Wat is het processortechnologieproces en wat beïnvloedt het? Technologisch proces

Zoals beloofd - een gedetailleerd verhaal over hoe processors worden gemaakt... te beginnen met zand. Alles wat je wilde weten, maar niet durfde te vragen)

Ik heb het al gehad over “ Waar worden processors gemaakt?"en waarover" Productieproblemen"bevinden zich op deze weg. Vandaag zullen we het rechtstreeks hebben over de productie zelf – “van begin tot eind.”

Processorproductie

In het kort ziet het proces van het vervaardigen van een processor er als volgt uit: een cilindrisch monokristal wordt met behulp van speciale apparatuur uit gesmolten silicium gekweekt. De resulterende staaf wordt gekoeld en in "pannenkoeken" gesneden, waarvan het oppervlak zorgvuldig wordt geëgaliseerd en gepolijst tot een spiegelglans. Vervolgens worden in de ‘clean rooms’ van halfgeleiderfabrieken geïntegreerde schakelingen op siliciumwafels gemaakt met behulp van fotolithografie en etsen. Na het opnieuw reinigen van de wafers voeren laboratoriumspecialisten selectieve tests van de processors uit onder een microscoop - als alles “OK” is, worden de afgewerkte wafers in individuele processors gesneden, die later in behuizingen worden ingesloten.

Scheikunde lessen

Aanvankelijk wordt SiO 2 in de vorm van zand opgenomen, dat in boogovens (bij een temperatuur van ongeveer 1800°C) met cokes wordt gereduceerd:

2SiHCl 3 SiH 2 Cl 2 + SiCl 4
2SiH 2 Cl 2 SiH 3 Cl + SiHCl 3
2SiH 3Cl SiH 4 + SiH 2Cl 2
SiH 4 Si + 2H 2

De staaf wordt geschuurd met een "nul" :) en gesneden met een diamantzaag. De output bestaat uit wafers (codenaam “wafer”) van ongeveer 1 mm dik en 300 mm in diameter (~12 inch; dit zijn degenen die worden gebruikt voor het 32nm-proces met HKMG, High-K/Metal Gate-technologie). Ooit gebruikte Intel schijven met een diameter van 50 mm (2"), en in de nabije toekomst zijn ze al van plan om over te schakelen op wafers met een diameter van 450 mm - dit is in ieder geval gerechtvaardigd vanuit het oogpunt van het verminderen van de Kosten voor het produceren van chips. Over besparingen gesproken: al deze kristallen worden buiten Intel geproduceerd;

Elke plaat is gepolijst en perfect glad gemaakt, waardoor het oppervlak een spiegelglans krijgt.

De productie van chips bestaat uit meer dan driehonderd bewerkingen, waardoor meer dan twintig lagen een complexe driedimensionale structuur vormen - het volume van het artikel dat beschikbaar is op Habré laat ons niet toe om zelfs maar over de helft van deze lijst kort te praten :) Daarom heel kort en alleen over de belangrijkste etappes.

Dus. Het is noodzakelijk om de structuur van de toekomstige processor over te brengen naar gepolijste siliciumwafels, dat wil zeggen om onzuiverheden in bepaalde delen van de siliciumwafel te introduceren, die uiteindelijk transistors vormen. Hoe je dat doet? Over het algemeen is het aanbrengen van verschillende lagen op een processorsubstraat een hele wetenschap, omdat zelfs in theorie zo'n proces niet eenvoudig is (om nog maar te zwijgen van de praktijk, rekening houdend met de schaal) ... maar het is zo leuk om het complex te begrijpen; ) Nou ja, of probeer er in ieder geval achter te komen.

Fotolithografie

- Op het siliciumsubstraat wordt een laag materiaal aangebracht waaruit een patroon moet worden gevormd. Het wordt erop toegepast fotoresist- een laag polymeer lichtgevoelig materiaal dat zijn fysische en chemische eigenschappen verandert bij bestraling met licht.
- In de maak blootstelling(belichting van de fotolaag gedurende een nauwkeurig ingestelde tijdsduur) via een fotomasker
- Verwijdering van gebruikte fotoresist.

Soms is het simpelweg onmogelijk om bepaalde materialen op de juiste plaatsen op de plaat aan te brengen, dus het is veel gemakkelijker om het materiaal in één keer op het hele oppervlak aan te brengen en het overtollige materiaal te verwijderen van die plaatsen waar het niet nodig is - de afbeelding hierboven toont de toepassing van fotoresist in blauw.

De wafel wordt bestraald door een stroom ionen (positief of negatief geladen atomen), die op bepaalde plaatsen onder het oppervlak van de wafel doordringen en de geleidende eigenschappen van silicium veranderen (groene gebieden zijn ingebedde vreemde atomen).

Hoe gebieden isoleren die geen verdere behandeling vereisen? Vóór de lithografie wordt een beschermende film van diëlektricum aangebracht op het oppervlak van de siliciumwafel (bij hoge temperatuur in een speciale kamer) - zoals ik al zei, begon Intel in plaats van traditioneel siliciumdioxide High-K diëlektricum te gebruiken. Het is dikker dan siliciumdioxide, maar heeft tegelijkertijd dezelfde capacitieve eigenschappen. Bovendien wordt door de toename in dikte de lekstroom door het diëlektricum verminderd, en als gevolg daarvan is het mogelijk geworden om energie-efficiëntere processors te verkrijgen. Over het algemeen is het veel moeilijker om de uniformiteit van deze film over het gehele oppervlak van de plaat te garanderen - in verband hiermee wordt bij de productie gebruik gemaakt van uiterst nauwkeurige temperatuurregeling.

Dus hier is het. Op die plaatsen die met onzuiverheden worden behandeld, is een beschermende film niet nodig - deze wordt zorgvuldig verwijderd door middel van etsen (waarbij delen van de laag worden verwijderd om een ​​meerlaagse structuur met bepaalde eigenschappen te vormen). Hoe kun je het niet overal verwijderen, maar alleen op de juiste plekken? Om dit te doen, is het noodzakelijk om nog een laag fotoresist op de film aan te brengen - vanwege de middelpuntvliedende kracht van de roterende plaat wordt deze in een zeer dunne laag aangebracht.

Bij fotografie ging licht door negatieffilm, raakte het oppervlak van het fotopapier en veranderde de chemische eigenschappen ervan. Bij fotolithografie is het principe vergelijkbaar: licht wordt door een fotomasker op een fotoresist geleid, en op die plaatsen waar het door het masker gaat, veranderen individuele delen van de fotoresist van eigenschappen. Door de maskers wordt lichtstraling doorgelaten, die op het substraat wordt gefocusseerd. Voor nauwkeurige scherpstelling is een speciaal systeem van lenzen of spiegels vereist, dat niet alleen het uitgesneden beeld op het masker kan verkleinen tot de grootte van de chip, maar het ook nauwkeurig op het werkstuk kan projecteren. De bedrukte wafels zijn doorgaans vier keer kleiner dan de maskers zelf.

Alle verbruikte fotoresist (waarvan de oplosbaarheid is veranderd onder invloed van bestraling) wordt verwijderd met een speciale chemische oplossing - daarnaast lost ook een deel van het substraat onder de verlichte fotoresist op. Het deel van het substraat dat door het masker tegen licht werd beschermd, zal niet oplossen. Het vormt een geleider of een toekomstig actief element - het resultaat van deze aanpak is verschillende circuitpatronen op elke laag van de microprocessor.

