ჩვენი ციფრული ცხოვრების სტილის ფესვები ნამდვილად მომდინარეობს ნახევარგამტარებიდან, რამაც საშუალება მისცა შექმნათ რთული ტრანზისტორზე დაფუძნებული გამოთვლითი ჩიპები. ისინი ინახავენ და ამუშავებენ მონაცემებს, რაც თანამედროვე მიკროპროცესორების საფუძველია. ნახევარგამტარები, რომლებიც დღეს ქვიშისგან მზადდება, თითქმის ყველა ელექტრონული მოწყობილობის ძირითადი კომპონენტია, კომპიუტერებიდან ლეპტოპებამდე მობილურ ტელეფონებამდე. ახლა მანქანებსაც კი არ შეუძლიათ ნახევარგამტარებისა და ელექტრონიკის გარეშე, რადგან ნახევარგამტარები აკონტროლებენ კონდიცირების სისტემას, საწვავის ინექციის პროცესს, ანთებას, ლუქზე, სარკეებს და საჭესაც კი (BMW Active Steering). დღეს თითქმის ნებისმიერი მოწყობილობა, რომელიც მოიხმარს ენერგიას, აგებულია ნახევარგამტარებზე.

მიკროპროცესორები უდავოდ ყველაზე რთულ ნახევარგამტარულ პროდუქტებს შორისაა, ტრანზისტორების რაოდენობა მალე მილიარდს მიაღწევს და ფუნქციონალობის დიაპაზონი დღეს უკვე გასაოცარია. ორბირთვიანი Core 2 პროცესორები მალე გამოვა Intel-ის თითქმის დასრულებული 45 ნმ პროცესის ტექნოლოგიაზე და ისინი უკვე შეიცავენ 410 მილიონ ტრანზისტორს (თუმცა მათი უმეტესობა გამოყენებული იქნება 6 MB L2 ქეშისთვის). 45 ნმ პროცესს დაარქვეს ერთი ტრანზისტორის ზომა, რომელიც ახლა დაახლოებით 1000-ჯერ ნაკლებია ადამიანის თმის დიამეტრზე. გარკვეულწილად, სწორედ ამიტომ იწყებს ელექტრონიკა ყველაფრის კონტროლს ჩვენს ცხოვრებაში: მაშინაც კი, როდესაც ტრანზისტორი უფრო დიდი იყო, არც თუ ისე რთული მიკროსქემების წარმოება ძალიან იაფი იყო, ტრანზისტორების ბიუჯეტი ძალიან დიდი იყო.

ჩვენს სტატიაში განვიხილავთ მიკროპროცესორების წარმოების საფუძვლებს, მაგრამ ასევე შევეხებით პროცესორების ისტორიას, არქიტექტურას და შევხედავთ ბაზარზე არსებულ სხვადასხვა პროდუქტს. ინტერნეტში შეგიძლიათ იპოვოთ ბევრი საინტერესო ინფორმაცია, რომელთაგან ზოგიერთი ჩამოთვლილია ქვემოთ.

• ვიკიპედია: მიკროპროცესორი. ეს სტატია მოიცავს სხვადასხვა ტიპის პროცესორებს და გთავაზობთ ბმულებს მწარმოებლებთან და დამატებით ვიკი გვერდებთან, რომლებიც ეძღვნება პროცესორებს.
• ვიკიპედია: მიკროპროცესორები (კატეგორია). იხილეთ განყოფილება მიკროპროცესორების შესახებ კიდევ უფრო მეტი ბმულებისა და ინფორმაციისთვის.

კომპიუტერის კონკურენტები: AMD და Intel

Advanced Micro Devices Inc.-ის სათაო ოფისი, რომელიც დაარსდა 1969 წელს, მდებარეობს კალიფორნიაში, სანივალში, ხოლო Intel-ის „გული“, რომელიც დაარსდა სულ რაღაც ერთი წლით ადრე, რამდენიმე კილომეტრში მდებარეობს ქალაქ სანტა კლარაში. AMD-ს დღეს ორი ქარხანა აქვს: ოსტინში (ტეხასი, აშშ) და დრეზდენში (გერმანია). ახალი ქარხანა მალე ამოქმედდება. გარდა ამისა, AMD შეუერთდა ძალებს IBM-თან პროცესორის ტექნოლოგიების განვითარებასა და წარმოებაში. რა თქმა უნდა, ეს ყველაფერი Intel-ის ზომის მცირე ნაწილია, რადგან ბაზრის ლიდერი ახლა ოპერირებს თითქმის 20 ქარხანას ცხრა ადგილას. მათი დაახლოებით ნახევარი გამოიყენება მიკროპროცესორების წარმოებისთვის. ასე რომ, როდესაც ადარებთ AMD-ს და Intel-ს, გახსოვდეთ, რომ თქვენ ადარებთ დავითს და გოლიათს.

Intel-ს აქვს უდაო უპირატესობა უზარმაზარი წარმოების სიმძლავრის სახით. დიახ, კომპანია დღეს ლიდერია მოწინავე ტექნოლოგიური პროცესების განხორციელებაში. Intel ამ მხრივ დაახლოებით ერთი წლით უსწრებს AMD-ს. შედეგად, Intel-ს შეუძლია გამოიყენოს მეტი ტრანზისტორი და მეტი ქეში თავის პროცესორებში. AMD-მა, Intel-ისგან განსხვავებით, უნდა მოახდინოს ტექნიკური პროცესის მაქსიმალურად ეფექტურად ოპტიმიზაცია, რათა გააგრძელოს კონკურენტები და აწარმოოს ღირსეული პროცესორები. რა თქმა უნდა, პროცესორების დიზაინი და მათი არქიტექტურა ძალიან განსხვავებულია, მაგრამ ტექნიკური წარმოების პროცესი აგებულია იმავე ძირითად პრინციპებზე. თუმცა, რა თქმა უნდა, მასში ბევრი განსხვავებაა.

მიკროპროცესორის წარმოება

მიკროპროცესორების წარმოება შედგება ორი მნიშვნელოვანი ეტაპისგან. პირველი არის სუბსტრატის წარმოება, რომელსაც AMD და Intel ახორციელებენ თავიანთ ქარხნებში. ეს მოიცავს სუბსტრატს გამტარ თვისებების მინიჭებას. მეორე ეტაპი არის პროცესორის სუბსტრატის ტესტირება, აწყობა და შეფუთვა. ეს უკანასკნელი ოპერაცია ჩვეულებრივ ტარდება ნაკლებად ძვირიან ქვეყნებში. თუ დააკვირდებით Intel-ის პროცესორებს, ნახავთ წარწერას, რომ შეფუთვა განხორციელდა კოსტა რიკაში, მალაიზიაში, ფილიპინებში და ა.შ.

AMD და Intel დღეს ცდილობენ გამოუშვან პროდუქტები ბაზრის სეგმენტების მაქსიმალური რაოდენობით და, უფრო მეტიც, კრისტალების მინიმალური შესაძლო დიაპაზონის საფუძველზე. შესანიშნავი მაგალითია Intel Core 2 Duo პროცესორის ხაზი. არსებობს სამი პროცესორი კოდური სახელებით სხვადასხვა ბაზრისთვის: Merom მობილური აპლიკაციებისთვის, Conroe დესკტოპის ვერსიისთვის, Woodcrest სერვერის ვერსიისთვის. სამივე პროცესორი აგებულია იმავე ტექნოლოგიურ საფუძველზე, რაც მწარმოებელს საშუალებას აძლევს მიიღოს გადაწყვეტილებები წარმოების ბოლო ეტაპებზე. შეგიძლიათ ჩართოთ ან გამორთოთ ფუნქციები, ხოლო საათის სიჩქარის ამჟამინდელი დონე ინტელს აძლევს გამოსაყენებელი კრისტალების შესანიშნავ პროცენტს. თუ ბაზარზე მოთხოვნა გაიზრდება მობილურ პროცესორებზე, Intel-მა შესაძლოა ყურადღება გაამახვილოს Socket 479 მოდელების გამოშვებაზე. თუ დესკტოპის მოდელებზე მოთხოვნა გაიზრდება, კომპანია შეამოწმებს, დაადასტურებს და შეფუთავს Socket 775-ზე, ხოლო სერვერის პროცესორები შეფუთულია Socket 771-ისთვის. იქმნება ოთხბირთვიანი პროცესორები: ერთ პაკეტში დამონტაჟებულია ორი ორბირთვიანი ჩიპი, ამიტომ ვიღებთ ოთხ ბირთვს.

