno stanje. Procesori se zatim sortiraju na temelju njihovog ponašanja pri različitim brzinama takta i naponima napajanja.
Dostava. Procesori koji su prošli testove idu na završnu inspekciju čiji je zadatak potvrditi da su rezultati svih prethodnih ispitivanja bili točni, a parametri integriranog kruga zadovoljavaju utvrđene standarde ili ih čak i premašuju. Svi prerađivači koji prolaze završni pregled označeni su i pakirani za otpremu kupcima.
Buduće mikroprocesorske tehnologije
Poznato je da postojeći CMOS tranzistori imaju mnoga ograničenja i neće dopustiti tako bezbolno povećanje frekvencije procesora u bliskoj budućnosti. Krajem 2003., na konferenciji u Tokiju, Intelovi stručnjaci dali su vrlo važnu izjavu o razvoju novih materijala za poluvodičke tranzistore budućnosti. Prije svega, riječ je o novom dielektriku tranzistorskih vrata s visokom dielektričnom konstantom (tzv. "high-k" materijal), koji će se koristiti za zamjenu silicijevog dioksida (SiO2) koji se danas koristi, kao i novim metalne legure kompatibilne s novim dielektrikom vrata ... Rješenje koje su predložili istraživači smanjuje struju curenja za 100 puta, što omogućuje približavanje implementaciji proizvodnog procesa s projektnim standardom od 45 nanometara. Stručnjaci ga smatraju malom revolucijom u svijetu mikroelektroničke tehnologije.Da bismo razumjeli o čemu se radi, prvo bacimo pogled na konvencionalni MOSFET na temelju kojeg se izrađuju najsloženiji CPU-i.
U njemu je vodljiva polisilikonska kapija odvojena od kanala tranzistora najtanjim (samo 1,2 nm ili debljine 5 atoma) slojem silicijevog dioksida (materijala koji se desetljećima koristi kao dielektrik za vrata).
Ovako mala debljina dielektrika potrebna je ne samo za postizanje malih dimenzija tranzistora u cjelini, već i za njegovu najveću učinkovitost (nabijene čestice brže se kreću kroz kapiju, zbog čega se takav VT može prebaciti na 10 milijardi puta u sekundi). Pojednostavljeno – što su vrata bliža kanalu tranzistora (odnosno što je dielektrik tanji), to će u smislu brzine imati „veći utjecaj“ na elektrone i rupe u kanalu tranzistora.
Stoga se ne može podcijeniti važnost otkrića Intelovih znanstvenika. Nakon pet godina istraživanja u svojim laboratorijima, korporacija je razvila poseban materijal koji zamjenjuje tradicionalni silicij dioksid u uobičajenom putu proizvodnje čipova. Zahtjevi za takav materijal su vrlo ozbiljni: visoka kemijska i mehanička (na atomskoj razini) kompatibilnost sa silicijem, jednostavnost proizvodnje u jednom ciklusu tradicionalne tehnologije procesa silicija, ali glavna stvar je nisko propuštanje i visoka dielektrična konstanta.
Ako se borimo s curenjem, onda se debljina dielektrika mora povećati barem na 2-3 nm (vidi gornju sliku). Kako bi se održao isti nagib tranzistora (ovisnost struje o naponu), potrebno je proporcionalno povećati dielektričnu konstantu dielektričnog materijala. Ako je propusnost masivnog silicijevog dioksida jednaka 4 (ili nešto manja u ultratankim slojevima), tada se razumnom vrijednošću dielektrične konstante novog "Intel" dielektrika može smatrati vrijednost u području od 10-12. Unatoč činjenici da postoji mnogo materijala s takvom dielektričnom konstantom (kondenzatorska keramika ili silicijevi monokristali), faktori tehnološke kompatibilnosti materijala ovdje nisu ništa manje važni. Stoga je za novi visokok-materijal razvijen visokoprecizan proces taloženja, tijekom kojeg se u jednom ciklusu formira jedan molekularni sloj ovog materijala.
Na temelju ove slike možemo pretpostaviti da je novi materijal također oksid. Štoviše, monoksid, što znači korištenje materijala uglavnom druge skupine, na primjer, magnezija, cinka ili čak bakra.
Ali stvar nije bila ograničena na dielektrik. Također je bilo potrebno promijeniti materijal samog zatvarača - uobičajeni polikristalni silicij. Činjenica je da zamjena silicijevog dioksida dielektrikom s visokim k-dielektrikom dovodi do problema interakcije s polikristalnim silicijem (pojasni razmak tranzistora određuje minimalne moguće napone za njega). Ovi se problemi mogu otkloniti korištenjem posebnih metala za vrata oba tipa tranzistora (n-MOS i p-MOS) u kombinaciji s posebnim tehnološkim postupkom. Ova kombinacija materijala postiže rekordne performanse tranzistora i jedinstveno niske struje curenja, 100 puta niže od trenutnih materijala (vidi grafikon). U ovom slučaju više nema iskušenja da se koristi mnogo skuplja SOI tehnologija (silicij na izolatoru) za borbu protiv curenja, kao što to čine neki veliki proizvođači mikroprocesora.