In feite waren alle voorgaande stappen nodig om halfgeleiderstructuren op de vereiste plaatsen te creëren door het introduceren van een donor- (n-type) of acceptor- (p-type) onzuiverheid. Laten we zeggen dat we een concentratiegebied van p-type dragers in silicium moeten creëren, dat wil zeggen een gatgeleidingszone. Om dit te doen, wordt de plaat verwerkt met behulp van een apparaat genaamd implanteerder- boorionen met enorme energie worden afgevuurd door een hoogspanningsversneller en worden gelijkmatig verdeeld in onbeschermde zones die worden gevormd tijdens fotolithografie.

Waar het diëlektricum is verwijderd, dringen de ionen door in de laag onbeschermd silicium - anders blijven ze 'vastzitten' in het diëlektricum. Na het volgende etsproces wordt het resterende diëlektricum verwijderd en blijven er zones op de plaat achter waarin zich lokaal boor bevindt. Het is duidelijk dat moderne processors meerdere van dergelijke lagen kunnen hebben - in dit geval wordt er opnieuw een diëlektrische laag op de resulterende afbeelding aangebracht en dan volgt alles het platgetreden pad - nog een laag fotoresist, het fotolithografieproces (met behulp van een nieuw masker) , etsen, implantatie... je weet het begrepen.

De karakteristieke grootte van de transistor is nu 32 nm, en de golflengte waarmee silicium wordt verwerkt is niet eens gewoon licht, maar een speciale ultraviolette excimerlaser - 193 nm. De wetten van de optica staan ​​echter niet toe dat twee objecten die zich op een afstand van minder dan een halve golflengte bevinden, worden opgelost. Dit gebeurt als gevolg van diffractie van licht. Wat moet ik doen? Gebruik verschillende trucs - naast de genoemde excimeerlasers, die ver in het ultraviolette spectrum schijnen, maakt moderne fotolithografie bijvoorbeeld gebruik van meerlaagse reflecterende optica met behulp van speciale maskers en een speciaal proces van immersie (onderdompelbare) fotolithografie.

Logische elementen die tijdens het fotolithografieproces worden gevormd, moeten met elkaar worden verbonden. Om dit te doen, worden de platen in een oplossing van kopersulfaat geplaatst, waarin, onder invloed van een elektrische stroom, metaalatomen in de resterende "doorgangen" "bezinken" - als gevolg van dit galvanische proces worden geleidende gebieden gevormd , waardoor verbindingen worden gecreëerd tussen afzonderlijke delen van de ‘logica’ van de processor. Overtollige geleidende coating wordt verwijderd door polijsten.

Eindstreep

Wanneer de waferverwerking is voltooid, worden de wafers overgebracht van de productie naar de assemblage- en testwerkplaats. Daar ondergaan de kristallen de eerste tests, en degenen die de test doorstaan ​​(en dit is de overgrote meerderheid) worden met een speciaal apparaat uit het substraat gesneden.

In de volgende fase wordt de processor in een substraat verpakt (op de foto is er een Intel Core i5-processor, bestaande uit een CPU en een HD grafische chip).

Hallo stopcontact!

Stopcontact(CPU-socket) - een vrouwelijke of slotconnector ontworpen om een ​​centrale processor te installeren. Door een socket te gebruiken in plaats van de processor rechtstreeks op het moederbord te solderen, kunt u de processor gemakkelijker vervangen om uw computer te upgraden of te repareren. De connector kan bedoeld zijn voor het installeren van de processor zelf of een CPU-kaart (bijvoorbeeld in Pegasos). In elk slot kan slechts een bepaald type processor of CPU-kaart worden geïnstalleerd.

In de laatste fase van de productie ondergaan de voltooide verwerkers de laatste tests om er zeker van te zijn dat ze aan de basiskenmerken voldoen - als alles in orde is, worden de verwerkers in de vereiste volgorde gesorteerd in speciale trays - in deze vorm gaan de verwerkers naar fabrikanten of gaan te koop aan OEM's. Een andere batch zal worden verkocht als BOX-versies - in een mooie doos samen met het voorraadkoelsysteem.

Het einde

Nou ja, en nog iets verrassends. Stel je voor dat je in vijf minuten een groot wetenschapper bent - je hebt voorzichtig het warmteverdelingsdeksel van de processor verwijderd en door een enorme microscoop kun je de structuur van de processor zien - al deze verbindingen, transistors... je hebt er zelfs iets op geschetst een vel papier om het niet te vergeten. Denkt u dat het gemakkelijk is om de principes van de werking van een processor te bestuderen, met alleen deze gegevens en gegevens over welke taken kunnen worden opgelost met behulp van deze processor? Het lijkt mij dat ongeveer dit beeld nu zichtbaar is voor wetenschappers die de werking van het menselijk brein op een vergelijkbaar niveau proberen te bestuderen. Alleen als je Stanford-microbiologen gelooft, in één menselijk brein

Technologisch proces (elektronische lithografie-industrie, technisch procesµm, nm/nm; technologieknooppunt, procestechnologie — nl. ) – reeks normen voor productie halfgeleider (P/P) microschakelingen. Het belangrijkste kenmerk is met name de grootte van de halfgeleiderelementen, die bestaan ​​uit schakelaars en andere elementen.

Deze elementen worden gemeten in microns ( µm, micrometer) en nanometers ( nm, nm). Hoe minder basiselementen, onderwerpen beter hun kenmerken.

Voordelen van een “fijner” technisch proces:

· Minder warmteontwikkeling. Dit wordt bereikt door de omvang van de sporen, bedrading, poorten en de benodigde stromen voor normaal bedrijf te verkleinen. Ook vanwege lagere lekstromen.

· Meer transistors, die compacter in dezelfde ruimte kunnen worden "verpakt" en kleinere chips kunnen creëren. Tegelijkertijd zijn ze technologisch geavanceerder, met een groter aantal elementen.

· Minder energieverbruik. Hoe kleiner de elementen, hoe kleiner de stromen die nodig zijn om ze te controleren.

· Lagere productiekosten. Hoe kleiner de chips, hoe meer chips er op halfgeleiderwafels kunnen worden geplaatst. Dit verhoogt het aantal eindproducten tegen dezelfde kosten.

Stadia van de productie van microchips:

1. Aanvankelijk groeien kristal silicium en vorm het tot een vorm om in ronde platen te zagen.

3. Dit wordt gevolgd door de epitaxiale afzetting van een uniforme laag substraatachtige substantie op atomair niveau, die dient als fundering en nivelleren, algemeen niveau. Geldt ook masker laag, dat de afgezette laag siliciumatomen beschermt tegen invloeden in de volgende fasen.

4. Volgende stap - fotolithografie. Onder invloed van speciale straling met verschillende golflengte Op het oppervlak van de plaat verschijnen chemische markers die zullen reageren met daaropvolgende actieve stoffen.

5. Chemische methode en methode verspreiding, onder invloed van werkzame stoffen ( fosfor,boor), worden gevormd P- En N - gebieden, micro-transities en groeven, die toekomstige elementen zullen worden.

6. Fotolithografische verwerking volgt in de oxidelaag van bepaalde gebieden, die zal geven markeringen(gelegeerde gebieden) voor toepassing metalen elementen(bedrading, contacten), door vacuümmetallisatie. Overtollig metaal wordt verwijderd en wat correct wordt aangebracht, is thermisch zeker(ingesoldeerd). Dus, kant-en-klare elementen microchip.

7. Aanvraag, benodigd bedrag niveaus diëlektrische en metaal gevolgd door fotolithografie en verwerking (er kunnen zoveel lagen zijn als je wilt, het hangt allemaal af van de toegestane hoogte). Breng er meerdere aan boven de bovenste laag lagen metaal en diëlektricum voor bescherming en goede warmteafvoer.

8. Plaatpassivering, testen, snijden op microchips, installatie op de processorbehuizing en pinverbindingen, afwijzing.

Productieplaats, schone kamers.