როგორ იქმნება ჩიპები

ჩიპის წარმოება გულისხმობს თხელი ფენების დეპონირებას რთული „ნიმუშებით“ სილიკონის სუბსტრატებზე. პირველი, იქმნება საიზოლაციო ფენა, რომელიც მოქმედებს როგორც ელექტრული კარიბჭე. შემდეგ ზემოდან გამოიყენება ფოტორეზისტული მასალა, ხოლო არასასურველი ადგილები ამოღებულია ნიღბებისა და მაღალი ინტენსივობის დასხივების გამოყენებით. როდესაც დასხივებული უბნები ამოღებულია, სილიციუმის დიოქსიდის უბნები ქვემოდან გამოიკვეთება, რომელიც ამოღებულია გრავირებით. ამის შემდეგ, ფოტორეზისტული მასალაც ამოღებულია და სილიკონის ზედაპირზე ვიღებთ გარკვეულ სტრუქტურას. შემდეგ ტარდება დამატებითი ფოტოლითოგრაფიული პროცესები, სხვადასხვა მასალით, სასურველი სამგანზომილებიანი სტრუქტურის მიღებამდე. თითოეული ფენა შეიძლება იყოს დოპირებული კონკრეტული ნივთიერებით ან იონებით, ცვლის ელექტრული თვისებების. ფანჯრები იქმნება თითოეულ ფენაში, რათა შემდეგ მოხდეს ლითონის კავშირები.

რაც შეეხება სუბსტრატების წარმოებას, ისინი უნდა დაიჭრას ერთი ცილინდრიანი მონოკრისტალიდან თხელ „ბლინებს“, რათა შემდეგ ადვილად დაიჭრას ცალკეული პროცესორის ჩიპებად. წარმოების ყოველ ეტაპზე, კომპლექსური ტესტირება ტარდება ხარისხის შესაფასებლად. ელექტრული ზონდები გამოიყენება სუბსტრატზე თითოეული ჩიპის შესამოწმებლად. საბოლოოდ, სუბსტრატი იჭრება ინდივიდუალურ ბირთვებად და არასამუშაო ბირთვები დაუყოვნებლივ იშლება. მახასიათებლებიდან გამომდინარე, ბირთვი ხდება ამა თუ იმ პროცესორად და შეფუთულია პაკეტში, რაც აადვილებს პროცესორის დაყენებას დედაპლატზე. ყველა ფუნქციური ერთეული გადის ინტენსიურ სტრეს ტესტებს.

ეს ყველაფერი იწყება სუბსტრატებით

პირველი ნაბიჯი პროცესორების წარმოებაში ხდება სუფთა ოთახში. სხვათა შორის, მნიშვნელოვანია აღინიშნოს, რომ ასეთი მაღალტექნოლოგიური წარმოება წარმოადგენს კვადრატულ მეტრზე უზარმაზარი კაპიტალის დაგროვებას. თანამედროვე ქარხნის მშენებლობა ყველა აღჭურვილობით მარტივად 2-3 მილიარდი დოლარი ჯდება, ხოლო ახალი ტექნოლოგიების სატესტო გაშვებას რამდენიმე თვე სჭირდება. მხოლოდ ამის შემდეგ შეუძლია მცენარეს მასობრივი წარმოების პროცესორები.

ზოგადად, ჩიპის წარმოების პროცესი შედგება ვაფლის დამუშავების რამდენიმე ეტაპისგან. ეს მოიცავს თავად სუბსტრატების შექმნას, რომლებიც საბოლოოდ დაიჭრება ცალკეულ კრისტალებად.

ყველაფერი იწყება ერთი ბროლის გაზრდით, რისთვისაც თესლის კრისტალი ჩასმულია გამდნარი სილიკონის აბაზანაში, რომელიც მდებარეობს პოლიკრისტალური სილიკონის დნობის წერტილის ზემოთ. მნიშვნელოვანია, რომ კრისტალები ნელა გაიზარდოს (დაახლოებით ერთი დღე), რათა უზრუნველყოს ატომების სწორად განლაგება. პოლიკრისტალური ან ამორფული სილიციუმი შედგება მრავალი განსხვავებული კრისტალებისაგან, რაც გამოიწვევს არასასურველი ზედაპირული სტრუქტურების გამოჩენას ცუდი ელექტრული თვისებებით. მას შემდეგ, რაც სილიციუმი დნება, ის შეიძლება დოპინგი სხვა ნივთიერებებით, რომლებიც ცვლის მის ელექტრულ თვისებებს. მთელი პროცესი ხდება დახურულ ოთახში სპეციალური ჰაერის შემადგენლობით, რათა სილიციუმი არ დაიჟანგოს.

ერთკრისტალი იჭრება "ბლინები" ალმასის ხვრელის ხერხის გამოყენებით, რომელიც ძალიან ზუსტია და არ ქმნის დიდ დარღვევებს სუბსტრატის ზედაპირზე. რა თქმა უნდა, სუბსტრატების ზედაპირი ჯერ კიდევ არ არის იდეალურად ბრტყელი, ამიტომ საჭიროა დამატებითი ოპერაციები.

პირველ რიგში, მბრუნავი ფოლადის ფირფიტებისა და აბრაზიული მასალის გამოყენებით (როგორიცაა ალუმინის ოქსიდი), სქელი ფენა ამოღებულია სუბსტრატებიდან (პროცესი, რომელსაც ლაპინგი ეწოდება). შედეგად, 0,05 მმ-დან დაახლოებით 0,002 მმ-მდე (2000 ნმ) ზომით დაწყებული დარღვევები აღმოიფხვრება. შემდეგ თითოეული საყრდენის კიდეები უნდა დამრგვალოთ, რადგან მკვეთრმა კიდეებმა შეიძლება გამოიწვიოს ფენების გახეხვა. შემდეგი, გამოიყენება ოქროვის პროცესი, სხვადასხვა ქიმიკატების (ჰიდროფტორმჟავა, ძმარმჟავა, აზოტის მჟავა) გამოყენებისას ზედაპირი გლუვდება დაახლოებით 50 მიკრონით. ზედაპირი ფიზიკურად არ არის დეგრადირებული, რადგან მთელი პროცესი მთლიანად ქიმიურია. ეს საშუალებას გაძლევთ წაშალოთ კრისტალური სტრუქტურაში დარჩენილი შეცდომები, რის შედეგადაც ზედაპირი იდეალურია.

ბოლო ნაბიჯი არის გაპრიალება, რომელიც არბილებს ზედაპირს მაქსიმალურ უხეშობამდე 3 ნმ. გაპრიალება ხორციელდება ნატრიუმის ჰიდროქსიდის და მარცვლოვანი სილიციუმის ნარევის გამოყენებით.

დღეს, მიკროპროცესორული ვაფლები 200 მმ ან 300 მმ დიამეტრისაა, რაც ჩიპების შემქმნელებს საშუალებას აძლევს შექმნან რამდენიმე პროცესორი თითოეულიდან. შემდეგი ნაბიჯი იქნება 450 მმ სუბსტრატები, მაგრამ მათ 2013 წლამდე არ უნდა ველოდოთ. ზოგადად, რაც უფრო დიდია სუბსტრატის დიამეტრი, მით მეტია იმავე ზომის ჩიპის დამზადება. მაგალითად, 300 მმ ვაფლი აწარმოებს ორჯერ მეტ პროცესორს, ვიდრე 200 მმ ვაფლი.

ჩვენ უკვე აღვნიშნეთ დოპინგი, რომელიც ტარდება ერთკრისტალის ზრდის დროს. მაგრამ დოპინგი კეთდება როგორც მზა სუბსტრატით, ასევე მოგვიანებით ფოტოლითოგრაფიული პროცესების დროს. ეს საშუალებას გაძლევთ შეცვალოთ გარკვეული უბნების და ფენების ელექტრული თვისებები და არა მთელი კრისტალური სტრუქტურა

დოპანტის დამატება შეიძლება მოხდეს დიფუზიის გზით. დოპანტის ატომები ავსებენ თავისუფალ სივრცეს კრისტალური მედის შიგნით, სილიკონის სტრუქტურებს შორის. ზოგიერთ შემთხვევაში შესაძლებელია არსებული სტრუქტურის შენადნობა. დიფუზია ხორციელდება აირების (აზოტის და არგონის) გამოყენებით ან მყარი ან შენადნობი ნივთიერების სხვა წყაროების გამოყენებით.

დოპინგის კიდევ ერთი მიდგომაა იონის იმპლანტაცია, რომელიც ძალიან სასარგებლოა დოპირებული სუბსტრატის თვისებების შესაცვლელად, ვინაიდან იონის იმპლანტაცია ხორციელდება ნორმალურ ტემპერატურაზე. ამიტომ არსებული მინარევები არ იშლება. თქვენ შეგიძლიათ წაისვათ ნიღაბი სუბსტრატზე, რომელიც საშუალებას გაძლევთ დაამუშავოთ მხოლოდ გარკვეული ადგილები. რა თქმა უნდა, შეიძლება დიდხანს ვისაუბროთ იონის იმპლანტაციაზე და ვისაუბროთ შეღწევადობის სიღრმეზე, დანამატის გააქტიურებაზე მაღალ ტემპერატურაზე, არხის ეფექტებზე, ოქსიდის დონეზე შეღწევაზე და ა.შ., მაგრამ ეს ჩვენი სტატიის ფარგლებს სცილდება. პროცედურა შეიძლება რამდენჯერმე განმეორდეს წარმოების დროს.

