Chipherstellung

Chipherstellung

Wenn Sie fragen, was der Rohstoff des Chips ist, wird jeder leicht die Antwort geben - es ist Silizium. Das ist nicht falsch, aber woher kommt Silizium? In der Tat ist es der unauffälligste Sand. Es ist schwer vorstellbar. Die teure, komplizierte Struktur, der leistungsstarke und mysteriöse Chip stammen aus dem Sand, der im Grunde genommen wertlos ist. Natürlich muss dazwischen ein komplizierter Herstellungsprozess liegen.

Grundstoffe für die Herstellung von Chips

Wenn Sie fragen, was der Rohstoff des Chips ist, wird jeder leicht die Antwort geben - es ist Silizium. Das ist nicht falsch, aber woher kommt Silizium? In der Tat ist es der unauffälligste Sand. Es ist schwer vorstellbar. Die teure, komplizierte Struktur, der leistungsstarke und mysteriöse Chip stammen aus dem Sand, der im Grunde genommen wertlos ist. Natürlich muss dazwischen ein komplizierter Herstellungsprozess liegen. Es kann jedoch nicht nur eine Handvoll Sand als Rohstoff verwendet werden. Es muss sorgfältig ausgewählt werden, um die reinsten Siliziumrohstoffe daraus zu extrahieren. Stellen Sie sich vor, wenn die billigsten Rohstoffe mit ausreichenden Reserven zur Herstellung von Chips verwendet würden, wie hoch wäre die Qualität des fertigen Produkts. Können Sie immer noch einen Hochleistungsprozessor wie jetzt verwenden?

Ein wichtiges Material für die Herstellung von Chips ist neben Silizium Metall. Bisher ist Aluminium das Hauptmetallmaterial für die Herstellung von Innenteilen von Prozessoren, während Kupfer nach und nach eliminiert wird. Dies hat einige Gründe. Bei der aktuellen Betriebsspannung des Chips sind die Elektromigrationseigenschaften von Aluminium deutlich besser als die von Kupfer. Das sogenannte Elektromigrationsproblem bezieht sich darauf, dass, wenn eine große Anzahl von Elektronen durch einen Leiterabschnitt fließt, die Atome der Leitersubstanz von den Elektronen getroffen werden und die ursprüngliche Position verlassen, wodurch Leerstellen verbleiben. Ein Aufenthalt an anderen Orten führt zu einem Kurzschluss an anderen Orten und beeinträchtigt die Logikfunktion des Chips, wodurch der Chip unbrauchbar wird.

Dies ist der Grund, warum viele Northwood Pentium 4 durch SNDS (North Wood Storm Syndrome) ersetzt werden. Als Enthusiasten Northwood Pentium 4 zum ersten Mal übertakteten, waren sie bestrebt, Erfolg zu haben. Wenn die Chipspannung stark erhöht wurde, verursachten schwerwiegende Elektromigrationsprobleme, dass der Chip gelähmt war. Dies ist die erste Erfahrung von Intel&mit der Kupferverbindungstechnologie und muss eindeutig verbessert werden. Andererseits kann die Verwendung der Kupferverbindungstechnologie die Chipfläche verringern. Gleichzeitig ist aufgrund des geringeren Widerstands des Kupferleiters der durch ihn fließende Strom auch schneller.

Zusätzlich zu diesen beiden Hauptmaterialien werden im Chipdesignprozess einige Arten chemischer Rohstoffe benötigt. Sie spielen unterschiedliche Rollen und werden hier nicht wiederholt.

Die Vorbereitungsphase der Chipherstellung

Nachdem die Sammlung der erforderlichen Rohstoffe abgeschlossen ist, müssen einige dieser Rohstoffe vorverarbeitet werden. Als wichtigster Rohstoff ist die Verarbeitung von Silizium von entscheidender Bedeutung. Zunächst müssen Siliziumrohstoffe chemisch gereinigt werden, und dieser Schritt bringt sie auf ein Rohstoffniveau, das von der Halbleiterindustrie verwendet werden kann. Damit diese Siliziumrohstoffe die Verarbeitungsanforderungen der Herstellung integrierter Schaltkreise erfüllen, müssen sie auch geformt werden. Dieser Schritt wird erreicht, indem die Siliziumrohstoffe geschmolzen und dann flüssiges Silizium in einen großen Hochtemperaturquarzbehälter gegossen wird.

