Desde arena hasta astillas, ¿cómo se fabrica una CPU?

Como material semiconductor, el elemento más utilizado es el silicio. Sus reservas de elementos son superadas sólo por el oxígeno en la superficie terrestre. Su contenido de silicio es del 27,72%. La forma principal es arena (el componente principal es sílice), la arena contiene una cantidad considerable de silicio. Por tanto, el silicio es la materia prima más adecuada para la producción de circuitos integrados. Piense en cuántos desiertos vastos hay en la Tierra, son baratos y fáciles de encontrar.

2. Fundición y purificación del silicio

Sin embargo, la pureza del silicio realmente utilizado en la industria de los circuitos integrados debe ser tan alta como el 99,99999999999%. En la actualidad, el método principal consiste en reducir la sílice y el carbón de coque a 1600-1800 °C a silicio monocristalino de calidad metalúrgica con una pureza del 98 %, seguido del uso de cloruro de hidrógeno para purificar el polisilicio con una pureza del 99,99 %. Aunque la pureza del silicio ya es muy alta en este momento, su estructura cristalina caótica interna no es adecuada para la producción de semiconductores y necesita una purificación adicional para formar silicio monocristalino con una forma fija y consistente.

3. Preparación de lingotes de silicio monocristalino

El monocristal se refiere a una estructura en la que los átomos están dispuestos de manera regular y ordenada en un espacio tridimensional, y el silicio monocristalino tiene una "estructura de diamante". Una celda unitaria contiene ocho átomos y su estructura cristalina es muy estable.

La estructura de "diamante" del silicio monocristalino

Los lingotes de silicio monocristalino generalmente se preparan mediante el método Czochralski, es decir, añadiendo cristales semilla al silicio líquido estacionario para proporcionar un centro para Crecimiento del cristal Luego, a través del control de temperatura adecuado, el cristal comienza a elevarse lentamente hacia arriba y aumenta gradualmente la velocidad de tracción. Mientras se eleva, gira alrededor del eje de elevación a una cierta velocidad para tirar del cristal hacia arriba. Luego, el cristal se levanta lentamente hacia arriba y la velocidad de tracción se aumenta gradualmente, elevándose y girando alrededor del eje de elevación a una cierta velocidad para mantener el lingote de acero dentro del rango de diámetro requerido. Una vez completado el proceso, al aumentar la temperatura del horno de silicio monocristalino, el lingote de silicio forma automáticamente una cola cónica, se completa la preparación y se pueden producir más chips de circuito integrado a la vez.

El lingote de silicio monocristalino preparado tiene un diámetro de aproximadamente 300 mm y un peso de aproximadamente 100 kg. Actualmente, el diámetro de las obleas de silicio producidas en todo el mundo es de 12 pulgadas. Cuanto mayor sea el tamaño de la oblea de silicio, mayor será su eficiencia.

4. Corte del lingote de silicio

Corte el lingote de silicio monocristalino preparado de principio a fin, recorte su diámetro al diámetro objetivo y utilice una sierra de diamante para cortar el lingote de silicio. en obleas de silicio con espesor uniforme (1 mm). A veces se cortan marcas de "plano de orientación" o "muescas" en los bordes de los lingotes de silicio para determinar la orientación cristalográfica de la oblea y para acomodar la carga y descarga durante la fabricación de circuitos integrados.

5. Molienda de obleas de silicio

La superficie de la oblea de silicio después del corte aún no es lisa y debe pulirse con cuidado para reducir la superficie irregular causada por el corte. Se utiliza durante este proceso. La superficie de la oblea de silicio se limpia y finalmente se pule y se muele. Después del tratamiento térmico, se convierte en una "capa libre de defectos" en la superficie de la oblea de silicio. De este modo, las obleas de silicio brillantes se fabrican, se sellan y se envasan en una caja fija especial.

Obleas terminadas

Los fabricantes de circuitos integrados de semiconductores generalmente no producen obleas ellos mismos, sino que las compran directamente de las fábricas de obleas para su posterior producción.

Proyecto preliminar: producción de chips con circuitos

6. Recubrimiento fotorresistente

Las obleas compradas se pueden poner en uso después de haber sido inspeccionadas y estar intactas. También puede tener varios procesos de prefilmación y luego ingresar al proceso de recubrimiento fotorresistente. La tecnología de litografía es una tecnología de impresión de patrones y un proceso clave en el proceso de fabricación de circuitos integrados. Primero, el fotorresistente (resina fotosensible) se deja caer sobre la oblea de silicio y se recubre uniformemente en una película fotorresistente mediante rotación a alta velocidad, y se aplica a la película fotorresistente a una temperatura adecuada para su solidificación.

El fotoresist es un material muy sensible a la luz, la temperatura y la humedad. Puede sufrir cambios químicos al exponerse a la luz, que es la base de todo el proceso.

7. Irradiación ultravioleta

En cuanto a un proceso tecnológico único, el proceso de fotolitografía es el más complejo y costoso. Porque la combinación de la plantilla de fotolitografía, la lente y la fuente de luz determina el tamaño del transistor "impreso" en la fotoprotección.

