Hapja e një Pentium III, fotografi në mikroskop. Prodhimi i procesorëve modernë

23.05.2019 Windows 10

Të gjithë mbanin në duar një mikroprocesor të zakonshëm, por vështirë se dikush do të mendonte ta hapte atë dhe ta ekzaminonte nën një mikroskop elektronik skanues. Kjo është pikërisht ajo që bëri mësuesi suedez Kristian Storm për t'u demonstruar nxënësve mikroçipin. Fotot janë thjesht të mahnitshme: cilësia ju lejon të shihni shtresat individuale të procesorit. Me sa duket, përafërsisht e njëjta procedurë u përdor nga inxhinierët sovjetikë që çmontuan dhe kopjuan zhvillimet perëndimore. Përafërsisht e njëjta gjë po bëhet tani për të studiuar produktet e konkurrentëve.

Të gjitha fotot janë të klikueshme dhe të disponueshme në rezolucion të lartë.

Christian Storm përdori një procesor P-III. Për të filluar, ishte e nevojshme të hiqni vetë mikroqarkun direkt nga kutia plastike (blu), e cila ndodhet në qendër të tabelës së qarkut (jeshile).

Siç mund ta shihni në anën e pasme të tabelës së qarkut, është e nevojshme të nxirren kontaktet nga mikroprocesori - nga çdo kontakt në procesor, një sinjal shkon në një kunj të veçantë në tabelë.

Në fillim Christian mendoi se mund ta ndante mikroprocesorin duke u ngrohur, por nuk mori gjë tjetër veçse një erë të keqe. Pastaj më duhej të përdorja forcën brutale dhe të preja pjesën përkatëse. Me ndihmën e pincës dhe një bisturi, ai nxori çipin, duke e dëmtuar pak gjatë procesit (megjithatë, Christian do ta thyente gjithsesi procesorin për xhirime).

Ja çfarë ndodhi si rezultat. Në anën e pasme të mikroqarkut, nën kutinë blu të thyer, mund të shihni kontaktet në mikroqark. Ata ishin të lidhur me kunjat në tabelë.

Këtu mikroqarku pastrohet nga plastika.

Tani fillon argëtimi: mikroskopi hyn në lojë. Së pari, optike e zakonshme. Nën një mikroskop, ne shikojmë një fragment të një mikroprocesori me të njëjtat kontakte.

Nëse shikoni më afër, mund të shihni strukturën brenda vrimave të kontaktit.

Procesori përbëhet nga shumë shtresa metalike mbi njëra-tjetrën, ato duken qartë përmes vrimave për kontaktet.

Duke ndryshuar fokusin në mikroskop, ju mund t'i ekzaminoni këto shtresa me radhë. Këtu është shtresa e sipërme.

Shtresa e mesme.

Dhe shtresa e poshtme.

Meqenëse mikroskopi optik nuk ofron detajet e nevojshme, Christian vendosi të përdorë një mikroskop elektronik skanues. Për të parë pjesët e brendshme të procesorit, ai e ndau atë dhe filloi të ekzaminojë vendet e thyerjes. Më poshtë mund të shihni një seri fotografish të njëpasnjëshme me rezolucion gradualisht në rritje.

Mikroqarku kthehet me kokë poshtë, në mënyrë që në krye të jetë një rresht kunjash që ishin ngjitur më parë në tabelën e qarkut. Në fillim, asgjë e veçantë nuk është e dukshme. Materiali me ngjyrë të hapur midis kontakteve është me sa duket një lloj polimeri për të mbushur hapësirën.

Me zmadhim të mëtejshëm, shtresat tashmë janë qartë të dukshme. Ju madje mund të numëroni numrin e tyre: gjashtë.

Trashësia e shtresës së poshtme metalike është afërsisht 200-250 nm. Procesori P-III është prodhuar duke përdorur teknologjinë e procesit 250 nm, dhe më vonë - 180 nm, kështu që kjo shtresë e poshtme është shtresa e fundit me transistorë, përafrimi i mëtejshëm nuk do të tregojë më elementë të rinj.

Kështu duket fotografia në një formë të përmirësuar.

Fotoja e fundit është bërë në të njëjtën shkallë, vetëm nga lart. Në një vend, trupi është thyer aksidentalisht, kështu që struktura e brendshme është ekspozuar.

Ka disa shtresa metalike njëra mbi tjetrën, por Christian nuk ishte në gjendje të bënte fotografi shtresë pas shtrese dhe të shkonte direkt te transistorët (shtresa e poshtme), sepse nuk di t'i heqë me kujdes shtresat nga çipi.

Mikroprocesorët modernë janë mikroqarqet më të shpejta dhe më të zgjuara në botë. Ato mund të kryejnë deri në 4 miliardë operacione në sekondë dhe prodhohen duke përdorur shumë teknologji të ndryshme. Që nga fillimi i viteve '90 të shekullit të njëzetë, kur përpunuesit hynë në përdorim masiv, ata kanë kaluar nëpër disa faza të zhvillimit. Apogjeu i zhvillimit të strukturave të mikroprocesorëve duke përdorur teknologjitë ekzistuese të mikroprocesorëve të gjeneratës së 6-të konsiderohet të jetë viti 2002, kur u bë i disponueshëm përdorimi i të gjitha vetive themelore të silikonit për të marrë frekuenca të larta me humbjet më të vogla në prodhimin dhe krijimin e qarqeve logjike. . Tani, efikasiteti i përpunuesve të rinj po bie disi, pavarësisht rritjes së vazhdueshme të frekuencës së funksionimit të kristaleve, pasi teknologjitë e silikonit po i afrohen kufirit të aftësive të tyre.

Një mikroprocesor është një qark i integruar i formuar në një çip të vogël silikoni. Silici përdoret në mikroqarqe për faktin se ka veti gjysmëpërçuese: përçueshmëria e tij elektrike është më e madhe se ajo e dielektrikëve, por më e vogël se ajo e metaleve. Siliconi mund të bëhet si një izolant që parandalon lëvizjen e ngarkesave elektrike, ashtu edhe një përcjellës - atëherë ngarkesat elektrike do të kalojnë lirshëm nëpër të. Përçueshmëria e gjysmëpërçuesit mund të kontrollohet duke futur papastërti.

Mikroprocesori përmban miliona transistorë, të ndërlidhur nga përçuesit më të hollë të aluminit ose bakrit dhe përdoren për përpunimin e të dhënave. Kështu formohen gomat e brendshme. Si rezultat, mikroprocesori kryen shumë funksione - nga operacionet matematikore dhe logjike deri te kontrollimi i funksionimit të mikroqarqeve të tjera dhe të gjithë kompjuterit.

Një nga parametrat kryesorë të procesorit është frekuenca e kristalit, e cila përcakton numrin e operacioneve për njësi të kohës, frekuencën e autobusit të sistemit dhe sasinë e memories së brendshme SRAM. Procesori shënohet nga frekuenca e kristalit. Frekuenca e funksionimit të kristalit përcaktohet nga shpejtësia me të cilën transistorët kalojnë nga gjendja e mbyllur në atë të hapur. Aftësia e një tranzistori për të kaluar më shpejt përcaktohet nga teknologjia për prodhimin e vaferave të silikonit nga të cilat janë bërë çipat. Procesi teknologjik përcakton madhësinë e tranzistorit (trashësia e tij dhe gjatësia e portës). Për shembull, duke përdorur teknologjinë e procesit 90 nm, e cila u prezantua në fillim të vitit 2004, madhësia e tranzistorit është 90 nm dhe gjatësia e portës është 50 nm.

Të gjithë procesorët modern përdorin transistorë me efekt në terren. Kalimi në një proces të ri teknologjik bën të mundur krijimin e transistorëve me një frekuencë më të lartë kalimi, rryma më të ulëta rrjedhjeje dhe madhësi më të vogla. Zvogëlimi ju lejon të zvogëloni njëkohësisht zonën e mbulimit dhe rrjedhimisht shpërndarjen e nxehtësisë, dhe një portë më e hollë ju lejon të aplikoni më pak tension për ndërrim, gjë që redukton gjithashtu konsumin e energjisë dhe shpërndarjen e nxehtësisë.

