Kumdan Silikona İşlemcilerin İnanılmaz Yolculuğu

14.02.2018

Kum / Külçe

Kum silikon, yerkabuğunun en bol ikinci elementidir. Sıradan kum, yüksek silikon oranına sahiptir. Bu, bilgisayar çipleri için başlangıç malzemesi olan silikonun bir yarıiletken, yani az miktarda yabancı madde ilavesiyle kolayca mükemmel bir iletken ya da elektrik izolatörüne çevrilebileceği anlamına gelmektedir. Erimiş Silikon - Ölçek: Yonga plakası (wafer) seviyesi (~ 300mm). Bilgisayar çiplerinde kullanılabilmesi için silisyum saflaştırılmalıdır, böylece milyarda birden daha az yabancı atom olmalıdır. Külçe halinde bir silindir şeklinde tekli, kesintisiz ve kırılmamış bir kristal kafes oluşturmak üzere, erimiş halden çekilir. Monokristal Silikon Kütük - Ölçek: Yonga plakası seviyesi (~ 300mm) Külçe çapı 300 mm ve ağırlığı yaklaşık 100 kg’dır

Külçe / Yonga plakası

Külçe Dilimleme - Ölçek: Yonga plakası seviyesi (~ 300mm ) Külçe, yonga plakası olarak adlandırılan tek tek silikon disklere kesilir. Her yonga plakası 300 mm çapa ve yaklaşık 1 mm kalınlığa sahiptir. Yonga Plakası - Ölçek (~ 300mm / 12 inç) Yonga plakaları kusursuz, pürüzsüz yüzeylere gelene kadar parlatılır. Intel, tedarikçilerinden imala hazır yonga plakasi satın almakatadır. Yonga plakası boyutları zamanla artmış ve her çip için maliyet düşmüştür. Intel çip yapmaya başladığında, Yonga plakalarının çapı sadece 50 mm idi. Günümüzde bunların çapı 300 mm’ye ulaşmıştır ve 450 mm’ye çıkması planlanmaktadır. Kumdan Silikona

Fotolitografi

Fotorezist Uygulanması - Ölçek: Yonga plakası seviyesi (~ 300mm) Fotolitografi, yonga plakası üzerinde belirli bir desenin basıldığı işlemdir. Sprey olarak yonga plakası üzerine eşit şekilde dökülen, fotorezist olarak bilinen bir sıvının uygulanmasıyla başlar. Adını belirli ışık frekanslarına (“fotoğraf”) hassas olduğu gerçeğinden alır ve daha sonra bir katman maddenin (“direnç”) bölümlerini çıkarmak için kullanılacak bazı kimyasallara direnç gösterir. Pozlama - Ölçek: Yonga plakası seviyesi (~ 300mm) Fotorezist sertleştirilir ve bazı kısımları ultraviyole (UV) ışığa maruz bırakılarak çözünür hale getirilir. Pozlama şablonlar gibi davranan maskeler kullanılarak yapılır, bu nedenle yalnızca belirli bir fotoresist desen çözünür hale gelir. Maske, yonga plakası üzerinde durması gereken bir model görüntüsüne sahiptir; bir mercekle optik olarak azaltılır ve pozlama aracı, aynı görüntüyü birçok kez oluşturmak üzere yonga plakası boyunca adım atar ve tekrarlar. Direnç Geliştirme - Ölçek: Yonga plakası seviyesi (~300mm) Çözünür fotorezist, maskeyle belirlenmiş bir modeli bırakarak, kimyasal bir proses sayesinde ortadan kaldırılır.

İyon İmplantasyonu

İyon İmplantasyon - Ölçek: Yonga plakası seviyesi (~ 300mm) Desenli fotorezistli yonga plakasının yüzeyin altında gömülü ve fotorezist ile kaplanmamış bölgeleri, bir iyon ışını (pozitif veya negatif yüklü atomlar) ile bombardıman edilir. Bu işleme, doping denir çünkü saf olmayan maddeler silikon içerisine girer. Bu, seçilen lokasyonlarda silikonun iletken özelliklerini (kullanılan iyon türüne bağlı olarak iletken ya da yalıtkan hale getirir) değiştirir. Aşağıdaki grafiklerde transistörlerin oluşacağı bölgeler olan kuyuların oluşturulmasını gösterilmektedir. Fotorezistin Çıkarılması - Ölçek: Yonga plakası seviyesi (~ 300mm) İyon implante edildikten sonra fotorezist kaldırılır ve ortaya çıkan yonga plakası, transistörlerin oluşturulacağı doping bölgelerden oluşan bir modele sahip olur. Transistör Oluşumuna Başlanması - Ölçek: Transistör seviyesi (~ 50-200nm) Burada tek bir transistörün oluşturulacağı küçük bir yonga plakası bölümüne yaklaşıyoruz. Yeşil bölge, katkılı silikonu temsil eder. Günümüzdeki yonga plakaları, transistörleri barındıracak yüz milyarlarca bölgeye sahip olabilirler. Kumdan Silikona