Coloque la oblea recubierta con fotoprotector en el dispositivo de exposición de la máquina de exposición repetida paso a paso para "copiar" el patrón de la máscara. Hay un patrón de circuito prediseñado en la máscara. Los rayos ultravioleta pasan a través de la máscara y son refractados por una lente especial para formar el patrón de circuito en la máscara sobre la capa fotorresistente.

En términos generales, el patrón del circuito en la oblea es 1/10, 1/5 o 1/4 del patrón en la máscara, por lo que la máquina de exposición por pasos y repetición también se denomina "dispositivo de exposición por proyección de reducción".

En general, hay dos factores principales que determinan el rendimiento de una máquina paso a paso y de exposición repetida: la longitud de onda de la luz y la apertura numérica de la lente. Si desea reducir el tamaño de los transistores en la oblea, necesita encontrar una luz de longitud de onda más corta (EUV, ultravioleta extremo) que pueda usarse razonablemente, y una lente con una apertura numérica mayor (la apertura numérica se ve afectada por la material de la lente hasta cierto punto restricciones).

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8. Disolver parte del fotorresistente

La oblea queda expuesta tras el proceso de revelado. Tomando como ejemplo el fotorresistente positivo, después de rociar un revelador alcalino fuerte, el fotorresistente irradiado por rayos ultravioleta reaccionará químicamente bajo la acción de la solución alcalina y se disolverá en el revelador sin ser irradiado. El patrón del fotorresistente se conservará por completo. Una vez completado el revelado, la superficie de la oblea se enjuaga y luego se envía a un horno para un tratamiento térmico para evaporar el agua y curar el fotorresistente.

9. Grabado

Sumerja la oblea en un tanque de grabado especial lleno de líquido de grabado. El líquido de grabado disolverá las partes expuestas de la oblea, mientras que el fotoprotector restante protegerá el grabado innecesario. regiones. Durante este proceso, se aplica vibración ultrasónica para acelerar la eliminación de impurezas adheridas a la superficie de la oblea y evitar que los productos de grabado permanezcan en la superficie de la oblea provocando un grabado desigual.

10. Eliminación del fotorresistente

El plasma de oxígeno elimina todo el fotorresistente mediante un tratamiento de incineración del fotorresistente. En este punto, se puede completar la primera capa del patrón de circuito diseñado.

11. Repita los pasos 6-8

Dado que el transistor actual es un diseño 3D FinFET, es imposible producir el patrón deseado de una sola vez. Es necesario repetir los pasos 6-8. 8 para su procesamiento también estarán involucrados en el proceso varios procesos de formación de película (película aislante, película metálica) y, finalmente, se puede obtener un transistor 3D.

12. Implantación de iones

En campos específicos, el proceso de introducir intencionadamente impurezas específicas se denomina "difusión de impurezas". Además de controlar el tipo de conductividad (unión P, unión N), la difusión de impurezas también se puede utilizar para controlar la concentración y distribución de impurezas.

En la actualidad, la implantación de iones se utiliza generalmente para la difusión de impurezas. En el implantador de iones, las impurezas conductoras a dopar se introducen en la cámara de arco, se ionizan mediante descarga y luego se inyecta un haz de iones con una energía de decenas a miles de kilovoltios amperios en la superficie de la oblea bajo la aceleración del campo eléctrico. . Una vez completada la implantación de iones, la oblea de silicio debe someterse a un tratamiento térmico. Por un lado, se utiliza el principio de difusión térmica para "presionar" aún más las impurezas en la oblea de silicio. Se restablece la red y se activan las propiedades eléctricas de las impurezas.

El método de implantación de iones tiene las ventajas de una baja temperatura de procesamiento, una implantación uniforme y de gran área de impurezas y un fácil control, por lo que se ha convertido en un proceso indispensable en circuitos integrados a muy gran escala.

10. Retirar nuevamente el fotorresistente

Una vez completada la implantación de iones, se puede retirar la máscara de fotorresistente que quede en el dopaje selectivo. En este punto, una pequeña porción de los átomos de silicio dentro del silicio monocristalino han sido reemplazadas por elementos de "impureza", que pueden producir electrones libres o huecos.

Izquierda: Estructura atómica del silicio; Medio: Dopado con arsénico, más electrones libres; Derecha: Dopado con boro, formando electrones y huecos

11. >En este momento, el prototipo del transistor se ha completado básicamente. Utilizando el método de deposición de vapor, se deposita completamente una película de óxido de silicio sobre la superficie de la oblea de silicio para formar una capa aislante. La tecnología de máscara de fotolitografía también se utiliza para abrir agujeros en la película aislante entre capas para sacar los electrodos conductores.

12. Precipite la capa de cobre

Utilice el método de deposición por pulverización catódica para depositar una capa de cobre para el cableado en toda la superficie de la oblea y continúe usando la tecnología de máscara de fotolitografía para tallar el cobre. capa para formar la fuente, el drenaje y la puerta del transistor de efecto de campo. Finalmente, se deposita una capa aislante sobre toda la superficie de la oblea para proteger los transistores.

