Fabricação de aparas
Se você perguntar qual é a matéria-prima do chip, todos responderão com facilidade - é silicone. Isso não é falso, mas de onde vem o silício? De fato, é a areia mais comum. É difícil imaginar. A estrutura cara, complicada, o chip poderoso e misterioso vêm da areia que é basicamente inútil. Obviamente, deve haver um processo de fabricação complicado no meio.
Matérias-primas básicas para a fabricação de chips
Se você perguntar qual é a matéria-prima do chip, todos responderão com facilidade - é silicone. Isso não é falso, mas de onde vem o silício? De fato, é a areia mais comum. É difícil imaginar. A estrutura cara, complicada, o chip poderoso e misterioso vêm da areia que é basicamente inútil. Obviamente, deve haver um processo de fabricação complicado no meio. No entanto, não é apenas um punhado de areia que pode ser usado como matéria-prima. Ele deve ser cuidadosamente selecionado para extrair dele a mais pura matéria-prima de silicone. Imagine se as matérias-primas mais baratas, com reservas suficientes, fossem usadas para fazer chips, qual seria a qualidade do produto final? Você ainda pode usar um processador de alto desempenho como agora?
Além do silicone, um material importante para a fabricação de chips é o metal. Até agora, o alumínio se tornou o principal material metálico para a fabricação de partes internas dos processadores, enquanto o cobre está sendo gradualmente eliminado. Isto é devido a alguns motivos. Na tensão de operação atual do chip, as características de eletromigração do alumínio são significativamente melhores que o cobre. O chamado problema da eletromigração se refere a quando um grande número de elétrons flui através de uma seção do condutor, os átomos da substância condutora são impactados pelos elétrons e saem da posição original, deixando vagas. Permanecer em outros locais causará um curto-circuito em outros lugares e afetará a função lógica do chip, o que tornará o chip inutilizável.
Esta é a razão pela qual muitos Northwood Pentium 4 são substituídos pelo SNDS (North Wood Storm Syndrome). Quando os entusiastas fizeram o overclock pela primeira vez do Northwood Pentium 4, eles estavam ansiosos para alcançar o sucesso. Quando a voltagem do chip aumentou bastante, sérios problemas de eletromigração causaram o chip paralisado. Esta é a primeira experiência da Intel&# 39 com tecnologia de interconexão de cobre e claramente precisa de melhorias. Mas, por outro lado, o uso da tecnologia de interconexão de cobre pode reduzir a área de chip. Ao mesmo tempo, devido à menor resistência do condutor de cobre, a corrente que passa por ele também é mais rápida.
Além desses dois materiais principais, alguns tipos de matérias-primas químicas são necessários no processo de design do chip. Eles desempenham papéis diferentes e não serão repetidos aqui.
A fase de preparação da fabricação de chips
Após a coleta das matérias-primas necessárias, algumas dessas matérias-primas precisam ser pré-processadas. Como matéria-prima mais importante, o processamento de silício é crucial. Antes de tudo, as matérias-primas de silício precisam ser quimicamente purificadas, e essa etapa as leva a um nível de matéria-prima que pode ser usado pela indústria de semicondutores. Para que essas matérias-primas de silício atendam às necessidades de processamento da fabricação de circuitos integrados, elas também devem ser modeladas. Essa etapa é realizada fundindo as matérias-primas de silício e despejando silício líquido em um grande recipiente de quartzo de alta temperatura.
Em seguida, as matérias-primas são derretidas a altas temperaturas. Aprendemos na aula de química do ensino médio que muitos átomos dentro de um sólido têm uma estrutura cristalina, assim como o silício. Para atender aos requisitos dos processadores de alto desempenho, toda a matéria-prima de silício deve ser altamente pura e silício de cristal único. Em seguida, a matéria-prima de silício é retirada do recipiente de alta temperatura por estiramento rotativo e um lingote de silício cilíndrico é produzido. A julgar pelo processo atualmente utilizado, o diâmetro da seção circular do lingote de silicone é de 200 mm. Mas agora a Intel e algumas outras empresas começaram a usar lingotes de silicone com 300 mm de diâmetro. É bastante difícil aumentar a área de seção transversal, mantendo as várias características do lingote de silício, mas enquanto a empresa estiver disposta a investir muito dinheiro para estudar, isso ainda pode ser alcançado. A fábrica da Intel' para o desenvolvimento e produção de lingotes de silício de 300 mm custa cerca de US $ 3,5 bilhões. O sucesso da nova tecnologia permite à Intel fabricar circuitos integrados com funções mais complexas e poderosas. A fábrica de lingotes de silício de 200 milímetros também custou US $ 1,5 bilhão. O processo de fabricação de chips começa com o corte de lingotes de silício.