ინტეგრირებული მიკროსქემის სექციების შესაქმნელად გამოიყენება ფოტოლითოგრაფიის პროცესი. ვინაიდან არ არის აუცილებელი სუბსტრატის მთლიანი ზედაპირის დასხივება, მნიშვნელოვანია გამოიყენოს ეგრეთ წოდებული ნიღბები, რომლებიც გადასცემენ მაღალი ინტენსივობის გამოსხივებას მხოლოდ გარკვეულ უბნებზე. ნიღბები შეიძლება შევადაროთ შავ-თეთრ ნეგატივს. ინტეგრირებულ სქემებს აქვთ მრავალი ფენა (20 ან მეტი) და თითოეულ მათგანს სჭირდება საკუთარი ნიღაბი.

თხელი ქრომის ფირის სტრუქტურა გამოიყენება კვარცის შუშის ფირფიტის ზედაპირზე ნიმუშის შესაქმნელად. ამ შემთხვევაში, ძვირადღირებული ინსტრუმენტები ელექტრონული სხივის ან ლაზერის გამოყენებით წერენ ინტეგრირებულ მიკროსქემის აუცილებელ მონაცემებს, რის შედეგადაც წარმოიქმნება ქრომის ნიმუში კვარცის სუბსტრატის ზედაპირზე. მნიშვნელოვანია გვესმოდეს, რომ ინტეგრირებული მიკროსქემის ყოველი მოდიფიკაცია იწვევს ახალი ნიღბების წარმოების აუცილებლობას, ამიტომ ცვლილებების შეტანის მთელი პროცესი ძალიან ძვირია. ძალიან რთული სქემებისთვის, ნიღბების შექმნას ძალიან დიდი დრო სჭირდება.

ფოტოლითოგრაფიის გამოყენებით, სტრუქტურა ყალიბდება სილიკონის სუბსტრატზე. პროცესი რამდენჯერმე მეორდება, სანამ ბევრი ფენა (20-ზე მეტი) არ შეიქმნება. ფენები შეიძლება შედგებოდეს სხვადასხვა მასალისგან და თქვენ ასევე უნდა იფიქროთ მიკროსკოპული მავთულის კავშირებით. ყველა ფენა შეიძლება იყოს შენადნობი.

სანამ ფოტოლითოგრაფიის პროცესი დაიწყება, სუბსტრატი იწმინდება და თბება წებოვანი ნაწილაკების და წყლის მოსაშორებლად. შემდეგ სუბსტრატი დაფარულია სილიციუმის დიოქსიდით სპეციალური მოწყობილობის გამოყენებით. შემდეგ, დამაკავშირებელი აგენტი გამოიყენება სუბსტრატზე, რომელიც უზრუნველყოფს, რომ ფოტორეზისტული მასალა, რომელიც გამოყენებული იქნება შემდეგ ეტაპზე, რჩება სუბსტრატზე. ფოტორეზისტული მასალა გამოიყენება სუბსტრატის შუაზე, რომელიც შემდეგ იწყებს ბრუნვას დიდი სიჩქარით ისე, რომ ფენა თანაბრად გადანაწილდეს სუბსტრატის მთელ ზედაპირზე. შემდეგ სუბსტრატი კვლავ თბება.

შემდეგ, ნიღბის საშუალებით, საფარი დასხივდება კვანტური ლაზერით, მყარი ულტრაიისფერი გამოსხივებით, რენტგენის სხივებით, ელექტრონების ან იონების სხივებით - ყველა ამ სინათლის ან ენერგიის წყაროების გამოყენება შესაძლებელია. ელექტრონული სხივები ძირითადად გამოიყენება ნიღბების შესაქმნელად, რენტგენის სხივები და იონური სხივები გამოიყენება კვლევის მიზნებისთვის, ხოლო სამრეწველო წარმოებაში დღეს დომინირებს მყარი ულტრაიისფერი გამოსხივება და გაზის ლაზერები.

მყარი ულტრაიისფერი გამოსხივება ტალღის სიგრძით 13,5 ნმ ასხივებს ფოტორეზისტულ მასალას ნიღბის გავლით.

პროექციის დრო და ფოკუსირება ძალიან მნიშვნელოვანია სასურველი შედეგის მისაღწევად. ცუდი ფოკუსირება გამოიწვევს ფოტორეზისტული მასალის ჭარბი ნაწილაკების დარჩენას, რადგან ნიღბის ზოგიერთი ხვრელი სათანადოდ არ იქნება დასხივებული. იგივე მოხდება, თუ პროექციის დრო ძალიან მოკლეა. შემდეგ ფოტორეზისტული მასალის სტრუქტურა ძალიან ფართო იქნება, ხვრელების ქვეშ მდებარე უბნები არ იქნება გამოვლენილი. მეორეს მხრივ, გადაჭარბებული პროექციის დრო ქმნის ხვრელების ქვეშ ძალიან დიდ უბნებს და ფოტორეზისტული მასალის ძალიან ვიწრო სტრუქტურას. როგორც წესი, ძალიან შრომატევადი და რთულია პროცესის რეგულირება და ოპტიმიზაცია. წარუმატებელი კორექტირება გამოიწვევს სერიოზულ გადახრებს დამაკავშირებელ დირიჟორებში.

სპეციალური ნაბიჯ-ნაბიჯ საპროექციო ინსტალაცია გადააქვს სუბსტრატს სასურველ პოზიციაზე. შემდეგ შეიძლება დაპროექტდეს ხაზი ან ერთი განყოფილება, რომელიც ყველაზე ხშირად შეესაბამება ერთ პროცესორის ჩიპს. დამატებით მიკროინსტალაციამ შეიძლება შეიტანოს დამატებითი ცვლილებები. მათ შეუძლიათ არსებული ტექნოლოგიების გამართვა და ტექნიკური პროცესის ოპტიმიზაცია. მიკრო დანადგარები ჩვეულებრივ მუშაობს 1 კვადრატულ მეტრზე მცირე ფართობზე. მმ, ხოლო ჩვეულებრივი დანადგარები უფრო დიდ ფართობებს მოიცავს.

შემდეგ სუბსტრატი გადადის ახალ ეტაპზე, სადაც დასუსტებული ფოტორეზისტული მასალა ამოღებულია, რაც სილიციუმის დიოქსიდზე წვდომის საშუალებას იძლევა. არსებობს სველი და მშრალი გრავირების პროცესები, რომლებიც მკურნალობენ სილიციუმის დიოქსიდის უბნებს. სველი პროცესების დროს გამოიყენება ქიმიური ნაერთები, ხოლო მშრალი პროცესები გაზს. ცალკე პროცესი მოიცავს ნარჩენი ფოტორეზისტული მასალის მოცილებას. მწარმოებლები ხშირად აერთიანებენ სველ და მშრალ მოცილებას, რათა უზრუნველყონ ფოტორეზისტული მასალის მთლიანად მოცილება. ეს მნიშვნელოვანია, რადგან ფოტორეზისტული მასალა ორგანულია და თუ არ მოიხსნება, შეიძლება გამოიწვიოს დეფექტები სუბსტრატზე. აკრავის და გაწმენდის შემდეგ, შეგიძლიათ დაიწყოთ სუბსტრატის შემოწმება, რაც ჩვეულებრივ ხდება თითოეულ მნიშვნელოვან ეტაპზე, ან გადაიტანოთ სუბსტრატი ახალ ფოტოლითოგრაფიულ ციკლზე.

სუბსტრატის ტესტირება, აწყობა, შეფუთვა

მზა სუბსტრატების ტესტირება ხდება ე.წ. ისინი მუშაობენ მთელ სუბსტრატთან. ზონდის კონტაქტები გამოიყენება თითოეული ბროლის კონტაქტებზე, რაც საშუალებას იძლევა ჩატარდეს ელექტრული ტესტები. პროგრამა ამოწმებს თითოეული ბირთვის ყველა ფუნქციას.

დაჭრით შესაძლებელია სუბსტრატიდან ცალკეული მარცვლების მიღება. ამ დროისთვის, ზონდის კონტროლის ინსტალაციამ უკვე დაადგინა, თუ რომელი კრისტალები შეიცავს შეცდომებს, ასე რომ, ჭრის შემდეგ ისინი შეიძლება განცალკევდეს კარგისგან. ადრე დაზიანებული კრისტალები ფიზიკურად აღინიშნებოდა, ახლა კი ამის საჭიროება არ არის, ყველა ინფორმაცია ინახება ერთ მონაცემთა ბაზაში.

კრისტალური სამაგრი

შემდეგ ფუნქციური ბირთვი უნდა იყოს მიბმული პროცესორის პაკეტზე წებოვანი მასალის გამოყენებით.

შემდეგ თქვენ უნდა გააკეთოთ მავთულის კავშირი, რომელიც აკავშირებს პაკეტის კონტაქტებს ან ფეხებს და თავად ბროლს. შეიძლება გამოყენებულ იქნას ოქროს, ალუმინის ან სპილენძის კავშირები.

თანამედროვე პროცესორების უმეტესობა იყენებს პლასტმასის შეფუთვას სითბოს გამავრცელებლით.

