Jak se vyrábí procesory Intel
Již nějakou tu dobu koluje na internetu prezentace znázorňující výrobu procesorů, konkrétně Intel Core i7. Dali jsme si tu práci a přeložili ji pro vás do češtiny.
Písek
Křemík je hned po kyslíku druhý nejrozšířenější chemický prvek na zemi s přibližně 25% zastoupením. Písek a speciálně křemen (quartz) obsahuje vysoký podíl křemíku ve formě oxidu křemičitého (SiO2), který je základním materiálem pro výrobu polovodičů.
Roztavený křemík
Měřítko: rozměry
plátu přibližně 300mm / 12 palců
Křemík
je čištěn v průběhu mnoha cyklů tak, aby se dosáhlo potřebné čistoty.
Takový produkt se potom nazývá Electronic Grade Silikon. Ten musí
dosahovat takové čistoty, aby na jednu miliardu atomů křemíku připadal
jenom jeden atom cizí příměsi. Na obrázku můžete videt, jak vzniká
jeden velký krystal křemíku z taveniny. Vyrobený mono krystal se nazývá
Ingot.
Křemíkový ingot z mono-krystalu
Měřítko: rozměry
plátu přibližně 300mm / 12 palců
Ingot
vytvořený z toho nejčistšího křemíku označovaného jako Electronic Grade
Silikon. Jeden ingot váží okolo 100 kilogramů a jeho čistota dosahuje
úrovně 99,9999%.
Řezání ingotu
Měřítko: rozměry
plátu přibližně 300mm / 12 palců
Ingot je ve finále nařezán na jednotlivé křemíkové
pláty zvané waffery.
Waffer - plát
Měřítko: rozměry
plátu přibližně 300mm / 12 palců
Pláty
křemíku se tak dlouho brousí a lešní, než získají dostatečně bezchybný,
zrcadlu podobný povrch. Intel nakupuje již hotové waffery od třetích
společností. Dnes běžně používaná technologie 45 nm s High-K/Metal Gate
technologií, používanou třeba v generaci procesorů Nehalem, pracuje s
pláty o průměru 300mm. Když Intel začínal s výrobou čipů, první waffery
měly průměr pouhých 50 mm (!), což bylo ve srovnání s dnešní
technologií podstatně nákladnější.
Nanášení světlocitlivé vrstvy
Měřítko: rozměry
plátu přibližně 300mm / 12 palců
Kapalina
(modré barvy zde) nanášená na roztočený plát křemíku má světlocitlivé
vlastnosti podobné jako třeba u klasického filmového materiálu. Waffer
je při nanášení roztočený, aby bylo možné dosáhnout co nejtenčí a
rovnoměrné vrstvy nanesené vrstvy.
Ozáření UV paprsky
Měřítko: rozměry
plátu přibližně 300mm / 12 palců
Světlocitlivá vrstva je po nanesení ozářena
ultrafialovým (UV) zářením.
To má na vrstvu podobný efekt, jako když dopadne světlo na povrch
klasického filmu. Právě pomocí soustředěného paprsku UV záření je možné
doslova kreslit integrované obvody přes příslušnou masku na povrch
wafferu. V cestě paprsku ještě stojí speciální čočka, která zmenší
velikost nanášeného obvodu. Originální maska, podle které se díky UV
záření tiskne, je většinou přibližně 4 větší než výsledný integrovaný
obvod.
Ozáření - vytvoření tranzistoru
Měřítko:
tranzistor 50-200 nm
I
když na jeden waffer se vejde normálně stovky procesorů, my se dále
budeme soustředit na tu nejmenší část CPU, na tranzistory nebo jejich
části. Tranzistor funguje v procesoru jako přepínač, umožňuje
kontrolovat tok elektronů v čipu. S dnes používanými technologiemi je
možné na plochu o velikosti špenlíkové hlavičky (není ale specifikované
jaké, jestli té malé kovové nebo té velké, plastové) nacpat až 30
milionů tranzistorů.
Smývání světlocitlivé vrstvy
Měřítko:
tranzistor 50-200 nm
Tam
kde byla světlocitlivá vrstva ozářená je její struktura narušena a je
možné jí pomocí speciálního chemického roztoku smýt. Tím se odkryje
vytištěný vzorek.
Leptání
Měřítko:
tranzistor 50-200 nm
Po
vymytí narušené světlocitlivé vrstvy přichází fáze leptání, kde je
materiál nekrytý zbývající světlocitlivou vrstvou dále narušen
speciálními chemikáliemi. Tím se prohloubí vzorek vytištěný na
fotocitlivé vrstvě.
Vymytí světlocitlivé vrstvy
Měřítko:
tranzistor 50-200 nm
Po leptání je odstraněn i poslední zbytek
světlocitlivé vrstvy a tím se dostaneme k finálnímu tvaru
tranzistoru(ů).
Opětovné nanesení světlocitlivé vrstvy
Měřítko:
tranzistor 50-200 nm
V další fázi je opět na waffer nanesena fotocitlivá
vrstva (označená modrou barvou), ozářena UV zářením a vymyta. Tentokrát
bude chránit místa, kam nemá být implantována vrstva iontů.
Nanesení vrstvy iontů
Měřítko:
tranzistor 50-200 nm
Pomocí procesu nazvaného ion implantation
(česky asi nanesení nebo nastřelení iontů) jsou nechráněné části
wafferu bombardovány proudem akcelerovaných iontů. Ty jsou naneseny do
plátu křemíku tak, aby upravily schopnost tranzistorů vést elektrický
proud. Ionty jsou na povrch vystřelovány opravdu velkou rychlostí. Jsou
urychlené pomocí elektrického pole až na rychlost přesahující 300 000
km/h.