Gravür Gravürlemek - Ölçek: Transistör seviyesi (~ 50-200 nm) Üç kapılı bir transistor için bir kanatçık (fin) oluşturmak adına, fotolitografi işlemi kullanılarak bir sert maske (mavi) ile malzeme paterni uygulanır. Ardından istenmeyen silisyumun çıkarılması için bir kimyasal uygulanır ve üstte bir sert maske tabakası olan bir kanatçık bırakılır. Fotorezistin Çıkarılması - Ölçek: Transistör seviyesi (~ 50- 200nm) Sert maske, bir transistörün kanalını içerecek, uzun, ince bir silikon kanatçık bırakarak kimyasal olarak uzaklaştırılır.

Geçici Kapı Oluşumu

Dielektrik Silikon Dioksit Kapısı - Ölçek: transistör seviyesi (~ 50-200 nm) Bir fotolitografi kademesi kullanılarak transistör kısımları fotorezist ile kaplanır ve ince bir silikon dioksit katmanının (kırmızı) oksijen dolu bir tüp fırın içine yerleştirilmesiyle oluşturulur. Bu geçici bir dielektrik kapısı meydana getirmektedir. Polisilikon Kapısı Elektrotu - Ölçek: Transistör seviyesi (~ 50- 200nm) Yine bir fotolitografi basamağı kullanılarak geçici bir polikristalin silikon tabakası (sarı) oluşturulur. Bu geçici bir geçit elektrodu haline gelir. İzolatör Ölçek: Transistör seviyesi (~ 50-200 nm) Başka bir oksidasyon adımında, bu transistörü diğer elementlerden izole etmek için tüm yonga plakasının üzerine (kırmızı / şeffaf katman) bir silikon dioksit katmanı oluşturulur.

“Son Kapı” Yüksek-K / Metal Kapı Oluşumu

Geçici Kapının Kaldırılması - Ölçek: Transistör seviyesi (~ 50-200nm) Geçici kapı elektrodu ve kapı dielektriği, bir maskeleme adımı kullanılarak yokedilir. Gerçek kapı ise şimdi oluşturulacaktır; ilk kapı kaldırıldığından bu işlem “son kapı” olarak bilinir. Yüksek-k Dielektrik -Ölçek: Transistör seviyesi (~ 50- 200nm) Uygulanması: “Atomik katman birikimi” adı verilen süreçte, yonga plakasının yüzeyine bireysel molekül katmanları uygulanır. Diğer sayfadaki grafikte gösterilen sarı katmanlar bunlarının ikisini temsil etmektedir. Yüksek “-k” malzeme, bir fotolitografi kademesi kullanılarak, istenmeyen bölgelerden, örneğin şeffaf silikon dioksitin üstündeki alanlardan, uzaklaştırılır. Metal Kapı - Ölçek: Transistör seviyesi (~ 50-200 nm) Bir metal geçit elektrodu (mavi), yonga plakası üzerine oluşturulur ve bir litografi basamağı kullanılarak, kapı elektrodunun arzulanacağı yerler dışındaki bölgelerden çıkarılır. Bu ve yüksek - “k” malzeme (ince sarı katman) kombinasyonu, transistörün geleneksel bir silikon dioksit / polisilikon kapısı ile mümkün olandan çok daha iyi bir performans göstermesini ve sızıntıyı azaltmasını sağlar.

Metal Biriktirme

Hazır Transistör - Ölçek: Transistör seviyesi (~ 50-200nm) Bu transistör bitmek üzere, transistörün yukarısında izolasyon tabakasına (kırmızı renkte) üç delik kazınmıştır. Bu üç delik, transistörlerle olan bağlantıları oluşturacak bakır veya diğer bateryallerle doldurulacaktır. Elektroliz Kaplama - Ölçek: Transistör seviyesi (~ 50- 200nm) Bu aşamada yonga plakalar bakır sülfat çözeltisine konur. Bakır iyonları, elektrolitik kaplama adı verilen bir işlem vasıtasıyla transistöre aktarılır. Bakır iyonları pozitif terminalden (anot) yonga plakası ile temsil edilen negatif terminale (katot) geçmektedir. Elektrokaplama Sonrası - Ölçek: Transistör seviyesi (~ 50-200 nm) Bakır iyonları yüzeye ince bir bakır tabakası olarak yerleşir. Kumdan Silikona