Teknologjia dhe tregu

Tani vërehet një prirje interesante në treg: nga njëra anë, kompanitë prodhuese po përpiqen të fusin sa më shpejt në produktet e tyre të reja procese dhe teknologji të reja teknike, nga ana tjetër, ka një kufizim artificial në rritjen e procesorit. frekuencave. Së pari, tregtarët mendojnë se tregu nuk është plotësisht i përgatitur për ndryshimin e radhës të familjeve të procesorëve dhe firmat nuk kanë bërë ende fitim të mjaftueshëm nga shitjet e CPU-ve që po prodhohen aktualisht - stoku nuk është tharë ende. Është mjaft e dukshme prevalenca e rëndësisë së çmimit të produktit të përfunduar mbi të gjitha interesat e tjera të kompanive. Së dyti, një rënie e ndjeshme e shkallës së "garës së frekuencës" shoqërohet me kuptimin e nevojës për të futur teknologji të reja që në të vërtetë rrisin produktivitetin me një sasi minimale të kostove teknologjike. Siç u përmend tashmë, prodhuesit janë përballur me probleme në kalimin në procese të reja teknike.

Norma teknologjike prej 90 nm doli të ishte një pengesë mjaft serioze teknologjike për shumë prodhues të çipave. Kjo konfirmohet nga TSMC, e cila prodhon çipa për shumë gjigantë të tregut, si AMD, nVidia, ATI, VIA. Për një kohë të gjatë, ajo nuk ishte në gjendje të krijonte prodhimin e çipave duke përdorur teknologjinë 0.09 mikron, gjë që çoi në një rendiment të ulët të kristaleve të përshtatshme. Kjo është një nga arsyet pse AMD ka shtyrë lëshimin e procesorëve të saj SOI (Silicon-on-Insulator) për një kohë të gjatë. Vonesat janë për faktin se pikërisht në këtë dimension të elementeve filluan të shfaqeshin fuqishëm të gjitha llojet e faktorëve negativë më parë jo aq fort të perceptueshëm: rrymat e rrjedhjes, një shpërndarje e madhe e parametrave dhe një rritje eksponenciale e lëshimit të nxehtësisë. Le ta kuptojmë me radhë.

Siç e dini, ekzistojnë dy rryma rrjedhjeje: rryma e rrjedhjes së portës dhe rrjedhja e nënpragut. E para është shkaktuar nga lëvizja spontane e elektroneve midis substratit të silikonit të kanalit dhe portës së polisilikonit. E dyta është lëvizja spontane e elektroneve nga burimi i tranzitorit në drenazh. Të dyja këto efekte çojnë në faktin se ju duhet të rrisni tensionin e furnizimit për të kontrolluar rrymat në tranzistor, dhe kjo ndikon negativisht në shpërndarjen e nxehtësisë. Pra, duke reduktuar madhësinë e tranzistorit, para së gjithash zvogëlojmë portën e tij dhe shtresën e dioksidit të silikonit (SiO2), e cila është një pengesë natyrore midis portës dhe kanalit. Nga njëra anë, kjo përmirëson shpejtësinë e transistorit (koha e ndërrimit), por nga ana tjetër rrit rrjedhjen. Kjo do të thotë, rezulton një lloj rrethi vicioz. Pra, kalimi në 90 nm është një tjetër ulje e trashësisë së shtresës së dioksidit, dhe në të njëjtën kohë një rritje e rrjedhjeve. Lufta kundër rrjedhjeve është, përsëri, një rritje e tensioneve të kontrollit dhe, në përputhje me rrethanat, një rritje e konsiderueshme e gjenerimit të nxehtësisë. E gjithë kjo çoi në një vonesë në prezantimin e një procesi të ri teknik nga ana e konkurrentëve në tregun e mikroprocesorëve - Intel dhe AMD.

Një zgjidhje alternative është përdorimi i teknologjisë SOI (silicon on insulator), të cilën AMD e prezantoi së fundmi në procesorët e saj 64-bit. Megjithatë, ajo i kushtoi asaj shumë përpjekje dhe tejkalimin e një numri të madh vështirësish të lidhura. Por vetë teknologjia ofron një numër të madh avantazhesh me një numër relativisht të vogël disavantazhesh. Thelbi i teknologjisë, në përgjithësi, është mjaft logjik - transistori është i ndarë nga nënshtresa e silikonit nga një shtresë tjetër e hollë izoluesi. Ka shumë pluse. Asnjë lëvizje e pakontrolluar e elektroneve nën kanalin e transistorit, gjë që ndikon në karakteristikat e tij elektrike - këtë herë. Pas furnizimit të rrymës së zhbllokimit në portë, koha për jonizimin e kanalit në gjendjen e funksionimit (deri në momentin kur rryma e funksionimit rrjedh nëpër të) zvogëlohet, domethënë përmirësohet parametri i dytë kryesor i performancës së tranzitorit, koha e ndezjes/fikjes së tij është dy. Ose, me të njëjtën shpejtësi, thjesht mund të ulni rrymën e zhbllokimit - kjo është tre. Ose gjeni një lloj kompromisi midis rritjes së shpejtësisë së punës dhe uljes së tensionit. Ndërsa ruani të njëjtën rrymë zhbllokimi, rritja e performancës së tranzistorit mund të jetë deri në 30%, nëse e lini frekuencën të njëjtë, duke u fokusuar në kursimin e energjisë, atëherë plusi mund të jetë i madh - deri në 50%. Së fundi, karakteristikat e kanalit bëhen më të parashikueshme dhe vetë transistori bëhet më rezistent ndaj gabimeve sporadike, të tilla si ato të shkaktuara nga grimcat kozmike, rënia në substratin e kanalit dhe jonizimi i papritur i tij. Tani, duke u futur në nënshtresën e vendosur nën shtresën e izolantit, ato nuk ndikojnë në funksionimin e tranzitorit në asnjë mënyrë. E vetmja pengesë e SOI është se është e nevojshme të zvogëlohet thellësia e rajonit të emituesit / kolektorit, gjë që ndikon drejtpërdrejt dhe drejtpërdrejt në rritjen e rezistencës së tij me zvogëlimin e trashësisë.

Dhe së fundi, arsyeja e tretë që kontribuoi në ngadalësimin e ritmit të rritjes së frekuencave është aktiviteti i ulët i konkurrentëve në treg. Mund të themi se secili ishte i zënë me punët e veta. AMD u angazhua në prezantimin e gjerë të procesorëve 64-bit, për Intel ishte një periudhë e përmirësimit të një procesi të ri teknik, korrigjimi për një rendiment të shtuar të kristaleve të përshtatshme.

Fillimi i vitit duhet të na sjellë një sasi të madhe të rejash nga fusha e teknologjisë, sepse pikërisht këtë vit të dyja kompanitë duhet të kalojnë në standardet teknologjike prej 90 nm. Por kjo nuk do të thotë aspak një rritje e re e shpejtë e frekuencave të procesorit, por e kundërta. Në fillim do të ketë një qetësi në treg: konkurrentët do të fillojnë të lëshojnë CPU duke përdorur procese të reja teknike, por me frekuenca të vjetra. Me zotërimin e procesit të prodhimit, do të fillojë një rritje e frekuencës së çipave. Me shumë mundësi, nuk do të jetë aq e dukshme sa më parë. Deri në fund të vitit 2004, kur rendimenti i kristaleve të përshtatshme në teknologjinë e procesit 90 nm do të rritet ndjeshëm, Intel pret të pushtojë majën në 4 GHz, ose edhe më shumë. Procesorët AMD do të vijnë me një vonesë tradicionale të frekuencës, e cila, në përgjithësi, nuk ndikon në performancën aq shumë sa karakteristikat e mikroarkitekturës.

Pra, nevoja për të kaluar në procese të reja teknike është e dukshme, por teknologëve kjo u jepet çdo herë e më shumë me shumë vështirësi. Mikroprocesorët e parë Pentium (1993) u prodhuan sipas teknologjisë së procesit 0.8 µm, më pas 0.6 µm secili. Në vitin 1995, për herë të parë për procesorët e gjeneratës së 6-të, u përdor procesi teknik 0.35 mikron. Në 1997, ajo ndryshoi në 0.25 mikron, dhe në 1999 - në 0.18 mikron. Përpunuesit modernë janë bërë duke përdorur teknologji 0.13 dhe 0.09 mikron, kjo e fundit u prezantua në 2004. Siç mund ta shihni, për këto procese teknike, respektohet ligji i Moore, i cili thotë se çdo dy vjet frekuenca e kristaleve dyfishohet me një rritje të numrit të transistorëve prej tyre. Procesi teknik po ndryshon me të njëjtin ritëm. Vërtetë, në të ardhmen "gara e frekuencës" do ta kalojë këtë ligj. Deri në vitin 2006, Intel planifikon të zotërojë teknologjinë e procesit 65 nm, dhe në 2009 - 32 nm.