როგორც წესი, ბირთვი მოთავსებულია კერამიკულში ან პლასტმასში დაზიანების თავიდან ასაცილებლად. თანამედროვე პროცესორები აღჭურვილია ეგრეთ წოდებული სითბოს გამავრცელებელით, რომელიც უზრუნველყოფს ჩიპის დამატებით დაცვას, ასევე ქულერთან უფრო დიდ კონტაქტურ ზედაპირს.

CPU ტესტირება

ბოლო ეტაპი მოიცავს პროცესორის ტესტირებას, რომელიც ხდება მაღალ ტემპერატურაზე, პროცესორის სპეციფიკაციების შესაბამისად. პროცესორი ავტომატურად დაინსტალირდება სატესტო სოკეტში, რის შემდეგაც ხდება ყველა საჭირო ფუნქციის ანალიზი.

დიდი საქმეები იწყება პატარა. ეს განცხადება ბევრ რამეში მართალია, მაგრამ ამ სტატიაში ვისაუბრებთ მიკროპროცესორების წარმოებაზე, რომლებიც ჩაყრილია მრავალფეროვან საყოფაცხოვრებო ტექნიკაში, რომელიც გარშემორტყმულია, სმარტფონებიდან მაცივრებამდე.

ნედლეულის მომზადება

უპირველეს ყოვლისა, "ტექნიკური" სილიციუმი მიიღება ზოგიერთ კარიერში შეგროვებული ქვიშისგან მაღალ ტემპერატურაზე მინერალში ნახშირბადის დამატებით. შედეგად მიღებული სილიციუმი აღწევს 98%-იან სისუფთავეს, მაგრამ მაინც სრულიად უვარგისია ელექტრონიკის აპლიკაციებისთვის და საჭიროებს დამატებით ქლორის დამუშავებას, რომ გახდეს "ელექტრონული სილიკონი". ქლორთან ქიმიური რეაქციების კასკადის დროს, სილიციუმი ფაქტიურად ხელახლა სინთეზირდება, ათავისუფლებს მინარევების ბოლო კვალს.

მხოლოდ ამის შემდეგ ჭურჭელი ყველაზე სუფთა ელექტრონული სილიკონით მოთავსებულია არგონით სავსე დახურულ ღუმელში. რა თქმა უნდა, შესაძლებელი იქნებოდა მისგან ჰაერის ამოტუმბვა, მაგრამ დედამიწაზე სრულყოფილი ვაკუუმის შექმნა ძალიან რთულია, თუ არა შეუძლებელი და ქიმიური თვალსაზრისით, არგონი თითქმის იგივე ეფექტს იძლევა. ეს ინერტული გაზი ცვლის ჟანგბადს, იცავს შემადგენლობას დაჟანგვისგან და არანაირად არ რეაგირებს ჭურჭელში არსებულ სილიციონთან.

მხოლოდ ამის შემდეგ თბება ყოფილი ქვიშა 1420 გრადუს ცელსიუსამდე, რაც მხოლოდ 6 გრადუსით აღემატება დნობის წერტილს. ამისათვის გამოიყენება გრაფიტის გამათბობელი. მასალის არჩევანი, როგორც კვარცის ჭურჭლის შემთხვევაში, განპირობებულია იმით, რომ გრაფიტი არ რეაგირებს სილიკონთან და, შესაბამისად, არ შეუძლია დააბინძუროს მომავალი პროცესორის მასალა.

თხელი სილიკონის თესლის კრისტალი, ფანქრის ზომისა და ფორმის, დაშვებულია გახურებულ ჭურჭელში. მან უნდა დაიწყოს კრისტალიზაციის პროცესი. შემდეგი რეპროდუცირება შესაძლებელია სახლში მარილის, შაქრის, ლიმონმჟავას ან, მაგალითად, სპილენძის სულფატის ხსნარით. გამაგრილებელი ხსნარი იწყებს კრისტალიზაციას თესლის წერტილის ირგვლივ და ქმნის იდეალურ მოლეკულურ გისოსს. ასე იზრდება მარილის კრისტალები და ასე იზრდება სილიციუმი.

სილიციუმის სათესლე კრისტალს თანდათან აყრიან ჭურჭლიდან, წუთში დაახლოებით ერთნახევარი მილიმეტრის სიჩქარით და მასთან ერთად ამოდის მზარდი ერთკრისტალი ხსნარიდან. კრისტალების ზრდა ნელია და საშუალოდ 26 საათს სჭირდება თითო ჭურჭელში, ამიტომ წარმოება მუშაობს საათის გარშემო.

ამ დროის განმავლობაში წარმოიქმნება "ბულე" - მყარი ცილინდრული კრისტალი, რომლის დიამეტრი 300 მილიმეტრია, სიგრძე 1-2 მეტრამდე და წონა დაახლოებით 100 კილოგრამი. თუ მას მაღალი გადიდების ქვეშ შეხედავთ, დაინახავთ მკაცრ სტრუქტურას - სილიციუმის ატომების იდეალურ კრისტალურ გისოსს, სრულიად ერთგვაროვან მთელ მოცულობას.

კრისტალი იმდენად ძლიერია, რომ მის წონას შეუძლია მხოლოდ 3 მილიმეტრის დიამეტრის ძაფით დამაგრება. ასე რომ, პროცესორებისთვის დასრულებული სამუშაო ნაწილი ამოღებულია ჭურჭლიდან იმავე სათესლე ბროლით.

თუმცა, ბოულს უფრო ფრთხილად ამუშავებენ, ვიდრე ანტიკვარული ვაზა; კრისტალი უძლებს უზარმაზარ დაჭიმულ დატვირთვას, მაგრამ უკიდურესად მყიფეა.

ქიმიური და რენტგენოლოგიური გამოკვლევის შემდეგ, ბროლის სისუფთავისა და მოლეკულური გისოსის სისწორის შესამოწმებლად, სამუშაო ნაწილი მოთავსებულია სილიკონის საჭრელ მანქანაში. იგი ჭრის კრისტალს დაახლოებით 1 მილიმეტრის სისქის ვაფლებად ალმასით დაფარული მავთულის ხერხის გამოყენებით.

რა თქმა უნდა, ეს არ მოდის დაზიანების გარეშე. რაც არ უნდა ბასრი იყოს ხერხი, ჭრის შემდეგ ფირფიტების ზედაპირზე რჩება მიკროსკოპული დეფექტები. ასე რომ, დაჭრას მოჰყვება გაპრიალების ეტაპი.

მაგრამ მძლავრი სახეხი მანქანაში დამუშავების შემდეგაც კი, სილიკონის ვაფლები ჯერ კიდევ არ არის საკმარისად გლუვი მიკროჩიპების წარმოებისთვის გამოსაყენებლად. ამიტომ, გაპრიალება მეორდება ისევ და ისევ ქიმიური რეაგენტების გამოყენებით.

შედეგი არის ზედაპირი, რომელთანაც სარკე წააგავს უხეში ქვიშას. ასეთი ფირფიტა, შესვენებისა და მიკროდეფექტების გარეშე, ხდება საფუძველი მილიონობით მიკროელექტრონული მოწყობილობისთვის, რომლებიც ქმნიან მიკროსქემს. მტვრისგან გაწმენდილი სილიკონის დისკები, რომლებსაც ჩვეულებრივ უწოდებენ "ვაფლებს" ან "ვაფლებს", იგზავნება სუფთა ოთახში დახურულ კონტეინერებში.

სუფთა ოთახში

1958 წელს ინტეგრირებული მიკროსქემის გამომგონებელმა ჯეკ კირბიმ მოახერხა გარღვევის მიღწევა თავის წრეზე ერთი ტრანზისტორის განთავსებით. დღესდღეობით, მიკროპროცესორის ლოგიკური ელემენტების რაოდენობამ მილიარდს გადააჭარბა და მურის კანონის შესაბამისად ყოველ ორ წელიწადში ორჯერ იზრდება.

ასეთ მიკროსკოპულ ნაწილებთან მუშაობა სერიოზულ გამოწვევას უქმნის ჩიპების მწარმოებლებს, რადგან მტვრის ერთ ნაწილსაც კი შეუძლია გაანადგუროს მომავალი პროდუქტი. ამიტომ, რამდენიმე ათასი კვადრატული მეტრის ფართობის სახელოსნოები მთლიანად იზოლირებულია გარე სამყაროსგან და აღჭურვილია ჰაერის გამწმენდი და კონდიცირების დახვეწილი სისტემებით, რაც მას 10000-ჯერ უფრო სუფთას ხდის, ვიდრე ქირურგიულ პალატაში.

ასეთ სუფთა ოთახში მომუშავე ყველა სპეციალისტი არა მხოლოდ ინარჩუნებს სტერილურობას, არამედ ატარებს ანტისტატიკური მასალებისგან, ნიღბებისა და ხელთათმანებისგან დამზადებულ დამცავ კოსტიუმებს. და მაინც, დეფექტების რისკის შესამცირებლად ყველა სიფრთხილის მიუხედავად, პროცესორის მწარმოებელი კომპანიები ცდილობენ რაც შეიძლება მეტი სამუშაოს ავტომატიზაციას სუფთა ოთახში შესრულებული სამუშაოს აუთსორსინგით სამრეწველო რობოტებზე.