Dann werden die Rohstoffe bei hohen Temperaturen geschmolzen. Im Chemieunterricht der Mittelschule haben wir gelernt, dass viele Atome in einem Festkörper eine kristalline Struktur haben, ebenso wie Silizium. Um den Anforderungen von Hochleistungsprozessoren gerecht zu werden, muss der gesamte Siliziumrohstoff hochreines und einkristallines Silizium sein. Dann wird das Silizium-Rohmaterial durch rotierendes Strecken aus dem Hochtemperaturbehälter entnommen und ein zylindrischer Siliziumblock hergestellt. Nach dem derzeit verwendeten Verfahren beträgt der Durchmesser des kreisförmigen Querschnitts des Siliziumblocks 200 mm. Aber jetzt haben Intel und einige andere Unternehmen begonnen, Siliziumbarren mit einem Durchmesser von 300 mm zu verwenden. Es ist ziemlich schwierig, die Querschnittsfläche unter Beibehaltung der verschiedenen Eigenschaften des Siliziumblocks zu vergrößern, aber solange das Unternehmen bereit ist, viel Geld für das Studium zu investieren, kann dies dennoch erreicht werden. Die Fabrik von Intel&für die Entwicklung und Produktion von 300-mm-Siliziumblöcken kostete etwa 3,5 Milliarden US-Dollar. Der Erfolg der neuen Technologie ermöglicht es Intel, integrierte Schaltkreise mit komplexeren und leistungsfähigeren Funktionen herzustellen. Die 200-Millimeter-Siliziumbarrenanlage kostete ebenfalls 1,5 Milliarden US-Dollar. Der Chipherstellungsprozess beginnt mit dem Schneiden von Siliziumblöcken.

Einkristalliner Siliziumblock

Nachdem der Siliziumblock hergestellt und sichergestellt wurde, dass es sich um einen absoluten Zylinder handelt, besteht der nächste Schritt darin, den zylindrischen Siliziumblock zu schneiden. Je dünner die Scheibe ist, desto weniger Material wird verwendet und natürlich können mehr Prozessorchips hergestellt werden. Das Schneiden erfordert auch eine Spiegelbearbeitung, um sicherzustellen, dass die Oberfläche absolut glatt ist, und dann auf Verformung oder andere Probleme prüfen. Dieser Schritt der Qualitätsprüfung ist besonders wichtig, er bestimmt direkt die Qualität des fertigen Chips.

Neue Schichten müssen mit einigen Substanzen dotiert werden, um sie zu echten Halbleitermaterialien zu machen, und dann werden Transistorschaltungen, die verschiedene Logikfunktionen darstellen, darauf geschrieben. Die dotierten Materialatome treten in die Lücken zwischen den Siliziumatomen ein, und Atomkräfte wirken aufeinander, so dass die Siliziumrohstoffe die Eigenschaften von Halbleitern aufweisen. Heutzutage ist die Halbleiterherstellung von&eher ein CMOS-Prozess (komplementärer Metalloxid-Halbleiter). Der Begriff komplementär bezieht sich auf die Wechselwirkung zwischen MOS-Transistoren vom N-Typ und MOS-Transistoren vom P-Typ in Halbleitern. N und P repräsentieren die negative Elektrode bzw. die positive Elektrode im elektronischen Prozess. In den meisten Fällen wird die Scheibe mit Chemikalien dotiert, um ein Substrat vom P-Typ zu bilden. Die darauf beschriebene Logikschaltung muss so ausgelegt sein, dass sie den Eigenschaften der nMOS-Schaltung entspricht. Dieser Transistortyp hat eine höhere Raumnutzung und ist energieeffizienter. Gleichzeitig muss in den meisten Fällen das Erscheinungsbild von pMOS-Transistoren so weit wie möglich eingeschränkt werden, da in den späteren Phasen des Herstellungsprozesses Materialien vom N-Typ in das Substrat vom P-Typ implantiert werden müssen, und dies Prozess wird zur Bildung von pMOS-Röhren führen.