Također bilježimo još jednu tehnološku inovaciju iz Intela - tehnologiju napregnutog silicija, koja se prvi put koristi u 90nm Prescott i Dothan procesorima. Konačno, Intel je detaljno opisao kako se u njegovim CMOS strukturama formiraju napeti slojevi silicija. CMOS ćelija se sastoji od dva tranzistora - n-MOS i p-MOS (vidi sliku).
U prvom (n-MOS) tranzistorski kanal (n-kanal) provodi struju pomoću elektrona (negativno nabijenih čestica), au drugom (p-MOS) - pomoću rupa (uvjetno pozitivno nabijene čestice). Sukladno tome, mehanizmi nastanka napregnutog silicija su različiti u ova dva slučaja. Za n-MOS tranzistor koristi se vanjski premaz sa slojem silicijevog nitrida (Si3N4) koji zbog mehaničkih naprezanja lagano (za djelić postotka) rasteže (u smjeru strujanja) kristal silicija rešetke ispod vrata, zbog čega se radna struja kanala povećava za 10% (relativno govoreći, postaje prostranije da se elektroni kreću u smjeru kanala). U p-MOS tranzistorima je suprotno: silicij-germanijev spoj (SiGe) koristi se kao materijal supstrata (točnije, samo područje odvoda i izvora), koji blago komprimira kristalnu rešetku silicija ispod vrata u smjeru kanala. Stoga se rupama „lakše“ „kreću“ kroz atome nečistoće akceptora, a radna struja kanala se povećava za 25%. Kombinacija obje tehnologije daje 20-30% pojačanja struje. Dakle, korištenje tehnologije "napetog silicija" u obje vrste uređaja (n-MOS i p-MOS) dovodi do značajnog povećanja performansi tranzistora uz povećanje troškova njihove proizvodnje za samo ~ 2% i omogućuje vam stvaranje više minijaturni tranzistori sljedećih generacija. Intel planira koristiti napeti silicij za sve buduće tehničke procese do 22nm.
Svi su u rukama držali običan mikroprocesor, ali teško da bi itko pao na pamet da ga otvori i pregleda pod skenirajućim elektronskim mikroskopom. Upravo je to učinio švedski učitelj Kristian Storm kako bi učenicima demonstrirao mikročip. Fotografije su jednostavno nevjerojatne: kvaliteta vam omogućuje da vidite pojedinačne slojeve procesora. Očigledno, otprilike isti postupak koristili su sovjetski inženjeri koji su rastavljali i kopirali zapadnjačke razvoje. Otprilike isto se sada radi i za proučavanje proizvoda konkurenata.
Sve fotografije se mogu kliknuti i dostupne u visokoj rezoluciji.
Christian Storm koristio je P-III procesor. Za početak je bilo potrebno ukloniti sam mikrosklop izravno iz plastičnog kućišta (plavo), koje se nalazi u sredini ploče (zeleno).
Kao što možete vidjeti na poleđini pločice, potrebno je za izlaz kontakata iz mikroprocesora - sa svakog kontakta na procesoru signal ide na zaseban pin na ploči.
Isprva je Christian mislio da bi mikroprocesor mogao odvojiti zagrijavanjem, ali nije dobio ništa osim gadnog mirisa. Tada sam morao upotrijebiti grubu silu i izrezati odgovarajući dio. Uz pomoć pincete i skalpela izvukao je čip i pritom ga malo oštetio (međutim, Christian je svejedno namjeravao razbiti procesor za snimanje).
Evo što se dogodilo kao rezultat. Na poleđini mikrokruga, ispod odlomljenog plavog kućišta, možete vidjeti kontakte na mikrokrugu. Nekada su bili spojeni na pinove na ploči.
Ovdje se mikro krug čisti od plastike.
Sada počinje zabava: mikroskop ulazi u igru. Prvo, uobičajeni optički. Pod mikroskopom gledamo ulomak mikroprocesora s istim kontaktima.
Ako bolje pogledate, možete vidjeti strukturu unutar kontaktnih rupa.
Procesor se sastoji od mnogo metalnih slojeva jedan na drugom, oni su jasno vidljivi kroz rupe za kontakte.
Promjenom fokusa na mikroskopu možete redom pregledavati te slojeve. Ovdje je gornji sloj.
Srednji sloj.
I donji sloj.
Budući da optički mikroskop ne pruža potrebne detalje, Christian je odlučio koristiti skenirajući elektronski mikroskop. Kako bi vidio unutrašnjost procesora, razbio ga je i počeo ispitivati mjesta loma. Ispod možete vidjeti niz uzastopnih fotografija s postupnim povećanjem rezolucije.