Voor de productie van microschakelingen, speciale " schone kamers»met filters en statische mechanismen om kleine stofdeeltjes, haar, pluisjes enz. tegen te houden. Want zelfs een stofje dat tijdens het productieproces op een microchip terechtkomt, kan dat doen zijn werk verstoren, om nog maar te zwijgen van haar en pluisjes.

Voordat ze binnenkwamen, trokken de arbeiders aan speciale pakken, brillen en hoeden, en ondergaan ook bijzondere reinigingsprocedures.

Bovendien ademen alle medewerkers door speciale filters om bronnen van vreemde voorwerpen volledig te elimineren.

De grootste lithografische productiecapaciteiten zijn verkrijgbaar bij de grootste aannemersbedrijven: en. Heeft een groot aandeel in de mondiale productiemarkt voor microchips Intel, maar het bedrijf produceert alleen chips voor zijn eigen behoeften. Wellicht zal deze aanpak in de toekomst veranderen. Intel levert nog steeds contractdiensten aan bevriende bedrijven, maar voornamelijk alleen aan aandeelhouders.

Bedrijf Intel, de eerste plannen om de productie van microchips met behulp van driedimensionale transistors te lanceren ( 3G, FinFET).

Met de overgang naar een steeds verfijnder technisch proces moeten fabrikanten investeren steeds meer fondsen methoden ontwikkelen voor het implementeren van een nieuw technisch proces. Ook bladeren meer tijd voor de bouw van nieuwe productiefabrieken.

Daarom velen fabrikanten verenigen zich in groepen en gezamenlijk investeren in de ontwikkeling van technologische processen en de bouw van nieuwe fabrieken.

In het verlagen van de kosten, een transitie naar meer grote platen 450 mm, maar hiervoor zouden de meeste fabrieken helemaal opnieuw moeten worden opgebouwd en geheel nieuwe apparatuur moeten worden geproduceerd, wat kostbaar is. De transitie is gepland 2012-13 jaar.

De productie van microschakelingen is een zeer moeilijke zaak, en de geslotenheid van deze markt wordt voornamelijk bepaald door de kenmerken van de dominante fotolithografische technologie van vandaag. Microscopische elektronische circuits worden via fotomaskers op een siliciumwafel geprojecteerd, waarvan de kosten kunnen oplopen tot $200.000. Ondertussen zijn er minstens 50 van dergelijke maskers nodig om één chip te maken. Voeg daarbij de kosten van “trial and error” bij het ontwikkelen van nieuwe modellen, en je zult begrijpen dat alleen zeer grote bedrijven processors in zeer grote hoeveelheden kunnen produceren.

Wat moeten wetenschappelijke laboratoria en hightech startups die niet-standaard ontwerpen nodig hebben, doen? Wat moeten we doen voor het leger, voor wie het kopen van processors van een “waarschijnlijke vijand” op zijn zachtst gezegd niet comme il faut is?

We bezochten de Russische productielocatie van het Nederlandse bedrijf Mapper, waardoor de productie van microschakelingen niet langer het lot van hemelse wezens kan zijn, maar een activiteit voor gewone stervelingen kan worden. Nou ja, of bijna simpel. Hier, op het grondgebied van de Moskouse Technopolis, wordt met de financiële steun van de Rusnano Corporation een sleutelcomponent van de Mapper-technologie geproduceerd: het elektron-optische systeem.

Voordat we echter de nuances van Mapper-maskerloze lithografie begrijpen, is het de moeite waard om de basisprincipes van conventionele fotolithografie te onthouden.

Onhandig licht

Een moderne Intel Core i7-processor kan ongeveer 2 miljard transistors bevatten (afhankelijk van het model), die elk 14 nm groot zijn. Bij het nastreven van rekenkracht verkleinen fabrikanten jaarlijks de grootte van transistors en vergroten ze hun aantal. De waarschijnlijke technologische limiet in deze race kan worden beschouwd als 5 nm: op zulke afstanden beginnen kwantumeffecten te verschijnen, waardoor elektronen in aangrenzende cellen zich onvoorspelbaar kunnen gedragen.

Om microscopische halfgeleiderstructuren op een siliciumwafel af te zetten, gebruiken ze een proces dat lijkt op het gebruik van een fotografische vergroter. Tenzij zijn doel het tegenovergestelde is: het beeld zo klein mogelijk maken. De plaat (of beschermende film) is bedekt met fotoresist - een lichtgevoelig polymeermateriaal dat zijn eigenschappen verandert bij bestraling met licht. Het vereiste chippatroon wordt via een masker en een verzamellens blootgesteld aan een fotoresist. De gedrukte wafels zijn doorgaans vier keer kleiner dan de maskers.

Stoffen zoals silicium of germanium hebben vier elektronen in hun buitenste energieniveau. Ze vormen prachtige kristallen die op metaal lijken. Maar in tegenstelling tot metaal geleiden ze geen elektriciteit: al hun elektronen zijn betrokken bij krachtige covalente bindingen en kunnen niet bewegen. Alles verandert echter als je er een beetje donoronzuiverheid aan toevoegt van een stof met vijf elektronen op het buitenste niveau (fosfor of arseen). Vier elektronen binden zich met het silicium, waardoor er één vrij blijft. Silicium met een donoronzuiverheid (n-type) is een goede geleider. Als je een acceptoronzuiverheid uit een stof met drie elektronen op het buitenste niveau (boor, indium) aan silicium toevoegt, worden op een vergelijkbare manier ‘gaten’ gevormd, een virtueel analoog van een positieve lading. In dit geval hebben we het over een p-type halfgeleider. Door geleiders van het p- en n-type met elkaar te verbinden, krijgen we een diode - een halfgeleiderapparaat dat stroom in slechts één richting doorlaat. De p-n-p- of n-p-n-combinatie geeft ons een transistor - er vloeit alleen stroom doorheen als er een bepaalde spanning op de centrale geleider wordt aangelegd.

De diffractie van licht maakt zijn eigen aanpassingen aan dit proces: de straal die door de gaten van het masker gaat, wordt licht gebroken en in plaats van één punt wordt een reeks concentrische cirkels zichtbaar, alsof ze afkomstig zijn van een steen die in een poel wordt gegooid. . Gelukkig is diffractie omgekeerd evenredig aan de golflengte, en dat is waar ingenieurs van profiteren door ultraviolet licht met een golflengte van 195 nm te gebruiken. Waarom niet nog minder? Het is alleen zo dat de kortere golf niet wordt gebroken door de verzamellens, maar dat de stralen er doorheen gaan zonder te focussen. Het is ook onmogelijk om het verzamelvermogen van de lens te vergroten - sferische aberratie staat dit niet toe: elke straal zal op zijn eigen punt door de optische as gaan, waardoor de scherpstelling wordt verstoord.

De maximale contourbreedte die kan worden afgebeeld met behulp van fotolithografie is 70 nm. Chips met een hogere resolutie worden in verschillende stappen geprint: er worden contouren van 70 nanometer aangebracht, het circuit wordt geëtst en vervolgens wordt het volgende onderdeel belicht via een nieuw masker.

Momenteel wordt de diep-ultraviolette fotolithografietechnologie ontwikkeld, waarbij gebruik wordt gemaakt van licht met een extreme golflengte van ongeveer 13,5 nm. De technologie omvat het gebruik van vacuüm- en meerlaagse spiegels met reflectie op basis van tussenlaaginterferentie. Het masker zal ook geen doorschijnend, maar een reflecterend element zijn. Spiegels zijn vrij van het fenomeen van breking, zodat ze kunnen werken met licht van elke golflengte. Maar voorlopig is dit slechts een concept dat in de toekomst kan worden gebruikt.

