Jak se vyrábí procesory Intel

Václav Vlček

20. 10. 2009 00:00

Zdroj: Hardwarový portál PCTuning.cz

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

V této fázi se křemíkové pláty ponoří do roztoku síranu měňatého, který možná znáte ze školy pod názvem skalice modrá. Pomocí elektrolýzy je pak na waffer nanesena vrstvička mědi tak, že ionty mědi z roztoku putují z kladně nabité anody k negativně nabité katody, kterou v tomhle případě představuje náš plát křemíku.

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.