Производство процессоров

Основным химическим элементом, используемым при производстве процессоров, является кремний, самый распространенный элемент на земле после кислорода.

🕛 24.09.2009, 00:35

Это базовый компонент, из которого состоит прибрежный песок (кремниевый диоксид); однако в таком виде он не подходит для производства микросхем.
Чтобы использовать кремний в качестве материала для изготовления микросхемы, необходим длительный технологический процесс, который начинается с получения кристаллов чистого кремния по методу Жокральски (Czochralski). По этой технологии сырье, в качестве которого используется в основном кварцевая порода, преобразуется в электродуговых печах в металлургический кремний. Затем для удаления примесей полученный кремний плавится, дистиллируется и кристаллизуется в виде полупроводниковых слитков с очень высокой степенью чистоты (99,999 999%). После механической нарезки слитков полученные заготовки загружаются в кварцевые тигли и помещаются в электрические сушильные печи для вытяжки кристаллов, где плавятся при температуре более 2 500° по Фаренгейту. Для того чтобы предотвратить образование примесей, сушильные печи обычно устанавливаются на толстом бетонном основании. Бетонное основание, в свою очередь, устанавливается на амортизаторах, что позволяет значительно уменьшить вибрацию, которая может негативно сказаться на формировании кристалла.
Как только заготовка начинает плавиться, в расплавленный кремний помещается небольшой, медленно вращающийся затравочный кристалл (рис. 3.3). По мере удаления затравочного кристалла от поверхности расплава вслед за ним вытягиваются кремниевые нити, которые, затвердевая, образуют кристаллическую структуру. Изменяя скорость перемещения затравочного кристалла (10-40 мм в час) и температуру (примерно 2 500° по Фаренгейту), получаем кристалл кремния малого начального диаметра, который затем наращивается до нужной величины. В зависимости от размеров изготавливаемых микросхем, выращенный кристалл достигает 8-12 дюймов (20-30 мм) в диаметре и 5 футов (около 1,5 м) в длину. Вес выращенного кристалла достигает нескольких сотен фунтов.

Кристалл
Единичный кремниевый кристалл
Кварцевый кристаллизатор
Водяная охлаждающая камера Теплозащитный кожух
Угольный нагреватель
Графитовый кристаллизатор
Поддерживающий кристаллизатор
Лоток для сбора жидкости
Электрод
Цилиндрическая кремниевая заготовка создается при большой температуре и высоком давлении
Заготовка вставляется в цилиндр диаметром 200 мм (или 300 мм), часто с плоской вырезкой на одной стороне для точности позиционирования и обработки. Затем каждая заготовка разрезается алмазной пилой более чем на тысячу круговых подложек толщиной менее миллиметра (рис. 3.4). После этого подложка полируется до тех пор, пока ее поверхность не станет зеркально гладкой.
Защитный кожух
Лезвие
алмазной
пилы
При изготовлении процессора заготовка разрезается алмазной пилой более чем на тысячу круговых подложек

В производстве микросхем используется процесс, называемый фотолитографией. Технология этого процесса такова: на полупроводник, служащий основой чипа, один за другим наносятся слои разных материалов; таким образом создаются транзисторы, электронные схемы и проводники (дорожки), по которым распространяются сигналы. В точках пересечения специфических схем можно создать транзистор или переключатель (вентиль).
Фотолитографический процесс начинается с покрытия подложки слоем полупроводника со специальными добавками, затем этот слой покрывается фоторезистивным химическим составом, а после этого изображение микросхемы проектируется на ставшую теперь светочувствительной поверхность.
В результате добавления к кремнию (который, естественно, является диэлектриком) донорных примесей получается полупроводник. Проектор использует специальный фотошаблон (маску), который является, по сути, картой данного конкретного слоя микросхемы. (Микросхема процессора Pentium III содержит пять слоев; другие современные процессоры могут иметь шесть или больше слоев. При разработке нового процессора потребуется спроектировать фотошаблон для каждого слоя микросхемы.)
Проходя через первый фотошаблон, свет фокусируется на поверхности подложки, оставляя отпечаток изображения этого слоя. (Каждое изображение на микросхеме называется кристаллом.) Затем специальное устройство несколько перемещает подложку, а тот же фотошаблон (маска) используется для печати следующей микросхемы. После того как микросхемы будут отпечатаны на всей подложке, едкая щелочь смоет те области, где свет воздействовал на фоторезистивное вещество, оставляя отпечатки фотошаблона (маски) конкретного слоя микросхемы и межслойные соединения (соединения между слоями), а также пути прохождения сигналов. После этого на подложку наносится другой слой полупроводника и вновь немного фоторезистивного вещества поверх него, затем используется следующий фотошаблон (маска) для создания очередного слоя микросхемы. Таким способом слои наносятся один поверх другого до тех пор, пока не будет полностью изготовлена микросхема.
Финальная маска добавляет так называемый слой металлизации, используемый для соединения всех транзисторов и других компонентов. В большинстве микросхем для этого слоя используют алюминий, но в последнее время стали использовать медь. Первые коммерчески выпускаемые процессоры по 0,18-микронной технологии с медной монтажной схемой произведены компанией AMD на заводе в Дрездене, в то время как “медные” процессоры Pentium 4 с ядром Northwood создавались уже по 0,13-микронной технологии. Медь является лучшим токопроводящим проводником, чем алюминий, и позволяет создавать меньшие по размеру межкомпонентные соединения, обладающие более низким сопротивлением, благодаря чему становится возможной разработка более быстродействующих процессоров с уменьшенным кристаллом. Медь стала применяться лишь сравнительно недавно из-за проблем с коррозией этого металла в производственном цикле, что не характерно для алюминиевых схем. Поскольку было найдено эффективное решение подобных проблем, все больше процессоров создаются на основе медных проводников.
Замечание
В микросхемах Pentium III и Celeron, содержащих ‘‘медный’’ (coppermine) кристалл (coppermine - кодовое имя 0,18-микронного кристалла), используется алюминиевая, но никак не медная схема соединений, как может показаться из его названия. Оказывается, что название микросхемы никакого отношения к меди не имеет; она была названа в честь реки Coppermine, которая протекает в северо-западной части Канады. Компания Intel испытывает определенную симпатию к рекам (и другим геологическим структурам), расположенным в северо-западной части североамериканского континента, поэтому часто использует их в качестве кодовых имен. Например, предыдущая версия процессора Pentium III (0,25-микронный кристалл) имеет кодовое имя Katmai (одна из рек штата Аляска). Кодовые имена существующих процессоров Intel напоминают дорожные заметки путешественника на плотах: Deerfield, Foster, Northwood, Tualatin, Gallatin, McKinley и Madison - это названия рек штатов Орегон, Калифорния, Аляска, Монтана, Массачусетс и Вермонт.