Hoe processors vandaag de dag worden gemaakt

Een perfect gepolijste ronde siliciumwafel met een diameter van 30 cm is bedekt met een dun laagje fotoresist. De middelpuntvliedende kracht helpt de fotoresist gelijkmatig te verdelen.

Het toekomstige circuit wordt via een masker blootgesteld aan een fotoresist. Dit proces wordt vele malen herhaald omdat er uit één wafer veel chips worden geproduceerd.

Het deel van de fotoresist dat aan ultraviolette straling is blootgesteld, wordt oplosbaar en kan eenvoudig met chemicaliën worden verwijderd.

Gebieden van de siliciumwafel die niet door fotoresist worden beschermd, worden chemisch geëtst. In plaats daarvan vormen zich depressies.

Op de wafer wordt opnieuw een laag fotoresist aangebracht. Deze keer worden door de belichting de gebieden blootgelegd die onderhevig zullen zijn aan ionenbombardement.

Onder invloed van een elektrisch veld versnellen onzuivere ionen tot snelheden van meer dan 300.000 km/u en dringen het silicium binnen, waardoor het de eigenschappen van een halfgeleider krijgt.

Na het verwijderen van de resterende fotoresist blijven de voltooide transistors op de wafer achter. Daarop wordt een laag diëlektricum aangebracht, waarin met dezelfde technologie de gaten voor de contacten worden geëtst.

De plaat wordt in een kopersulfaatoplossing geplaatst en door middel van elektrolyse wordt er een geleidende laag op aangebracht. Vervolgens wordt de hele laag verwijderd door te slijpen, maar de contacten in de gaten blijven achter.

De contacten zijn verbonden door een uit meerdere verdiepingen bestaand netwerk van metalen ‘draden’. Het aantal "verdiepingen" kan oplopen tot 20, en het algemene bedradingsschema wordt de processorarchitectuur genoemd.

Pas nu wordt de plaat in veel individuele chips gesneden. Elk “kristal” wordt getest en pas daarna geïnstalleerd op een bord met contacten en afgedekt met een zilveren radiatordop.

13.000 tv's

Een alternatief voor fotolithografie is elektrolithografie, waarbij de belichting niet door licht plaatsvindt, maar door elektronen, en niet door fotoresist, maar door elektroresist. De elektronenbundel kan gemakkelijk worden gefocusseerd tot een punt van minimale grootte, tot op 1 nm. De technologie is vergelijkbaar met een kathodestraalbuis op een televisie: een gefocusseerde stroom elektronen wordt afgebogen door stuurspoelen, waardoor een beeld op een siliciumwafel wordt geschilderd.

Tot voor kort kon deze technologie vanwege de lage snelheid niet concurreren met de traditionele methode. Om een ​​elektroresist te laten reageren op bestraling, moet deze een bepaald aantal elektronen per oppervlakte-eenheid accepteren, zodat één straal maximaal 1 cm2/uur kan belichten. Dit is acceptabel voor losse bestellingen van laboratoria, maar is niet van toepassing in de industrie.

Helaas is het onmogelijk om het probleem op te lossen door de bundelenergie te vergroten: gelijke ladingen stoten elkaar af, dus naarmate de stroom toeneemt, wordt de elektronenbundel breder. Maar je kunt het aantal stralen vergroten door meerdere zones tegelijkertijd te belichten. En als er meerdere 13.000 zijn, zoals in Mapper-technologie, dan is het volgens berekeningen mogelijk om tien volwaardige chips per uur af te drukken.

Het combineren van 13.000 kathodestraalbuizen in één apparaat zou uiteraard onmogelijk zijn. In het geval van Mapper wordt de straling van de bron naar een collimatorlens gericht, die een brede evenwijdige elektronenbundel vormt. Op zijn pad bevindt zich een apertuurmatrix, die deze in 13.000 individuele stralen omzet. De stralen passeren de blankermatrix - een siliciumwafel met 13.000 gaten. Nabij elk ervan bevindt zich een afbuigelektrode. Als er stroom op wordt gezet, ‘missen’ de elektronen hun gat en wordt een van de 13.000 stralen uitgeschakeld.

Nadat ze de blanco's zijn gepasseerd, worden de stralen naar een matrix van deflectoren geleid, die elk hun bundel een paar micron naar rechts of naar links kunnen afbuigen ten opzichte van de beweging van de plaat (de Mapper lijkt dus nog steeds op 13.000 beeldbuizen). Tenslotte wordt elke straal verder gefocusseerd door zijn eigen microlens en vervolgens naar een elektroresist gestuurd. Tot nu toe is Mapper-technologie getest bij het Franse micro-elektronica-onderzoeksinstituut CEA-Leti en bij TSMC, dat microprocessors produceert voor toonaangevende marktspelers (waaronder de Apple iPhone 6S). De belangrijkste componenten van het systeem, waaronder elektronische lenzen van silicium, worden vervaardigd in de fabriek in Moskou.

Mapper-technologie belooft nieuwe perspectieven, niet alleen voor onderzoekslaboratoria en kleinschalige (waaronder militaire) productie, maar ook voor grote spelers. Om prototypen van nieuwe processors te testen, is het momenteel noodzakelijk om exact dezelfde fotomaskers te maken als voor massaproductie. De mogelijkheid om relatief snel prototypes van circuits te maken belooft niet alleen de ontwikkelingskosten te verlagen, maar ook de vooruitgang in het veld te versnellen. Waar uiteindelijk de massaconsument van elektronica, dat wil zeggen wij allemaal, van profiteert.

Hoe worden microschakelingen gemaakt?

Om te begrijpen wat het belangrijkste verschil tussen deze twee technologieën is, is het noodzakelijk een korte excursie te maken naar de technologie zelf van de productie van moderne processors of geïntegreerde schakelingen.

Zoals je weet uit een natuurkundecursus op school, zijn de belangrijkste componenten van geïntegreerde schakelingen in de moderne elektronica p-type en n-type halfgeleiders (afhankelijk van het type geleidbaarheid). Een halfgeleider is een stof waarvan de geleidbaarheid superieur is aan diëlektrica, maar inferieur aan metalen. De basis van beide typen halfgeleiders kan silicium (Si) zijn, dat in zijn pure vorm (de zogenaamde intrinsieke halfgeleider) elektrische stroom slecht geleidt, maar de toevoeging (introductie) van een bepaalde onzuiverheid in silicium kan de geleidende eigenschappen ervan radicaal veranderen. . Er zijn twee soorten onzuiverheden: donor en acceptor. Een donoronzuiverheid leidt tot de vorming van n-type halfgeleiders met elektronisch geleidingsvermogen, en een acceptoronzuiverheid leidt tot de vorming van p-type halfgeleiders met gatentype geleidingsvermogen. De contacten van p- en n-halfgeleiders maken het mogelijk transistors te vormen - de belangrijkste structurele elementen van moderne microschakelingen. Deze transistors, CMOS-transistors genoemd, kunnen in twee basistoestanden bestaan: open, wanneer ze elektriciteit geleiden, en uit, wanneer ze geen elektriciteit geleiden. Omdat CMOS-transistors de belangrijkste elementen van moderne microschakelingen zijn, laten we er meer in detail over praten.

Hoe werkt een CMOS-transistor?

