Как изготавливаются микрочипы? Этапы технологического процесса изготовления центрального процессора.

Современные смартфоны содержат микрочипы с миллиардами транзисторов, необходимых для развития технологий. Эти чипы производятся на заводах по производству полупроводников, оснащенных огромными чистыми помещениями, оснащенными современным оборудованием стоимостью от миллионов до 170 миллионов долларов каждое. Кремниевые пластины подвергаются примерно тысяче процессов в течение трех месяцев, в результате чего на каждой пластине изготавливаются сотни процессорных микросхем, каждая из которых содержит 26 миллиардов транзисторов и сложные слои проводки. Готовые интегральные схемы вырезаются из пластин, тестируются, упаковываются и устанавливаются в такие устройства, как компьютеры.

Производство микрочипов включает в себя два ключевых аспекта: сложную последовательность этапов создания наноскопических транзисторов и их сложную проводку, а также понимание того, как работают предприятия по производству полупроводников. На этих фабриках в чистых помещениях размещается оборудование стоимостью в несколько миллионов долларов, необходимое для точного производства. Изучение обоих аспектов дает полное представление об этом передовом технологическом процессе.

Изучение внутренней работы центрального процессора Внутри центрального процессора настольного компьютера находится интегральная схема, или чип, содержащий 24 ядра, контроллеры памяти, графические процессоры и другие компоненты. Каждое ядро имеет сложные элементы, такие как блоки умножения, состоящие из тысяч транзисторов, которые выполняют определенные задачи, такие как 32-разрядное умножение. Эти транзисторы являются частью общей структуры, состоящей из миллиардов процессоров центрального процессора.

Сложная структура и слои в процессорах Процессоры имеют несколько слоев, включая металлические провода (межсоединения), разделенные изоляционными материалами для предотвращения контакта между ними. Обычно существует до 17 слоев межсоединений разного размера: локальные для небольших цепей внутри ядер; промежуточные для передачи данных между ядрами; глобальные для обмена данными по всему чипу.

Транзисторы FinFET представляют собой усовершенствованные компоненты с размерами каналов 36 на 6 на 52 нанометра, а шаг между транзисторами составляет всего 57 нанометров. Эти невероятно маленькие структуры можно сравнить с размером митохондрий, частиц пыли или даже человеческого волоса. Этот масштаб подчеркивает их замысловатый дизайн в рамках сложной сети металлических соединений.

Создание микрочипа сродни выпечке 80-слойного торта, каждый слой которого имеет уникальную форму, и требует точного выполнения 940 этапов в течение трех месяцев. В процессе используются сотни экзотических материалов и требуется предельная точность; даже однопроцентное отклонение в измерениях или условиях может привести к поломке всего чипа. Эта аналогия подчеркивает сложную и неумолимую природу производства микрочипов.

Производство микрочипов начинается с нанесения изолирующего слоя из диоксида кремния на пластину, после чего на нее наносится светочувствительный фоторезист. УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЕ излучение и трафареты создают на фоторезисте узоры, которые затем вытравливаются на диоксиде кремния с помощью растворителей для формирования маски. Для заполнения этих протравленных участков перед выравниванием поверхности для обеспечения видимости рисунка добавляется медь. Этот процесс повторяется с различными рисунками фотошаблонов на 80 слоях металлических отверстий и включает более 940 этапов.

Завод по производству полупроводников производит процессоры на 300-миллиметровых кремниевых пластинах, каждая из которых вмещает до 230 процессорных чипов или значительно больше чипов DRAM. Кремниевые пластины транспортируются в герметичных контейнерах, называемых FOUPs, с помощью подвесной системы, которая перемещает их между инструментами для обработки. Каждая пластина проходит ряд этапов, в ходе которых роботизированные манипуляторы переносят ее через вакуумные загрузочные устройства в технологические камеры, где материалы добавляются, удаляются или модифицируются в течение 940 этапов в течение трех месяцев, чтобы создать цельный чип из 80 слоев. Для повышения эффективности производства на фабриках установлены десятки одинаковых инструментов, расположенных рядами; одна фабрика может работать с 435 инструментами, производя до 50 000 пластин в месяц.

