Компания Intel на страницах своего сайта рассказала о процессе производства процессоров на примере устройств Core i7.
Кремний является вторым по распространенности на Земле (после кислорода) химическим элементом, его масса в земной коре составляет около 25%. Песок, особенно кварцевый, имеет высокое содержание кремния в виде диоксида (SiO2) и является основой для производства полупроводниковой продукции. Первоначально кремний проходит несколько стадий очистки с целью удаления из него всех посторонних элементов, в результате чего получается материал под названием кремний электронного сорта (Electronic Grade Silicon), который может содержать не более одного чужеродного атома на каждый 1 млрд. атомов кремния. На изображении показан процесс формирования одного большого кристалла (бруска) из очищенного расплавленного кремния. Такой брусок имеет в диаметре 300 мм и весит около 100 кг, чистота кремния в нем составляет 99,9999%.
Далее брусок разрезается на индивидуальные тонкие диски, которые полируются до образования гладкой зеркальной поверхности. Intel покупает такие готовые подложки диаметром 300 мм, у сторонних производителей. Ранее диаметр подложек составлял 50 мм, но постепенно, с освоением более тонких процессов производства, их диаметр увеличивался, а себестоимость одного чипа снижалась.
После этого на поверхность подложки наносится тонкий слой светонечувствительного покрытия, которое экспонируется через маску-трафарет при помощи ультрафиолетового излучения и становится растворимым. При помощи трафарета под воздействием ультрафиолета в каждом слое будущего процессора формируется определенный узор (как при формировании изображения на фотопленке), при этом используется линза, которая значительно уменьшает размер отпечатка (обычно, в 4 раза). Таким образом, на одной подложке могут быть отпечатаны сотни микропроцессоров. Главным рабочим элементом процессора является транзистор, который функционирует в качестве переключателя и регулирует поток электричества. На данный момент инженеры Intel способны разместить до 30 млн. транзисторов на головке булавки. Данные и последующие операции производятся при уровне детализации 50-200 нм.
Далее светонечувствительное покрытие удаляется с поверхности подложки при помощи растворителя. Это покрытие позволило создать отдельные слои и элементы материала, которые не вытравливаются с поверхности чипа при помощи химикатов (в отличие от тех фрагментов, которые получили дозу ультрафиолетового облучения через трафарет), в результате чего формируется нужный отпечаток. Подобный процесс происходит и при изготовлении фотографий.
Дальше следует процесс применения нового светонечувствительного материала (голубой), экспозиция и удаления всего лишнего с поверхности чипа, после чего начинается бомбардировка поверхности пластины ионами на скорости около 300 тыс. км/ч, в результате чего происходит их имплантация. После очередного удаления светонечувствительного слоя, материалы, которые были активированы бомбардировкой ионов (зеленый), получают чужеродные атомы.
Таким образом, на поверхности подложки образуется тонкий слой ионов. После погружения подложки в сульфат меди ионы меди перемещаются от позитивного анода к отрицательному катоду (поверхности подложки) на транзисторы – происходит гальванопокрытие. В результате этого образуются связи между разными транзисторами.
Излишние материалы удаляются в процессе полировки. Теперь разные металлические слои связаны через разные транзисторы и они должны быть упорядочены в соответствии с архитектурой и дизайном каждого конкретного процессора. Несмотря на то, что поверхность чипа выглядит ровной, на самом деле она содержит решетку, которая состоит из более 20 слоев и формирует связывающие цепи.
Далее готовые подложки с установленными транзисторными связями проходят функциональный тест, в процессе которого подается питание на каждый отдельный чип и осуществляется мониторинг их ответов на соответствие заданным параметрам. После прохождения теста подложка разрезается на отдельные чипы, и те из них, которые успешно прошли тесты, переходят на стадию упаковки.
Отдельные годные чипы размещаются на специальной печатной плате-подложке и покрываются сверху теплораспределяющей крышкой. Зеленая плата-подложка осуществляет связь процессора с материнской платой, крышка-теплораспределитель отводит тепло от чипа и передает его кулеру.
После того, как внешний вид процессора окончательно сформирован и он готов к применению, происходит вторая фаза тестирования, в которой проверяются его основные технические характеристики на соответствие заданным критериям (рассеиваемая мощность и максимальная возможная рабочая частота). На основе результатов теста процессоры сортируются в разные транспортировочные лотки, а потом упаковываются в соответствующую коробку и поступают в продажу.