Këtu është koha të kujtojmë strukturën e tranzistorit, përkatësisht, një shtresë të hollë të dioksidit të silikonit, një izolant i vendosur midis portës dhe kanalit, dhe që kryen një funksion plotësisht të kuptueshëm - një pengesë për elektronet, duke parandaluar rrjedhjen e rrymës së portës. Natyrisht, sa më e trashë kjo shtresë, aq më mirë e kryen funksionin e saj izolues. Por është një pjesë integrale e kanalit, dhe nuk është më pak e qartë se nëse do të zvogëlojmë gjatësinë e kanalit (madhësia e transistorit), atëherë duhet të zvogëlojmë trashësinë e tij dhe me një ritëm shumë të shpejtë. . Nga rruga, gjatë dekadave të fundit, trashësia e kësaj shtrese është mesatarisht rreth 1/45 e të gjithë gjatësisë së kanalit. Por ky proces ka fundin e tij - siç pretendoi Intel pesë vjet më parë, nëse SiO2 vazhdon të përdoret, siç ka qenë gjatë 30 viteve të fundit, trashësia minimale e shtresës do të jetë 2.3 nm, përndryshe rryma e rrjedhjes së rrymës së portës do të bëhet thjesht joreale.

Deri kohët e fundit, asgjë nuk është bërë për të reduktuar rrjedhjet e nënkanaleve. Tani situata ka filluar të ndryshojë, pasi rryma e funksionimit, së bashku me kohën e përgjigjes së portës, është një nga dy parametrat kryesorë që karakterizojnë shpejtësinë e tranzistorit, dhe rrjedhja në gjendjen e fikur ndikon drejtpërdrejt në të - për të ruajtur efikasiteti i kërkuar i transistorit, është e nevojshme, në përputhje me rrethanat, të rritet rryma e funksionimit me të gjitha kushtet që pasojnë.

Prodhimi i mikroprocesorëve

Prodhimi i një mikroprocesori është një proces kompleks që përfshin më shumë se 300 faza. Mikroprocesorët formohen në sipërfaqen e vaferave të hollë rrethore të silikonit - nënshtresave, si rezultat i një sekuence të caktuar të proceseve të ndryshme të përpunimit duke përdorur kimikate, gazra dhe rrezatim ultravjollcë.

Nënshtresat janë zakonisht 200 milimetra ose 8 inç në diametër. Megjithatë, Intel tashmë ka kaluar në 300mm, ose 12" vaferë. Pllakat e reja bëjnë të mundur marrjen e pothuajse 4 herë më shumë kristale, dhe rendimenti është shumë më i lartë. Vaferat janë bërë nga silikoni, i cili rafinohet, shkrihet dhe rritet në kristale të gjata cilindrike. Më pas kristalet priten në vafera të holla dhe lëmohen derisa sipërfaqet e tyre të jenë të lëmuara si pasqyra dhe pa defekte. Më pas, në mënyrë sekuenciale, duke përsëritur në mënyrë ciklike, kryhet oksidimi termik (formimi i një filmi SiO2), fotolitografia, difuzioni i papastërtive (fosfori), epitaksi (rritja e shtresave).

Në procesin e prodhimit të mikroqarqeve, shtresat më të holla të materialeve aplikohen në pllakat e zbrazëta në formën e modeleve të llogaritura me kujdes. Një pjatë mund të akomodojë deri në disa qindra mikroprocesorë, prodhimi i të cilëve kërkon më shumë se 300 operacione. I gjithë procesi i prodhimit të përpunuesve mund të ndahet në disa faza: rritja e dioksidit të silikonit dhe krijimi i rajoneve përcjellëse, testimi, krijimi i kasës dhe transporti.

Rritja e dioksidit të silikonit dhe krijimi i zonave përcjellëse. Procesi i prodhimit të mikroprocesorit fillon me "rritje" e një shtrese izoluese të dioksidit të silikonit në sipërfaqen e një pllake të lëmuar. Kjo fazë kryhet në një furrë elektrike në një temperaturë shumë të lartë. Trashësia e shtresës së oksidit varet nga temperatura dhe koha që pjata kalon në furrë.

Kjo pasohet nga fotolitografia - një proces gjatë të cilit formohet një vizatim skematik në sipërfaqen e pllakës. Së pari, një shtresë e përkohshme e një materiali fotosensiv aplikohet në pllakë - një fotorezist, mbi të cilin projektohet një imazh i zonave transparente të një shablloni ose një fotomaskë duke përdorur rrezatim ultravjollcë. Maskat bëhen gjatë projektimit të procesorit dhe përdoren për të gjeneruar modele qarku në secilën shtresë të procesorit. Nën ndikimin e rrezatimit, zonat e ndriçuara të fotoshtresës bëhen të tretshme dhe ato hiqen me ndihmën e një tretësi (acidi hidrofluorik), duke zbuluar dioksidin e silikonit poshtë.

Silica e ekspozuar hiqet nga një proces i quajtur gravurë. Pastaj hiqet shtresa e mbetur e fotove, si rezultat i së cilës një model i dioksidit të silikonit mbetet në vaferën gjysmëpërçuese. Me ndihmën e një numri operacionesh shtesë të fotolitografisë dhe gravurës, silikoni polikristalor me vetitë e një përcjellësi aplikohet gjithashtu në vafer. Gjatë operacionit të radhës, të quajtur “doping”, zonat e ekspozuara të vaferës së silikonit bombardohen me jone elementësh të ndryshëm kimikë, të cilët formojnë ngarkesa negative dhe pozitive në silikon, të cilat ndryshojnë përçueshmërinë elektrike të këtyre zonave.

Vendosja e shtresave të reja me gravurë të mëvonshme të qarkut kryhet disa herë, ndërsa për lidhjet ndërshtresore në shtresa lihen "dritare" të cilat mbushen me metal duke formuar lidhje elektrike ndërmjet shtresave. Intel përdori përçues bakri në procesin e tij të prodhimit 0,13 mikron. Intel përdori aluminin në proceset e tij 0.18 mikron dhe të gjeneratës së mëparshme. Të dy bakri dhe alumini janë përçues të shkëlqyer të energjisë elektrike. Gjatë përdorimit të procesit teknik 0,18 mikron janë përdorur 6 shtresa, ndërsa në prezantimin e procesit teknik 90 nm në vitin 2004 janë përdorur 7 shtresa silikoni.

Çdo shtresë e procesorit ka modelin e vet, së bashku të gjitha këto shtresa formojnë një qark elektronik tredimensional. Aplikimi i shtresave përsëritet 20 - 25 herë gjatë disa javëve.

Duke testuar. Për të përballuar sforcimet të cilave u nënshtrohen nënshtresat gjatë procesit të depozitimit, vaferat e silikonit fillimisht duhet të jenë mjaft të trasha. Prandaj, para prerjes së pllakës në mikroprocesorë të veçantë, trashësia e saj zvogëlohet me 33% duke përdorur procese speciale dhe hiqet ndotja nga ana e pasme. Pastaj një shtresë e një materiali të veçantë aplikohet në anën e pasme të pllakës "holluar", e cila përmirëson fiksimin e mëvonshëm të kristalit në kutinë. Përveç kësaj, kjo shtresë siguron kontakt elektrik midis sipërfaqes së pasme të qarkut të integruar dhe paketës pas montimit.

Pas kësaj, pllakat testohen për të kontrolluar cilësinë e të gjitha operacioneve të përpunimit. Për të përcaktuar nëse procesorët funksionojnë siç duhet, testohen komponentë individualë. Nëse zbulohen keqfunksionime, të dhënat analizohen për të kuptuar se në cilën fazë të përpunimit ka ndodhur dështimi.

Sondat elektrike më pas lidhen me secilin procesor dhe furnizohen me energji. Procesorët testohen nga një kompjuter për të përcaktuar nëse procesorët e prodhuar përmbushin specifikimet e specifikuara.

Prodhimi i kasës. Pas testimit, vaferat dërgohen në dyqanin e montimit ku priten në drejtkëndësha të vegjël, ku secili përmban një qark të integruar. Një sharrë e veçantë precize përdoret për të ndarë pllakën. Kristalet që nuk funksionojnë hidhen.

Pastaj çdo kristal vendoset në një rast individual. Kutia mbron kristalin nga ndikimet e jashtme dhe siguron lidhjen e tij elektrike me pllakën në të cilën do të instalohet më pas. Topa të vegjël saldimi, të vendosura në pika të veçanta të kristalit, janë ngjitur në telat elektrike të paketimit. Tani sinjalet elektrike mund të shkojnë nga bordi në çip dhe anasjelltas.

Në procesorët e ardhshëm, Intel do të përdorë teknologjinë BBUL, e cila do të lejojë krijimin e rasteve thelbësisht të reja me shpërndarje më të ulët të nxehtësisë dhe kapacitet midis këmbëve të CPU.