De eenvoudigste n-type CMOS-transistor heeft drie elektroden: source, gate en drain. De transistor zelf is gemaakt van een p-type halfgeleider met gatgeleiding, en n-type halfgeleiders met elektronische geleidbaarheid worden gevormd in de drain- en source-gebieden. Door de diffusie van gaten van het p-gebied naar het n-gebied en de omgekeerde diffusie van elektronen van het n-gebied naar het p-gebied worden uiteraard uitputtingslagen (lagen waarin geen grote ladingsdragers voorkomen) gevormd. aan de grenzen van de overgangen van de p- en n-gebieden. In zijn normale toestand, dat wil zeggen wanneer er geen spanning op de poort wordt aangelegd, bevindt de transistor zich in een "vergrendelde" toestand, dat wil zeggen dat hij niet in staat is stroom van bron naar afvoer te geleiden. De situatie verandert niet, zelfs niet als er een spanning wordt aangelegd tussen de drain en de source (we houden geen rekening met de lekstromen veroorzaakt door de beweging onder invloed van de gegenereerde elektrische velden van minderheidsladingsdragers, dat wil zeggen gaten voor de n-gebied en elektronen voor het p-gebied).

Als er echter een positief potentieel op de poort wordt toegepast (Fig. 1), zal de situatie radicaal veranderen. Onder invloed van het elektrische veld van de poort worden gaten diep in de p-halfgeleider geduwd en worden elektronen daarentegen naar het gebied onder de poort getrokken, waardoor een elektronenrijk kanaal ontstaat tussen de bron en de afvoer. Als er een positieve spanning op de poort wordt aangelegd, beginnen deze elektronen van source naar drain te bewegen. In dit geval geleidt de transistor stroom; er wordt gezegd dat de transistor ‘opent’. Als de poortspanning wordt verwijderd, worden er geen elektronen meer naar het gebied tussen de bron en de afvoer getrokken, wordt het geleidende kanaal vernietigd en stopt de transistor met het doorgeven van stroom, dat wil zeggen dat hij 'uitschakelt'. Door de poortspanning te veranderen, kunt u dus de transistor openen of sluiten, vergelijkbaar met hoe u een gewone tuimelschakelaar aan of uit kunt zetten, waardoor de stroom door het circuit wordt geregeld. Dit is de reden waarom transistors soms elektronische schakelaars worden genoemd. In tegenstelling tot conventionele mechanische schakelaars zijn CMOS-transistoren echter vrijwel traagheidsvrij en kunnen ze biljoenen keren per seconde van aan naar uit schakelen! Het is dit kenmerk, dat wil zeggen het vermogen om onmiddellijk te schakelen, dat uiteindelijk de prestaties van de processor bepaalt, die uit tientallen miljoenen van zulke eenvoudige transistors bestaat.

Een moderne geïntegreerde schakeling bestaat dus uit tientallen miljoenen eenvoudige CMOS-transistors. Laten we dieper ingaan op het productieproces van microschakelingen, waarvan de eerste fase de productie van siliciumsubstraten is.

Stap 1. Groeiende blanco's

Het creëren van dergelijke substraten begint met het laten groeien van een cilindrisch monokristal van silicium. Vervolgens worden deze monokristallijne plano's (blanco's) in ronde wafels (wafels) gesneden, waarvan de dikte ongeveer 1/40 inch is en de diameter 200 mm (8 inch) of 300 mm (12 inch) is. Dit zijn de siliciumsubstraten die worden gebruikt voor de productie van microschakelingen.

Bij het vormen van wafers uit éénkristallen van silicium wordt rekening gehouden met het feit dat voor ideale kristalstructuren de fysische eigenschappen grotendeels afhankelijk zijn van de gekozen richting (anisotropie-eigenschap). De weerstand van een siliciumsubstraat zal bijvoorbeeld verschillend zijn in de longitudinale en transversale richtingen. Op dezelfde manier zal het siliciumkristal, afhankelijk van de oriëntatie van het kristalrooster, anders reageren op externe invloeden die verband houden met de verdere verwerking ervan (bijvoorbeeld etsen, sputteren, enz.). Daarom moet de plaat zodanig uit één kristal worden gesneden dat de oriëntatie van het kristalrooster ten opzichte van het oppervlak strikt in een bepaalde richting wordt gehandhaafd.

Zoals reeds opgemerkt, is de diameter van het silicium-eenkristalwerkstuk 200 of 300 mm. Bovendien is de diameter van 300 mm een ​​relatief nieuwe technologie, die we hieronder zullen bespreken. Het is duidelijk dat een plaat met deze diameter meer dan één microschakeling kan huisvesten, zelfs als we het hebben over een Intel Pentium 4-processor. Op één dergelijke substraatplaat worden inderdaad enkele tientallen microschakelingen (processors) gevormd, maar voor de eenvoud zullen we dat doen beschouw alleen de processen die plaatsvinden op een klein gebied van één toekomstige microprocessor.

Stap 2. Aanbrengen van een beschermende film van diëlektricum (SiO2)

Na de vorming van het siliciumsubstraat begint de fase van het creëren van een complexe halfgeleiderstructuur.

Om dit te doen is het noodzakelijk om zogenaamde donor- en acceptoronzuiverheden in silicium te introduceren. De vraag rijst echter: hoe kunnen onzuiverheden volgens een nauwkeurig gespecificeerd patroon worden geïntroduceerd? Om dit mogelijk te maken, worden de gebieden waar geen onzuiverheden hoeven te worden geïntroduceerd, beschermd met een speciale film van siliciumdioxide, waardoor alleen de blootgestelde gebieden overblijven die verdere verwerking ondergaan (Fig. 2). Het proces van het vormen van een dergelijke beschermende film met het gewenste patroon bestaat uit verschillende fasen.

In de eerste fase wordt de gehele siliciumwafel volledig bedekt met een dunne film van siliciumdioxide (SiO2), die een zeer goede isolator is en als beschermende film fungeert tijdens de verdere verwerking van het siliciumkristal. De wafels worden in een kamer geplaatst waar zuurstof bij hoge temperatuur (van 900 tot 1100 °C) en druk in de oppervlaktelagen van de wafels diffundeert, wat leidt tot de oxidatie van silicium en de vorming van een oppervlaktefilm van siliciumdioxide. Om ervoor te zorgen dat de siliciumdioxidefilm een ​​nauwkeurig gespecificeerde dikte heeft en vrij is van defecten, is het noodzakelijk om tijdens het oxidatieproces op alle punten van de wafel strikt een constante temperatuur te handhaven. Als niet de gehele wafer bedekt moet worden met een siliciumdioxidefilm, wordt eerst een Si3N4-masker op het siliciumsubstraat aangebracht om ongewenste oxidatie te voorkomen.

Stap 3. Fotoresist aanbrengen

Nadat het siliciumsubstraat is bedekt met een beschermende film van siliciumdioxide, is het noodzakelijk om deze film te verwijderen van die gebieden die verdere verwerking zullen ondergaan. De film wordt verwijderd door etsen en om de resterende gebieden tegen etsen te beschermen, wordt een laag zogenaamde fotoresist op het oppervlak van de wafer aangebracht. De term "fotoresisten" verwijst naar verbindingen die lichtgevoelig zijn en bestand zijn tegen agressieve factoren. De gebruikte composities moeten enerzijds bepaalde fotografische eigenschappen hebben (onder invloed van ultraviolet licht worden ze oplosbaar en worden tijdens het etsproces uitgewassen) en anderzijds resistent, waardoor ze bestand zijn tegen etsen in zuren en alkaliën , verwarming, enz. Het belangrijkste doel van fotoresisten is het creëren van een beschermend reliëf van de gewenste configuratie.

Het proces van het aanbrengen van fotoresist en de verdere bestraling ervan met ultraviolet licht volgens een bepaald patroon wordt fotolithografie genoemd en omvat de volgende basisbewerkingen: vorming van een fotoresistlaag (substraatverwerking, aanbrengen, drogen), vorming van een beschermend reliëf (belichting, ontwikkeling , drogen) en overdracht van het beeld op het substraat (etsen, sputteren enz.).