გადამყვან ქამარზე გადაიდო პროცესორების წარმოების პროცესი. დალუქულ ყუთში მიწოდებული, იდეალურად გლუვი "wayfer" გადის 400-500 ტექნოლოგიურ ოპერაციას და ტოვებს სახელოსნოს მხოლოდ რამდენიმე თვის შემდეგ მზა მიკროჩიპის სახით.

„ვაფლისგან“ მიკროჩიპის შექმნა გულისხმობს ძალიან რთული ტექნოლოგიური ჯაჭვის აგებას, რომლის დეტალური აღწერა შეუძლებელია სტატიის მოცულობის შეზღუდვის გამო. მაშინაც კი, თუ ისინი არ არსებობდნენ, კომპანიები, როგორიცაა Intel და AMD არ ჩქარობენ თავიანთი წარმოების საიდუმლოების გაზიარებას. კომპანიების დიზაინის განყოფილებებში შექმნილია პროცესორის ელემენტების შედარებითი მოწყობის რთული სამგანზომილებიანი დიაგრამები - ჩიპური ტოპოლოგიები. ისინი წარმოადგენენ ელემენტების მრავალ დონის დაგროვებას, რომელიც იყოფა ფენებად და დეპონირებულია ფენა-ფენად სილიკონის სუბსტრატზე. ამის ხელით გაკეთება, რა თქმა უნდა, შეუძლებელია, პროცესი ძალიან დელიკატურია, ელემენტები ძალიან მცირეა, ფაქტიურად ნანომეტრის ზომით.

Intel-ის მერვე თაობის პროცესორები, რომლებიც ცნობილია როგორც Coffee Lake, აღჭურვილია 14 ნანომეტრიანი ტრანზისტორებით, AMD-მა გამოაცხადა AMD Ryzen პროცესორების მეორე თაობა, კოდური სახელწოდებით Pinnacle Ridge, რომელიც აგებულია 12 ნანომეტრიან ელემენტებზე. უახლესი NVIDIA ვიდეო ბარათები ვოლტას ბირთვის არქიტექტურით ასევე აგებულია 12 ნმ ტექნოლოგიაზე. Qualcomm Snapdragon 835 ჩიპზე სისტემა კიდევ უფრო მცირეა - მხოლოდ 10 ნანომეტრი. პროცესორის ფუნქციური ელემენტების ზომების მუდმივი შემცირება და, შესაბამისად, მისი მუშაობის გაზრდა შესაძლებელია ტექნოლოგიის გაუმჯობესების წყალობით, რომელსაც ეწოდება ფოტოლითოგრაფია.

ზოგადად, ეს პროცესი შეიძლება აღწერილი იყოს შემდეგნაირად:

ჯერ სილიკონის ვაფლი დაფარულია ფუძით - მასალა, რომელიც იქნება მომავალი წრედის ნაწილი, შემდეგ კი ქიმიური რეაგენტი, რომელიც მგრძნობიარეა სინათლის მიმართ, ზემოდან თანაბარ ფენად გამოიყენება. ეს კომპოზიცია ყველაფერს გააკეთებს, მაგრამ საქმე მოგვიანებით მოვა.

პირველი, მჭიდროდ დაცული დეტალური პროცესორის დიზაინი ამოღებულია კორპორატიული არქივიდან. მისი ქვედა ფენა წარმოდგენილია ნეგატივის სახით და გადატანილია ფოტომასკზე - დამცავ ფირფიტაზე, რომელიც მოქმედებს შაბლონის მსგავსად. ის მნიშვნელოვნად აღემატება ჩიპს, ამიტომ მასში გამავალი შუქი ფოკუსირებულია რთული ლინზების სისტემის გამოყენებით, რაც ამცირებს დაპროექტებულ სურათს სასურველ ზომამდე.

იმ ადგილებში, სადაც სინათლე არ აღწევს სილიკონს, ვაფლი ხელუხლებელი რჩება, განათებულ ადგილებში ის იწყებს რეაქციას ქიმიურ რეაგენტში, ცვლის მის თვისებებს. შემდეგ მომავალი პროცესორი დამუშავდება სხვა შემადგენლობით და ეს უბნები დაიშლება და დარჩება მხოლოდ ის ადგილები, რომლებიც არ იყო გამოვლენილი. ისინი ქმნიან პროცესორის გამტარ ლოგიკურ ელემენტებს.

ამის შემდეგ, ვაფლზე დაიდება დიელექტრიკის ფენა და ზემოდან დაემატება ახალი პროცესორის კომპონენტები, ისევ ფოტოლითოგრაფიის გამოყენებით.

ზოგიერთი ფენა თბება, ზოგი ექვემდებარება იონიზებულ პლაზმას, ზოგი კი დაფარულია ლითონისგან. თითოეული ტიპის დამუშავება ცვლის ფენის თვისებებს და ნელ-ნელა ქმნის თავსატეხის ნაწილს, რომელიც აყალიბებს ჩიპის კონკრეტულ მოდელს. შედეგი არის ერთგვარი ფენის ნამცხვარი, სადაც თითოეულ ფენას აქვს თავისი ფუნქციონირება და ისინი ერთმანეთთან კომპლექსურად არის დაკავშირებული სპილენძის ატომების „ტრეკების“ მეშვეობით, რომლებიც დეპონირდება სპილენძის სულფატის ხსნარის სილიკონის სუბსტრატზე და გადის ელექტრო დენს. ის.

ეს არის დამუშავების ბოლო ეტაპი, რის შემდეგაც მიკროჩიპები მოწმდება ფუნქციონალურობაზე. მიუხედავად ყველა სიფრთხილისა და მრავალდღიანი ძალისხმევისა, დეფექტების მაჩვენებელი მაღალი რჩება. რობოტები შეარჩევენ და ამოჭრიან მხოლოდ 100% ეფექტურ ჩიპებს სილიკონის ვაფლისგან.
ისინი დალაგდება ენერგოეფექტურობის, მიმდინარე და მაქსიმალური ოპერაციული სიხშირის მიხედვით, მიენიჭება სხვადასხვა დანიშნულება და საბოლოოდ გაიყიდება სხვადასხვა ფასად.

დასრულება

მომხმარებლებისკენ მიმავალ გზაზე, პროცესორები ტოვებენ სუფთა ოთახს და იგზავნება ასამბლეის ხაზზე, სადაც მზა ჩიპი წებდება კვადრატზე, რომელსაც ეწოდება სუბსტრატი. კრისტალი მასზე შედუღებულია სპეციალურ ღუმელში 360 გრადუს ცელსიუს ტემპერატურაზე.

შემდეგ ჩიპი დაფარულია სახურავით. ის ემსახურება როგორც ჯერ კიდევ მყიფე სილიკონის დაცვას დაზიანებისგან და ასევე მისგან სითბოს მოცილებას. თქვენ ალბათ კარგად წარმოიდგენთ; გაგრილების სისტემის ძირი, იქნება ეს გამაგრილებელი თუ წყლის გაგრილების სისტემის სითბოს გადამცვლელი, დაჭერილი იქნება საფარზე. ეს არანაკლებ მნიშვნელოვანი ეტაპია, ვიდრე წინა. ყოველივე ამის შემდეგ, მისი მუშაობის სტაბილურობა და სიჩქარე და მისი მომავალი მაქსიმალური შესრულება დიდწილად დამოკიდებულია იმაზე, თუ რამდენად კარგად აშორებს პროცესორის საფარი ჩიპს სითბოს.

ძველი Intel პროცესორები სიტყვასიტყვით იყო მიმაგრებული სითბოს განაწილების საფარებზე. თუმცა, საკუთრებაში არსებული ჩიპების უახლესი თაობები იღებენ თერმული ინტერფეისის შუასადებს კრისტალსა და საფარს შორის და უფრო ცუდად გაცივდებიან, რაც დიდად აღელვებს კომპიუტერული ტექნიკის მოყვარულებს, რომელთაც სურთ მაქსიმალური სარგებლობის მიღება მათი შენაძენიდან. საქმე იქამდეა მიღწეული, რომ პროცესორებს „სკალპს აფარებენ“ - ისინი დამოუკიდებლად აშორებენ მათგან სითბოს გამავრცელებელს და ანაცვლებენ თერმული ინტერფეისს უფრო ეფექტურით. ოღონდ ოვერკლიკირების ხრიკებით ნუ გავფანტავთ ყურადღებას, რადგან პროცესორი ჯერ არ არის მზად.