Vymytí světlocitlivé vrstvy
Měřítko:
tranzistor 50-200 nm
Opět se dostáváme k fazi vymytí světlocitlivé vrstvy
a části tranzistoru, které byly vystaveny proudu iontů mají
teď "implantované" nové atomy (zelená barva). Všimněte si
mírných změn v zelené barvě.
Téměř hotový tranzistor
Měřítko:
tranzistor 50-200 nm
Na tomhle obrázku už vidíte v podstatě hotéový
tranzistor. Fialovou barvou je zvýrazněna izolační vrstva na jeho
povrchu. Všimněte si tří otvorů, které budou následně zaplněné měděným
vodičem. Ten poslouží k připojení na okolní tranzistory.
Elektrolytické pokovovení (electroplanting)
Měřítko:
tranzistor 50-200 nm
Nanesená vrstvička mědi
Měřítko:
tranzistor 50-200 nm
Na tranzistoru vidíte teď tenkou vrstvu mědi
nanesenou pomocí elektrolýzy. To si ostatně můžete vyzkoušet i doma,
skalice modrá se dá normálně koupit v obchodě, do nasyceného roztoku
pak ponoříte dva vodiče připojené k baterii (třeba staré dobré ploché).
Leštění
Měřítko:
tranzistor 50-200 nm
Přebytečný materiál je z povrchu odstraněn leštěním
tak, aby zůstala měď pouze v otvorech v tranzistoru.
Vytvoření vrstev kovových spojů
Měřítko: 6
spojených tranzistorů cca 500 nm
Měděné "konektory" tranzistoru jsou přopojeny
vrstvou měděných můstků, které můžeme považovat za jakési jednoduché
dráty nebo spoje. Konkrétní propojení tranzistorů je dané konkrétní
architekturou čipu. I když na pohled vypadají procesory poměrně
tenoučké, uvnitř se skrývá až 20 vrstev komplexních obvodů spojujících
jednotlivé tranzistory. Pokud se podíváte na samotný čip pod
mikroskopem s dostatečnou zvětšovací schopností, uvidíte opravdu
komplexní síť spojů a tranzistorů, která vypadá jako futuristická,
několikaúrovňová dálnice.
První test kvality wafferu
Měřítko: čip
procesoru 10mm
Na tomhle obrázku vidíte část wafferu se šesti
procesory, na pterých proběhnou první předběžné testy. Do jejich obvodů
jsou pouštěny testovací sekvence a ověřuje se správná reakce.
Řezání wafferu
Měřítko: waffer
300 mm
Zde vidíte ilustrační obrázek znározňující řezání
wafferu na jednotlivé čipy. Kolo cirkulárky je tu nejspíš opravdu jen
pro efekt, samoné řezání bude probíhat nejspíš vodním paprskem (laser
by mohl poškodit povrch).
Třídění jader procesorů
Měřítko: waffer
300 mm
V další fázi jsou z nařezaného wafferu postupně
odebírány teoreticky "funkční" procesory, které prošly prvním testem.
Zbytek se vyřazuje.
Jádro procesoru (die)
Měřítko: jádro CPU
10 mm
Zde vidíte již nařezané a oddělené jádro procesoru,
v tomhle případě se jedná o jádro Intel Core i7 procesoru.
Osazení procesoru
Měřítko: jádro s
destičkou a heatspreaderem 20 mm
Zelená destička na obrázku je základna procesoru, na
které jsou ze spodu konektory pro patici a z vrchní části se na ni
uchytí procesor. Na to se následně připevní kovová destička
(heatspreader), která se postará o optimální rozvod tepla z procesoru a
zároveň chrání křehké křemíkové jádro. Heatspreader se začal používat
od té doby, co novější procesory mají vysoké TDP a je třeba zajistit
opravdu dobrý kontakt s výkonným chladičem. Pokud si pamatujete éru s
praskajícími čipy AMD, asi víte, o čem je řeč.
Hotový procesor
Měřítko: jádro s
destičkou a heatspreaderem 20 mm
Zde už vidíte kompletní procesor, v tomto případě Intel Core i7.
Mikroprocesor je jednou z nejsložitějších sériově vyráběných součástek
na zemi. Postup jeho výroby je pochopitelně mnohem složitější a my jsme
si zde ukázali pouze ty nejdůležitější kroky. Jeho výroba musí probíhat
také v maximálně čistém prostředí, které může zajistit jenom speciální
továrna.
Testování hotového procesoru
Měřítko: jádro s
destičkou a heatspreaderem 20 mm
Zde vidíte ilustraci znázorňující závěrečné testování procesoru, kde se
zjišťuje jeho maximální frekcence a tepelné vlastnosti.
Rozřazování procesorů
Měřítko: jádro s
destičkou a heatspreaderem 20 mm
V následující fázi se procesory třídí podle výsledků z testu a
rozřazují se do jednotlivých modelových řad.
Rozřazování procesorů
Měřítko: jádro s
destičkou a heatspreaderem 20 mm
Hotové, otestované a zařazené procesory jsou na konec balené buď do
krabiček, ve kterých je nakonec dostanete v obchodě a nebo do speciální
plat (tray), ve kterých putují k OEM výrobcům počítačů.
Celá prezentace byla převzata z propagačních materiálů Intelu a obrázky
ve velkém rozlišení, stejně jako PDF pak najdete
zde.