Pas instalimit të diesë në paketë, procesori testohet përsëri për të përcaktuar nëse është funksional. Përpunuesit me defekt hidhen poshtë dhe përpunuesit e shërbimit i nënshtrohen testeve të stresit: ekspozimi ndaj kushteve të ndryshme të temperaturës dhe lagështisë, si dhe shkarkimeve elektrostatike. Pas çdo stres testi, procesori testohet për të përcaktuar gjendjen e tij funksionale. Më pas, procesorët renditen në bazë të sjelljes së tyre në shpejtësi të ndryshme të orës dhe tensioneve të furnizimit.

Dorëzimi. Procesorët që kanë kaluar testet shkojnë në inspektimin përfundimtar, detyra e të cilit është të konfirmojë që rezultatet e të gjitha testeve të mëparshme ishin të sakta, dhe parametrat e qarkut të integruar plotësojnë standardet e vendosura ose madje i tejkalojnë ato. Të gjithë përpunuesit që kalojnë inspektimin përfundimtar etiketohen dhe paketohen për dërgesë te klientët.

Teknologjitë e ardhshme të mikroprocesorëve

Dihet se transistorët ekzistues CMOS kanë shumë kufizime dhe nuk do të lejojnë rritjen e frekuencave të procesorit në të ardhmen e afërt aq pa dhimbje. Në fund të vitit 2003, në konferencën e Tokios, specialistët e Intel bënë një deklaratë shumë të rëndësishme në lidhje me zhvillimin e materialeve të reja për transistorët gjysmëpërçues të së ardhmes. Para së gjithash, ne po flasim për një dielektrik të ri të portës së tranzistorit me një konstante dielektrike të lartë (i ashtuquajturi material "high-k"), i cili do të përdoret për të zëvendësuar dioksidin e silikonit (SiO2) që përdoret sot, si dhe të ri. lidhjet metalike të përputhshme me dielektrikën e re të portës ... Zgjidhja e propozuar nga studiuesit redukton rrymën e rrjedhjes me 100 herë, gjë që bën të mundur afrimin e zbatimit të një procesi prodhimi me një standard projektimi 45 nanometra. Ai shihet nga ekspertët si një revolucion i vogël në botën e teknologjisë mikroelektronike.

Për të kuptuar se për çfarë bëhet fjalë, së pari le t'i hedhim një sy një MOSFET konvencional, në bazë të të cilit janë bërë CPU-të më komplekse.

Në të, një portë polisilikoni përçuese ndahet nga kanali i tranzitorit nga një shtresë më e hollë (vetëm 1.2 nm ose 5 atome e trashë) e dioksidit të silikonit (një material që është përdorur si dielektrik i portës për dekada).

Një trashësi kaq e vogël e dielektrikut është e nevojshme për të marrë jo vetëm dimensionet e vogla të tranzistorit në tërësi, por edhe për performancën e tij më të lartë (grimcat e ngarkuara lëvizin më shpejt nëpër portë, si rezultat i së cilës një VT e tillë mund të kalojë në 10 miliardë herë në sekondë). E thjeshtuar - sa më afër të jetë porta me kanalin e tranzistorit (d.m.th., sa më i hollë të jetë dielektriku), aq "ndikim më i madh" për sa i përket shpejtësisë që do të ketë në elektronet dhe vrimat në kanalin e tranzitorit.

Prandaj, rëndësia e zbulimit nga shkencëtarët e Intel nuk mund të nënvlerësohet. Pas pesë vitesh kërkimesh në laboratorët e saj, korporata ka zhvilluar një material të veçantë që zëvendëson dioksidin tradicional të silikonit në rrugën e zakonshme të prodhimit të çipave. Kërkesat për një material të tillë janë shumë serioze: përputhshmëri e lartë kimike dhe mekanike (në nivel atomik) me silikon, lehtësia e prodhimit në një cikël të vetëm të një teknologjie tradicionale të procesit të silikonit, por gjëja kryesore është rrjedhje e ulët dhe konstante e lartë dielektrike.

Nëse kemi probleme me rrjedhjet, atëherë trashësia e dielektrikut duhet të rritet të paktën në 2-3 nm (shih figurën e mësipërme). Për të ruajtur të njëjtën pjerrësi të tranzistorit (varësia e rrymës nga tensioni), është e nevojshme të rritet proporcionalisht konstanta dielektrike e materialit dielektrik. Nëse përshkueshmëria e dioksidit të silikonit në masë është e barabartë me 4 (ose pak më pak në shtresat ultra të holla), atëherë një vlerë e arsyeshme e konstantës dielektrike të dielektrikut të ri "Intel" mund të konsiderohet një vlerë në rajonin 10-12. Përkundër faktit se ka shumë materiale me një konstante të tillë dielektrike (qeramika kondensator ose monokristale silikoni), faktorët e përputhshmërisë teknologjike të materialeve nuk janë më pak të rëndësishëm këtu. Prandaj, u zhvillua një proces depozitimi me precizion të lartë për materialin e ri të lartë-k, gjatë të cilit një shtresë molekulare e këtij materiali formohet në një cikël.

Bazuar në këtë foto, mund të supozojmë se materiali i ri është gjithashtu oksid. Për më tepër, monoksidi, që nënkupton përdorimin e materialeve kryesisht të grupit të dytë, për shembull, magnez, zink apo edhe bakër.

Por çështja nuk ishte e kufizuar vetëm në dielektrikë. Ishte gjithashtu e nevojshme të ndryshohej vetë materiali i grilave - silikoni i zakonshëm polikristalor. Fakti është se zëvendësimi i dioksidit të silikonit me një dielektrik me k- të lartë çon në probleme të ndërveprimit me silikonin polikristalin (hendeku i brezit të një tranzitori përcakton tensionet minimale të mundshme për të). Këto probleme mund të eliminohen duke përdorur metale speciale për portat e të dy llojeve të transistorëve (n-MOS dhe p-MOS) në kombinim me një proces të veçantë teknologjik. Ky kombinim i materialeve arrin rekordin e performancës së tranzistorit dhe rrymave unike të ulëta të rrjedhjes, 100 herë më të ulëta se materialet aktuale (shih grafikun). Në këtë rast, nuk ka më tundimin për të përdorur teknologjinë shumë më të shtrenjtë SOI (silicon on insulator) për të luftuar rrjedhjet, siç bëjnë disa prodhues të mëdhenj mikroprocesorë.

Vëmë re gjithashtu një risi tjetër teknologjike nga teknologjia e silikonit të tendosur nga Intel, e cila përdoret për herë të parë në procesorët Prescott dhe Dothan 90 nm. Më në fund, Intel ka detajuar se si formohen shtresat e tendosura të silikonit në strukturat e saj CMOS. Një qelizë CMOS përbëhet nga dy transistorë - n-MOS dhe p-MOS (shih figurën).

Në kanalin e parë (n-MOS) të tranzitorit (n-kanal) përcjell rrymë duke përdorur elektrone (grimca të ngarkuara negativisht), dhe në të dytin (p-MOS) - duke përdorur vrima (grimca të ngarkuara me kusht pozitiv). Prandaj, mekanizmat e formimit të silikonit të stresuar janë të ndryshëm në këto dy raste. Për tranzistorin n-MOS, përdoret një shtresë e jashtme me një shtresë nitridi silikoni (Si3N4), i cili, për shkak të streseve mekanike, shtrin pak (në një pjesë të përqindjes) kristalin e silikonit (në drejtim të rrjedhës së rrymës). grilë nën portë, si rezultat i së cilës rryma e funksionimit të kanalit rritet me 10% (duke folur relativisht, bëhet më e gjerë që elektronet të lëvizin në drejtim të kanalit). Në transistorët p-MOS, e kundërta është e vërtetë: një përbërës silikoni-gjermanium (SiGe) përdoret si materiali i nënshtresës (më saktë, vetëm rajonet e kullimit dhe burimit), i cili ngjesh pak rrjetën e kristalit të silikonit nën portë në drejtim. të kanalit. Prandaj, bëhet "më e lehtë" që vrimat të "lëvizin" nëpër atomet e papastërtisë së pranuesit, dhe rryma e funksionimit të kanalit rritet me 25%. Kombinimi i të dyja teknologjive jep 20-30% përforcim aktual. Kështu, përdorimi i teknologjisë së "silikonit të tendosur" në të dy llojet e pajisjeve (n-MOS dhe p-MOS) çon në një rritje të konsiderueshme të performancës së transistorëve duke rritur kostot e tyre të prodhimit vetëm me ~ 2% dhe ju lejon të krijoni më shumë tranzistorë në miniaturë të gjeneratave të ardhshme. Intel planifikon të përdorë silikon të tendosur për të gjitha proceset e ardhshme teknike deri në 22 nm.