დასკვნითი ეტაპი არის ელექტრული კონტაქტების შექმნა, რომელიც დააკავშირებს მიკროპროცესორს კომპიუტერის დედაპლატთან. როგორც წესი, ამისთვის კეთდება თუნუქის ცილინდრები, პროცესორის ეგრეთ წოდებული „ფეხები“, რომლებიც ჯერ წებოვანია და შემდეგ შედუღებულია სუბსტრატზე, სადაც მათთვის ადგილები წინასწარ არის გათვალისწინებული. დიდი რაოდენობით შეერთების მიკროჩიპებისთვის, ხანდახან ფეხების ნაცვლად გამოიყენება პატარა თუნუქის ბურთულები, რადგან ისინი უფრო ძლიერი და საიმედოა, მაგრამ ახლახანს დაიწყეს მათი მიტოვება მარტივი საკონტაქტო ბალიშების სასარგებლოდ.

დასრულებული მიკროჩიპი ირეცხება წყლისა და გამხსნელის ხსნარში ზედმეტი ნაკადის და ჭუჭყის მოსაშორებლად, შემდეგ კი ტარდება შესრულებული სამუშაოს საბოლოო ხარისხის შემოწმება. ეს შეიძლება განსხვავდებოდეს შესრულების სტრეს ტესტებიდან, როგორიცაა სუფთა ოთახში, უფრო მძიმე ტესტებამდე. ამრიგად, ჩიპები, რომლებიც განკუთვნილია ექსტრემალურ პირობებში მუშაობისთვის, მაგალითად, კოსმოსურ და სამხედრო მრეწველობაში, მოთავსებულია დალუქული კერამიკულ სახლებში და განმეორებით ტესტირება ექსტრემალურ ტემპერატურაზე ვაკუუმ კამერებში.

შემდეგ, მიკროპროცესორის დანიშნულებიდან გამომდინარე, ის იგზავნება პირდაპირ მომხმარებლების ხელში, შემდეგ კი დედაპლატების სოკეტებში, ან სხვა ქარხნებში, სადაც პატარა სილიკონის კრისტალი თავის ადგილს დაიკავებს ვიდეო ბარათის კომპიუტერის დაფაზე. , კოსმოსური თანამგზავრი, ჭკვიანი მაცივარი, ან შესაძლოა სმარტფონის ყუთში აღმოჩნდეს.

მიკროსქემების წარმოება ძალიან რთული საქმეა და ამ ბაზრის ჩაკეტილობა, პირველ რიგში, ნაკარნახევია დღეს დომინანტური ფოტოლითოგრაფიის ტექნოლოგიის მახასიათებლებით. მიკროსკოპული ელექტრონული სქემები დაპროექტებულია სილიკონის ვაფლზე ფოტონიღბების საშუალებით, რომელთაგან თითოეულის ღირებულება 200 000 დოლარს აღწევს, იმავდროულად, ერთი ჩიპის დასამზადებლად საჭიროა მინიმუმ 50 ასეთი ნიღაბი. ამას დაუმატეთ „ცდისა და შეცდომის“ ღირებულება ახალი მოდელების შემუშავებისას და მიხვდებით, რომ მხოლოდ ძალიან დიდ კომპანიებს შეუძლიათ აწარმოონ პროცესორები ძალიან დიდი რაოდენობით.

რა უნდა გააკეთონ სამეცნიერო ლაბორატორიებმა და მაღალტექნოლოგიური სტარტაპებმა, რომლებსაც არასტანდარტული დიზაინი სჭირდებათ? რა ვუყოთ სამხედროებს, ვისთვისაც "სავარაუდო მტრისგან" პროცესორების ყიდვა, რბილად რომ ვთქვათ, არ არის comme il faut?

ჩვენ ვეწვიეთ ჰოლანდიური კომპანიის Mapper-ის რუსულ საწარმოს, რომლის წყალობითაც მიკროსქემების წარმოება შეიძლება შეწყდეს ციურ სამყაროს და იქცეს უბრალო მოკვდავთა საქმიანობად. კარგად, ან თითქმის მარტივი. აქ, მოსკოვის ტექნოპოლისის ტერიტორიაზე, კორპორაციის Rusnano-ს ფინანსური მხარდაჭერით, იწარმოება Mapper-ის ტექნოლოგიის ძირითადი კომპონენტი - ელექტრონულ-ოპტიკური სისტემა.

თუმცა, სანამ Mapper-ის ნიღბიანი ლითოგრაფიის ნიუანსებს გავიგებთ, ღირს ჩვეულებრივი ფოტოლითოგრაფიის საფუძვლების გახსენება.

მოუხერხებელი სინათლე

თანამედროვე Intel Core i7 პროცესორი შეიძლება შეიცავდეს დაახლოებით 2 მილიარდ ტრანზისტორს (დამოკიდებულია მოდელზე), რომელთაგან თითოეული არის 14 ნმ ზომის. გამოთვლითი სიმძლავრის მისაღწევად, მწარმოებლები ყოველწლიურად ამცირებენ ტრანზისტორების ზომას და ზრდის მათ რაოდენობას. ამ რასის სავარაუდო ტექნოლოგიური ზღვარი შეიძლება ჩაითვალოს 5 ნმ: ასეთ დისტანციებზე იწყება კვანტური ეფექტების გამოჩენა, რის გამოც მეზობელ უჯრედებში ელექტრონები შეიძლება არაპროგნოზირებად მოიქცნენ.

მიკროსკოპული ნახევარგამტარული სტრუქტურების სილიკონის ვაფლზე დასაფენად, ისინი იყენებენ ფოტოგრაფიული გამდიდრების მსგავს პროცესს. თუ მისი მიზანი საპირისპირო არ არის - გამოსახულება რაც შეიძლება პატარა გახადოს. ფირფიტა (ან დამცავი ფილმი) დაფარულია ფოტორეზისტით - პოლიმერული ფოტომგრძნობიარე მასალით, რომელიც იცვლის თავის თვისებებს სინათლით დასხივებისას. საჭირო ჩიპის ნიმუში ექვემდებარება ფოტორეზისტს ნიღბისა და შემგროვებელი ლინზის მეშვეობით. ნაბეჭდი ვაფლები, როგორც წესი, ოთხჯერ უფრო მცირეა, ვიდრე ნიღბები.

ისეთ ნივთიერებებს, როგორიცაა სილიციუმი ან გერმანიუმი, აქვთ ოთხი ელექტრონი გარე ენერგიის დონეზე. ისინი ქმნიან ლამაზ კრისტალებს, რომლებიც ლითონის მსგავსია. მაგრამ, ლითონისგან განსხვავებით, ისინი არ ატარებენ ელექტროენერგიას: მათი ყველა ელექტრონი ჩართულია მძლავრ კოვალენტურ ბმებში და ვერ მოძრაობს. თუმცა, ყველაფერი შეიცვლება, თუ მათ დაუმატებთ მცირე დონორულ მინარევებს გარე დონეზე ხუთი ელექტრონის მქონე ნივთიერებისგან (ფოსფორი ან დარიშხანი). ოთხი ელექტრონი უკავშირდება სილიკონს, რის გამოც ერთი თავისუფალია. სილიკონი დონორის მინარევით (n-ტიპი) კარგი გამტარია. თუ გარე დონეზე სამი ელექტრონის მქონე ნივთიერებიდან (ბორი, ინდიუმი) მიღებულ მინარევს დაამატებთ სილიკონს, ანალოგიურად წარმოიქმნება "ხვრელები", დადებითი მუხტის ვირტუალური ანალოგი. ამ შემთხვევაში ვსაუბრობთ p-ტიპის ნახევარგამტარზე. p და n ტიპის გამტარების შეერთებით ვიღებთ დიოდს - ნახევარგამტარ მოწყობილობას, რომელიც დენს მხოლოდ ერთი მიმართულებით გადის. p-n-p ან n-p-n კომბინაცია გვაძლევს ტრანზისტორს - მასში დენი გადის მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ გარკვეული ძაბვა მიემართება ცენტრალურ გამტარზე.

სინათლის დიფრაქცია თავისებურად არეგულირებს ამ პროცესს: ნიღბის ხვრელების გავლისას სხივი ოდნავ ირღვევა და ერთი წერტილის ნაცვლად, კონცენტრული წრეების სერია იხსნება, თითქოს აუზში ჩაგდებული ქვისგან. . საბედნიეროდ, დიფრაქცია უკუკავშირშია ტალღის სიგრძესთან, რაც ინჟინრები სარგებლობენ ულტრაიისფერი სინათლის გამოყენებით ტალღის სიგრძე 195 ნმ. რატომ არც ნაკლები? უბრალოდ, უფრო მოკლე ტალღას შემგროვებელი ლინზა არ გადაიტეხავს, ​​სხივები გაივლის ფოკუსირების გარეშე. ასევე შეუძლებელია ლინზების შეგროვების უნარის გაზრდა - სფერული აბერაცია ამას არ დაუშვებს: თითოეული სხივი გაივლის ოპტიკურ ღერძს თავის წერტილში, არღვევს ფოკუსირებას.

