Fabricación de chips
Si pregunta cuál es la materia prima del chip, todos responderán fácilmente: es silicio. Esto no es falso, pero ¿de dónde viene el silicio? De hecho, es la arena más sencilla. Es difícil imaginarlo. La estructura costosa y complicada, el chip poderoso y misterioso provienen de la arena que básicamente no tiene valor. Por supuesto, debe haber un proceso de fabricación complicado en el medio.
Materias primas básicas para la fabricación de chips.
Si pregunta cuál es la materia prima del chip, todos responderán fácilmente: es silicio. Esto no es falso, pero ¿de dónde viene el silicio? De hecho, es la arena más sencilla. Es difícil imaginarlo. La estructura costosa y complicada, el chip poderoso y misterioso provienen de la arena que básicamente no tiene valor. Por supuesto, debe haber un proceso de fabricación complicado en el medio. Sin embargo, no es solo un puñado de arena que se puede utilizar como materia prima. Debe seleccionarse cuidadosamente para extraer las materias primas de silicio más puras. Imagínese si se usaran las materias primas más baratas con suficientes reservas para hacer chips, ¿cuál sería la calidad del producto terminado? ¿Todavía puede usar un procesador de alto rendimiento como ahora?
Además del silicio, un material importante para la fabricación de chips es el metal. Hasta ahora, el aluminio se ha convertido en el principal material metálico para fabricar partes internas de los procesadores, mientras que el cobre se elimina gradualmente. Esto se debe a algunas razones. Con el voltaje de funcionamiento actual del chip, las características de electromigración del aluminio son significativamente mejores que las del cobre. El llamado problema de electromigración se refiere a cuando una gran cantidad de electrones fluyen a través de una sección del conductor, los átomos de la sustancia conductora son impactados por los electrones y dejan la posición original, dejando vacantes. Permanecer en otros lugares provocará un cortocircuito en otros lugares y afectará la función lógica del chip, lo que hará que el chip no pueda utilizarse.
Esta es la razón por la cual muchos Pentium 4 de Northwood se reemplazan con SNDS (Síndrome de North Wood Storm). Cuando los entusiastas overclockearon por primera vez el Northwood Pentium 4, estaban ansiosos por lograr el éxito. Cuando el voltaje del chip se incrementó considerablemente, graves problemas de electromigración causaron la paralización del chip. Esta es la primera experiencia de Intel&# 39 con la tecnología de interconexión de cobre, y claramente necesita alguna mejora. Pero, por otro lado, el uso de la tecnología de interconexión de cobre puede reducir el área del chip. Al mismo tiempo, debido a la menor resistencia del conductor de cobre, la corriente que lo atraviesa también es más rápida.
Además de estos dos materiales principales, se necesitan algunos tipos de materias primas químicas en el proceso de diseño de chips. Juegan diferentes roles y no se repetirán aquí.
La etapa de preparación de la fabricación de chips.
Una vez completada la recolección de las materias primas necesarias, algunas de estas materias primas deben procesarse previamente. Como la materia prima más importante, el procesamiento de silicio es crucial. En primer lugar, las materias primas de silicio deben purificarse químicamente, y este paso las lleva a un nivel de materia prima que puede ser utilizado por la industria de los semiconductores. Para que estas materias primas de silicio satisfagan las necesidades de procesamiento de la fabricación de circuitos integrados, también deben conformarse. Este paso se logra fundiendo las materias primas de silicio y luego vertiendo silicio líquido en un gran recipiente de cuarzo a alta temperatura.
Luego, las materias primas se funden a altas temperaturas. En la clase de química de la escuela secundaria aprendimos que muchos átomos dentro de un sólido tienen una estructura cristalina, al igual que el silicio. Para cumplir con los requisitos de los procesadores de alto rendimiento, toda la materia prima de silicio debe ser de silicio de cristal único y altamente puro. Luego, la materia prima de silicio se saca del recipiente de alta temperatura mediante estiramiento rotativo, y se produce un lingote de silicio cilíndrico. A juzgar por el proceso utilizado actualmente, el diámetro de la sección transversal circular del lingote de silicio es de 200 mm. Pero ahora Intel y algunas otras compañías han comenzado a usar lingotes de silicio de 300 mm de diámetro. Es bastante difícil aumentar el área de la sección transversal mientras se conservan las diversas características del lingote de silicio, pero mientras la empresa esté dispuesta a invertir mucho dinero para estudiar, todavía se puede lograr. La fábrica de Intel¶ el desarrollo y la producción de lingotes de silicio de 300 mm cuesta alrededor de 3.500 millones de dólares. El éxito de la nueva tecnología permite a Intel fabricar circuitos integrados con funciones más complejas y potentes. La planta de lingotes de silicio de 200 milímetros también costó $ 1.5 mil millones. El proceso de fabricación de chips comienza con el corte de lingotes de silicio.