Ja çfarë ndodhi si rezultat. Në anën e pasme të mikroqarkut, nën kutinë blu të thyer, mund të shihni kontaktet në mikroqark. Ata ishin të lidhur me kunjat në tabelë.

Këtu mikroqarku pastrohet nga plastika.

Tani fillon argëtimi: mikroskopi hyn në lojë. Së pari, optike e zakonshme. Nën një mikroskop, ne shikojmë një fragment të një mikroprocesori me të njëjtat kontakte.

Nëse shikoni më afër, mund të shihni strukturën brenda vrimave të kontaktit.

Procesori përbëhet nga shumë shtresa metalike mbi njëra-tjetrën, ato duken qartë përmes vrimave për kontaktet.

Duke ndryshuar fokusin në mikroskop, ju mund t'i ekzaminoni këto shtresa me radhë. Këtu është shtresa e sipërme.

Shtresa e mesme.

Dhe shtresa e poshtme.

Me zmadhim të mëtejshëm, shtresat tashmë janë qartë të dukshme. Ju madje mund të numëroni numrin e tyre: gjashtë.

Kështu duket fotografia në një formë të përmirësuar.

Fotoja e fundit është bërë në të njëjtën shkallë, vetëm nga lart. Në një vend, trupi është thyer aksidentalisht, kështu që struktura e brendshme është ekspozuar.

CPUështë zemra e çdo kompjuteri modern. Çdo mikroprocesor është në thelb një qark i integruar në shkallë të gjerë në të cilin ndodhen transistorët. Duke kaluar rrymë elektrike, transistorët ju lejojnë të krijoni llogaritjet e logjikës binare (ndezur - fikur). Procesorët modernë bazohen në teknologjinë 45 nm. 45 nm (nanometër) është madhësia e një transistori të vendosur në pllakën e procesorit. Deri vonë, teknologjia 90 nm përdorej kryesisht.

Pllakat janë prej silikoni, i cili është depozitimi i dytë më i madh në koren e tokës.

Siliconi merret me trajtim kimik, duke e pastruar atë nga papastërtitë. Pas kësaj, ata fillojnë ta shkrijnë atë, duke formuar një cilindër silikoni me një diametër prej 300 milimetra. Ky cilindër më pas pritet në pjata me një fije diamanti. Trashësia e secilës pjatë është rreth 1 mm. Në mënyrë që pllaka të ketë një sipërfaqe ideale, pas prerjes me fije, bluhet me një mulli të veçantë.

Pas kësaj, sipërfaqja e vaferës së silikonit është krejtësisht e sheshtë. Nga rruga, shumë kompani prodhuese kanë njoftuar tashmë mundësinë e punës me pllaka 450 mm. Sa më e madhe të jetë sipërfaqja, aq më shumë transistorë për t'u vendosur dhe aq më e lartë është performanca e procesorit.

CPU përbëhet nga një vafer silikoni, në sipërfaqen e së cilës ka deri në nëntë nivele transistorësh, të ndarë nga shtresa oksidi, për izolim.

Zhvillimi i teknologjisë së procesorit

Gordon Moore, një nga themeluesit e Intel, një nga liderët në prodhimin e procesorëve në botë, në vitin 1965, bazuar në vëzhgimet e tij, zbuloi ligjin sipas të cilit modelet e reja të procesorëve dhe mikroqarqeve shfaqeshin në intervale të barabarta kohore. Rritja e numrit të transistorëve në procesorë po rritet me rreth 2 herë në 2 vjet. Për 40 vjet tani, Ligji i Gordon Moore ka funksionuar pa shtrembërim. Zotërimi i teknologjive të ardhshme është pothuajse afër - tashmë ka prototipe që funksionojnë bazuar në teknologjinë e procesorit 32 nm dhe 22 nm. Deri në mesin e vitit 2004, fuqia e procesorit varej kryesisht nga frekuenca e procesorit, por që nga viti 2005, frekuenca e procesorit praktikisht ka pushuar së rrituri. Ekziston një teknologji e re për procesor me shumë bërthama. Kjo do të thotë, krijohen disa bërthama procesori me një frekuencë të barabartë të orës, dhe gjatë funksionimit, fuqia e bërthamave përmblidhet. Kjo rrit fuqinë e përgjithshme të procesorit.

Më poshtë mund të shikoni një video në lidhje me prodhimin e procesorit.

Si bëhen mikroqarqet

Për të kuptuar se cili është ndryshimi kryesor midis këtyre dy teknologjive, është e nevojshme të bëjmë një ekskursion të shkurtër në vetë teknologjinë e prodhimit të përpunuesve modernë ose qarqeve të integruara.

Siç e dini nga kursi i fizikës shkollore, në elektronikën moderne, përbërësit kryesorë të qarqeve të integruara janë gjysmëpërçuesit e tipit p dhe të tipit n (në varësi të llojit të përçueshmërisë). Një gjysmëpërçues është një substancë që tejkalon dielektrikët në përçueshmëri, por është inferior ndaj metaleve. Silikoni (Si) mund të shërbejë si bazë për të dy llojet e gjysmëpërçuesve, i cili në formën e tij të pastër (i ashtuquajturi gjysmëpërçues i brendshëm) nuk e përcjell mirë rrymën elektrike, por shtimi (futja) e një papastërtie të caktuar në silikon e bën të mundur. për të ndryshuar rrënjësisht vetitë e tij përcjellëse. Ekzistojnë dy lloje të papastërtive: dhurues dhe pranues. Një papastërti e dhuruesit çon në formimin e gjysmëpërçuesve të tipit n me një lloj përçueshmërie elektronike, dhe një papastërti pranuese çon në formimin e gjysmëpërçuesve të tipit p me një lloj përçueshmërie me vrima. Kontaktet e gjysmëpërçuesve p- dhe n bëjnë të mundur formimin e transistorëve - elementët kryesorë strukturorë të mikroqarqeve moderne. Tranzistorë të tillë, të quajtur transistorë CMOS, mund të jenë në dy gjendje themelore: të hapur, kur ato përçojnë rrymë elektrike dhe të mbyllur, kur nuk përçojnë rrymë elektrike. Meqenëse transistorët CMOS janë elementët kryesorë të mikroqarqeve moderne, le të flasim për to në më shumë detaje.

Si funksionon një transistor CMOS

Transistori më i thjeshtë CMOS i tipit n ka tre elektroda: burimi, porta dhe kullimi. Vetë transistori është bërë në një gjysmëpërçues të tipit p me përçueshmëri vrimash, dhe gjysmëpërçuesit e tipit n me përçueshmëri elektronike formohen në rajonet e kullimit dhe burimit. Natyrisht, për shkak të difuzionit të vrimave nga rajoni p në rajonin n dhe difuzionit të kundërt të elektroneve nga rajoni n në rajonin p, formohen shtresa të varfëruara (shtresa në të cilat nuk ka bartës kryesorë të ngarkesës). në kufijtë e kalimeve të rajoneve p dhe n. Në gjendjen normale, d.m.th., kur nuk aplikohet tension në portë, transistori është në një gjendje "të kyçur", domethënë nuk është në gjendje të përcjellë rrymë nga burimi në kullim. Situata nuk ndryshon, edhe nëse aplikojmë një tension midis kullimit dhe burimit (në këtë rast, nuk marrim parasysh rrymat e rrjedhjes të shkaktuara nga lëvizja nën ndikimin e fushave elektrike të krijuara të transportuesve të ngarkesës së pakicës, që është, vrima për rajonin n dhe elektronet për rajonin p).

Megjithatë, nëse një potencial pozitiv aplikohet në portë (Fig. 1), atëherë situata do të ndryshojë rrënjësisht. Nën ndikimin e fushës elektrike të portës, vrimat shtyhen thellë në gjysmëpërçuesin p, ndërsa elektronet, përkundrazi, tërhiqen në rajonin nën portë, duke formuar një kanal të pasuruar me elektron midis burimit dhe kullimit. Kur një tension pozitiv aplikohet në portë, këto elektrone fillojnë të lëvizin nga burimi në kullim. Në këtë rast, tranzistori përcjell rrymë - ata thonë se transistori "hapet". Nëse voltazhi hiqet nga porta, elektronet ndalojnë të tërhiqen në rajonin midis burimit dhe kullimit, kanali përcjellës shkatërrohet dhe transistori ndalon kalimin e rrymës, domethënë "kyçet". Kështu, duke ndryshuar tensionin në portë, ju mund të hapni ose fikni tranzistorin, në të njëjtën mënyrë si mund të ndizni ose fikni një ndërprerës konvencional, duke kontrolluar kalimin e rrymës përmes qarkut. Kjo është arsyeja pse transistorët nganjëherë quhen ndërprerës elektronikë. Sidoqoftë, ndryshe nga çelsat mekanike konvencionale, transistorët CMOS janë praktikisht pa inerci dhe janë të aftë të kalojnë nga gjendja e hapur në atë të bllokuar triliona herë në sekondë! Është kjo karakteristikë, domethënë aftësia e ndërrimit të menjëhershëm, që përcakton në fund shpejtësinë e procesorit, i cili përbëhet nga dhjetëra miliona transistorë të tillë më të thjeshtë.