Voordat een laag fotoresist (Fig. 3) op het substraat wordt aangebracht, wordt dit onderworpen aan een voorbehandeling, waardoor de hechting aan de fotoresistlaag verbetert. Om een ​​uniforme laag fotoresist aan te brengen, wordt de centrifugatiemethode gebruikt. Het substraat wordt op een roterende schijf (centrifuge) geplaatst en onder invloed van centrifugaalkrachten wordt de fotoresist in een vrijwel uniforme laag over het oppervlak van het substraat verdeeld. (Als we het hebben over een bijna uniforme laag, houden we rekening met het feit dat onder invloed van middelpuntvliedende krachten de dikte van de resulterende film toeneemt van het midden naar de randen, maar deze methode van aanbrengen van fotoresist is bestand tegen fluctuaties in de laag dikte binnen ±10%.)

Stap 4. Lithografie

Na het aanbrengen en drogen van de fotoresistlaag begint het stadium van vorming van het noodzakelijke beschermende reliëf. Het reliëf wordt gevormd als gevolg van het feit dat onder invloed van ultraviolette straling die op bepaalde delen van de fotoresistlaag valt, deze laatste de oplosbaarheidseigenschappen verandert, de verlichte gebieden houden bijvoorbeeld op met oplossen in het oplosmiddel, waardoor delen van de fotolak worden verwijderd. de laag die niet werd blootgesteld aan verlichting, of omgekeerd - de verlichte gebieden lossen op. Op basis van de methode van reliëfvorming worden fotoresisten verdeeld in negatief en positief. Negatieve fotoresisten vormen bij blootstelling aan ultraviolette straling beschermende reliëfgebieden. Positieve fotoresists daarentegen verwerven onder invloed van ultraviolette straling vloeibaarheidseigenschappen en worden door het oplosmiddel uitgewassen. Dienovereenkomstig wordt een beschermende laag gevormd in die gebieden die niet zijn blootgesteld aan ultraviolette straling.

Om de gewenste gebieden van de fotoresistlaag te verlichten, wordt een speciaal maskersjabloon gebruikt. Meestal worden voor dit doel optische glasplaten gebruikt met ondoorzichtige elementen die al dan niet fotografisch zijn verkregen. In feite bevat zo'n sjabloon een tekening van een van de lagen van de toekomstige microschakeling (er kunnen in totaal enkele honderden van dergelijke lagen zijn). Omdat dit sjabloon een referentie is, moet het met grote precisie worden gemaakt. Bovendien moet, rekening houdend met het feit dat veel fotoplaten uit één fotomasker worden gemaakt, duurzaam en bestand tegen beschadiging zijn. Hieruit blijkt duidelijk dat een fotomasker erg duur is: afhankelijk van de complexiteit van de microschakeling kan het tienduizenden dollars kosten.

Ultraviolette straling, die door een dergelijk sjabloon gaat (Fig. 4), verlicht alleen de noodzakelijke delen van het oppervlak van de fotoresistlaag. Na bestraling ondergaat de fotoresist een ontwikkeling, waardoor onnodige delen van de laag worden verwijderd. Hierdoor komt het overeenkomstige deel van de siliciumdioxidelaag bloot te liggen.

Ondanks de schijnbare eenvoud van het fotolithografische proces, is deze fase van de productie van microschakelingen het meest complex. Feit is dat, in overeenstemming met de voorspelling van Moore, het aantal transistors op één chip exponentieel toeneemt (elke twee jaar verdubbelt). Een dergelijke toename van het aantal transistors is alleen mogelijk door een afname van hun omvang, maar het is juist de afname die “rust” op het lithografieproces. Om transistors kleiner te maken is het noodzakelijk om de geometrische afmetingen van de lijnen die op de fotoresistlaag worden aangebracht te verkleinen. Maar aan alles zit een limiet; het scherpstellen van een laserstraal op een punt is niet zo eenvoudig. Feit is dat, in overeenstemming met de wetten van de golfoptica, onder andere de minimale grootte van de plek waarop de laserstraal wordt gefocusseerd (in feite is het niet zomaar een plek, maar een diffractiepatroon), door de golflengte van het licht. De ontwikkeling van de lithografische technologie sinds de uitvinding ervan begin jaren zeventig is in de richting gegaan van het reduceren van de golflengte van licht. Dit maakte het mogelijk om de grootte van geïntegreerde schakelingen te verkleinen. Sinds het midden van de jaren 80 begon de fotolithografie gebruik te maken van ultraviolette straling geproduceerd door laser. Het idee is simpel: de golflengte van ultraviolette straling is korter dan de golflengte van zichtbaar licht, daarom is het mogelijk om fijnere lijnen op het oppervlak van de fotoresist te verkrijgen. Tot voor kort werd bij lithografie gebruik gemaakt van diepe ultraviolette straling (DUV) met een golflengte van 248 nm. Toen de fotolithografie echter verder ging dan 200 nm, ontstonden er ernstige problemen die voor het eerst twijfel deden rijzen over het voortdurende gebruik van deze technologie. Bij golflengten van minder dan 200 micron wordt bijvoorbeeld te veel licht geabsorbeerd door de fotogevoelige laag, waardoor het proces van het overbrengen van het circuitsjabloon naar de processor wordt gecompliceerd en vertraagd. Dit soort problemen zetten onderzoekers en fabrikanten ertoe aan op zoek te gaan naar alternatieven voor de traditionele lithografietechnologie.

De nieuwe lithografietechnologie, genaamd EUV-lithografie (Extreme UltraViolet ultra-hard ultraviolet straling), is gebaseerd op het gebruik van ultraviolette straling met een golflengte van 13 nm.

De overgang van DUV naar EUV-lithografie zorgt voor een ruim tienvoudige reductie van de golflengte en een overgang naar een bereik waar deze vergelijkbaar is met de grootte van slechts enkele tientallen atomen.

De huidige lithografietechnologie maakt een patroon mogelijk met een minimale draadbreedte van 100 nm, terwijl EUV-lithografie het mogelijk maakt om veel kleinere lijnbreedtes te printen, tot wel 30 nm. Het beheersen van ultrakorte straling is niet zo eenvoudig als het lijkt. Omdat EUV-straling goed door glas wordt geabsorbeerd, omvat de nieuwe technologie het gebruik van een reeks van vier speciale convexe spiegels die het beeld dat wordt verkregen na het aanbrengen van het masker verminderen en focusseren (Fig. 5, ,). Elke dergelijke spiegel bevat 80 individuele metaallagen van ongeveer 12 atomen dik.

Stap 5: Etsen

Na het blootleggen van de fotoresistlaag begint de etsfase met het verwijderen van de siliciumdioxidefilm (Fig. 8).

Het etsproces gaat vaak gepaard met zuurbaden. Deze zuuretsmethode is bekend bij radioamateurs die hun eigen printplaten hebben gemaakt. Om dit te doen, wordt een patroon van sporen voor het toekomstige bord aangebracht op de met folie beklede printplaat met vernis, die als een beschermende laag fungeert, en vervolgens wordt de plaat in een bad met salpeterzuur neergelaten. Onnodige delen van de folie worden weggeëtst, waardoor schone PCB's zichtbaar worden. Deze methode heeft een aantal nadelen, waarvan de belangrijkste het onvermogen is om het verwijderingsproces van de laag nauwkeurig te controleren, omdat te veel factoren het etsproces beïnvloeden: zuurconcentratie, temperatuur, convectie, enz. Bovendien interageert het zuur in alle richtingen met het materiaal en dringt geleidelijk onder de rand van het fotoresistmasker door, dat wil zeggen dat het de lagen vernietigt die vanaf de zijkant met de fotoresist bedekt zijn. Daarom wordt bij de productie van processors de droge etsmethode, ook wel plasma genoemd, gebruikt. Deze methode maakt nauwkeurige controle van het etsproces mogelijk en de vernietiging van de geëtste laag vindt strikt in verticale richting plaats.