მაქსიმალური კონტურის სიგანე, რომლის გადაღებაც შესაძლებელია ფოტოლითოგრაფიის გამოყენებით, არის 70 ნმ. უფრო მაღალი გარჩევადობის ჩიპები იბეჭდება რამდენიმე ეტაპად: გამოიყენება 70 ნანომეტრიანი კონტურები, ირთვება წრედი და შემდეგ იხსნება შემდეგი ნაწილი ახალი ნიღბის საშუალებით.

ამჟამად განვითარებაშია ღრმა ულტრაიისფერი ფოტოლითოგრაფიის ტექნოლოგია, რომელიც იყენებს სინათლის ექსტრემალური ტალღის სიგრძით დაახლოებით 13,5 ნმ. ტექნოლოგია გულისხმობს ვაკუუმური და მრავალშრიანი სარკეების გამოყენებას ასახვით, რომელიც დაფუძნებულია ფენების ჩარევაზე. ნიღაბი ასევე არ იქნება გამჭვირვალე, არამედ ამრეკლავი ელემენტი. სარკეები თავისუფალია გარდატეხის ფენომენისგან, ამიტომ მათ შეუძლიათ ნებისმიერი ტალღის სიგრძის სინათლეზე მუშაობა. მაგრამ ამ დროისთვის ეს მხოლოდ კონცეფციაა, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას მომავალში.

როგორ მზადდება დღეს პროცესორები

იდეალურად გაპრიალებული მრგვალი სილიკონის ვაფლი 30 სმ დიამეტრით დაფარულია ფოტორეზისტის თხელი ფენით. ცენტრიდანული ძალა ხელს უწყობს ფოტორეზისტის თანაბრად განაწილებას.

მომავალი წრე ექვემდებარება ფოტორეზისტს ნიღბის საშუალებით. ეს პროცესი ბევრჯერ მეორდება, რადგან ერთი ვაფლისგან ბევრი ჩიპი იწარმოება.

ფოტორეზისტის ნაწილი, რომელიც ექვემდებარება ულტრაიისფერ გამოსხივებას, ხდება ხსნადი და ადვილად მოიხსნება ქიმიკატების გამოყენებით.

სილიკონის ვაფლის ის ადგილები, რომლებიც არ არის დაცული ფოტორეზისტით, ქიმიურად არის ამოტვიფრული. მათ ადგილას წარმოიქმნება დეპრესიები.

ფოტორეზისტის ფენა კვლავ გამოიყენება ვაფლზე. ამჯერად, ექსპოზიცია ავლენს იმ უბნებს, რომლებიც ექვემდებარება იონური დაბომბვას.

ელექტრული ველის გავლენით მინარევების იონები აჩქარებენ 300000 კმ/სთ-ზე მეტ სიჩქარეს და შეაღწევენ სილიციუმს, რაც მას ნახევარგამტარის თვისებებს აძლევს.

დარჩენილი ფოტორეზისტის მოხსნის შემდეგ, დასრულებული ტრანზისტორები რჩება ვაფლზე. ზემოდან გამოიყენება დიელექტრიკის ფენა, რომელშიც კონტაქტების ხვრელები იჭრება იმავე ტექნოლოგიით.

ფირფიტა მოთავსებულია სპილენძის სულფატის ხსნარში და მასზე გამტარი ფენა გამოიყენება ელექტროლიზის გამოყენებით. შემდეგ მთელი ფენა ამოღებულია სახეხით, მაგრამ ნახვრეტებში კონტაქტები რჩება.

კონტაქტები დაკავშირებულია ლითონის "მავთულის" მრავალსართულიანი ქსელით. "სართულების" რაოდენობამ შეიძლება მიაღწიოს 20-ს, ხოლო საერთო გაყვანილობის დიაგრამას ეწოდება პროცესორის არქიტექტურა.

მხოლოდ ახლა ფირფიტა იჭრება მრავალ ინდივიდუალურ ჩიპებად. თითოეული "კრისტალი" შემოწმებულია და მხოლოდ ამის შემდეგ დამონტაჟებულია დაფაზე კონტაქტებით და დაფარულია ვერცხლის რადიატორის თავსახურით.

13000 ტელევიზორი

ფოტოლითოგრაფიის ალტერნატივაა ელექტროლითოგრაფია, როდესაც ექსპოზიცია ხდება არა სინათლით, არამედ ელექტრონებით და არა ფოტორეზისტით, არამედ ელექტრორეზისტით. ელექტრონული სხივი ადვილად ფოკუსირებულია მინიმალურ ზომამდე, 1 ნმ-მდე. ტექნოლოგია ტელევიზორზე კათოდური სხივის მილის მსგავსია: ელექტრონების ფოკუსირებული ნაკადი გადახრილია საკონტროლო ხვეულებით, ასახავს სურათს სილიკონის ვაფლზე.

ბოლო დრომდე, ეს ტექნოლოგია კონკურენციას ვერ უწევდა ტრადიციულ მეთოდს დაბალი სიჩქარის გამო. იმისთვის, რომ ელექტრორეზისტმა რეაგირება მოახდინოს დასხივებაზე, მან უნდა მიიღოს ელექტრონების გარკვეული რაოდენობა ერთეულ ფართობზე, ასე რომ, ერთ სხივს შეუძლია საუკეთესოდ გამოაშკარავოს 1 სმ2/სთ. ეს მისაღებია ლაბორატორიებიდან ერთჯერადი შეკვეთებისთვის, მაგრამ არ გამოიყენება ინდუსტრიაში.

სამწუხაროდ, შეუძლებელია პრობლემის გადაჭრა სხივის ენერგიის გაზრდით: მუხტების მსგავსად იგერიებენ ერთმანეთს, ამიტომ დენი იზრდება, ელექტრონული სხივი ფართოვდება. მაგრამ თქვენ შეგიძლიათ გაზარდოთ სხივების რაოდენობა ერთდროულად რამდენიმე ზონის გამოვლენით. და თუ რამდენიმე არის 13000, როგორც Mapper ტექნოლოგიაში, მაშინ, გათვლებით, შესაძლებელია საათში ათი სრულფასოვანი ჩიპის დაბეჭდვა.

რა თქმა უნდა, 13000 კათოდური მილის ერთ მოწყობილობაში გაერთიანება შეუძლებელი იქნებოდა. Mapper-ის შემთხვევაში, წყაროდან გამოსხივება მიმართულია კოლიმატორის ლინზაზე, რომელიც ქმნის ელექტრონების ფართო პარალელურ სხივს. მის გზაზე დგას დიაფრაგმის მატრიცა, რომელიც აქცევს მას 13000 ცალკეულ სხივად. სხივები გადის ბლანკერ მატრიცაში - სილიკონის ვაფლი 13000 ნახვრეტით. გადახრის ელექტროდი მდებარეობს თითოეულ მათგანთან ახლოს. თუ მასზე დენი მიეწოდება, ელექტრონებს "გამოტოვებენ" თავიანთ ხვრელს და 13000 სხივიდან ერთ-ერთი გამორთულია.

ბლანკერების გავლის შემდეგ, სხივები მიმართულია დეფლექტორების მატრიცისკენ, რომელთაგან თითოეულს შეუძლია გადაიტანოს თავისი სხივი რამდენიმე მიკრონი მარჯვნივ ან მარცხნივ, ფირფიტის მოძრაობასთან შედარებით (ასე რომ Mapper მაინც წააგავს 13000 სურათის მილს). და ბოლოს, თითოეული სხივი შემდგომში ფოკუსირებულია საკუთარი მიკროლინზით და შემდეგ მიმართულია ელექტრორეზისტზე. დღეისათვის Mapper ტექნოლოგია გამოცდილია ფრანგულ მიკროელექტრონულ კვლევით ინსტიტუტში CEA-Leti და TSMC-ში, რომელიც აწარმოებს მიკროპროცესორებს ბაზრის წამყვანი მოთამაშეებისთვის (მათ შორის Apple iPhone 6S). სისტემის ძირითადი კომპონენტები, მათ შორის სილიკონის ელექტრონული ლინზები, იწარმოება მოსკოვის ქარხანაში.

Mapper ტექნოლოგია ახალ პერსპექტივებს გვპირდება არა მხოლოდ კვლევით ლაბორატორიებსა და მცირე (მათ შორის სამხედრო) წარმოებას, არამედ დიდ მოთამაშეებსაც. ამჟამად ახალი პროცესორების პროტოტიპების შესამოწმებლად აუცილებელია ზუსტად იგივე ფოტო ნიღბების დამზადება, რაც მასობრივი წარმოებისთვის. სქემების პროტოტიპის შედარებით სწრაფად შექმნის შესაძლებლობა გვპირდება არა მხოლოდ განვითარების ხარჯების შემცირებას, არამედ ამ სფეროში პროგრესის დაჩქარებას. რაც საბოლოოდ სარგებლობს ელექტრონიკის მასობრივ მომხმარებელს, ანუ ყველა ჩვენგანს.