Pra, një qark modern i integruar përbëhet nga dhjetëra miliona transistorë më të thjeshtë CMOS. Le të ndalemi më në detaje në procesin e prodhimit të mikroqarqeve, faza e parë e të cilit është prodhimi i substrateve të silikonit.

Hapi 1. Rritja e boshllëqeve

Krijimi i substrateve të tilla fillon me rritjen e një kristali cilindrik silikoni. Këto billeta monokristaline priten më pas në vafera afërsisht 1/40 "të trashë dhe 200 mm (8") ose 300 mm (12") në diametër. Këto janë nënshtresat e silikonit që përdoren për prodhimin e mikroqarqeve.

Në formimin e vaferave nga kristalet e vetme të silikonit, merret parasysh fakti që për strukturat ideale kristalore, vetitë fizike varen kryesisht nga drejtimi i zgjedhur (vetia e anizotropisë). Për shembull, rezistenca e një nënshtrese silikoni do të jetë e ndryshme në drejtimet gjatësore dhe tërthore. Në mënyrë të ngjashme, në varësi të orientimit të rrjetës kristalore, një kristal silikoni do të reagojë ndryshe ndaj çdo ndikimi të jashtëm që lidhet me përpunimin e tij të mëtejshëm (për shembull, gravurë, spërkatje, etj.). Prandaj, pllaka duhet të pritet nga një kristal në mënyrë të tillë që orientimi i rrjetës kristalore në lidhje me sipërfaqen të ruhet rreptësisht në një drejtim të caktuar.

Siç u përmend tashmë, diametri i paraformës së vetme kristal të silikonit është ose 200 ose 300 mm. Për më tepër, diametri prej 300 mm është një teknologji relativisht e re, të cilën do ta diskutojmë më poshtë. Është e qartë se një pllakë e këtij diametri mund të strehojë shumë më tepër se një mikroqark, edhe nëse po flasim për një procesor Intel Pentium 4. Në të vërtetë, disa dhjetëra mikroqarqe (procesorë) janë formuar në një nënshtresë të tillë pllake, por për thjeshtësi ne do të marrë parasysh vetëm proceset që ndodhin në një zonë të vogël të një mikroprocesori të ardhshëm.

Hapi 2. Aplikimi i një filmi dielektrik mbrojtës (SiO2)

Pas formimit të substratit të silikonit, fillon faza e krijimit të strukturës gjysmëpërçuese më komplekse.

Për këtë, të ashtuquajturat papastërti dhuruese dhe pranuese duhet të futen në silikon. Sidoqoftë, lind pyetja - si të zbatohet futja e papastërtive sipas një modeli të dhënë saktësisht? Për ta bërë të mundur këtë, ato zona ku nuk kërkohet futja e papastërtive mbrohen me një film të veçantë dioksid silikoni, duke lënë të ekspozuara vetëm ato zona që i nënshtrohen përpunimit të mëtejshëm (Fig. 2). Procesi i formimit të një filmi të tillë mbrojtës të modelit të dëshiruar përbëhet nga disa faza.

Në fazën e parë, e gjithë vafera e silikonit mbulohet plotësisht me një shtresë të hollë të dioksidit të silikonit (SiO2), i cili është një izolues shumë i mirë dhe vepron si një shtresë mbrojtëse gjatë përpunimit të mëtejshëm të kristalit të silikonit. Vaferat vendosen në një dhomë ku, në temperaturë të lartë (nga 900 në 1100 ° C) dhe presion, oksigjeni shpërndahet në shtresat sipërfaqësore të vaferës, duke çuar në oksidimin e silikonit dhe formimin e një filmi sipërfaqësor të dioksidit të silikonit. Në mënyrë që filmi i dioksidit të silikonit të ketë një trashësi të saktë të specifikuar dhe të mos përmbajë defekte, është e nevojshme të ruhet rreptësisht një temperaturë konstante në të gjitha pikat e vaferit gjatë procesit të oksidimit. Nëse jo i gjithë vaferi duhet të mbulohet me një film dioksid silikoni, atëherë një maskë Si3N4 aplikohet fillimisht në nënshtresën e silikonit për të parandaluar oksidimin e padëshiruar.

Hapi 3. Aplikimi i fotorezistit

Pasi nënshtresa e silikonit të mbulohet me një film mbrojtës të dioksidit të silikonit, është e nevojshme të hiqni këtë film nga ato vende që do t'i nënshtrohen përpunimit të mëtejshëm. Heqja e filmit kryhet me gravurë, dhe për të mbrojtur zonat e mbetura nga gravimi, një shtresë e të ashtuquajturit fotorezist aplikohet në sipërfaqen e vaferës. Termi "fotorezistë" i referohet formulimeve që janë të ndjeshme ndaj dritës dhe rezistente ndaj faktorëve agresivë. Përbërjet e aplikuara duhet të kenë, nga njëra anë, veti të caktuara fotografike (nën ndikimin e dritës ultravjollcë, ato bëhen të tretshme dhe lahen gjatë procesit të gravimit), dhe nga ana tjetër, rezistente, duke i lejuar ato të përballojnë gdhendjen në acide dhe alkalet, ngrohja etj. Qëllimi kryesor i fotorezistëve është të krijojë një lehtësim mbrojtës të konfigurimit të dëshiruar.

Procesi i aplikimit të një fotorezisti dhe rrezatimit të tij të mëtejshëm me dritën ultravjollcë sipas një modeli të caktuar quhet fotolitografi dhe përfshin këto operacione themelore: formimin e një shtrese fotorezistente (përpunimi i nënshtresës, aplikimi, tharja), formimi i një mbrojtëse. lehtësimi (ekspozimi, zhvillimi, tharja) dhe transferimi i figurës në nënshtresë (gdhendje, spërkatje etj.).

Para aplikimit të shtresës fotorezistuese (Fig. 3) në nënshtresë, kjo e fundit trajtohet paraprakisht, si rezultat i së cilës ngjitja e saj në shtresën fotorezistuese përmirësohet. Metoda e centrifugimit përdoret për të aplikuar një shtresë uniforme të fotorezistit. Nënshtresa vendoset në një disk rrotullues (centrifugë), dhe nën ndikimin e forcave centrifugale, fotorezisti shpërndahet mbi sipërfaqen e nënshtresës në një shtresë pothuajse uniforme. (Duke folur për një shtresë praktikisht uniforme, duhet të merret parasysh fakti se, nën veprimin e forcave centrifugale, trashësia e filmit që rezulton rritet nga qendra në skajet; megjithatë, kjo metodë e aplikimit të një fotorezisti bën të mundur përballojë luhatjet në trashësinë e shtresës brenda ± 10%.)

Hapi 4. Litografi

Pas aplikimit dhe tharjes së shtresës fotorezistente, fillon faza e formimit të relievit të nevojshëm mbrojtës. Relievi formohet si rezultat i faktit se nën veprimin e rrezatimit ultravjollcë që bie në zona të caktuara të shtresës fotorezistente, kjo e fundit ndryshon vetitë e tretshmërisë, për shembull, zonat e ndriçuara pushojnë së treturi në tretës, të cilat heqin zonat e shtresa që nuk ishin të ekspozuara ndaj ndriçimit, ose anasjelltas - zonat e ndriçuara shpërndahen. Sipas metodës së formimit të relievit, fotorezistët ndahen në negativë dhe pozitivë. Fotorezistët negativë formojnë zona mbrojtëse të relievit nën ndikimin e rrezatimit ultravjollcë. Nga ana tjetër, fotorezistet pozitivë, kur ekspozohen ndaj rrezatimit ultravjollcë, fitojnë veti rrjedhëse dhe lahen nga tretësi. Prandaj, shtresa mbrojtëse formohet në ato zona që nuk janë të ekspozuara ndaj rrezatimit ultravjollcë.

