Hoe wordt zand silicium? CPU-productie uitgelegd

De wereld draait op informatie, terwijl de mensheid naar schatting 2,5 miljoen terabyte aan gegevens per dag creëert. Al deze gegevens zijn echter nutteloos tenzij we ze kunnen verwerken, dus een van de dingen waar de moderne wereld niet zonder kan, zijn processors.

Maar hoe wordt een processor gemaakt? Waarom is het een modern wonder? Hoe kan een fabrikant miljarden transistors in zo'n klein pakketje passen? Laten we dieper ingaan op hoe Intel, een van de grootste chipfabrikanten ter wereld, een CPU van zand maakt.

Silicium uit zand halen

Het basisingrediënt van elke processor, silicium, wordt gewonnen uit woestijnzand. Dit materiaal komt overvloedig voor in de aardkorst en bestaat voor ongeveer 25% tot 50% uit siliciumdioxide. Het wordt verwerkt om silicium te scheiden van alle andere materialen in het zand.

De verwerking wordt meerdere keren herhaald totdat de fabrikant een zuiver monster van 99,9999% maakt. Het gezuiverde silicium wordt vervolgens gegoten om een ​​cilindrische ingot van elektronische kwaliteit te vormen. De diameter van de cilinder is 300 mm en weegt ongeveer 100 kg.

De fabrikant snijdt de staaf vervolgens in plakken van 925 micrometer dun. Daarna wordt het gepolijst tot een spiegelgladde afwerking, waarbij alle gebreken en vlekken op het oppervlak worden verwijderd. Deze afgewerkte wafels worden vervolgens verscheept naar Intel's fabriek voor de fabricage van halfgeleiders voor transformatie van een plak silicium in een hightech computerbrein.

De FOUP-snelweg

Omdat processors zeer nauwkeurige onderdelen zijn, mag hun pure siliciumbasis niet worden verontreinigd voor, tijdens of na de productie. Dit is waar de front-opening unified pods (FOUP's) binnenkomen. Deze geautomatiseerde pods kunnen 25 wafels tegelijk bevatten, en houden ze veilig in een omgeving met gecontroleerde omgeving wanneer de wafels tussen machines worden getransporteerd.

Bovendien kan elke wafer honderden keren dezelfde stappen doorlopen, soms van het ene uiteinde van het gebouw naar het andere. Het hele proces is ingebed in de machines, zodat de FOUP voor elke stap weet waar hij heen moet.

Ook reizen de FOUP's op monorails die aan het plafond hangen, waardoor ze het snelste en meest efficiënte onderdeel van de ene productiestap naar de andere kunnen brengen.

Fotolithografie

Het fotolithografieproces gebruikt een fotoresist om patronen op de siliciumwafel af te drukken. Fotoresist is een taai, lichtgevoelig materiaal, vergelijkbaar met wat je op film aantreft. Zodra dit is aangebracht, wordt de wafer blootgesteld aan ultraviolet licht met een masker van het patroon van de processor.

Het masker zorgt ervoor dat alleen de plekken die ze willen bewerken worden belicht, waardoor de fotoresist in dat gebied oplosbaar blijft. Zodra het patroon volledig op de siliconenwafel is gedrukt, gaat het door een chemisch bad om alles te verwijderen de belichte fotoresist, waardoor een patroon van kaal silicium achterblijft dat de volgende stappen in de werkwijze.

Ionenimplantatie

Dit proces, ook bekend als doping, sluit atomen van verschillende elementen in om de geleidbaarheid te verbeteren. Eenmaal voltooid, wordt de eerste fotoresistlaag verwijderd en wordt een nieuwe aangebracht om de wafel voor te bereiden op de volgende stap.

etsen

Na nog een ronde fotolithografie gaat de siliciumwafel verder met etsen, waar de transistors van de processor zich beginnen te vormen. Fotoresist wordt aangebracht op de plekken waar ze het silicium willen hebben, terwijl de te verwijderen delen chemisch worden geëtst.

Het resterende materiaal wordt langzaam de kanalen van de transistors, waar de elektronen van het ene punt naar het andere stromen.

Materiële afzetting:

Zodra de kanalen zijn gemaakt, keert de siliciumwafer terug naar fotolithografie om zo nodig fotoresistlagen toe te voegen of te verwijderen. Het gaat dan over tot materiële afzetting. Verschillende lagen van verschillende materialen, zoals siliciumdioxide, polykristallijn silicium, high-k diëlektricum, verschillende metaallegeringen en koper worden toegevoegd en geëtst om de miljoenen transistors op de chippen.

Chemische Mechanische Planarisatie

Elke processorlaag ondergaat chemisch-mechanische planarisatie, ook wel polijsten genoemd, om overtollig materiaal af te snijden. Zodra de bovenste laag is verwijderd, wordt het onderliggende koperpatroon onthuld, waardoor de fabrikant meer koperlagen kan maken om de verschillende transistors naar behoefte aan te sluiten.

Hoewel processors er onmogelijk dun uitzien, hebben ze meestal meer dan 30 lagen complexe schakelingen. Hierdoor kan het de verwerkingskracht leveren die nodig is voor de hedendaagse toepassingen.

Testen, snijden en sorteren

Een siliciumwafel kan alle bovenstaande processen doorlopen om een ​​processor te maken. Zodra de siliciumwafer die reis heeft voltooid, begint hij met testen. Dit proces controleert elk gemaakt stuk op de wafer op functionaliteit, of het nu werkt of niet.

Als je klaar bent, wordt de wafel vervolgens in stukken gesneden die een matrijs worden genoemd. Het wordt dan gesorteerd, waar de matrijzen die werken verder gaan naar de verpakking, en die welke niet werken worden weggegooid.

De siliciummatrijs in een processor veranderen

Dit proces, verpakken genoemd, transformeert matrijzen in processors. Een substraat, meestal een printplaat, en een warmteverspreider worden op de matrijs geplaatst om de CPU te vormen die u koopt. Het substraat is waar de dobbelsteen fysiek op het moederbord wordt aangesloten terwijl de warmteverspreider een interface heeft met uw CPU's DC of PWM koelventilator.

Testen en kwaliteitscontrole

De voltooide processors worden vervolgens opnieuw getest, maar dit keer op prestaties, kracht en functionaliteit. Deze test bepaalt: wat voor chip het zal zijn—of het goed is om een ​​. te zijn i3-, i5-, i7- of i9-processor. De processors worden vervolgens dienovereenkomstig gegroepeerd voor retailverpakking of in trays geplaatst voor levering aan computerfabrikanten.

Microscopisch klein maar enorm ingewikkeld

Hoewel processors er van buiten eenvoudig uitzien, zijn ze enorm ingewikkeld. Processorproductie duurt twee en een half tot drie maanden 24/7 processen. En ondanks de zeer nauwkeurige techniek achter deze chips, is er nog steeds geen garantie dat ze een perfecte wafer krijgen.

In feite kunnen processormakers ergens tussen 20% en 70% van de matrijzen op een wafer verliezen als gevolg van onvolkomenheden, verontreinigingen en meer. Deze waarde wordt verder beïnvloed door steeds kleinere CPU-processen, met de nieuwste chips zo klein als 4nm.

Zoals de wet van Moore stelt, kunnen we echter nog steeds verwachten dat de processorprestaties tot 2025 elke twee jaar zullen verdubbelen. Totdat processors het fundamentele plafond van atoomgrootte bereiken, moeten al deze productieprocessen het hoofd bieden aan de ontwerpen om de chip te produceren die we nodig hebben.

Wat is de wet van Moore en is deze nog steeds relevant in 2022?

Lees volgende