Сегодня все большую популярность приобретает технология SOI (silicon on insulator - кремний на изоляторе). Она приходит на смену классической технологии CMOS. Компания AMD применяет технологию SOI при производстве 90-нанометровых (0,09-микронных) процессоров. Ожидается, что технология SOI, которая обеспечивает большую степень изоляции по сравнению со CMOS, будет становиться все более и более популярной.
Когда обработка круговой подложки завершится, на ней будет фотоспособом отпечатано максимально возможное количество микросхем. Микросхема обычно имеет форму квадрата или прямоугольника, по краям подложки остаются некоторые “свободные” участки, хотя производители стараются использовать каждый квадратный миллиметр поверхности.
Промышленность переживает очередной переходный период в производстве микросхем. В последнее время наблюдается тенденция к увеличению диаметра подложки и уменьшению общих размеров кристалла, что выражается в уменьшении габаритов отдельных схем и транзисторов, а также расстояния между ними (рис. 3.5). В конце 2001 и начале 2002 года произошел переход с 0,18- на 0,13-микронную технологию, вместо алюминиевых межкристальных соединений начали использовать медные, при этом диаметр подложки увеличился с 200 мм (8 дюймов) до 300 мм (12 дюймов). Увеличение диаметра подложки до 300 мм позволяет удвоить количество изготавливаемых микросхем. Использование 0,13-микронной технологии дает возможность разместить на кристалле больше транзисторов при сохранении его приемлемых размеров и удовлетворительного процента выхода годных изделий. Это сохраняет тенденцию увеличения объемов кэш-памяти, встраиваемой в кристалл процессора. Предполагается, что к 2010 году количество транзисторов, расположенных в каждой микросхеме, достигнет миллиарда.
В качестве примера того, как это может повлиять на параметры определенной микросхемы, рассмотрим процессор Pentium 4. Диаметр стандартной подложки, используемой в полупроводниковой промышленности в течение уже многих лет, равен 200 мм или приблизительно 8 дюймов. Таким образом, площадь подложки достигает 31 416 мм2. Первая версия процессора Pentium 4, изготовленного на 200-миллиметровой подложке, содержала в себе ядро Willamette, созданное на основе 0,18-микронной технологии с алюминиевыми контактными соединениями, расположенными на кристалле площадью около 217 мм2. Процессор содержал 42 млн. транзисторов. На 200-миллиметровой (8-дюймовой) подложке могло разместиться до 145 подобных микросхем.
Рис. 3.5. Подложка диаметром 200 мм процессоров Pentium 4, созданных по 0,13-микронной технологии
Более современные процессоры Pentium 4 с ядром Northwood, созданные по 0,13-микронной технологии, содержат медную монтажную схему, расположенную на кристалле площадью 131 мм2. Этот процессор содержит уже 55 млн. транзисторов. По сравнению с версией Willamette ядро Northwood имеет удвоенный объем встроенной кэш-памяти второго уровня (512 Кбайт), что объясняет более высокое количество содержащихся транзисторов. Использование 0,13-микронной технологии позволяет уменьшить размеры кристалла примерно на 60%, что дает возможность разместить на той же 200-миллиметровой (8-дюймовой) подложке до 240 микросхем. Как вы помните, на этой подложке могло разместиться только 145 кристаллов Willamette.
В начале 2002 года Intel приступила к производству кристаллов Northwood на большей, 300-миллиметровой подложке площадью 70 686 мм2. Площадь этой подложки в 2,25 раза превышает площадь 200-миллиметровой подложки, что позволяет практически удвоить количество микросхем, размещаемых на ней. Если говорить о процессоре Pentium 4 Northwood, то на 300-миллиметровой подложке можно разместить до 540 микросхем. Использование современной 0,13-микронной технологии в сочетании с подложкой большего диаметра позволило более чем
в 3,7 раза увеличить выпуск процессоров Pentium 4. Во многом благодаря этому современные микросхемы зачастую имеют более низкую стоимость, чем микросхемы предыдущих версий.
В 2004 году начался переход к 90-нанометровому (0,09-микронному) технологическому процессу, что позволило создавать более быстродействующие микросхемы меньшего размера. Основная часть процессоров, выпущенных в 2005 году, была произведена именно с использованием данного процесса. В 2006 году подобная тенденция сохранилась. (Уже во втором квартале 2006 года Intel начала поставки процессоров на ядре Presler, выпущенных по 0,065-микронной технологии. - Примеч. ред.)
В 2007 году планируется массовый переход к 65-нанометровому технологическому процессу, а в 2010 году ожидается внедрение 45-нанометрового процесса, а значит, возможно появление процессоров, содержащих более одного миллиарда транзисторов! Все эти процессоры создаются с использованием 300-миллиметровых пластин, так как переход к использованию 450-миллиметровых пластин ожидается не ранее 2013 года. Сведения об изменении технологических процессов, применяемых при производстве процессоров.