Një shabllon special i maskës përdoret për të ndriçuar zonat e dëshiruara të shtresës fotorezistente. Më së shpeshti, për këtë përdoren pllaka qelqi optike me elementë opake të marra nga fotografia ose ndryshe. Në fakt, një shabllon i tillë përmban një vizatim të njërës prej shtresave të mikrocirkut të ardhshëm (mund të ketë disa qindra shtresa të tilla në total). Meqenëse ky shabllon është një referencë, ai duhet të ekzekutohet me saktësi të madhe. Përveç kësaj, duke marrë parasysh faktin se shumë pllaka fotografike do të bëhen nga një fotomaskë, ajo duhet të jetë e qëndrueshme dhe rezistente ndaj dëmtimeve. Prandaj, është e qartë se një fotomaskë është një gjë shumë e shtrenjtë: në varësi të kompleksitetit të mikroqarkut, mund të kushtojë dhjetëra mijëra dollarë.

Rrezatimi ultravjollcë, duke kaluar nëpër një shabllon të tillë (Fig. 4), ndriçon vetëm zonat e nevojshme të sipërfaqes së shtresës fotorezistente. Pas rrezatimit, zhvillohet fotorezisti, i cili heq pjesë të panevojshme të shtresës. Kjo hap pjesën përkatëse të shtresës së dioksidit të silikonit.

Pavarësisht nga thjeshtësia në dukje e procesit fotolitografik, është kjo fazë në prodhimin e mikroqarqeve që është më e vështira. Fakti është se, në përputhje me parashikimin e Moore, numri i transistorëve në një mikroqark të vetëm rritet në mënyrë eksponenciale (dyfishohet çdo dy vjet). Një rritje e tillë e numrit të tranzistorëve është e mundur vetëm për shkak të zvogëlimit të madhësisë së tyre, por është pikërisht zvogëlimi që “mbështetet” në procesin e litografisë. Për t'i bërë transistorët më të vegjël, është e nevojshme të zvogëlohen dimensionet gjeometrike të linjave të aplikuara në shtresën e fotorezistit. Por ka një kufi për gjithçka - nuk është aq e lehtë të fokusosh një rreze lazer në një pikë. Fakti është se, në përputhje me ligjet e optikës valore, madhësia minimale e pikës në të cilën fokusohet rrezja lazer (në fakt, nuk është vetëm një pikë, por një model difraksioni) përcaktohet, ndër faktorët e tjerë, nga gjatësia e valës së dritës. Zhvillimi i teknologjisë litografike që nga shpikja e saj në fillim të viteve 70 ka qenë në drejtim të tkurrjes së gjatësisë valore të dritës. Kjo është ajo që bëri të mundur zvogëlimin e madhësisë së elementeve të qarkut të integruar. Që nga mesi i viteve 1980, fotolitografia ka filluar të përdorë rrezatimin ultravjollcë të prodhuar nga një lazer. Ideja është e thjeshtë: gjatësia e valës së rrezatimit ultravjollcë është më e shkurtër se gjatësia e valës së dritës së dukshme, prandaj, është e mundur të merren vija më të holla në sipërfaqen e fotorezistit. Deri vonë, litografia përdorte rrezatim të thellë ultravjollcë (Deep Ultra Violet, DUV) me një gjatësi vale prej 248 nm. Megjithatë, kur fotolitografia kaloi kufirin 200 nm, u shfaqën probleme serioze që për herë të parë vunë në pikëpyetje mundësinë e përdorimit të mëtejshëm të kësaj teknologjie. Për shembull, në gjatësi vale më të vogla se 200 µm, shumë dritë absorbohet nga shtresa e ndjeshme ndaj dritës, kështu që procesi i transferimit të shabllonit të qarkut te procesori bëhet më i ndërlikuar dhe më i ngadalshëm. Sfida si këto po i shtyjnë studiuesit dhe prodhuesit të kërkojnë alternativa ndaj teknologjisë tradicionale litografike.

Një teknologji e re litografike e quajtur litografi EUV (Extreme UltraViolet - rrezatim ultraviolet ultra i fortë) bazohet në përdorimin e rrezatimit ultravjollcë me një gjatësi vale 13 nm.

Kalimi nga litografia DUV në EUV siguron më shumë se një ulje 10-fish të gjatësisë së valës dhe një kalim në një interval ku është i krahasueshëm me madhësinë e vetëm disa dhjetëra atomeve.

Teknologjia litografike e përdorur aktualisht lejon aplikimin e një shablloni me gjerësi minimale të përcjellësit 100 nm, ndërsa litografia EUV bën të mundur printimin e linjave me gjerësi shumë më të vogël - deri në 30 nm. Kontrolli i rrezatimit ultrashkurtër nuk është aq i lehtë sa duket. Meqenëse rrezatimi EUV absorbohet mirë nga xhami, teknologjia e re përfshin përdorimin e një serie prej katër pasqyrash speciale konvekse që reduktojnë dhe fokusojnë imazhin e marrë pas aplikimit të maskës (Fig. 5,,). Çdo pasqyrë e tillë përmban 80 shtresa metalike të veçanta me trashësi afërsisht 12 atome.

Hapi 5. Gdhendje

Pas ekspozimit të shtresës fotorezistente, fillon faza e gravurës për të hequr filmin e dioksidit të silikonit (Fig. 8).

Procesi i turshive shoqërohet shpesh me banja me acid. Kjo metodë e gdhendjes me acid është e njohur mirë për amatorët e radios që bënin vetë bordet e qarkut të printuar. Për ta bërë këtë, një model i gjurmëve të dërrasës së ardhshme aplikohet në tekstolitin e fletëve me llak, i cili vepron si një shtresë mbrojtëse, dhe më pas pllaka ulet në një banjë me acid nitrik. Zonat e panevojshme me fletë metalike janë gdhendur, duke ekspozuar një tekstolit të pastër. Kjo metodë ka një sërë disavantazhesh, kryesorja është pamundësia për të kontrolluar me saktësi procesin e heqjes së shtresës, pasi shumë faktorë ndikojnë në procesin e gravimit: përqendrimi i acidit, temperatura, konveksioni, etj. Përveç kësaj, acidi ndërvepron me materialin në të gjitha drejtimet dhe gradualisht depërton nën skajin e maskës së fotorezistit, domethënë shkatërron shtresat e mbuluara me fotorezist nga ana. Prandaj, në prodhimin e përpunuesve, përdoret metoda e gdhendjes së thatë, e quajtur edhe gravurja e plazmës. Kjo metodë ju lejon të kontrolloni me saktësi procesin e gdhendjes, dhe shkatërrimi i shtresës së gdhendur ndodh rreptësisht në drejtimin vertikal.

Gdhendja e thatë përdor gaz të jonizuar (plazma) për të hequr dioksidin e silikonit nga sipërfaqja e vaferës dhe për të reaguar me sipërfaqen e dioksidit të silikonit për të formuar nënprodukte të paqëndrueshme.

Pas procedurës së gravurës, domethënë kur ekspozohen zonat e kërkuara të silikonit të pastër, pjesa tjetër e shtresës fotografike hiqet. Kështu, një model i dioksidit të silikonit mbetet në nënshtresën e silikonit.

Hapi 6. Difuzioni (implantimi i joneve)

Kujtojmë se procesi i mëparshëm i formimit të modelit të kërkuar në një substrat silikoni kërkohej për të krijuar struktura gjysmëpërçuese në vendet e duhura duke futur një papastërti dhuruesi ose pranuesi. Procesi i futjes së papastërtive kryhet me anë të difuzionit (Fig. 9) - futja uniforme e atomeve të papastërtive në rrjetën kristalore të silikonit. Antimoni, arseniku ose fosfori zakonisht përdoren për të marrë një gjysmëpërçues të tipit n. Për të marrë një gjysmëpërçues të tipit p, bor, galium ose alumin përdoret si papastërti.

Implantimi i joneve përdoret për procesin e difuzionit dopant. Procesi i implantimit konsiston në faktin se jonet e papastërtisë së dëshiruar "shkohen" nga përshpejtuesi i tensionit të lartë dhe, duke pasur energji të mjaftueshme, depërtojnë në shtresat sipërfaqësore të silikonit.

Pra, në fund të fazës së implantimit të joneve, është krijuar shtresa e kërkuar e strukturës gjysmëpërçuese. Megjithatë, mikroprocesorët mund të kenë disa shtresa të tilla. Për të krijuar shtresën tjetër në diagramin që rezulton, rritet një shtresë e hollë shtesë e dioksidit të silikonit. Pas kësaj, aplikohet një shtresë silikoni polikristalor dhe një shtresë tjetër fotorezisti. Rrezatimi ultravjollcë kalon përmes maskës së dytë dhe nxjerr në pah modelin përkatës në shtresën e fotografisë. Kjo pasohet nga hapat e shpërbërjes së shtresës fotografike, gravurës dhe implantimit të joneve.

