איך חול הופך לסיליקון? הסבר על ייצור מעבד

העולם פועל על מידע, כאשר האנושות יוצרת כ-2.5 מיליון טרה-בייט של נתונים ביום. עם זאת, כל הנתונים האלה חסרי תועלת אלא אם כן נוכל לעבד אותם, אז, אפשר לטעון, אחד הדברים שהעולם המודרני לא יכול לחיות בלעדיהם הוא מעבדים.

אבל איך מייצרים מעבד? למה זה פלא מודרני? איך יצרן יכול להכניס מיליארדי טרנזיסטורים לחבילה כל כך קטנה? בואו נצלול לעומק כיצד אינטל, אחת מיצרניות השבבים הגדולות בעולם, יוצרת מעבד מחול.

מיצוי סיליקון מחול

מרכיב הבסיס של כל מעבד, סיליקון, מופק מחול מדברי. חומר זה נמצא בשפע בקרום כדור הארץ ומורכב מכ-25% עד 50% דו תחמוצת הסיליקון. הוא מעובד כדי להפריד את הסיליקון מכל שאר החומרים בחול.

העיבוד חוזר על עצמו מספר פעמים עד שהיצרן יוצר מדגם טהור של 99.9999%. לאחר מכן יוצקים את הסיליקון המטוהר ליצירת מטיל גלילי בדרגה אלקטרונית. קוטר הגליל הוא 300 מ"מ ומשקלו כ-100 ק"ג.

לאחר מכן, היצרן פורס את המטיל לפרוסות דקות של 925 מיקרומטר. לאחר מכן, הוא מלוטש לגימור חלק במראה, מסיר את כל הפגמים והפגמים על פני השטח שלו. פרוסות מוגמרות אלו נשלחות לאחר מכן למפעל ייצור המוליכים למחצה של אינטל לצורך הפיכה מלוח סיליקון למוח מחשבים היי-טק.

הכביש המהיר FOUP

מכיוון שמעבדים הם חלקים בעלי דיוק גבוה, אסור שהבסיס הסיליקון הטהור שלהם יהיה מזוהם לפני, במהלך או אחרי הייצור. כאן נכנסים לתמונה התרמילים המאוחדים הנפתחים מלפנים (FOUPs). התרמילים האוטומטיים האלה מחזיקים 25 פרוסות בכל פעם, שומרים אותם בטוחים ומאובטחים בחלל מבוקר סביבתי בעת הובלת הפרוסים בין מכונות.

יתר על כן, כל רקיק יכול לעבור מאותם שלבים מאות פעמים, לפעמים לעבור מקצה אחד של הבניין לקצה השני. התהליך כולו מוטבע בתוך המכונות כך שה-FOUP יודע לאן ללכת לכל שלב.

כמו כן, ה-FOUPs נעים על מונוריילים תלויים מהתקרה, מה שמאפשר להם לקחת את החלק המהיר והיעיל ביותר משלב ייצור אחד לאחר.

פוטוליטוגרפיה

תהליך הפוטוליתוגרפיה משתמש בפוטוסיסט כדי להטביע דפוסים על פרוסת הסיליקון. Photoresist הוא חומר קשיח ורגיש לאור הדומה למה שאתה מוצא בסרט. לאחר יישום זה, הוופל נחשף לאור אולטרה סגול עם מסכה של תבנית המעבד.

המסכה מבטיחה שרק המקומות שהם רוצים לעבד נחשפים, ובכך משאירה את הפוטורסיסט באותו אזור מסיס. לאחר שהתבנית מוטבעת במלואה על רקיקת הסיליקון, היא עוברת אמבט כימי כדי להסיר את הכל הפוטורסיסט החשוף, משאיר תבנית של סיליקון חשוף שיעבור את השלבים הבאים ב- תהליך.

השתלת יונים

המכונה גם סימום, תהליך זה מטמיע אטומים מיסודות שונים כדי לשפר את המוליכות. לאחר השלמתו, מסירים את שכבת הפוטו-רזיסט הראשונית, ומניחים שכבת חדשה כדי להכין את הפרוסה לשלב הבא.

תַחרִיט

לאחר סבב נוסף של פוטוליתוגרפיה, רקיקת הסיליקון עוברת לחריטה, שם מתחילים להיווצר הטרנזיסטורים של המעבד. Photoresist מוחל על אזורים שבהם הם רוצים שהסיליקון יישאר, בעוד שהחלקים שיש להסיר נחרטים כימית.