Lingote de silício de cristal único
Depois de fazer o lingote de silicone e garantir que ele seja um cilindro absoluto, o próximo passo é cortar o lingote de silicone cilíndrico. Quanto mais fina a fatia, menos material é usado e naturalmente mais chips do processador podem ser produzidos. O fatiamento também exige acabamento espelhado para garantir que a superfície seja absolutamente lisa e verifique se há distorção ou outros problemas. Essa etapa da inspeção da qualidade é particularmente importante, pois determina diretamente a qualidade do chip acabado.
Novas fatias devem ser dopadas com algumas substâncias para transformá-las em materiais semicondutores reais e, em seguida, circuitos de transistor representando várias funções lógicas são escritos nelas. Os átomos do material dopado entram nas lacunas entre os átomos de silício e as forças atômicas atuam uma sobre a outra, de modo que as matérias-primas do silício tenham as características dos semicondutores. Atualmente, a fabricação de semicondutores da&# 39 é mais um processo de CMOS (semicondutor de óxido de metal complementar). O termo complementar refere-se à interação entre transistores MOS do tipo N e transistores MOS do tipo P em semicondutores. N e P representam o eletrodo negativo e o eletrodo positivo respectivamente no processo eletrônico. Na maioria dos casos, a fatia é dopada com produtos químicos para formar um substrato do tipo P. O circuito lógico escrito nele deve ser projetado para seguir as características do circuito nMOS. Esse tipo de transistor possui uma maior utilização de espaço e é mais eficiente em termos de energia. Ao mesmo tempo, na maioria dos casos, a aparência dos transistores pMOS deve ser o mais limitada possível, porque, nas fases posteriores do processo de fabricação, os materiais do tipo N precisam ser implantados no substrato do tipo P, e isso processo levará à formação de tubos pMOS.
Após o trabalho de incorporação de produtos químicos, o fatiamento padrão é concluído. Em seguida, cada fatia é colocada em um forno de alta temperatura e aquecida, e um filme de dióxido de silício é gerado na superfície da fatia, controlando o tempo de aquecimento. Ao monitorar de perto a temperatura, a composição do ar e o tempo de aquecimento, a espessura da camada de sílica pode ser controlada. No processo de fabricação de 90 nanômetros da Intel&# 39, a largura do óxido do portão é tão pequena quanto uma espantosa espessura de 5 átomos. Esse circuito de gate de camada também faz parte do circuito de gate de transistor. O papel do circuito da porta do transistor é controlar o fluxo de elétrons entre eles. Através do controle da tensão do portão, o fluxo de elétrons é estritamente controlado, independentemente do tamanho da tensão da porta de entrada e saída. O processo final da preparação é cobrir uma camada fotossensível na camada de dióxido de silício. Essa camada de material é usada para outras aplicações de controle na mesma camada. Essa camada de material apresenta boa fotossensibilidade quando seca e, após o processo de fotolitografia, pode ser dissolvida e removida por métodos químicos.
Photoetching
Esta é uma etapa muito complicada no atual processo de fabricação de chips. Por que você diz isso? O processo de foto-captura é usar um certo comprimento de onda da luz para gravar a pontuação correspondente na camada fotossensível, alterando assim as propriedades químicas do material ali. Essa tecnologia possui requisitos extremamente rígidos no comprimento de onda da luz utilizada, o que requer o uso de raios ultravioleta de comprimento de onda curto e lentes de grande curvatura. O processo de gravação também é afetado por manchas na bolacha. Cada etapa da gravação é um processo complexo e delicado. A quantidade de dados necessária para projetar cada etapa do processo pode ser medida em unidades de 10 GB, e as etapas de gravação necessárias para fabricar cada processador são mais de 20 etapas (cada camada é gravada). Além disso, se os desenhos gravados de cada camada forem ampliados muitas vezes, poderá ser ainda mais complicado que o mapa de toda a cidade de Nova York mais a faixa suburbana. Imagine reduzir todo o mapa de Nova York para uma área real deapenas 100 milímetros quadrados. No chip, você pode imaginar como a estrutura desse chip é complicada.