Mikrokrug je okrenut naopako, tako da se na vrhu nalazi niz pinova koji su prethodno bili pričvršćeni na pločicu. U početku se ništa posebno ne vidi. Materijal svijetle boje između kontakata očito je neka vrsta polimera koji ispunjava prostor.
S daljnjim povećanjem slojevi su već jasno vidljivi. Možete čak i izbrojati njihov broj: šest.
Debljina donjeg metalnog sloja je približno 200-250 nm. Procesor P-III proizveden je po 250 nm procesnoj tehnologiji, a kasnije - 180 nm, tako da je ovaj donji sloj posljednji sloj s tranzistorima, daljnja aproksimacija više neće pokazivati nove elemente.
Ovako izgleda slika u poboljšanom obliku.
Posljednja fotografija snimljena je u istom mjerilu, samo odozgo. Na jednom mjestu slučajno je odlomljeno tijelo, tako da je otkrivena unutarnja struktura.
Nekoliko je metalnih slojeva jedan na drugom, ali Christian nije uspio fotografirati sloj po sloj i doći izravno do tranzistora (donji sloj), jer ne zna kako pažljivo ukloniti slojeve s čipa.
CPU to je srce svakog modernog računala. Svaki mikroprocesor je u biti integrirani krug velikih razmjera na kojem se nalaze tranzistori. Propuštanjem električne struje, tranzistori vam omogućuju izradu binarnih logičkih (on-off) proračuna. Moderni procesori temelje se na 45 nm tehnologiji. 45nm (nanometar) je veličina jednog tranzistora koji se nalazi na ploči procesora. Donedavno se uglavnom koristila 90 nm tehnologija.
Ploče su izrađene od silicija, koji je 2. najveće ležište u zemljinoj kori.
Silicij se dobiva kemijskom obradom, pročišćavajući ga od nečistoća. Nakon toga počinju ga topiti, tvoreći silikonski cilindar promjera 300 milimetara. Ovaj se cilindar zatim reže na ploče s dijamantnim navojem. Svaka ploča je debljine oko 1 mm. Kako bi ploča imala idealnu površinu, nakon rezanja navojem, brusi se posebnom mlinom.
Nakon toga, površina silikonske pločice je savršeno ravna. Inače, mnoge proizvodne tvrtke već su najavile mogućnost rada s pločama od 450 mm. Što je veća površina, to je više tranzistora za postavljanje, a performanse procesora su veće.
CPU sastoji se od silikonske pločice, na čijoj se površini nalazi do devet razina tranzistora, odvojenih slojevima oksida, radi izolacije.
Razvoj tehnologije procesora
Gordon Moore, jedan od osnivača Intela, jednog od vodećih u proizvodnji procesora u svijetu, 1965. godine je na temelju svojih zapažanja otkrio zakon prema kojem se novi modeli procesora i mikro krugova pojavljuju u jednakim vremenskim intervalima. Rast broja tranzistora u procesorima raste oko 2 puta u 2 godine. Već 40 godina Zakon Gordona Moorea djeluje bez izobličenja. Ovladavanje budućim tehnologijama je pred vratima – već postoje prototipovi koji se temelje na 32nm i 22nm procesorskoj tehnologiji. Do sredine 2004. snaga procesora ovisila je prvenstveno o frekvenciji procesora, no od 2005. frekvencija procesora praktički je prestala rasti. Postoji nova tehnologija za višejezgrene procesore. Odnosno, stvara se nekoliko jezgri procesora s jednakom frekvencijom takta, a tijekom rada snaga jezgri se zbraja. To povećava ukupnu snagu procesora.
U nastavku možete pogledati video o proizvodnji procesora.
Kako se izrađuju mikro krugovi
Da bismo shvatili koja je glavna razlika između ove dvije tehnologije, potrebno je napraviti kratki izlet u samu tehnologiju proizvodnje modernih procesora ili integriranih sklopova.
Kao što znate iz školskog tečaja fizike, u modernoj elektronici glavne komponente integriranih sklopova su poluvodiči p-tipa i n-tipa (ovisno o vrsti vodljivosti). Poluvodič je tvar koja nadmašuje dielektrike u vodljivosti, ali je inferiorna od metala. Obje vrste poluvodiča mogu se temeljiti na siliciju (Si), koji u svom čistom obliku (tzv. intrinzični poluvodič) ne provodi dobro električnu struju, ali dodavanje (unošenje) određene nečistoće u silicij omogućuje radikalno promijeniti njegova vodljiva svojstva. Postoje dvije vrste nečistoća: donor i akceptor. Donorska nečistoća dovodi do stvaranja poluvodiča n-tipa s elektronskom vrstom vodljivosti, a akceptorska nečistoća dovodi do stvaranja poluvodiča p-tipa s vodljivošću rupe. Kontakti p- i n-poluvodiča omogućuju formiranje tranzistora - glavnih strukturnih elemenata modernih mikro krugova. Takvi tranzistori, nazvani CMOS tranzistori, mogu biti u dva osnovna stanja: otvorenom, kada provode električnu struju, i zatvorenom, kada ne provode električnu struju. Budući da su CMOS tranzistori glavni elementi modernih mikro krugova, razgovarajmo o njima detaljnije.