החומר הנותר הופך לאט לאט לערוצים של הטרנזיסטורים, שבהם האלקטרונים זורמים מנקודה אחת לאחרת.

תצהיר חומר

לאחר יצירת הערוצים, רקיקת הסיליקון חוזרת לפוטוליתוגרפיה כדי להוסיף או להסיר שכבות photoresist לפי הצורך. לאחר מכן הוא ממשיך לתצהיר חומר. שכבות שונות של חומרים שונים, כמו דו-תחמוצת סיליקון, סיליקון רב-גבישי, דיאלקטרי גבוה, שונה סגסוגות מתכת ונחושת מתווספות וחרוטות כדי ליצור, לסיים ולחבר את מיליוני הטרנזיסטורים על שְׁבָב.

מישור מכני כימי

כל שכבת מעבד עוברת יישור מכני כימי, המכונה גם ליטוש, כדי לחתוך חומרים עודפים. לאחר הסרת השכבה העליונה ביותר, מתגלה תבנית הנחושת הבסיסית, מה שמאפשר ליצרן ליצור שכבות נחושת נוספות כדי לחבר בין הטרנזיסטורים השונים לפי הצורך.

למרות שהמעבדים נראים דקים בצורה בלתי אפשרית, יש להם בדרך כלל יותר מ-30 שכבות של מעגלים מורכבים. זה מאפשר לו לספק את כוח העיבוד הנדרש ליישומים של היום.

בדיקה, חיתוך ומיון

רקיקת סיליקון יכולה לעבור את כל התהליכים לעיל כדי ליצור מעבד. ברגע שקיקת הסיליקון משלימה את המסע הזה, היא מתחילה בבדיקה. תהליך זה בודק את הפונקציונליות של כל חלק שנוצר על הוופל - אם זה עובד או לא.

לאחר ביצוע, הוופל נחתך לחתיכות הנקראות קובייה. לאחר מכן זה ממוין, היכן מתות שעובדות עוברות לאריזה, ואלו שנכשלים נזרקים.

הפיכת תבנית הסיליקון למעבד

תהליך זה, הנקרא אריזה, הופך קוביות למעבדים. מצע, בדרך כלל לוח מעגלים מודפס, ומפיץ חום מונחים על התבנית כדי ליצור את המעבד שאתה קונה. המצע הוא המקום שבו התבנית מתחברת פיזית ללוח האם בעוד שמפיץ החום מתממשק עם שלך מאוורר קירור DC או PWM של המעבד.

בדיקות ובקרת איכות

לאחר מכן נבדקים שוב המעבדים שהושלמו, אך הפעם עבור ביצועים, כוח ופונקציונליות. מבחן זה קובע איזה סוג של שבב זה יהיה- האם זה טוב להיות א מעבד i3, i5, i7 או i9. לאחר מכן, המעבדים מקובצים בהתאם לאריזה קמעונאית או ממוקמים במגשים למשלוח ליצרני מחשבים.

קטן מיקרוסקופי אך מסובך להפליא

בעוד שהמעבדים נראים פשוטים מבחוץ, הם מסובכים מאוד. ייצור מעבדים לוקח חודשיים וחצי עד שלושה חודשים של תהליכים 24/7. ולמרות ההנדסה המדויקת שמאחורי השבבים האלה, עדיין אין ערובה שהם יקבלו רקיק מושלם.

למעשה, יצרני מעבדים יכולים לאבד איפשהו בין 20% ל-70% מהמתקים על פרוסות עקב פגמים, מזהמים ועוד. ערך זה מושפע עוד יותר מתהליכי CPU קטנים יותר ויותר, עם ה- השבבים החדשים ביותר קטנים עד 4 ננומטר.

עם זאת, כפי שחוק מור קובע, אנו עדיין יכולים לצפות שביצועי המעבד יוכפלו כל שנתיים עד 2025. עד שהמעבדים יגיעו לתקרה הבסיסית של גודל האטום, כל תהליכי הייצור הללו חייבים להתמודד עם העיצובים כדי לייצר את השבב שאנו דורשים.

מהו חוק מור והאם הוא עדיין רלוונטי בשנת 2022?

קרא הבא