Nach Abschluss der Einarbeitungsarbeiten für Chemikalien ist das Standardschneiden abgeschlossen. Dann wird jede Scheibe in einen Hochtemperaturofen gegeben und erhitzt, und durch Steuern der Heizzeit wird ein Siliziumdioxidfilm auf der Scheibenoberfläche erzeugt. Durch genaue Überwachung der Temperatur, Luftzusammensetzung und Erwärmungszeit kann die Dicke der Siliciumdioxidschicht gesteuert werden. Im 90-Nanometer-Herstellungsprozess von Intel&beträgt die Gateoxidbreite nur erstaunliche 5 Atome. Diese Schicht-Gate-Schaltung ist auch Teil der Transistor-Gate-Schaltung. Die Rolle der Transistor-Gate-Schaltung besteht darin, den Elektronenfluss zwischen ihnen zu steuern. Durch die Steuerung der Gate-Spannung wird der Elektronenfluss unabhängig von der Größe der Eingangs- und Ausgangsanschlussspannung streng gesteuert. Der letzte Prozess der Herstellung besteht darin, eine lichtempfindliche Schicht auf der Siliziumdioxidschicht zu bedecken. Diese Materialschicht wird für andere Steuerungsanwendungen in derselben Schicht verwendet. Diese Materialschicht weist beim Trocknen eine gute Lichtempfindlichkeit auf und kann nach Beendigung des Fotolithografieprozesses durch chemische Verfahren aufgelöst und entfernt werden.

Fotoätzen

Dies ist ein sehr komplizierter Schritt im aktuellen Chipherstellungsprozess. Warum sagst du das? Der Photoätzprozess besteht darin, eine bestimmte Lichtwellenlänge zu verwenden, um die entsprechende Bewertung in die lichtempfindliche Schicht zu ätzen, wodurch die chemischen Eigenschaften des Materials dort geändert werden. Diese Technologie stellt extrem strenge Anforderungen an die Wellenlänge des verwendeten Lichts, was die Verwendung von kurzwelligen ultravioletten Strahlen und Linsen mit großer Krümmung erfordert. Der Ätzprozess wird auch durch Flecken auf dem Wafer beeinflusst. Jeder Schritt des Ätzens ist ein komplexer und heikler Prozess. Die zum Entwerfen jedes Verfahrensschritts erforderliche Datenmenge kann in Einheiten von 10 GB gemessen werden, und die zur Herstellung jedes Prozessors erforderlichen Ätzschritte betragen mehr als 20 Schritte (jede Schicht wird geätzt). Wenn die geätzten Zeichnungen jeder Schicht um ein Vielfaches vergrößert werden, kann dies außerdem noch komplizierter sein als die Karte des gesamten New York City plus des Vorortbereichs. Stellen Sie sich vor, Sie reduzieren die gesamte New Yorker Karte auf ein tatsächliches Gebiet vonnur 100 Quadratmillimeter. Auf dem Chip können Sie sich dann vorstellen, wie kompliziert die Struktur dieses Chips ist.

Wenn alle diese Ätzungen abgeschlossen sind, wird der Wafer umgedreht. Das kurzwellige Licht wird durch die ausgehöhlte Kerbe auf der Quarzschablone auf die lichtempfindliche Schicht des Wafers bestrahlt, und dann werden das Licht und die Schablone entfernt. Das außen freiliegende lichtempfindliche Schichtmaterial wird durch chemische Verfahren entfernt und Siliziumdioxid wird sofort unter der freien Position erzeugt.