Kako radi CMOS tranzistor
Najjednostavniji CMOS tranzistor n-tipa ima tri elektrode: izvor, kapiju i odvod. Sam tranzistor je izrađen u poluvodiču p-tipa s vodljivošću rupa, a poluvodiči n-tipa s elektronskom vodljivošću formirani su u odvodnom i izvornom području. Naravno, zbog difuzije rupa iz p-područja u n-područje i reverzne difuzije elektrona iz n-područja u p-područje nastaju osiromašeni slojevi (slojevi u kojima nema većih nositelja naboja) na granicama prijelaza p- i n-područja. U normalnom stanju, odnosno kada se na gejtu ne dovodi napon, tranzistor je u "zaključanom" stanju, odnosno nije u stanju provesti struju od izvora do drena. Situacija se ne mijenja, čak i ako dovedemo napon između odvoda i izvora (u ovom slučaju ne uzimamo u obzir struje curenja uzrokovane kretanjem pod utjecajem generiranih električnih polja manjinskih nositelja naboja, tj. , rupe za n-područje i elektroni za p-područje).
Međutim, ako se na vrata primijeni pozitivan potencijal (slika 1), situacija će se radikalno promijeniti. Pod utjecajem električnog polja vrata, rupe se guraju duboko u p-poluvodič, dok se elektroni, naprotiv, uvlače u područje ispod kapije, tvoreći elektronima obogaćen kanal između izvora i drena. Kada se na kapiju primijeni pozitivan napon, ti se elektroni počinju kretati od izvora do odvoda. U ovom slučaju, tranzistor provodi struju - kažu da se tranzistor "otvara". Ako se napon skine s gejta, elektroni se prestaju uvlačiti u područje između izvora i drena, provodni kanal se uništava i tranzistor prestaje propuštati struju, odnosno "zaključan". Dakle, promjenom napona na vratima, možete otvoriti ili isključiti tranzistor, na isti način kao što možete uključiti ili isključiti konvencionalni prekidač, kontrolirajući prolaz struje kroz krug. Zbog toga se tranzistori ponekad nazivaju elektroničkim prekidačima. Međutim, za razliku od konvencionalnih mehaničkih prekidača, CMOS tranzistori su praktički bez inercije i sposobni su prijeći iz otvorenog u zaključano stanje trilijune puta u sekundi! Upravo ta karakteristika, odnosno sposobnost trenutnog prebacivanja, u konačnici određuje brzinu procesora koji se sastoji od desetaka milijuna takvih najjednostavnijih tranzistora.
Dakle, moderni integrirani krug sastoji se od desetaka milijuna najjednostavnijih CMOS tranzistora. Zaustavimo se detaljnije na procesu proizvodnje mikro krugova, čija je prva faza proizvodnja silikonskih supstrata.
Korak 1. Uzgoj praznina
Stvaranje takvih supstrata počinje rastom cilindričnog monokristala silicija. Ove monokristalne gredice se zatim režu u oblatne približno 1/40 "debljine i 200 mm (8") ili 300 mm (12") u promjeru. To su silikonski supstrati koji se koriste za proizvodnju mikro krugova.
Pri formiranju pločica iz monokristala silicija uzima se u obzir činjenica da za idealne kristalne strukture fizička svojstva uvelike ovise o odabranom smjeru (svojstvo anizotropije). Na primjer, otpor silikonske podloge bit će različit u uzdužnom i poprečnom smjeru. Slično, ovisno o orijentaciji kristalne rešetke, kristal silicija će različito reagirati na sve vanjske utjecaje povezane s njegovom daljnjom obradom (na primjer, jetkanje, raspršivanje itd.). Stoga se ploča mora izrezati od monokristala na način da se orijentacija kristalne rešetke u odnosu na površinu strogo održava u određenom smjeru.
Kao što je već navedeno, promjer silicijevog monokristalnog predforma je 200 ili 300 mm. Štoviše, promjer od 300 mm je relativno nova tehnologija, o kojoj ćemo govoriti u nastavku. Jasno je da ploča ovog promjera može primiti daleko više od jednog mikrosklopa, čak i ako govorimo o procesoru Intel Pentium 4. Doista, nekoliko desetaka mikro krugova (procesora) je formirano na jednoj takvoj ploči-supstratu, ali radi jednostavnosti razmatrat će se samo procesi koji se odvijaju na maloj površini jednog budućeg mikroprocesora.
Korak 2. Nanošenje zaštitnog dielektričnog filma (SiO2)
Nakon formiranja silicijevog supstrata, počinje faza stvaranja najsloženije poluvodičke strukture.