Quando todas essas gravuras são concluídas, a bolacha é virada. A luz de comprimento de onda curto é irradiada na camada fotossensível da bolacha através do entalhe oco no gabarito de quartzo e, em seguida, a luz e o gabarito são removidos. O material da camada fotossensível exposta do lado de fora é removido por métodos químicos, e o dióxido de silício é gerado imediatamente sob a posição vaga.
Doping
Depois que o material da camada fotossensível restante é removido, o que resta é a camada de dióxido de silício da vala cheia e a camada de silício exposto abaixo da camada. Após esta etapa, outra camada de dióxido de silício é concluída. Em seguida, é adicionada outra camada de polissilício com uma camada fotossensível. O polissilício é outro tipo de circuito de porta. Devido ao uso de matérias-primas metálicas (daí o nome semicondutores de óxido metálico) aqui, o polissilício permite que as portas sejam estabelecidas antes que a tensão na porta da fila do transistor se torne ativa. A camada fotossensível também é gravada pela luz de comprimento de onda curto através da máscara. Após outra gravação, todos os circuitos de porta necessários foram formados basicamente. Em seguida, a camada de silício exposta é bombardeada quimicamente com íons. O objetivo aqui é criar um canal N ou canal P. Esse processo de dopagem cria todos os transistores e a conexão do circuito entre eles. Nenhum transistor possui uma entrada e uma saída, e as duas extremidades são chamadas de portas.
Repita este processo
Nesta etapa, você continuará adicionando camadas, adicione uma camada de dióxido de silício e litografia uma vez. Repita essas etapas e, em seguida, há uma arquitetura tridimensional de várias camadas, que é o estado embrionário do processador que você está usando no momento. Entre cada camada, a tecnologia de revestimento metálico é usada para conduzir a conexão condutora entre as camadas. Atualmente, o processador P4 da' usa 7 camadas de conexões metálicas, enquanto o Athlon64 usa 9 camadas. O número de camadas usadas depende do design do layout inicial e não representa diretamente a diferença de desempenho do produto final.
Nas próximas semanas, as bolachas serão testadas uma a uma, incluindo o teste das características elétricas da bolacha para verificar se há erros lógicos e, em caso afirmativo, em qual camada e assim por diante. Depois disso, cada unidade de chip na bolacha que tiver um problema será testada individualmente para determinar se o chip possui necessidades especiais de processamento.
Então, toda a bolacha é cortada em unidades de chips de processador individuais. No teste inicial, as unidades que falharam no teste serão abandonadas. Essas unidades de chip cortadas serão empacotadas de uma certa maneira, para que possam ser inseridas sem problemas na placa-mãe de uma determinada especificação de interface. A maioria dos processadores Intel e AMD são cobertos com um dissipador de calor. Após a conclusão do produto final do processador, também é necessária uma gama completa de testes de função de chip. Esta parte produzirá diferentes graus de produtos, alguns chips operam a uma frequência relativamente alta, de modo que o nome e o número de produtos de alta frequência são rotulados e os chips com frequências de operação relativamente baixas são modificados para rotular outros modelos de baixa frequência. Este é o processador de diferentes posicionamentos de mercado. E alguns processadores podem ter algumas deficiências na função do chip. Por exemplo, ele possui defeitos na função de cache (esse defeito é suficiente para paralisar a maioria dos chips), então eles serão protegidos de alguma capacidade de cache, reduzindo o desempenho e, é claro, diminuindo o preço do produto. Este é Celeron e a origem de Sempron.
Após a conclusão do processo de embalagem do chip, muitos produtos precisam realizar outro teste para garantir que não haja omissão no processo de fabricação anterior e que o produto esteja em total conformidade com as especificações sem desvio.
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