При вводе новой производственной линии не все микросхемы на подложке будут годными. Но по мере совершенствования технологии производства данной микросхемы возрастет и процент годных (работающих) микросхем, который называется выходом годных. В начале выпуска новой продукции выход годных может быть ниже 50%, однако ко времени, когда выпуск продукта данного типа прекращается, он составляет уже 90%. Большинство изготовителей микросхем скрывают реальные цифры выхода годных, поскольку знание фактического отношения годных к бракованным может быть на руку их конкурентам. Если какая-либо компания будет иметь конкретные данные о том, как быстро увеличивается выход годных у конкурентов, она может скорректировать цены на микросхемы или спланировать производство так, чтобы увеличить свою долю рынка в критический момент.
По завершении обработки подложки специальное устройство проверяет каждую микросхему на ней и отмечает некачественные, которые позже будут отбракованы. Затем микросхемы вырезаются из подложки с помощью высокопроизводительного лазера или алмазной пилы.
Когда кристаллы будут вырезаны из подложек, каждая микросхема испытывается отдельно, упаковывается и снова проходит тест. Процесс упаковки называется соединением: после того как кристалл помещается в корпус, специальная машина соединяет тонюсенькими золотыми проводами выводы кристалла со штырьками (или контактами) на корпусе микросхемы. Затем микросхема упаковывается в специальный пакет - контейнер, который, по существу, предохраняет ее от неблагоприятных воздействий внешней среды.
После того как выводы кристалла соединены со штырьками на корпусе микросхемы, а микросхема упакована, выполняется заключительное тестирование, чтобы определить правильность функционирования и номинальное быстродействие. Разные микросхемы одной и той же серии зачастую обладают различным быстродействием. Специальные тестирующие приборы заставляют каждую микросхему работать в различных условиях (при разных давлениях, температурах и тактовых частотах), определяя значения параметров, при которых прекращается корректное функционирование микросхемы. Параллельно определяется максимальное быстродействие; после этого микросхемы сортируются по быстродействию и распределяются по приемникам: микросхемы с близкими параметрами попадают в один и тот же приемник. Например, микросхемы Pentium 4 2,0А, 2,2, 2,26, 2,24 и 2,53 ГГц представляют собой одну и ту же микросхему, т.е. все они были напечатаны с одного и того же фотошаблона,
кроме того, сделаны они из одной и той же заготовки, но в конце производственного цикла были отсортированы по быстродействию.
Интересно отметить: чем большим опытом в создании процессоров обладает производитель, доводя до совершенства производственную линию сборки микросхем, тем больше выпускается высокоскоростных версий последних. В результате из всех микросхем на одной подложке примерно 75% являются высокоскоростными версиями и лишь 25% работают на меньшей тактовой частоте. Парадокс заключается в том, что компания Intel зачастую продает намного больше дешевых низкоскоростных процессоров за счет блокирования частоты высокопроизводительных микросхем, которые обозначаются как процессоры с низкой частотой. В результате некоторые пользователи обнаружили, что многие процессоры могут работать на гораздо большей тактовой частоте, чем на них указано, что и привело к рождению метода разгона.