Za to se u silicij moraju uvesti takozvane donorske i akceptorske nečistoće. Međutim, postavlja se pitanje – kako provesti unošenje nečistoća prema točno zadanom obrascu-obrasci? Da bi to bilo moguće, ona područja u koja nije potrebno unositi nečistoće zaštićena su posebnim filmom od silicij dioksida, ostavljajući samo ona područja koja su podvrgnuta daljnjoj obradi (slika 2). Proces formiranja takvog zaštitnog filma željenog uzorka sastoji se od nekoliko faza.
U prvoj fazi cijela silikonska pločica je potpuno prekrivena tankim filmom silicijevog dioksida (SiO2), koji je vrlo dobar izolator i djeluje kao zaštitni film tijekom daljnje obrade silicijevog kristala. Oblatne se stavljaju u komoru u kojoj pri visokoj temperaturi (od 900 do 1100°C) i tlaku kisik difundira u površinske slojeve vafla, što dovodi do oksidacije silicija i stvaranja površinskog filma silicijevog dioksida. Kako bi film silicij dioksida imao točno određenu debljinu i ne bi sadržavao nedostatke, potrebno je strogo održavati konstantnu temperaturu na svim točkama vafla tijekom procesa oksidacije. Ako se cijela pločica ne prekriva filmom od silicijevog dioksida, tada se na silicijsku podlogu prvo nanosi maska Si3N4 kako bi se spriječila neželjena oksidacija.
Korak 3. Nanošenje fotorezista
Nakon što je silikonska podloga prekrivena zaštitnim filmom od silicijevog dioksida, potrebno je ukloniti ovaj film s onih mjesta koja će biti podvrgnuta daljnjoj obradi. Uklanjanje filma vrši se jetkanjem, a radi zaštite preostalih područja od jetkanja na površinu vafla nanosi se sloj tzv. fotorezista. Pojam "fotootpornici" odnosi se na formulacije koje su osjetljive na svjetlost i otporne na agresivne čimbenike. Primijenjene kompozicije trebale bi s jedne strane imati određena fotografska svojstva (pod utjecajem ultraljubičastog svjetla postaju topive i isprane tijekom procesa jetkanja), as druge strane otporna, što im omogućuje da izdrže jetkanje u kiselinama i lužine, grijanje itd. Glavna svrha fotorezista je stvaranje zaštitnog reljefa željene konfiguracije.
Proces nanošenja fotorezista i njegovo daljnje zračenje ultraljubičastim svjetlom prema zadanom uzorku naziva se fotolitografija i uključuje sljedeće osnovne operacije: formiranje fotorezistnog sloja (obrada podloge, nanošenje, sušenje), formiranje zaštitnog sloja. reljef (eksponiranje, razvijanje, sušenje) i prijenos slike na podlogu (jetkanje, raspršivanje itd.).
Prije nanošenja sloja fotorezista (slika 3.) na podlogu, potonji se prethodno obrađuje, čime se poboljšava njegovo prianjanje na sloj fotorezista. Metoda centrifugiranja koristi se za nanošenje jednolikog sloja fotorezista. Podloga se postavlja na rotirajući disk (centrifuga), a pod utjecajem centrifugalnih sila fotorezist se raspoređuje po površini supstrata u gotovo jednolikom sloju. (Govoreći o praktički jednolikom sloju, treba uzeti u obzir činjenicu da se pod djelovanjem centrifugalnih sila debljina nastalog filma povećava od središta prema rubovima; međutim, ova metoda nanošenja fotorezista omogućuje izdržati fluktuacije u debljini sloja unutar ± 10%.)
Korak 4. Litografija
Nakon nanošenja i sušenja sloja fotorezista počinje faza formiranja potrebnog zaštitnog reljefa. Reljef nastaje kao rezultat činjenice da pod djelovanjem ultraljubičastog zračenja koje pada na određena područja fotootpornog sloja, potonji mijenja svojstva topljivosti, na primjer, osvijetljena područja prestaju se otapati u otapalu, čime se uklanjaju područja slojeva koji nisu bili izloženi osvjetljenju, ili obrnuto - osvijetljena područja se otapaju. Prema načinu oblikovanja reljefa fotorezisti se dijele na negativne i pozitivne. Negativni fotorezisti tvore zaštitna područja reljefa pod utjecajem ultraljubičastog zračenja. S druge strane, pozitivni fotorezisti, kada su izloženi ultraljubičastom zračenju, poprimaju svojstva protoka i ispiru se otapalom. Sukladno tome, zaštitni sloj se formira u onim područjima koja nisu izložena ultraljubičastom zračenju.