Metal Katmanlar

Parlatma - Ölçek: transistör seviyesi (~ 50-200nm) Fazla malzeme, bakırın özel bir desenini ortaya çıkarmak için mekanik olarak parlatılır. Metal Tabakalar - Ölçek: Transistör seviyesi (6 kombine transistör ~ 500nm) Çip üzerindeki tüm transistörleri belirli bir konfigürasyonda birbirine bağlamak için (minayatür tel veya kablo gibi düşünülebilir ) çoklu metal katmanlar yaratılır. Bu bağlantıların nasıl “kablolanacağını” , ilgili işlemcilerin işlevselliğini geliştiren mimari ve tasarım ekipleri belirler (ör. 2. Nesil Intel® Core ™ i5 İşlemci). Bilgisayar çipleri son derece düz görünüyorken, karmaşık devre oluşturmak için 30’dan fazla katmana sahip olabilirler. Çipin büyütülmüş görünümü, fütüristik, çok katmanlı bir otoyol sistemine benzeyen, devre hatlarının ve transistörlerin karışık bir ağını gösterecektir. Tüm bağlantı tabakaları oluşturulduktan sonra, bir dizi lehim darbesi her bir kalıba konur. Bunlar, çipin daha sonra takılacağı pakette, çipin dış dünya ile iletişim kuracağı elektrik bağlantılarıdır (bunlar grafiklerde gösterilmemektedir). Yonga plakası işleme işlemi tamamlandığında, yonga plakası fabrikadan montaj / test tesisine aktarılır. Orada, tek tek kalıp hala yonga plakası üzerinde test edilir, daha sonra ayrılır ve geçirilenler paketlenir. Son olarak, paketlenmiş parçanın sağlam bir testi bitmiş ürün gönderilmeden önce yapılır.

Yonga Plakası Sıralama / Tekilleştirme

Yonga Plakası Sıralama - Ölçek: Kalıp seviyesi (~ 10mm ) Hazır bir yonga plakasıin bu kısmı bir teste tabi tutuluyor. Bir test cihazı yonga plakası boyunca dolaşarak yonga plakası üstündeki belirli noktalarda temas kurar ve bir elektrik testi yapılır. Test modelleri, her bir yongayla eşlenir, yongadan gelen yanıt izlenir ve “doğru cevap” ile karşılaştırılır. Yonga Plakası Dilimleme - Ölçek: Yonga plakası seviyesi (~ 300mm) Yonga plakası parçalar halinde kesilir (kalıp olarak adlandırılır). Grafikteki yonga plakasında, Ivy Bridge kod adlı Intel işlemcileri bulunur. Ambalaj için Kalıbın Seçilmesi - Ölçek: Yonga plakası seviyesi (~ 300mm ) Test kalıplarına doğru cevap ile cevap veren kalıp paketlenecektir. Kumdan Silikona

Paketleme Bireysel Kalıp - Ölçek: Kalıp seviyesi (~ 10mm ) Bunlar, önceki aşamada (tekilleştirme) kesilmiş olan bireysel kalıplardır. Bir sonraki sayfadaki grafiklerde gösterilen kalıp, Ivy Bridge olarak adlandırılan, Intel’in ilk 22nm mikroişlemcisidir. Paketleme - Ölçek: Paket seviyesi (~ 20mm) Paket alt tabaka, kalıp ve ısı yayıcı tamamlanmış bir işlemci oluşturmak üzere bir araya getirilir. Yeşil alt katman, işlemcinin PC sisteminin geri kalan kısmı ile etkileşime girmesi için elektrikli ve mekanik arabirimi oluşturur. Gümüş ısı yayıcı, ısı dağılımına yardımcı olan bir termal arabirimdir. İşlemci - Ölçek: Paket seviyesi (~ 20mm ) Tamamlanmış işlemci, buradaki örnek Ivy Bridge. Bir mikro işlemci, insanın yaptığı en karmaşık imal ürün olarak adlandırılmıştır. Aslında işlem, dünyanın en temiz ortamında (bir mikroişlemci fabrikası), yüzlerce adım sürüyor - bu yazıda yalnızca en önemli adımlar, grafiklerle açıklanmaya çalışılmıştır.

Sınıf Testi / Tamamlanan İşlemci

Sınıf Testi - Ölçek: Paket seviyesi (~ 20mm ) Bu son test sırasında işlemci, işlevsellik, performans ve güç bakımından yoğun bir şekilde test edilir. Binning - Ölçek: Paket seviyesi (~ 20mm ) Sınıf test sonuçlarına dayanarak, eşit kapasiteye sahip işlemciler, müşterilere sevk edilmeye hazır olarak, tepsilerde birlikte gruplanır. Perakende Ambalaj - Ölçek: Paket seviyesi (~ 20mm ) Artık üretimi tamamlanmış ve test edilmiş işlemciler, bu tepsilerde toptan olarak PC sistemleri üreticilerine veya kutulu olarak perakende satış mağazalarına gönderilir.