Lingote de silicio monocristalino
Después de hacer el lingote de silicio y asegurarse de que sea un cilindro absoluto, el siguiente paso es cortar el lingote de silicio cilíndrico. Cuanto más delgado es el corte, menos material se usa y, naturalmente, se pueden producir más chips de procesador. El corte también requiere un acabado de espejo para garantizar que la superficie sea absolutamente lisa, y luego verifique si hay distorsión u otros problemas. Este paso de inspección de calidad es particularmente importante, determina directamente la calidad del chip terminado.
Se deben dopar nuevas rebanadas con algunas sustancias para convertirlas en materiales semiconductores reales, y luego se les graban circuitos de transistores que representan diversas funciones lógicas. Los átomos de material dopado entran en los espacios entre los átomos de silicio, y las fuerzas atómicas actúan entre sí para que las materias primas de silicio tengan las características de los semiconductores. Hoy, la fabricación de semiconductores de&es más un proceso CMOS (semiconductor de óxido de metal complementario). El término complementario se refiere a la interacción entre los transistores MOS tipo N y los transistores MOS tipo P en semiconductores. N y P representan el electrodo negativo y el electrodo positivo respectivamente en el proceso electrónico. En la mayoría de los casos, el corte se dopa con productos químicos para formar un sustrato de tipo P. El circuito lógico descrito debe estar diseñado para seguir las características del circuito nMOS. Este tipo de transistor tiene una mayor utilización del espacio y es más eficiente energéticamente. Al mismo tiempo, en la mayoría de los casos, la apariencia de los transistores pMOS debe limitarse tanto como sea posible, ya que, en las etapas posteriores del proceso de fabricación, los materiales de tipo N deben implantarse en el sustrato de tipo P, y esto proceso conducirá a la formación de tubos pMOS.
Después de completar el trabajo de incorporación de productos químicos, se completa el corte estándar. Luego, cada rebanada se coloca en un horno de alta temperatura y se calienta, y se genera una película de dióxido de silicio en la superficie de la rebanada controlando el tiempo de calentamiento. Al controlar de cerca la temperatura, la composición del aire y el tiempo de calentamiento, se puede controlar el grosor de la capa de sílice. En el proceso de fabricación de 90 nanómetros de Intel GG, el ancho del óxido de la puerta es tan pequeño como un increíble espesor de 5 átomos. Este circuito de compuerta de capa también es parte del circuito de compuerta de transistor. El papel del circuito de la puerta del transistor es controlar el flujo de electrones entre ellos. Mediante el control del voltaje de la puerta, el flujo de electrones se controla estrictamente, independientemente del tamaño del voltaje del puerto de entrada y salida. El proceso final de la preparación es cubrir una capa fotosensible en la capa de dióxido de silicio. Esta capa de material se usa para otras aplicaciones de control en la misma capa. Esta capa de material tiene buena fotosensibilidad cuando se seca, y después de que finaliza el proceso de fotolitografía, se puede disolver y eliminar por métodos químicos.
Fotograbado
Este es un paso muy complicado en el proceso actual de fabricación de chips. ¿Por qué dices eso? El proceso de fotograbado consiste en utilizar una cierta longitud de onda de luz para grabar la puntuación correspondiente en la capa fotosensible, cambiando así las propiedades químicas del material allí. Esta tecnología tiene requisitos extremadamente estrictos sobre la longitud de onda de la luz utilizada, lo que requiere el uso de rayos ultravioleta de longitud de onda corta y lentes de gran curvatura. El proceso de grabado también se ve afectado por las manchas en la oblea. Cada paso de grabado es un proceso complejo y delicado. La cantidad de datos necesarios para diseñar cada paso del proceso se puede medir en unidades de 10 GB, y los pasos de grabado necesarios para fabricar cada procesador son más de 20 pasos (cada capa está grabada). Además, si los dibujos grabados de cada capa se amplían muchas veces, puede ser aún más complicado que el mapa de toda la ciudad de Nueva York más el rango suburbano. Imagine reducir todo el mapa de Nueva York a un área real desolo 100 milímetros cuadrados. En el chip, entonces puedes imaginar lo complicada que es la estructura de este chip.