13. Construyendo circuitos conectando transistores

Después de un largo proceso, se han fabricado miles de millones de transistores. El problema restante es cómo conectar estos transistores. Nuevamente, primero se forma una capa de cobre, seguida de máscaras de fotolitografía, aberturas grabadas y otras operaciones delicadas antes de depositar la siguiente capa de cobre. . . . . . , este proceso se repite varias veces, según el tamaño de los transistores del chip y el grado de replicación. El resultado es una red extremadamente compleja de circuitos conectados de múltiples capas.

Debido a que los circuitos integrados actuales contienen varios componentes refinados y enormes circuitos interconectados, la estructura es muy compleja. El número real de capas del circuito ha llegado a 30, y la superficie irregular se ha vuelto cada vez más común. , la diferencia entre alto y bajo es muy grande, por lo que surgió la tecnología de pulido mecánico químico CMP. CMP suaviza cada capa del circuito completado.

Además, para completar con éxito el cableado tridimensional de cobre multicapa, se ha desarrollado un nuevo método de cableado, utilizando el método de Damasco, es decir, primero recubriendo una capa metálica de barrera y luego pulverizando. Luego se utiliza una capa de película de cobre en su conjunto para eliminar las capas de cobre y metal de barrera fuera del cableado para formar el cableado deseado.

Cableado multicapa del método Damasco

El circuito del chip se ha completado básicamente. Ha pasado por cientos de procesos diferentes, y todos se basan en operaciones de ajuste fino. Se fabricará en cualquier lugar y se desechará toda la oblea. Se fabrican miles de millones de transistores a partir de una oblea de más de 100 milímetros cuadrados, que es la cristalización de toda la sabiduría desde la civilización humana.

Post-ingeniería: desde cero hasta las ventas del producto terminado

14 Inspección a nivel de oblea

Intercalado entre preingeniería y posingeniería A Good-Chip. /Proyecto de prueba de obleas, denominado prueba G/W. Su finalidad es comprobar si los chips fabricados en cada oblea están cualificados. Por lo general, se utiliza una sonda para hacer contacto con la almohadilla del electrodo del circuito integrado, emitir una señal de entrada preprogramada y detectar si la señal en el extremo de salida del circuito integrado es normal, confirmando así si el chip está calificado.

Dado que los diseños redundantes se utilizan ampliamente en la fabricación de circuitos integrados hoy en día, incluso los chips "no calificados" pueden reemplazarse con unidades redundantes simplemente cortando fusibles prediseñados con un láser. Por supuesto, los chips con problemas graves e irreparables serán etiquetados y eliminados.

15. Corte de la oblea e inspección de su apariencia

Después de producir y probar la oblea, el troquel IC entra en la etapa de corte en cubitos. Una máquina cortadora de cubitos es una cuchilla circular extremadamente delgada con partículas de diamante adheridas y tiene solo 1/3 del grosor de un cabello humano. Cada chip IC de la oblea debe cortarse en cubitos y cortarse para formar un molde central.

Una vez completado el corte en cubitos, el chip debe ser inspeccionado visualmente. Si hay daños o rayones, se descartará y también se eliminarán los defectos encontrados en la inspección G/W anterior.

Núcleos de CPU sin filtrar

16. Carga del chip

Solo después de completar la inspección el chip puede considerarse un producto semiacabado porque los consumidores no pueden usarlo directamente . Necesita ser ensamblado y fijado al circuito base. Todo el proceso se perfecciona mediante máquinas de estado sólido automatizadas y controladas por ordenador.

17. Embalaje

La operación de montaje del chip solo completa la fijación del chip, pero no realiza la conexión eléctrica, por lo que aún debe combinarse con los contactos del paquete. sustrato. Hoy en día, suele tener la forma de flip chip, es decir, hay contactos en la parte frontal y las protuberancias están presoldadas para alinear las protuberancias con las almohadillas correspondientes, y se conectan mediante soldadura por reflujo térmico o soldadura por presión ultrasónica.

También se puede decir que el embalaje se refiere a la carcasa del chip utilizada para instalar circuitos integrados semiconductores. No solo desempeña la función de colocar, fijar, sellar y proteger el chip, sino que también desempeña la función de mejorar. conductividad térmica. Actualmente, Intel, por ejemplo, ha adoptado en los últimos años el embalaje LGA. La conexión de contacto entre el núcleo y el sustrato del embalaje se recubre con grasa de silicona termoconductora o se rellena con soldadura y, finalmente, se empaqueta en una carcasa metálica, lo que aumenta el calor. Área de disipación del núcleo y protege el chip de daños directamente exprimido por el radiador.

En este punto nació un procesador CPU completo.

18. Pruebas de nivel

Después de fabricar la CPU, se deben realizar pruebas exhaustivas. Se prueban la frecuencia estable, el consumo de energía y la generación de calor de cada chip. Si hay defectos de hardware dentro del chip, se tomarán medidas de protección del hardware y, por lo tanto, se dividirán diferentes niveles de CPU, como Core i7, i5 e i3. .

19. Embalaje para venta minorista

Después de que la CPU complete el último nivel de prueba, se empaquetará en cajas y se ingresará en OEM, venta minorista y otros canales.