Loading presentation...

Present Remotely

Send the link below via email or IM

Copy

Present to your audience

Start remote presentation

  • Invited audience members will follow you as you navigate and present
  • People invited to a presentation do not need a Prezi account
  • This link expires 10 minutes after you close the presentation
  • A maximum of 30 users can follow your presentation
  • Learn more about this feature in our knowledge base article

Do you really want to delete this prezi?

Neither you, nor the coeditors you shared it with will be able to recover it again.

DeleteCancel

Make your likes visible on Facebook?

Connect your Facebook account to Prezi and let your likes appear on your timeline.
You can change this under Settings & Account at any time.

No, thanks

Produkcja procesorów

No description
by

Piotr Stelmach

on 24 October 2014

Comments (0)

Please log in to add your comment.

Report abuse

Transcript of Produkcja procesorów

Od piasku do procesora...
Produkcja procesorów
Krzem polikrystaliczny
Efekt końcowy
Krzem polikrystaliczny popularnie zwany polikrzemem - to duze bloki polikrystalicznego krzemu, stosowanego przy produkcji krzemu monokrystalicznego oraz układów scalonych. Technicznie "polikrzem", to zlepek monokryształów krzemu o rozmiarach od 1 µm do nawet 100 µm, midzy którymi wystpuje niemal całokowicie amorficzny krzem. Zywotnosc polikrzemu siega 15 lat.
Trzy elementy składowe tranzystora, czyli dren, zródło i łaczacy je kanał tranzystora wytwarzane sa bezposrednio w krzemowym podłozu. Aby je wytworzyc do czystego krzemu dodaje sie atomy innych pierwiastków, które dyfunduja (wnikaja) do jego wnetrza. Technologiczny proces wytwarzania domieszkowanych warstw na powierzchni półprzewodnika nazywa sie epitaksja (ang. epitaxy). Najczciej wykorzystywana jest epitaksja z fazy gazowej lub z fazy ciekłej, przy czym ta pierwsza stosowana jest znacznie czesciej i spotkac sie z nia mozna zarówno w fabrykach Intela czy AMD.
Tranzystory na krzemie
Przed rozpoczeciem epitaksji nalezy osłonic wszystkie pozostałe miejsca krzemowej płytki. Do osłony wafla stosuje sie wrazliwe na swiatło substancje osłonowe nazywane fotorezystami (ang. photoresist). Rozmiekczony fotorezyst jest nastepnie wypłukiwany chemicznie.Dodatkowo, przed rozpoczeciem produkcji na powierzchni kazdego krzemowego wafla tworzy sie osłonowa warstwe dwutlenku krzemu SiO2 która chroni gotowy układ scalony przed dostepem zanieczyszczen z powietrza i jednoczenie jest pomocnicza warstwa osłonowa w procesie epitaksji.Fotorezyst nanoszony jest zawsze na cała powierzchnie krzemowego wafla, przy wykorzystaniu metody spin-coatingu. Metoda spin-coatingu polega na tym, ze dzieki ruchowi obrotowemu wkroplona na srodek wafla warstwa substancji chemicznej (tu: fotorezystu) rozpłynie sie po nim w taki sposób, ze utworzy cienka, równomierna warstwe nanoszonego materiału. Metode te stosuje sie np. do produkcji klasycznych, analogowych pokryc fotograficznych lub przy rozprowadzaniu barwnika podczas wytwarzania płyt CD-R/DVD±R.
Naświetlanie
Bramki sterujące tranzystora
Układy scalone
Układy scalone, w tym procesory, pamieci itp., składaja sie z mniejszej lub wiekszej liczby tranzystorów badz takich elementów półprzewodnikowych jak np. diody, tyrystory, rezystory, kondensatory, warystory itp. Oczywiscie im bardziej skomplikowany jest taki układ, tym z wiekszej liczby elementów półprzewodnikowych sie składa. Dla przykładu pierwszy procesor Intela, Intel 4004 składał sie z 2300 tranzystorów (procesor powstał w 1971 roku) i zajmował powierzchnie 12 mm2. Intel Pentium III z 1999 roku, miał juz tych tranzystorów 9,5 miliona, a miescił sie na powierzchni 128 mm2. W osmiordzeniowym układzie Core i7, tych tranzystorów jest juz 731 mln, a kosc zajmuje powierzchnie zaledwie 263mm2.
Same układy scalone dzieli sie zas obecnie pod wzgledem skali integracji, a wiec ilosci umieszczonych w nich elementów na:

– małej skali integracji SSI (Small Scale of Integration)
– sredniej skali integracji MSI (Medium Scale of Integration)
– duzej skali integracji LSI (Large Scale of Integration)
– wielkiej skali integracji VLSI (Very Large Scale of Integration)
– ultrawielkiej skali integracji ULSI (Ultra Large Scale of Integration)
Oczywiscie, procesory naleza do tej ostatniej grupy układów.
Pierwszy układ scalony
Pierwszy na śswiecie układ scalony zostal zaprojektowany przez Jack’a Kilbiego w 1958 roku.
Produkcja wafli
Wafle wykorzystywane do produkcji układów scalonych wytwarzane sa z bardzo czystego, 99,9999%, krystalicznego krzemu klasy Electronic Grade Silicon. Co ciekawe, w krzemie takim moze znalezc sie zaledwie jeden atom zanieczyszczen na kazdy miliard atomów krzemu. Czysty, stopiony krzem wykorzystywany jest nastepnie do hodowania ogromnych monokryształów, czyli materiału bedacego w całosci jednym kryształem krzemu o scile ustalonej strukturze krystalograficznej i niewielkiej liczbie defektów. Wiekszosc monokryształów wytwarza sie metodami przemysłowymi poprzez krystalizacje stopionej cieczy, jedna z trzech metod:
– procesu Bridgmana
– metod Czochralskiego
– topienie strefowe
Najczciej monokryształy krzemu otrzymuje si w procesie powolnego wycigania kryształu-zarodka. Metoda ta, stosowana pierwotnie w metalurgii opracowana została został przez polskiego chemika Jana Czochralskiego w 1916 roku i nosi obecnie nazw metody Czochralskiego.
Walec krzemowy
Otrzymany metoda Czochralskiego walec krzemowy jest nastepnie ciety na plasterki za pomoca diamentowego ostrza, a uzyskane płytki sa dodatkowo szlifowane (ang. lapping), a nastpenie polerowane (ang. polishing). Szlifowanie ma na celu uzyskanie precyzyjnej grubosci wafla oraz równoległych jego powierzchni. Dodatkowo redukuje ono mechaniczne defekty powstałe po cieciu pił. Polerowanie jest procesem chemiczno mechanicznym. Wykorzystuje sie w nim SiO2, wode destylowana i wodorotlenek sodu. Dzieki polerowaniu otrzymujemy lsniaca lustrzana powierzchnie, na której bedzie juz mona produkowac procesory. Przed ostatecznym trafieniem do fabryki półprzewodników wafle maja jeszcze wyrównywane krawdzie (jest to wazne ze wzgledu na procesy transportu w fabryce półprzewodników) sprawdza sie czy nie maj defektów (kontroluje sie ich grubosc, własciwosci elektryczne i płaskosc) a nastpnie sa prózniowo pakowane do specjalnych pojemników, w których trafia do fabryki.
Fabryka półprzewodników
Firmy takie jak Intel czy AMD nie produkuja same wafli półprzewodnikowych. Skupiaja sie one przede wszystkim na projektowaniu i produkcji procesorów, a wykorzystuj wafle kupione od wyspecjalizowanych w ich produkcji firm trzecich. Jedn z takich jak np. niemiecka firma Wacker Siltronic, zaopatrujaca drezdenska fabryke AMD, czy jedna z najwiekszych na swiecie firm produkujacych krzemowe wafle, amerykanska MEMC Electronic Materials, Inc., w której zaopatruje sie Intel i TSMC.
Sercem kazdej fabryki półprzewodników jest "cleanroom" czyli pokój bezpyłowy. Cleanroom jest rodzajem wydzielonego i odizolowanego od reszty fabryki pomieszczenia (lub grupy pomieszczen, tak jak ma to miejsce przy produkcji półprzewodników, których łaczna powierzchnia moze byc liczona w setkach lub tysiacach metrów kwadratowych). W pomieszczeniach bezpyłowych sa scisle kontrolowane parametry panujacego w nim srodowiska, a w szczególnosci ograniczone do minimum wystepowanie zanieczyszczen typu pył, kurz, bakterie, czy opary chemiczne, które moga wpływac na proces produkcji.
Co wiecej, zatrudnione w cleanroomie osoby przed wejsciem do bezpyłowych pomieszczen musza obowiazkowo przebrac sie w specjalne kombinezony ochronne, maski na twarz, okulary i obuwie. Dzieki temu do bezpyłowych pomieszczen nie przedostaja sie zadne zanieczyszczenia, a na waflach nie osadzaja równie sie włosy, drobiny czy bakterie pochodzace ze skóry.
Kratki w podłodze w pomieszczeniu bezpyłowym, pozwalajce swobodnie opadac pyłkom nie zanieczyszczajc cleanroomu. Tymi kratkami wypływa te powietrze, które poddawane jest procesom filtracji i recyrkulacji.
Maszyny do epitaksji z fazy gazowej w drezdenskiej fabryce AMD