Инструменты для изготовления полупроводников подразделяются на шесть функциональных групп: создание маскирующего слоя, добавление материала, удаление материала, модификация материала, очистка пластины и проверка пластины. Для наглядности каждая группа имеет цветовую маркировку, соответствующую конкретным инструментам и этапам процесса. Эти категории упрощают понимание того, как различные полупроводниковые процессы взаимодействуют с пластинами.

Процесс фотолитографии начинается с нанесения фоторезистом светочувствительного слоя на пластину, после чего происходит мягкая выпечка для испарения растворителей. Затем ультрафиолетовый свет проецируется через трафарет фотошаблона на пластину с помощью инструментов литографии, создавая наноскопические узоры в местах ослабления фоторезиста. Проявитель стирает ослабленные участки фоторезиста, оставляя четкие трафареты, которые затвердевают на последующих этапах выпечки. После дальнейших этапов обработки другими инструментами все оставшиеся слои маски удаляются с помощью растворителей в устройстве для снятия фоторезиста.

Инструмент для фотолитографии имеет решающее значение для создания сложных дизайнов процессоров. Он включает в себя источник ультрафиолетового излучения, линзы для фокусировки света, фотошаблон размером 6x6 дюймов с трафаретным рисунком слоя и подложку. В этом процессе используется оптика, позволяющая за считанные минуты надежно скопировать миллиарды наноскопических транзисторов и проводов на 230 идентичных процессоров на одной пластине, уменьшив размеры линз в четыре раза, а затем напечатать их на слоях фоторезиста. Каждый этап включает в себя точное позиционирование подложки для пластин до тех пор, пока на всех чипах не будут нанесены соответствующие изображения-маски.

При изготовлении микросхемы центрального процессора инструменты для нанесения материала на подложку играют решающую роль. В этом процессе часто используются слои-маски из фотолитографии для выборочного нанесения материалов на открытые участки, аналогично нанесению краски распылением по трафаретам. Наносимые материалы делятся на три основные категории: металлы, такие как медь или тантал, изоляторы, такие как оксиды, и слои кристаллического кремния. Для нанесения каждого типа материала требуются особые физико-химические принципы с использованием специализированных инструментов с уникальными техническими названиями.

В производстве полупроводников удаление материала осуществляется с помощью травления и химико-механической планаризации (CMP). Травление предполагает использование агрессивных химических веществ или высокоэнергетической плазмы для взаимодействия с материалами и их удаления с поверхности пластины, часто с помощью трафарета для маскирующего слоя, чтобы создать точные отверстия для последующего нанесения. CMP использует суспензию в сочетании с абразивными подушечками для шлифовки и полировки верхней поверхности пластины до тех пор, пока она не станет идеально плоской. Этот процесс обычно является заключительным этапом перед нанесением еще одного слоя в ходе производственного цикла.

Ионные имплантеры модифицируют кремний, используя трафарет фотошаблона для нанесения на немаскируемые участки таких элементов, как люминофор или бор, создавая P- и N-области, необходимые для транзисторов. Этот процесс является эксклюзивным для линейки front-end и включает в себя внедрение атомов вглубь кремниевой решетки, а не наслоение их сверху. Несмотря на минимальное количество добавляемого материала — примерно один атом на 10 000, — он повреждает структуру решетки, что требует ремонта путем нагрева с помощью отжигателя.

Пятая категория инструментов предназначена для очистки пластин от загрязнений или частиц. В этих машинах для мытья пластин используется сверхчистая вода, после чего они высушиваются азотом или горячим изопропиловым спиртом. Частая очистка обеспечивает удаление посторонних частиц, которые могут осесть на пластине в процессе обработки.