Bij droog etsen wordt gebruik gemaakt van een geïoniseerd gas (plasma) om siliciumdioxide van het wafeloppervlak te verwijderen, dat reageert met het siliciumdioxide-oppervlak en vluchtige bijproducten produceert.

Na het etsproces, dat wil zeggen wanneer de gewenste gebieden van zuiver silicium belicht zijn, wordt het resterende deel van de fotolaag verwijderd. Er blijft dus een patroon gemaakt door siliciumdioxide op het siliciumsubstraat achter.

Stap 6. Diffusie (ionenimplantatie)

Laten we ons herinneren dat het vorige proces van het vormen van het vereiste patroon op een siliciumsubstraat nodig was om halfgeleiderstructuren op de juiste plaatsen te creëren door een donor- of acceptoronzuiverheid te introduceren. Het proces van het introduceren van onzuiverheden wordt uitgevoerd door middel van diffusie (Fig. 9) uniforme introductie van onzuiverheidsatomen in het siliciumkristalrooster. Om een ​​n-type halfgeleider te verkrijgen wordt doorgaans antimoon, arseen of fosfor gebruikt. Om een ​​p-type halfgeleider te verkrijgen, worden boor, gallium of aluminium als onzuiverheden gebruikt.

Ionenimplantatie wordt gebruikt voor het proces van doteringsdiffusie. Het implantatieproces bestaat uit ionen met de gewenste onzuiverheid die uit een hoogspanningsversneller worden “geschoten” en, met voldoende energie, in de oppervlaktelagen van silicium doordringen.

Aan het einde van de ionenimplantatiefase is dus de noodzakelijke laag van de halfgeleiderstructuur gecreëerd. In microprocessors kunnen er echter meerdere van dergelijke lagen zijn. Om de volgende laag in het resulterende circuitpatroon te creëren, wordt een extra dunne laag siliciumdioxide aangebracht. Hierna worden een laag polykristallijn silicium en nog een laag fotoresist afgezet. Ultraviolette straling wordt door het tweede masker geleid en benadrukt het overeenkomstige patroon op de fotolaag. Dan volgen opnieuw de fasen van het oplossen van de fotolaag, het etsen en de ionenimplantatie.

Stap 7. Sputteren en afzetting

Het aanbrengen van nieuwe lagen wordt meerdere keren uitgevoerd, terwijl voor verbindingen tussen de lagen "vensters" in de lagen achterblijven, die gevuld zijn met metaalatomen; Als gevolg hiervan worden geleidende gebieden van metalen strips op het kristal gecreëerd. Op deze manier brengen moderne processors verbindingen tot stand tussen lagen die een complex driedimensionaal circuit vormen. Het proces van het kweken en verwerken van alle lagen duurt enkele weken en de productiecyclus zelf bestaat uit meer dan 300 fasen. Als gevolg hiervan worden honderden identieke processors op een siliciumwafel gevormd.

Om bestand te zijn tegen de schokken waaraan de wafels worden blootgesteld tijdens het laagjesproces, worden de siliciumwafels in eerste instantie behoorlijk dik gemaakt. Voordat de wafel in individuele processors wordt gesneden, wordt de dikte daarom met 33% verminderd en wordt het vuil van de achterkant verwijderd. Vervolgens wordt een laag speciaal materiaal op de achterkant van het substraat aangebracht om de hechting van het kristal aan het lichaam van de toekomstige processor te verbeteren.

Stap 8. Laatste fase

Aan het einde van de formatiecyclus worden alle processors grondig getest. Vervolgens worden specifieke kristallen die de test al hebben doorstaan, met een speciaal apparaat uit de substraatplaat gesneden (Fig. 10).

Elke microprocessor is ingebed in een beschermende behuizing, die ook zorgt voor een elektrische verbinding tussen de microprocessorchip en externe apparaten. Het type behuizing is afhankelijk van het type en de beoogde toepassing van de microprocessor.

Na het verzegelen van de behuizing wordt elke microprocessor opnieuw getest. Defecte processors worden afgewezen en werkende processors worden onderworpen aan belastingtests. Processoren worden vervolgens gesorteerd op basis van hun gedrag bij verschillende kloksnelheden en voedingsspanningen.

Veelbelovende technologieën

We hebben het technologische proces van het produceren van microschakelingen (in het bijzonder processors) op een zeer vereenvoudigde manier bekeken. Maar zelfs zo'n oppervlakkige presentatie stelt ons in staat de technologische problemen te begrijpen die we tegenkomen bij het verkleinen van de grootte van transistors.

Voordat we echter nieuwe veelbelovende technologieën overwegen, zullen we de vraag beantwoorden die helemaal aan het begin van het artikel is gesteld: wat is de ontwerpstandaard van het technologische proces en hoe verschilt de ontwerpstandaard van 130 nm feitelijk van de standaard van 180 nm? nm? 130 nm of 180 nm dit is de karakteristieke minimumafstand tussen twee aangrenzende elementen in één laag van de microschakeling, dat wil zeggen een soort rasterstap waaraan de elementen van de microschakeling zijn gekoppeld. Het is vrij duidelijk dat hoe kleiner deze karakteristieke maat is, hoe meer transistors op hetzelfde gebied van de microschakeling kunnen worden geplaatst.

Momenteel gebruiken Intel-processors een procestechnologie van 0,13 micron. Deze technologie wordt gebruikt om de Intel Pentium 4-processor met de Northwood-kern, de Intel Pentium III-processor met de Tualatin-kern en de Intel Celeron-processor te vervaardigen. Bij gebruik van een dergelijk technologisch proces is de bruikbare kanaalbreedte van de transistor 60 nm en is de dikte van de poortoxidelaag niet groter dan 1,5 nm. In totaal bevat de Intel Pentium 4-processor 55 miljoen transistors.

Naast het vergroten van de dichtheid van transistors in de processorchip, heeft de 0,13-micron-technologie, die de 0,18-micron-technologie heeft vervangen, nog andere innovaties. Ten eerste maakt het gebruik van koperverbindingen tussen individuele transistors (in de 0,18 micron-technologie waren de verbindingen van aluminium). Ten tweede zorgt de 0,13 micron-technologie voor een lager energieverbruik. Voor mobiele apparatuur betekent dit bijvoorbeeld dat het stroomverbruik van microprocessors lager wordt en de levensduur van de batterij langer wordt.

Welnu, de laatste innovatie die is geïmplementeerd tijdens de overgang naar een technologisch proces van 0,13 micron is het gebruik van siliciumwafels (wafer) met een diameter van 300 mm. Laten we niet vergeten dat daarvoor de meeste processors en microschakelingen werden vervaardigd op basis van wafers van 200 mm.

Het vergroten van de diameter van de wafel maakt het mogelijk de kosten van elke processor te verlagen en de opbrengst aan producten van voldoende kwaliteit te vergroten. Het oppervlak van een wafel met een diameter van 300 mm is inderdaad 2,25 keer groter dan het oppervlak van een wafel met een diameter van 200 mm, en dienovereenkomstig is het aantal processors verkregen uit één wafel met een diameter van 300 mm mm is ruim twee keer zo groot.

In 2003 zal naar verwachting een nieuw technologisch proces met een nog kleinere ontwerpstandaard worden geïntroduceerd, namelijk 90 nanometer. Het nieuwe proces waarmee Intel de meeste van zijn producten zal vervaardigen, inclusief processors, chipsets en communicatieapparatuur, is ontwikkeld in Intel's D1C 300 mm wafer-proeffabriek in Hillsboro, Oregon.