Hapi 7. Spërkatja dhe depozitimi

Vendosja e shtresave të reja kryhet disa herë, ndërsa për lidhjet ndërshtresore në shtresa lihen “dritare” të cilat mbushen me atome metali; si rezultat, në zonat kristal-përçuese krijohen vija metalike. Kështu, në procesorët modernë, vendosen lidhje midis shtresave që formojnë një skemë komplekse tre-dimensionale. Procesi i rritjes dhe përpunimit të të gjitha shtresave zgjat disa javë, dhe vetë cikli i prodhimit përbëhet nga më shumë se 300 faza. Si rezultat, qindra procesorë identikë formohen në një vafer silikoni.

Për t'i bërë ballë sforcimeve që u nënshtrohen vaferave gjatë procesit të depozitimit të shtresave, nënshtresat e silikonit fillimisht bëhen mjaft të trasha. Prandaj, para prerjes së meshës në procesorë të veçantë, trashësia e saj zvogëlohet me 33% dhe hiqet ndotja nga ana e pasme. Pastaj një shtresë e një materiali të veçantë aplikohet në anën e pasme të nënshtresës, e cila përmirëson lidhjen e kristalit me kutinë e procesorit të ardhshëm.

Hapi 8. Faza përfundimtare

Në fund të ciklit të formimit, të gjithë procesorët testohen plotësisht. Më pas, kristalet prej betoni, tashmë të testuara, priten nga pllaka e nënshtresës duke përdorur një pajisje të veçantë (Fig. 10).

Çdo mikroprocesor është i ngulitur në një kuti mbrojtëse, e cila gjithashtu siguron lidhjen elektrike të çipit të mikroprocesorit me pajisjet e jashtme. Lloji i mbylljes varet nga lloji dhe përdorimi i synuar i mikroprocesorit.

Pasi të mbyllet në strehë, çdo mikroprocesor ritestohet. Përpunuesit me defekt hidhen poshtë, dhe ata që janë në shërbim i nënshtrohen testeve të stresit. Më pas, procesorët renditen në bazë të sjelljes së tyre në shpejtësi të ndryshme të orës dhe tensioneve të furnizimit.

Teknologjitë e avancuara

Procesi teknologjik i prodhimit të mikroqarqeve (në veçanti, përpunuesit) konsiderohet nga ne në një mënyrë shumë të thjeshtuar. Por edhe ky paraqitje sipërfaqësore na lejon të kuptojmë vështirësitë teknologjike me të cilat duhet të përballet dikush kur zvogëlohet madhësia e transistorëve.

Sidoqoftë, përpara se të shqyrtojmë teknologjitë e reja premtuese, le t'i përgjigjemi pyetjes së parashtruar që në fillim të artikullit: cili është standardi i projektimit të procesit teknologjik dhe si, në fakt, standardi i projektimit prej 130 nm ndryshon nga standardi i 180 nm ? 130 nm ose 180 nm është distanca minimale karakteristike midis dy elementëve ngjitur në një shtresë të mikroqarkut, domethënë një lloj hapi rrjeti në të cilin lidhen elementët e mikroqarkut. Në të njëjtën kohë, është mjaft e qartë se sa më e vogël të jetë kjo madhësi karakteristike, aq më shumë transistorë mund të vendosen në të njëjtën zonë të mikrocirkut.

Aktualisht, procesorët Intel përdorin një proces prodhimi 0,13 mikron. Kjo teknologji përdoret për të prodhuar procesorin Intel Pentium 4 me bërthamën Northwood, procesorin Intel Pentium III me bërthamën Tualatin dhe procesorin Intel Celeron. Në rastin e përdorimit të një procesi të tillë teknologjik, gjerësia efektive e kanalit të transistorit është 60 nm, dhe trashësia e shtresës së oksidit të portës nuk kalon 1.5 nm. Në përgjithësi, procesori Intel Pentium 4 përmban 55 milionë transistorë.

Së bashku me rritjen e densitetit të transistorëve në kristalin e procesorit, teknologjia 0.13 mikron, e cila zëvendësoi teknologjinë 0.18 mikron, ka risi të tjera. Së pari, ai përdor lidhje bakri midis transistorëve individualë (në teknologjinë 0,18 mikron, lidhjet ishin prej alumini). Së dyti, teknologjia 0.13 mikron siguron konsum më të ulët të energjisë. Për teknologjinë celulare, për shembull, kjo do të thotë që konsumi i energjisë i mikroprocesorëve bëhet më i vogël dhe jetëgjatësia e baterisë është më e gjatë.

Epo, dhe risia e fundit, e cila u mishërua në kalimin në procesin teknologjik 0,13 mikron, është përdorimi i vaferave (vaferë) silikoni me një diametër prej 300 mm. Kujtojmë se para kësaj, shumica e përpunuesve dhe mikroqarqeve bëheshin në bazë të vaferave 200 mm.

Rritja e diametrit të pllakave ju lejon të zvogëloni koston e secilit procesor dhe të rrisni rendimentin e produkteve të cilësisë së duhur. Në të vërtetë, sipërfaqja e një pllake me një diametër prej 300 mm është 2,25 herë më e madhe se zona e një pllake me një diametër prej 200 mm, përkatësisht, dhe numri i përpunuesve të marrë nga një pllakë me një diametër prej 300 mm është më shumë se dy herë më i madh.

Në vitin 2003, pritet të prezantohet një proces i ri teknologjik me një standard dizajni edhe më të ulët, konkretisht ai 90 nanometër. Procesi i ri i prodhimit, të cilin Intel do ta përdorë për të prodhuar shumicën e produkteve të saj, duke përfshirë procesorët, çipat dhe pajisjet e komunikimit, u zhvillua në fabrikën pilot të Intel-it D1C me wafer 300 mm në Hillsboro, Oregon.

Më 23 tetor 2002, Intel njoftoi hapjen e një objekti të ri prej 2 miliardë dollarësh në Rio Rancho, New Mexico. Fabrika e re, e quajtur F11X, do të përdorë teknologjinë më të fundit për të prodhuar procesorë në vaferë 300 mm duke përdorur një proces të shpejtësisë së projektimit 0,13 mikron. Në vitin 2003 impianti do të transferohet në një proces teknologjik me një standard projektimi prej 90 nm.

Përveç kësaj, Intel ka njoftuar tashmë rifillimin e ndërtimit në Fab 24 në Lakeslip, Irlandë, i cili do të prodhojë komponentë gjysmëpërçues në vaferë silikoni 300 mm me një rregull dizajni 90 nm. Një ndërmarrje e re me një sipërfaqe totale mbi 1 milion metra katrorë. me dhoma ultra të pastra me sipërfaqe 160 mijë metra katrorë. ft. pritet të jetë funksionale në gjysmën e parë të 2004 dhe do të punësojë mbi një mijë njerëz. Kostoja e objektit është rreth 2 miliardë dollarë.

Procesi 90 nm përdor një sërë teknologjish të avancuara. Është gjithashtu transistorët CMOS më të vegjël të disponueshëm në treg në botë me një gjatësi porte prej 50 nm (Figura 11), e cila siguron performancë më të madhe duke reduktuar konsumin e energjisë, dhe shtresa më e hollë e oksidit e portës e bërë ndonjëherë nga transistorë - vetëm 1.2 nm (Fig. 12) , ose më pak se 5 shtresa atomike, dhe zbatimi i parë i industrisë i teknologjisë së silikonit të tendosur me performancë të lartë.

Nga karakteristikat e listuara, ndoshta vetëm koncepti i "silikonit të tendosur" ka nevojë për koment (Fig. 13). Në një silikon të tillë, distanca midis atomeve është më e madhe se në një gjysmëpërçues konvencional. Kjo, nga ana tjetër, siguron një rrjedhë më të lirë të rrymës, e ngjashme me mënyrën se si trafiku lëviz më lirshëm dhe më shpejt në një rrugë me korsi më të gjera trafiku.

Si rezultat i të gjitha risive, performanca e transistorëve është përmirësuar me 10-20%, me një rritje të kostove të prodhimit me vetëm 2%.

Përveç kësaj, procesi 90 nm përdor shtatë shtresa për çip (Figura 14), një shtresë më shumë se procesi 130 nm dhe lidhje bakri.

Të gjitha këto veçori, të kombinuara me vafera silikoni 300 mm, i ofrojnë Intel fitime në performancë, prodhim dhe kosto. Konsumatorët përfitojnë gjithashtu pasi procesi i ri i teknologjisë së Intel-it vazhdon të rrisë industrinë në përputhje me Ligjin e Moore-s, duke përmirësuar vazhdimisht performancën e procesorit.