W epitaksji z fazy gazowej atomy majace utworzyc elementy tranzystora planarnego doprowadzane sa do miejsca gdzie maja wdyfundowac w krzem w otoczeniu obojetnego gazu takiego jak np. argon lub azot. Osiadajace na powierzchni krzemu i wdyfundowujace w niego pierwiastki musza miec postac gazow, dlatego wykorzystywane w produkcji, a wystpujce w postaci staej pierwiastki podgrzewa sie pod zmniejszonym cinieniem, tak aby odparowaly. W wypadku epitaksji z fazy cieklej krzemowy wafel zanurzany jest w specjalnym roztworze zawierajcym wdyfundowujace w strukture krzemu atomy.
Epitaksja z fazy cieklej, stanowisko AMD
Intel
Bombardowanie jonami
Przy produkcji układów scalonych o wymiarze technologicznym 55, 45, 32 nm i mniejszych, stosuje sie równiez wysokoenergetyczna implantacje jonów. W metodzie tej odsłonieta powierzchnia krzemu bombardowana jest strumieniem jonów o duzej energii kinetycznej. Jony metali z III lub V grupy układu okresowego sa przyspieszane do duzych predkosci i uderzajac w powierzchnie krzemu wnikaj w jego głab. Głebokosc wnikania zalezy od energii rozpedzonych, uderzajcych w powierzchnie krzemu jonów, a takze od kierunku padania wiazki jonów na powierzchni krzemu. Niestety, jony uderzajac w półprzewodnik niszcz jego strukture, dlatego niezbedny jest pózniej proces wygrzewania poimplantacyjnego. Ma on za zadanie odbudowac strukture krzemu, jednoczesnie wbudowujac w siatke kryształu domieszkowane jony. Technika ta pozwala przede wszystkim na precyzyjne tworzenie płytkich, wysoko domieszkowanych obszarów i uzupełnia technologie epitaksji.
Specjalne lampy kwarcowe w obecnosci doprowadzanego do komory tlenu podgrzewaja wafel do wysokiej temperatury. Wytwarzana jest na powierzchni krzemu osłonowa warstwa dwutlenku krzemu o kontrolowanej grubosci.
Nanoszenie foterezystu metoda spin-coatingu.
Fotolitografia
Do rozrysowania na powierzchni fotorezystu „mapy” rozmieszczenia otworów i sciezek, które zamienia sie w kolejnych etapach produkcji w tranzystory tworzce np. procesor, wykorzystuje sie technike nazywana fotolitografia.
Wykorzystywana w procesie fotolitografi maszyna jest tzw. skaner litograficzny. Taki skaner składa sie z bloku lasera, soczewek redukcyjnych oraz pozycjonera.
Przy produkcji półprzewodników o wymiarze technologicznym poniej 65 nm, a wiec 45 i 32 nm niezbdnym do prawidłowego odwzorowania wzoru maski staje sie wykorzystanie techniki fotolitografii immersyjnej (ang. immersion photolitography). W tej odmianie litografii, aby zwiekszyc rozdzielczosc układu optycznego wykorzystuje sie specjalna ciecz immersyjna o odpowiednio dobranym współczynniku załamania swiatła.
Immersyjny skaner litograficzny Nikon NSR-S610C.
Kiedy wszystkie elementy tranzystorów tzn. dreny, zródła i ich kanały na powierzchni krzemu sa juz gotowe, wówczas przystapic mozna do wytworzenia ostatniego elementu znajdujcego sie w kazdym tranzystorze MOSFET, a mianowicie bramek sterujacych przepływem elektronów. Na układ nanoszona jest warstwa izolacyjna po czym jest on znowu osłaniany oprócz obszarów, które maja byc modyfikowane. W tym etapie wykorzystuje sie napylanie prózniowe polegajce na tym, ze nanoszony materiał jest rozpylany na układ w prózniowym srodowisku. Układ jest przez cały czas chłodzony aby zapobiec krystalizacji nanoszonych pierwiastków. Na koncu cała powierzchnie krzemowego wafla pokrywa sie prózniowo warstwa izolacyjna dwutlenku krzemu, w której nastepnie wycina sie otwory. Otwory te wypełnienia sie metalem, który bedzie pełnił funkcje doprowadzajaca prad elektryczny do tranzystorów elektrod.
Napylarki
Metalizacja
Ostatnim etapem jest metalizacja gdzie nanoszone sa połaczenia tranzystorów tak aby tworzyły gotowe ich układy – bramki logiczne i bloki wykonawcze. Gotowe układy, jeszcze nadal w waflach sa poddawane kontroli jakosci optycznej (mikroskopy) jak i elektrycznie. Testy te eliminuja wadliwe procesory i wstepnie oceniaja mozliwosci układów. Wafle opuszczaja cleanroom i sa rozsyłane do fabryk, gdzie za pomoca diamentu sa ciete na poszczególne układy, uszkodzone chipy utylizuje sie, sprawne montuje na procesorowych płytkach PCB, czyli innymi słowy w znanych wszystkim obudowach np. AM2+ czy LGA 1366.
Wszystkie warstwy metalizacji procesora . Te słabo widoczne na samym dole elementy (kreseczki) to wolframowe elektrody doprowadzajce prad do tranzystorów.
Gotowe 45-nanometrowe procesory Core i7 (nazwa kodowa Nehalem) umieszczone na wspólnym waflu.
Full transcript