Za osvjetljavanje željenih područja sloja fotorezista koristi se poseban predložak maske. Najčešće se u tu svrhu koriste optičke staklene ploče s neprozirnim elementima dobivenim fotografiranjem ili na neki drugi način. Zapravo, takav predložak sadrži crtež jednog od slojeva budućeg mikrosklopa (ukupno može biti nekoliko stotina takvih slojeva). Budući da je ovaj predložak referenca, mora se izvršiti s velikom preciznošću. Osim toga, uzimajući u obzir činjenicu da će se od jedne fotomaske izraditi puno fotografskih ploča, ona mora biti izdržljiva i otporna na oštećenja. Stoga je jasno da je fotomaska vrlo skupa stvar: ovisno o složenosti mikrosklopa, može koštati desetke tisuća dolara.
Ultraljubičasto zračenje, prolazeći kroz takav predložak (slika 4), osvjetljava samo potrebna područja površine sloja fotorezista. Nakon zračenja razvija se fotorezist koji uklanja nepotrebne dijelove sloja. Time se otvara odgovarajući dio sloja silicijevog dioksida.
Unatoč naizgled jednostavnosti fotolitografskog procesa, upravo je ova faza u proizvodnji mikro krugova najteža. Činjenica je da se, u skladu s Mooreovim predviđanjem, broj tranzistora na jednom mikrosklopu eksponencijalno povećava (udvostručuje se svake dvije godine). Ovakvo povećanje broja tranzistora moguće je samo zbog smanjenja njihove veličine, ali upravo smanjenje "počiva" na procesu litografije. Kako bi tranzistori bili manji, potrebno je smanjiti geometrijske dimenzije linija nanesenih na sloj fotootpornika. Ali svemu postoji granica - nije tako lako fokusirati lasersku zraku na točku. Činjenica je da, u skladu sa zakonima valne optike, minimalna veličina točke u koju je laserska zraka fokusirana (zapravo, nije samo točka, već difrakcijski uzorak) određena je, između ostalih čimbenika, i duljina svjetlosnog vala. Razvoj litografske tehnologije od njezina izuma ranih 70-ih godina išao je u smjeru smanjivanja valne duljine svjetlosti. To je ono što je omogućilo smanjenje veličine elemenata integriranog kruga. Od sredine 1980-ih, fotolitografija je počela koristiti ultraljubičasto zračenje proizvedeno laserom. Ideja je jednostavna: valna duljina ultraljubičastog zračenja je kraća od valne duljine vidljive svjetlosti, stoga je moguće dobiti tanje linije na površini fotorezista. Donedavno je litografija koristila duboko ultraljubičasto zračenje (Deep Ultra Violet, DUV) valne duljine 248 nm. Međutim, kada je fotolitografija prešla granicu od 200 nm, pojavili su se ozbiljni problemi koji su prvi put doveli u pitanje mogućnost daljnje uporabe ove tehnologije. Na primjer, pri valnim duljinama manjim od 200 µm sloj osjetljiv na svjetlost apsorbira previše svjetla, pa proces prijenosa šablona kruga u procesor postaje kompliciraniji i sporiji. Izazovi poput ovih potiču istraživače i proizvođače da traže alternative tradicionalnoj litografskoj tehnologiji.
Nova litografska tehnologija pod nazivom EUV litografija (Extreme UltraViolet - ultra-hard ultraviolet radiation) temelji se na korištenju ultraljubičastog zračenja valne duljine 13 nm.
Prijelaz s DUV na EUV litografiju osigurava više od 10-struko smanjenje valne duljine i prijelaz u raspon u kojem je ona usporediva s veličinom od samo nekoliko desetaka atoma.
Trenutno korištena litografska tehnologija omogućuje primjenu predloška s minimalnom širinom vodiča od 100 nm, dok EUV litografija omogućuje ispis linija znatno manje širine – do 30 nm. Kontrola ultrakratkog zračenja nije tako jednostavna kao što zvuči. Budući da staklo dobro apsorbira EUV zračenje, nova tehnologija uključuje korištenje serije od četiri posebna konveksna zrcala koja smanjuju i fokusiraju sliku dobivenu nakon nanošenja maske (slika 5,,). Svako takvo zrcalo sadrži 80 zasebnih metalnih slojeva debljine približno 12 atoma.
Korak 5. Jetkanje
Nakon izlaganja sloja fotorezista započinje faza jetkanja kako bi se uklonio film silicij dioksida (slika 8).
Proces kiseljenja često je povezan s kiselim kupkama. Ova metoda kiselog jetkanja dobro je poznata radioamaterima koji su sami izrađivali tiskane ploče. Da biste to učinili, uzorak tragova buduće ploče nanosi se na folijski tekstolit s lakom, koji djeluje kao zaštitni sloj, a zatim se ploča spušta u kadu s dušičnom kiselinom. Nepotrebna područja folije su urezana, otkrivajući čisti tekstolit. Ova metoda ima niz nedostataka, a glavni je nemogućnost točne kontrole procesa uklanjanja sloja, budući da na proces jetkanja utječe previše čimbenika: koncentracija kiseline, temperatura, konvekcija itd. Osim toga, kiselina djeluje s materijalom u svim smjerovima i postupno prodire ispod ruba fotorezist maske, odnosno uništava slojeve prekrivene fotorezistom sa strane. Stoga se u proizvodnji procesora koristi metoda suhog jetkanja, koja se naziva i plazma jetkanjem. Ova metoda vam omogućuje da točno kontrolirate proces jetkanja, a uništavanje ugrijanog sloja događa se strogo u okomitom smjeru.