Инструменты метрологии, такие как сканирующие электронные микроскопы с нанометровым разрешением, необходимы для обнаружения дефектов, таких как слои с неправильным рисунком или поверхностные частицы на пластинах. Эти инструменты позволяют получать детальные изображения верхней поверхности пластины для обеспечения точности при изготовлении интегральных схем. Учитывая, что создание интегральной схемы занимает три месяца, непрерывный мониторинг имеет решающее значение для поддержания точности и качества на каждом этапе процесса.

Изготовление единого металлического соединительного слоя начинается с нанесения изолирующего диоксида кремния на пластину, затем наносится фоторезист и производится мягкая обработка для удаления растворителей. Фотолитография переносит рисунок с фотошаблона на отдельные участки фоторезиста, которые затем смываются во время проявки перед тем, как подвергнуться твердому запеканию. Плазменное травление удаляет обнажившийся диоксид кремния вплоть до предыдущих металлических отверстий; последующие этапы включают удаление оставшихся слоев маски и заполнение шаблонов металлами с помощью физического осаждения из газовой фазы. Наконец, химико-механическая плоскостность гарантирует, что в изолирующем слое останутся только плоские проводящие медные соединения.

Создание подробного видеоролика о производстве микрочипов потребовало более 1300 часов кропотливой работы. На этот процесс ушло 180 часов исследований, 205 часов моделирования инструментов и схем и более 825 часов анимации визуальных эффектов. Только на написание сценария ушло около 100 дополнительных часов. Несмотря на секретность процессов в полупроводниковой промышленности, целью этой работы было обеспечить всестороннее понимание для свободного просмотра.

Производство микрочипов начинается с изготовления кремниевых пластин. Кварцит перерабатывается в чистый кремний, который затем используется для выращивания монокристаллического слитка, который нарезается на тонкие пластины толщиной около трех четвертей миллиметра. Эти тонкие 300-миллиметровые пластины имеют штрих-коды и насечки, указывающие на ориентацию кристаллической решетки, и стоят около 100 долларов каждая. После установки процессоров их стоимость резко возрастает примерно до 100 000 долларов за пластину.

Готовые платы передаются в специализированный центр для тщательного тестирования функциональности каждого процессора. Функциональные процессоры проходят проверку, в то время как те, у которых дефекты вызваны частицами или фотошаблонами, имеют поврежденные участки в интегральных схемах. Затем полуфункциональные схемы сортируются по категориям в зависимости от их эксплуатационных возможностей.

Процессоры Intel тринадцатого поколения классифицируются как i9, i7, i5 или i3 в зависимости от функциональности ядер и качества встроенной графики. Дефектные участки в чипах определяют их классификацию в линейках продуктов. Производственный процесс включает в себя лазерную резку пластин для создания отдельных чипов, которые затем помещаются на промежуточный элемент для распределения соединений и монтируются на печатной плате. Перед окончательной проверкой на работоспособность перед упаковкой добавляется теплопроводящая крышка и встроенный распределитель тепла. Эти процессоры проходят тщательный технический процесс, прежде чем быть готовыми к установке в настольные компьютеры.

Brilliant.org революционизирует образование, заменяя традиционные лекции и учебники увлекательными интерактивными модулями. Программа предлагает тысячи уроков по различным темам, от базовых до продвинутых уровней, адаптированных к индивидуальным темпам обучения. Платформа идеально подходит для изучения сложных технологий, таких как искусственный интеллект или чат GPT, с помощью курсов по таким предметам, как функциональность GPS и алгоритмы рекомендаций. Ежемесячно добавляемый новый контент служит ценным ресурсом для карьерного роста в технических областях.

Branch Education выражает благодарность сторонникам Patreon и подписчикам YouTube за их вклад, который позволяет создавать подробные 3D-анимации с использованием современных технологий. Зрителям предлагается оказать финансовую поддержку, перейдя по предоставленным ссылкам, или подписаться на обновления будущего контента.