Op 23 oktober 2002 kondigde Intel de opening aan van een nieuwe fabriek van $ 2 miljard in Rio Rancho, New Mexico. De nieuwe fabriek, genaamd F11X, zal gebruik maken van de modernste technologie om processors te produceren op wafers van 300 mm met behulp van een ontwerpproces van 0,13 micron. In 2003 zal de installatie worden overgezet naar een technologisch proces met een ontwerpstandaard van 90 nm.

Bovendien heeft Intel al de hervatting aangekondigd van de bouw van een andere productiefaciliteit aan Fab 24 in Leixlip (Ierland), die is ontworpen voor de productie van halfgeleidercomponenten op siliciumwafels van 300 mm met een ontwerpstandaard van 90 nm. Een nieuwe onderneming met een totale oppervlakte van ruim 1 miljoen vierkante meter. voeten met bijzonder schone kamers met een oppervlakte van 160 duizend vierkante meter. ft. zal naar verwachting in de eerste helft van 2004 operationeel zijn en ruim duizend medewerkers tewerkstellen. De kosten van de faciliteit bedragen ongeveer 2 miljard dollar.

Het 90nm-proces maakt gebruik van een reeks geavanceerde technologieën. Dit zijn 's werelds kleinste in massa geproduceerde CMOS-transistors met een poortlengte van 50 nm (figuur 11), die betere prestaties leveren terwijl het stroomverbruik wordt verminderd, en de dunste poortoxidelaag van elke transistor ooit geproduceerd - slechts 1,2 nm (figuur 11). 12), of minder dan 5 atomaire lagen, en de eerste implementatie in de industrie van hoogwaardige gespannen siliciumtechnologie.

Van de genoemde kenmerken behoeft misschien alleen het concept van “gespannen silicium” commentaar (Fig. 13). In dergelijk silicium is de afstand tussen atomen groter dan in een conventionele halfgeleider. Hierdoor kan de stroom vrijer stromen, vergelijkbaar met hoe het verkeer vrijer en sneller beweegt op een weg met bredere rijstroken.

Als resultaat van alle innovaties worden de prestatiekenmerken van transistors met 10-20% verbeterd, terwijl de productiekosten met slechts 2% stijgen.

Bovendien maakt het 90 nm-proces gebruik van zeven lagen op de chip (Afbeelding 14), één laag meer dan het 130 nm-proces, evenals koperen verbindingen.

Al deze kenmerken, gecombineerd met siliciumwafels van 300 mm, bieden Intel voordelen op het gebied van prestaties, productievolume en kosten. Consumenten profiteren er ook van, omdat de nieuwe procestechnologie van Intel de industrie in staat stelt zich te blijven ontwikkelen in overeenstemming met de wet van Moore, waardoor de processorprestaties keer op keer toenemen.

Goededag.

Laten we samen de sluier oplichten van zo'n complexe materie als computerproductie. In dit artikel leer je vooral wat het technische proces in een processor is en waarom ontwikkelaars dit elk jaar proberen te verminderen.

Hoe worden processoren gemaakt?

Ten eerste moet u het antwoord op deze vraag weten, zodat verdere uitleg duidelijk is. Alle elektronische apparatuur, inclusief de CPU, is gemaakt op basis van een van de meest gebruikte mineralen: siliciumkristallen. Bovendien wordt het al meer dan 50 jaar voor deze doeleinden gebruikt.

De kristallen worden via lithografie verwerkt om de creatie van individuele transistors mogelijk te maken. Deze laatste zijn de fundamentele elementen van de chip, omdat deze er volledig uit bestaat.

De functie van transistors is het blokkeren of doorlaten van stroom, afhankelijk van de huidige toestand van het elektrische veld. Logische circuits werken dus in een binair systeem, dat wil zeggen in twee posities: aan en uit. Dit betekent dat ze energie overbrengen (logisch) of als isolatoren fungeren (nul). Bij het schakelen van transistoren in de CPU worden berekeningen uitgevoerd.

Nu over het belangrijkste

Over het algemeen verwijst het technologische proces naar de grootte van de transistors.

Wat betekent het? Laten we weer terugkeren naar de productie van processors.

De meest gebruikte methode is fotolithografie: het kristal wordt bedekt met een diëlektrische film en met behulp van licht worden er transistors uit geëtst. Voor dit doel wordt optische apparatuur gebruikt, waarvan de resolutie in wezen een technisch proces is. De dunheid van de transistors op het kristal hangt af van de waarde ervan - van de nauwkeurigheid en gevoeligheid van het apparaat.

Wat geeft dit?

Zoals u begrijpt, hoe kleiner ze zijn, hoe meer er op de chip kunnen worden geplaatst. Dit heeft invloed op:

• Warmteafvoer en energieverbruik. Door de afmetingen van het element te verkleinen, heeft het minder energie nodig en genereert het dus minder warmte.
  Met dit voordeel kunt u krachtige CPU's in kleine mobiele apparaten installeren. Trouwens, dankzij het lage stroomverbruik van moderne chips houden tablets en smartphones hun lading langer vast. Bij pc's maakt een lagere warmteafvoer het mogelijk om het koelsysteem te vereenvoudigen.
• Aantal spaties. Enerzijds is het voor fabrikanten gunstig om het technische proces te reduceren, omdat uit één werkstuk een grotere hoeveelheid producten wordt verkregen. Het is waar dat dit slechts een gevolg is van de verfijning van het technische proces, en niet van het nastreven van voordelen, omdat aan de andere kant duurdere apparatuur nodig is om de omvang van transistors te verkleinen.

• Chipprestaties. Hoe meer elementen het heeft, hoe sneller het zal werken, hoewel de fysieke grootte hetzelfde zal blijven.

Technologisch proces in cijfers en voorbeelden

Het technologische proces wordt gemeten in nanometers (nm). Dit is 10 tot de macht -9 van een meter, dat wil zeggen dat één nanometer een miljardste deel is. Gemiddeld worden moderne processors vervaardigd met behulp van een 22 nm-procestechnologie.

Je kunt je voorstellen hoeveel transistors er op de . Om het duidelijker te maken: een afgeknipt gebied van een mensenhaar kan 2.000 elementen bevatten. Hoewel de chip miniatuur is, is hij duidelijk groter dan een haar en kan hij dus miljarden transistorpoorten bevatten.

Meer precies weten? Laat me je een paar voorbeelden geven:

• AMD-processors, namelijk Trinity, Llano, Bulldozer, hebben een 32 nm-procestechnologie. In het bijzonder is het kristaloppervlak van laatstgenoemde 315 mm2, waar zich 1,2 miljard transistors bevinden.
  Phenom en Athlon van dezelfde fabrikant zijn gemaakt met behulp van een 45 nm-procestechnologie, dat wil zeggen dat ze 904 miljoen hebben met een basisoppervlak van 346 mm2.

• Intel heeft chips gebaseerd op de 22 nm-standaard - dit is de Ivy Bridge-familie (Intel Core ix - 3xxx). Voor de duidelijkheid: Core i7 – 3770K heeft 1,4 miljard elementen, ondanks het feit dat de matrijsgrootte slechts 160 mm is.
  Hetzelfde merk heeft ook 32-nanometerproducten. We hebben het over Intel Sandy Bridge (2xxx). Op een oppervlakte van 216 mm2 passen er 1,16 miljard transistors in.

Trouwens, alles wat je hebt geleerd over technische processen voor centrale computerapparaten is ook van toepassing op grafische apparaten. Deze waarde bij AMD (ATI) en Nvidia videokaarten is bijvoorbeeld 28 nm.

Nu weet u meer over zo'n belangrijk onderdeel van uw computer als de processor. Kom terug voor meer informatie.