Doping

Nachdem das verbleibende lichtempfindliche Schichtmaterial entfernt wurde, verbleibt die Siliziumdioxidschicht des gefüllten Grabens und die freiliegende Siliziumschicht unter der Schicht. Nach diesem Schritt ist eine weitere Siliziumdioxidschicht fertiggestellt. Dann wird eine weitere Polysiliciumschicht mit einer lichtempfindlichen Schicht hinzugefügt. Polysilicium ist eine andere Art von Gate-Schaltung. Aufgrund der Verwendung von Metallrohstoffen (daher der Name Metalloxidhalbleiter) ermöglicht Polysilicium das Einrichten von Gates, bevor die Spannung am Transistorwarteschlangenport aktiv wird. Die lichtempfindliche Schicht wird auch durch das kurzwellige Licht durch die Maske geätzt. Nach einem weiteren Ätzen wurden im Wesentlichen alle erforderlichen Gate-Schaltungen gebildet. Dann wird die freiliegende Siliziumschicht chemisch mit Ionen beschossen. Der Zweck hier ist, einen N-Kanal oder P-Kanal zu erzeugen. Dieser Dotierungsprozess erzeugt alle Transistoren und die Schaltungsverbindung zwischen ihnen. Kein Transistor hat einen Eingang und einen Ausgang, und die beiden Enden werden als Ports bezeichnet.

Wiederholen Sie diesen Vorgang

Ab diesem Schritt fügen Sie weitere Schichten hinzu, fügen eine Schicht Siliziumdioxid hinzu und führen dann einmal eine Lithografie durch. Wiederholen Sie diese Schritte, und dann gibt es eine mehrschichtige dreidimensionale Architektur, die den embryonalen Zustand des Prozessors darstellt, den Sie gerade verwenden. Zwischen jeder Schicht wird die Technologie der Metallbeschichtung verwendet, um die leitende Verbindung zwischen den Schichten herzustellen. Heute verwendet der P4-Prozessor von&7 Schichten Metallverbindungen, während Athlon64 9 Schichten verwendet. Die Anzahl der verwendeten Schichten hängt vom ursprünglichen Layoutdesign ab und repräsentiert nicht direkt den Leistungsunterschied des Endprodukts.

In den nächsten Wochen werden die Wafer einzeln getestet, einschließlich der Prüfung der elektrischen Eigenschaften des Wafers, um festzustellen, ob und wenn ja, auf welcher Schicht usw. logische Fehler vorliegen. Danach wird jede Chipeinheit auf dem Wafer, bei der ein Problem auftritt, einzeln getestet, um festzustellen, ob der Chip spezielle Verarbeitungsanforderungen hat.

Dann wird der gesamte Wafer in einzelne Prozessorchipeinheiten geschnitten. Im ersten Test werden die Einheiten, die den Test nicht bestanden haben, abgebrochen. Diese abgeschnittenen Chip-Einheiten werden auf eine bestimmte Weise verpackt, so dass sie problemlos in das Motherboard einer bestimmten Schnittstellenspezifikation eingesetzt werden können. Die meisten Intel- und AMD-Prozessoren sind mit einem Kühlkörper abgedeckt. Nachdem das fertige Produkt des Prozessors fertiggestellt ist, ist auch eine vollständige Palette von Chipfunktionstests erforderlich. In diesem Teil werden verschiedene Produktqualitäten hergestellt, einige Chips arbeiten mit einer relativ hohen Frequenz, sodass der Name und die Anzahl der Hochfrequenzprodukte gekennzeichnet sind, und die Chips mit relativ niedrigen Betriebsfrequenzen werden geändert, um andere Niederfrequenzmodelle zu kennzeichnen. Dies ist der Verarbeiter unterschiedlicher Marktpositionierungen. Einige Prozessoren weisen möglicherweise einige Mängel in der Chipfunktion auf. Zum Beispiel hat es Defekte in der Cache-Funktion (dieser Defekt reicht aus, um die meisten Chips zu lähmen), dann werden sie von einer gewissen Cache-Kapazität abgeschirmt, was die Leistung verringert und natürlich den Preis des Produkts senkt. Dies ist Celeron und der Ursprung von Sempron.

Nach Abschluss des Verpackungsprozesses des Chips müssen viele Produkte einen weiteren Test durchführen, um sicherzustellen, dass im vorherigen Herstellungsprozess keine Auslassungen auftreten und das Produkt ohne Abweichung vollständig den Spezifikationen entspricht.

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