Suho jetkanje koristi ionizirani plin (plazmu) za uklanjanje silicijevog dioksida s površine pločice i reakciju s površinom silicijevog dioksida kako bi nastali hlapljivi nusprodukti.
Nakon postupka jetkanja, odnosno kada su potrebna područja čistog silicija izložena, ostatak fotosloja se uklanja. Dakle, uzorak silicij dioksida ostaje na silicijskoj podlozi.
Korak 6. Difuzija (ionska implantacija)
Podsjetimo da je prethodni proces formiranja traženog uzorka na silicijskoj podlozi bio potreban da bi se uvođenjem donorske ili akceptorske nečistoće stvorile poluvodičke strukture na pravim mjestima. Proces unošenja nečistoće provodi se difuzijom (slika 9.) – jednoličnim unošenjem atoma nečistoće u kristalnu rešetku silicija. Antimon, arsen ili fosfor se obično koriste za dobivanje poluvodiča n-tipa. Za dobivanje poluvodiča p-tipa, kao nečistoća se koristi bor, galij ili aluminij.
Ionska implantacija koristi se za proces difuzije dopanta. Proces implantacije sastoji se u tome da se ioni željene nečistoće "ispaljuju" iz visokonaponskog akceleratora i, imajući dovoljno energije, prodiru u površinske slojeve silicija.
Dakle, na kraju faze ionske implantacije stvoren je potreban sloj poluvodičke strukture. Međutim, mikroprocesori mogu imati nekoliko takvih slojeva. Za stvaranje sljedećeg sloja u rezultirajućem dijagramu, uzgaja se dodatni tanki sloj silicijevog dioksida. Nakon toga se nanosi sloj polikristalnog silicija i drugi sloj fotorezista. Ultraljubičasto zračenje prolazi kroz drugu masku i ističe odgovarajući uzorak na foto sloju. Nakon toga slijede koraci otapanja fotosloja, jetkanja i ionske implantacije.
Korak 7. Prskanje i taloženje
Nametanje novih slojeva se provodi više puta, dok se za međuslojne veze u slojevima ostavljaju "prozori" koji su ispunjeni atomima metala; kao rezultat, stvaraju se metalne pruge na kristalno - vodljivim područjima. Tako se u modernim procesorima uspostavljaju veze između slojeva koji tvore složenu trodimenzionalnu shemu. Proces uzgoja i obrade svih slojeva traje nekoliko tjedana, a sam proizvodni ciklus sastoji se od više od 300 faza. Kao rezultat, stotine identičnih procesora nastaju na silikonskoj pločici.
Kako bi izdržale naprezanja kojima su pločice izložene tijekom procesa taloženja slojeva, silikonske podloge u početku se izrađuju dovoljno debele. Stoga, prije rezanja oblatne u zasebne procesore, njezina se debljina smanjuje za 33% i uklanja se kontaminacija sa stražnje strane. Zatim se na stražnju stranu podloge nanosi sloj posebnog materijala koji poboljšava pričvršćivanje kristala na kućište budućeg procesora.
Korak 8. Završna faza
Na kraju ciklusa formiranja, svi procesori se temeljito testiraju. Zatim se iz podloge posebnim uređajem izrezuju betonski, već ispitani kristali (slika 10).
Svaki mikroprocesor je ugrađen u zaštitno kućište, koje također omogućuje električno povezivanje čipa mikroprocesora s vanjskim uređajima. Vrsta kućišta ovisi o vrsti i namjeni mikroprocesora.
Nakon zatvaranja u kućište, svaki mikroprocesor se ponovno testira. Neispravni procesori se odbacuju, a ispravni se podvrgavaju stres testovima. Procesori se zatim sortiraju na temelju njihovog ponašanja pri različitim brzinama takta i naponima napajanja.
Napredne tehnologije
Tehnološki proces proizvodnje mikro krugova (osobito procesora) razmatramo na vrlo pojednostavljen način. Ali čak i ova površna prezentacija omogućuje nam da razumijemo tehnološke poteškoće s kojima se moramo suočiti pri smanjenju veličine tranzistora.
Međutim, prije razmatranja novih obećavajućih tehnologija, odgovorimo na pitanje postavljeno na samom početku članka: koji je standard dizajna tehnološkog procesa i kako se, zapravo, standard dizajna od 130 nm razlikuje od standarda od 180 nm ? 130 nm ili 180 nm je karakteristična minimalna udaljenost između dva susjedna elementa u jednom sloju mikrosklopa, odnosno svojevrsni korak mreže na koji su elementi mikrosklopa vezani. Istodobno, sasvim je očito da što je manja ova karakteristična veličina, to se više tranzistora može postaviti na isto područje mikrosklopa.
