Hvordan bliver sand til silicium? CPU-fremstilling forklaret

Verden kører på information, og menneskeheden skaber anslået 2,5 millioner terabyte data om dagen. Men alle disse data er ubrugelige, medmindre vi kan behandle dem, så en af ​​de ting, som den moderne verden ikke kan leve uden, er velsagtens processorer.

Men hvordan laves en processor? Hvorfor er det et moderne vidunder? Hvordan kan en producent passe milliarder af transistorer ind i så lille en pakke? Lad os dykke dybt ned i, hvordan Intel, en af ​​de største chipproducenter globalt, skaber en CPU fra sand.

Udvinding af silicium fra sand

Basisingrediensen i enhver processor, silicium, udvindes fra ørkensand. Dette materiale findes rigeligt i jordskorpen og består af omkring 25% til 50% siliciumdioxid. Det behandles for at adskille silicium fra alle andre materialer i sandet.

Behandlingen gentages flere gange, indtil producenten opretter en 99,9999 % ren prøve. Det rensede silicium hældes derefter for at danne en cylindrisk barre af elektronisk kvalitet. Cylinderens diameter er 300 mm og vejer omkring 100 kg.

Producenten skærer derefter barren i 925 mikrometer tynde wafere. Bagefter er den poleret til en spejlglat finish, der fjerner alle fejl og pletter på overfladen. Disse færdige wafere sendes derefter til Intels halvlederfabrikation for transformation fra en plade silicium til en højteknologisk computerhjerne.

FOUP motorvejen

Da processorer er højpræcisionsdele, må deres rene siliciumbase ikke være forurenet før, under eller efter fremstilling. Det er her, de front-opening unified pods (FOUPs) kommer ind. Disse automatiserede pods holder 25 wafers ad gangen, og holder dem sikre og sikre i et miljøkontrolleret rum, når waferne transporteres mellem maskiner.

Desuden kan hver wafer rejse gennem de samme trin hundredvis af gange, nogle gange fra den ene ende af bygningen til den anden. Hele processen er indlejret i maskinerne, så FOUP'en ved, hvor den skal gå hen for hvert trin.

Desuden kører FOUP'erne på monorails, der hænger fra loftet, hvilket giver dem mulighed for at tage den hurtigste og mest effektive del fra et produktionstrin til et andet.

Fotolitografi

Fotolitografiprocessen bruger en fotoresist til at præge mønstre på siliciumwaferen. Fotoresist er et sejt, lysfølsomt materiale, der ligner det, du finder på film. Når dette er påført, udsættes waferen for ultraviolet lys med en maske af processorens mønster.

Masken sikrer, at kun de steder, de ønsker at bearbejde, bliver eksponeret, hvilket efterlader fotoresisten i det område opløselig. Når mønsteret er fuldt præget på siliciumwaferen, går det gennem et kemisk bad for at fjerne alt den eksponerede fotoresist, der efterlader et mønster af bart silicium, der vil gennemgå de næste trin i behandle.

Ionimplantation

Også kendt som doping indlejrer denne proces atomer fra forskellige grundstoffer for at forbedre ledningsevnen. Når det er færdigt, fjernes det første fotoresistlag, og et nyt sættes på plads for at forberede waferen til næste trin.

Ætsning

Efter endnu en omgang fotolitografi går siliciumwaferen videre til ætsning, hvor processorens transistorer begynder at dannes. Fotoresist påføres områder, hvor de ønsker, at silicium skal forblive, mens de dele, der skal fjernes, er kemisk ætset.

Det resterende materiale bliver langsomt til transistorernes kanaler, hvor elektronerne strømmer fra et punkt til et andet.

Materialeaflejring

Når kanalerne er blevet oprettet, vender siliciumwaferen tilbage til fotolitografi for at tilføje eller fjerne fotoresistlag efter behov. Det fortsætter derefter til materialeaflejring. Forskellige lag af forskellige materialer, såsom siliciumdioxid, polykrystallinsk silicium, højk-dielektrisk, forskellige metallegeringer og kobber tilføjes og ætses for at skabe, færdiggøre og forbinde de millioner af transistorer på chip.

Kemisk mekanisk planarisering

Hvert processorlag gennemgår kemisk mekanisk planarisering, også kendt som polering, for at fjerne overskydende materialer. Når det øverste lag er fjernet, afsløres det underliggende kobbermønster, hvilket giver producenten mulighed for at skabe flere kobberlag for at forbinde de forskellige transistorer efter behov.

Selvom processorer ser utroligt tynde ud, har de normalt mere end 30 lag af komplekse kredsløb. Dette giver den mulighed for at levere den processorkraft, der kræves af nutidens applikationer.

Test, udskæring og sortering

En siliciumwafer kan gennemgå alle ovenstående processer for at skabe en processor. Når siliciumwaferen har fuldført denne rejse, begynder den at teste. Denne proces kontrollerer hver oprettet brik på waferen for funktionalitet - uanset om den virker eller ej.

Når den er færdig, skæres waferen i stykker kaldet en die. Derefter sorteres det, hvor matricer, der virker, går videre til emballering, og dem, der fejler, kasseres.

At omdanne siliciummatricen til en processor

Denne proces, kaldet emballage, forvandler matricer til processorer. Et substrat, typisk et printkort, og en varmespreder sættes på matricen for at danne den CPU, du køber. Substratet er der, hvor matricen fysisk forbindes til bundkortet, mens varmesprederen forbinder med din CPU's DC eller PWM køleventilator.

Test og kvalitetskontrol

De færdige processorer testes derefter igen, men denne gang for ydeevne, kraft og funktionalitet. Denne test afgør hvilken slags chip det bliver- om det er godt at være en i3-, i5-, i7- eller i9-processor. Processorerne grupperes derefter til detailemballage eller placeres i bakker til levering til computerproducenter.

Mikroskopisk lille og alligevel uhyre kompliceret

Selvom processorer ser enkle ud udefra, er de uhyre komplicerede. Processorfremstilling tager to en halv til tre måneder med 24/7 processer. Og på trods af den meget præcise teknik bag disse chips, er der stadig ingen garanti for, at de får en perfekt wafer.

Faktisk kan processorproducenter miste et sted mellem 20 % og 70 % af matricerne på en wafer på grund af ufuldkommenheder, forurenende stoffer og mere. Denne værdi påvirkes yderligere af stadigt mindre CPU-processer, med nyeste chips bliver så små som 4nm.

Men som Moores lov siger, kan vi stadig forvente, at processorydelsen fordobles hvert andet år indtil 2025. Indtil processorer når det grundlæggende loft for atomstørrelse, skal alle disse fremstillingsprocesser klare designene for at producere den chip, vi efterspørger.

Hvad er Moores lov, og er den stadig relevant i 2022?

Læs Næste