Cuando se completan todos estos grabados, se da vuelta la oblea. La luz de longitud de onda corta se irradia sobre la capa fotosensible de la oblea a través de la muesca hueca en la plantilla de cuarzo, y luego se eliminan la luz y la plantilla. El material de la capa fotosensible expuesta al exterior se elimina por métodos químicos, y el dióxido de silicio se genera inmediatamente en la posición vacante.
Dopaje
Después de eliminar el material de la capa fotosensible restante, lo que queda es la capa de dióxido de silicio de la zanja llena y la capa de silicio expuesta debajo de la capa. Después de este paso, se completa otra capa de dióxido de silicio. Luego, se agrega otra capa de polisilicio con una capa fotosensible. El polisilicio es otro tipo de circuito de puerta. Debido al uso de materias primas metálicas (de ahí el nombre de semiconductores de óxido de metal) aquí, el polisilicio permite que se establezcan puertas antes de que el voltaje en el puerto de la cola del transistor se active. La capa fotosensible también está grabada por la luz de onda corta a través de la máscara. Después de otro grabado, todos los circuitos de compuerta requeridos se han formado básicamente. Luego, la capa de silicio expuesta se bombardea químicamente con iones. El propósito aquí es crear un canal N o un canal P. Este proceso de dopaje crea todos los transistores y la conexión del circuito entre ellos. Ningún transistor tiene una entrada y una salida, y los dos extremos se llaman puertos.
Repita este proceso.
A partir de este paso, continuará agregando capas, agregue una capa de dióxido de silicio y luego litografía una vez. Repita estos pasos, y luego hay una arquitectura tridimensional multicapa, que es el estado embrionario del procesador que está utilizando actualmente. Entre cada capa, la tecnología de recubrimiento metálico se utiliza para realizar la conexión conductiva entre las capas. Hoy el procesador P4 de&# 7 usa 7 capas de conexiones metálicas, mientras que Athlon64 usa 9 capas. El número de capas utilizadas depende del diseño de diseño inicial y no representa directamente la diferencia de rendimiento del producto final.
En las próximas semanas, las obleas se probarán una por una, incluida la prueba de las características eléctricas de la oblea para ver si hay errores lógicos y, de ser así, en qué capa, etc. Después de eso, cada unidad de chip en la oblea que tiene un problema se probará individualmente para determinar si el chip tiene necesidades especiales de procesamiento.
Luego, toda la oblea se corta en unidades de chip de procesador individuales. En la prueba inicial, aquellas unidades que fallaron la prueba serán abandonadas. Estas unidades de chip que están cortadas se empaquetarán de cierta manera para que se puedan insertar sin problemas en la placa base de una determinada especificación de interfaz. La mayoría de los procesadores Intel y AMD están cubiertos con un disipador de calor. Una vez que se completa el producto terminado del procesador, también se requiere una gama completa de pruebas de funcionamiento del chip. Esta parte producirá diferentes grados de productos, algunos chips operan a una frecuencia relativamente alta, por lo que el nombre y el número de productos de alta frecuencia están etiquetados, y esos chips con frecuencias de operación relativamente bajas se modifican para etiquetar, otros modelos de baja frecuencia. Este es el procesador de diferentes posiciones de mercado. Y algunos procesadores pueden tener algunas deficiencias en la función del chip. Por ejemplo, tiene defectos en la función de caché (este defecto es suficiente para causar la mayoría de los chips paralizados), luego estarán protegidos de cierta capacidad de caché, reduciendo el rendimiento y, por supuesto, bajando el precio del producto. Este es Celeron y el origen de Sempron.
Una vez que se completa el proceso de empaquetado del chip, muchos productos tienen que realizar otra prueba para asegurarse de que no haya omisiones en el proceso de fabricación anterior, y que el producto cumpla completamente con las especificaciones sin desviaciones.
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