Trenutačno Intelovi procesori koriste proizvodni proces od 0,13 mikrona. Ova tehnologija se koristi za proizvodnju procesora Intel Pentium 4 s jezgrom Northwood, procesora Intel Pentium III s jezgrom Tualatin i procesora Intel Celeron. U slučaju korištenja takvog tehnološkog procesa, efektivna širina kanala tranzistora je 60 nm, a debljina sloja oksida vrata ne prelazi 1,5 nm. Sve u svemu, procesor Intel Pentium 4 sadrži 55 milijuna tranzistora.
Uz povećanje gustoće tranzistora u kristalu procesora, tehnologija od 0,13 mikrona, koja je zamijenila tehnologiju od 0,18 mikrona, ima i druge inovacije. Prvo, koristi bakrene veze između pojedinačnih tranzistora (u tehnologiji od 0,18 mikrona spojevi su bili aluminijski). Drugo, tehnologija od 0,13 mikrona osigurava nižu potrošnju energije. Za mobilnu tehnologiju, na primjer, to znači da potrošnja energije mikroprocesora postaje manja, a vijek trajanja baterije dulji.
Pa, i posljednja inovacija, koja je utjelovljena u prijelazu na tehnološki proces od 0,13 mikrona, je korištenje silikonskih pločica (vafera) promjera 300 mm. Podsjetimo da je prije toga većina procesora i mikrosklopova napravljena na osnovi 200 mm pločica.
Povećanje promjera ploča omogućuje smanjenje troškova svakog procesora i povećanje prinosa proizvoda odgovarajuće kvalitete. Doista, površina ploče promjera 300 mm je 2,25 puta veća od površine ploče promjera 200 mm, odnosno broja procesora dobivenih iz jedne ploče promjera 300 mm je više nego dvostruko veći.
U 2003. godini očekuje se uvođenje novog tehnološkog procesa s još nižim standardom dizajna, odnosno 90-nanometarskog. Novi proizvodni proces, koji će Intel koristiti za proizvodnju većine svojih proizvoda, uključujući procesore, skupove čipova i komunikacijsku opremu, razvijen je u Intelovoj pilot tvornici D1C od 300 mm pločica u Hillsboru, Oregon.
Intel je 23. listopada 2002. najavio otvaranje novog pogona vrijednog 2 milijarde dolara u Rio Ranchu, Novi Meksiko. Nova tvornica, nazvana F11X, koristit će najsuvremeniju tehnologiju za proizvodnju procesora na pločicama od 300 mm korištenjem procesa projektiranja od 0,13 mikrona. U 2003. godini postrojenje će biti prebačeno na tehnološki proces s projektnim standardom od 90 nm.
Osim toga, Intel je već najavio nastavak izgradnje na Fab 24 u Lakeslipu u Irskoj, koji će proizvoditi poluvodičke komponente na 300 mm silikonskim pločicama s pravilom dizajna od 90 nm. Novo poduzeće ukupne površine preko 1 milijun četvornih metara. ft. s ultra čistim sobama površine 160 tisuća četvornih metara. ft. očekuje se da će početi s radom u prvoj polovici 2004. i zapošljavat će više od tisuću ljudi. Cijena objekta je oko 2 milijarde dolara.
90nm proces koristi niz naprednih tehnologija. To je ujedno i najmanji komercijalno dostupni CMOS tranzistori na svijetu s duljinom vrata od 50 nm (slika 11), koji osigurava povećane performanse uz smanjenje potrošnje energije, i najtanji sloj oksida vrata ikada napravljen od tranzistora - samo 1,2 nm (slika 12) , ili manje od 5 atomskih slojeva, i prva implementacija tehnologije napetog silicija visokih performansi u industriji.
Od navedenih karakteristika, možda je samo pojam “napregnutog silicija” potrebno komentirati (slika 13.). U takvom siliciju je udaljenost između atoma veća nego u konvencionalnom poluvodiču. To, pak, osigurava slobodniji protok struje, slično kao što se promet kreće slobodnije i brže na cesti sa širim prometnim trakama.
Kao rezultat svih inovacija, performanse tranzistora su poboljšane za 10-20%, uz povećanje troškova proizvodnje za samo 2%.
Osim toga, 90nm proces koristi sedam slojeva po čipu (slika 14), jedan sloj više od 130nm procesa i bakrene veze.
Sve ove značajke, u kombinaciji sa silikonskim pločicama od 300 mm, osiguravaju Intelu dobitke u performansama, proizvodnji i cijeni. Potrošači također imaju koristi jer Intelov novi tehnološki proces nastavlja razvijati industriju u skladu s Mooreovim zakonom, dok iznova poboljšava performanse procesora.