პროცესორიეს არის ნებისმიერი თანამედროვე კომპიუტერის გული. ნებისმიერი მიკროპროცესორი არსებითად არის დიდი ინტეგრირებული წრე, რომელზედაც განლაგებულია ტრანზისტორები. ელექტრული დენის გავლის საშუალებით, ტრანზისტორები საშუალებას გაძლევთ შექმნათ ორობითი ლოგიკური (ჩართვა - გამორთვა) გამოთვლები. თანამედროვე პროცესორები დაფუძნებულია 45 ნმ ტექნოლოგიაზე. 45 ნმ (ნანომეტრი) არის ერთი ტრანზისტორის ზომა, რომელიც მდებარეობს პროცესორის ვაფლზე. ბოლო დრომდე ძირითადად გამოიყენებოდა 90 ნმ ტექნოლოგია.

ვაფლები მზადდება სილიკონისგან, რომელიც სიდიდით მეორე საბადოა დედამიწის ქერქში.

სილიციუმი მიიღება ქიმიური დამუშავებით, ასუფთავებს მას მინარევებისაგან. ამის შემდეგ, ისინი იწყებენ მის დნობას, ქმნიან სილიკონის ცილინდრს, რომლის დიამეტრი 300 მილიმეტრია. ეს ცილინდრი შემდგომში იჭრება ფირფიტებად ბრილიანტის ძაფით. თითოეული ფირფიტის სისქე დაახლოებით 1 მმ-ია. იმისათვის, რომ ფირფიტას ჰქონდეს იდეალური ზედაპირი, ძაფით გაჭრის შემდეგ მას აფქვავთ სპეციალური სახეხი მანქანით.

ამის შემდეგ სილიკონის ვაფლის ზედაპირი იდეალურად გლუვია. სხვათა შორის, ბევრმა მწარმოებელმა კომპანიამ უკვე გამოაცხადა 450 მმ ფირფიტებით მუშაობის შესაძლებლობა. რაც უფრო დიდია ზედაპირი, მით მეტია მოსათავსებელი ტრანზისტორების რაოდენობა და უფრო მაღალია პროცესორის შესრულება.

პროცესორიშედგება სილიკონის ვაფლისგან, რომლის ზედაპირზე არის ტრანზისტორების ცხრა ფენა, გამოყოფილი ოქსიდის ფენებით იზოლაციისთვის.

პროცესორის ტექნოლოგიის განვითარება

გორდონ მურმა, Intel-ის ერთ-ერთმა დამფუძნებელმა, ერთ-ერთმა ლიდერმა პროცესორების წარმოებაში მსოფლიოში, 1965 წელს, მისი დაკვირვების საფუძველზე, აღმოაჩინა კანონი, რომლის მიხედვითაც პროცესორებისა და ჩიპების ახალი მოდელები დროის თანაბარ ინტერვალებში ჩნდებოდა. პროცესორებში ტრანზისტორების რაოდენობა დაახლოებით 2-ჯერ იზრდება 2 წელიწადში. უკვე 40 წელია, გორდონ მურის კანონი დამახინჯების გარეშე მუშაობს. სამომავლო ტექნოლოგიების განვითარება უკვე ახლოსაა - უკვე მუშაობს პროტოტიპები, რომლებიც დაფუძნებულია 32 ნმ და 22 ნმ პროცესორის წარმოების ტექნოლოგიებზე. 2004 წლის შუა რიცხვებამდე პროცესორის სიმძლავრე ძირითადად პროცესორის სიხშირეზე იყო დამოკიდებული, მაგრამ 2005 წლიდან პროცესორის სიხშირე პრაქტიკულად შეჩერდა. გამოჩნდა ახალი მრავალბირთვიანი პროცესორის ტექნოლოგია. ანუ იქმნება რამდენიმე პროცესორის ბირთვი თანაბარი საათის სიხშირით და მუშაობის დროს ბირთვების სიმძლავრე ჯამდება. ეს ზრდის პროცესორის მთლიან სიმძლავრეს.

ქვემოთ შეგიძლიათ ნახოთ ვიდეო პროცესორების წარმოების შესახებ.

ეს შეიძლება სულელურ კითხვად მოგეჩვენოთ, რომელზეც პასუხის გაცემა შეიძლება ერთი წინადადებით: სილიციუმი პერიოდული ცხრილის მე-14 ელემენტია. თუმცა, სილიკონი ყველაზე ხშირად ნახსენებია ელექტრონიკის ვებსაიტებზე, რადგან ის არა მხოლოდ სამშენებლო მასალების უმრავლესობის მთავარი კომპონენტია, არამედ თანამედროვე კომპიუტერული პროცესორების საფუძველი და ყველაზე სავარაუდო კანდიდატიც კი, რომ იყოს "ნახშირბადისგან თავისუფალი სიცოცხლის" სამშენებლო ბლოკი. რას აკეთებს სილიკონი? განსაკუთრებული?

სილიციუმი, როგორც სამშენებლო მასალა

ჟანგბადის შემდეგ სილიციუმი დედამიწის ქერქში ყველაზე გავრცელებული ელემენტია, მაგრამ მისი პოვნა არც ისე ადვილია, რადგან მისი სუფთა სახით თითქმის არასოდეს გვხვდება. ბუნებაში ყველაზე ხშირად გვხვდება სილიკატური SiO4 ან სილიციუმის დიოქსიდი SiO2. სილიციუმი ასევე ქვიშის მთავარი კომპონენტია. ფელდსპარი, გრანიტი, კვარცი - ისინი ყველა დაფუძნებულია სილიციუმის და ჟანგბადის ნაერთზე.

სილიციუმის ნაერთებს აქვთ სასარგებლო თვისებების ფართო სპექტრი, ძირითადად იმიტომ, რომ მათ შეუძლიათ სხვა ატომების ერთმანეთთან ძალიან მჭიდროდ დაკავშირება რთულ სტრუქტურებში. სხვადასხვა სილიკატები, როგორიცაა კალციუმის სილიკატი, წარმოადგენს ცემენტის ძირითად კომპონენტს, ბეტონის და თუნდაც თაბაშირის ძირითად შემკვრელს. ზოგიერთი სილიკატური მასალა გამოიყენება კერამიკაში და, რა თქმა უნდა, მინაში. გარდა ამისა, სილიციუმი ემატება ისეთ ნივთიერებებს, როგორიცაა თუჯის, რათა შენადნობი უფრო გამძლე იყოს.
და, დიახ, სილიციუმი ასევე არის სინთეზური მასალის სილიკონის მთავარი სტრუქტურული კომპონენტი, რის გამოც სილიკონს ხშირად ურევენ სილიკონს. ცნობილი მაგალითია სილიკონის ველი, რომელიც სინამდვილეში სილიკონია.

სილიკონი, როგორც კომპიუტერული ჩიპი

კომპიუტერული ტრანზისტორების ბაზის მასალის არჩევისას, წინააღმდეგობა იყო მთავარი ფაქტორი. გამტარებს აქვთ დაბალი წინააღმდეგობა და ძალიან ადვილად ატარებენ დენს, ხოლო იზოლატორები ბლოკავს დენს მაღალი წინააღმდეგობის გამო. ტრანზისტორი უნდა აერთიანებდეს ორივე თვისებას.
სილიციუმი არ არის ერთადერთი ნახევარგამტარი ნივთიერება დედამიწაზე - ის საუკეთესო ნახევარგამტარიც კი არ არის. თუმცა, ის ფართოდ არის ხელმისაწვდომი. მისი მიღება არ არის რთული და ადვილია მუშაობა. და რაც მთავარია, მეცნიერებმა იპოვეს საიმედო გზა მისგან შეკვეთილი კრისტალების წარმოებისთვის. ეს კრისტალები არის სილიკონი, რაც ბრილიანტია ალმასისთვის.

სრულყოფილი კრისტალების შექმნა კომპიუტერული ჩიპების წარმოების ერთ-ერთი ფუნდამენტური ასპექტია. შემდეგ ეს ჩიპები იჭრება თხელ ვაფლებად, გრავირებული, დამუშავებული და გადიან ასობით პროცესს, სანამ კომერციულ პროცესორებად გახდებიან. შესაძლებელია უკეთესი ტრანზისტორების დამზადება ნახშირბადის ან ეგზოტიკური მასალებისგან, როგორიცაა გერმანიუმი, მაგრამ არცერთი მათგანი არ მისცემს საშუალებას ასეთი მასშტაბური წარმოების ხელახლა შექმნას - ყოველ შემთხვევაში, ჯერ არა.
ამჟამად, სილიციუმის კრისტალები იქმნება 300 მმ ცილინდრებში, მაგრამ კვლევა სწრაფად უახლოვდება 450 მმ-იან ეტაპს. ამან უნდა შეამციროს წარმოების ხარჯები, მაგრამ შეინარჩუნოს ზრდის სიჩქარე. ამის მერე რა? სავარაუდოდ, ჩვენ საბოლოოდ მოგვიწევს სილიკონის გადაყრა უფრო მოწინავე მასალის სასარგებლოდ - კარგი ამბავი პროგრესისთვის, მაგრამ თითქმის რა თქმა უნდა ცუდი ამბავი თქვენი საფულესთვის.

სილიკონი, როგორც არამიწიერი სიცოცხლე

ფრაზა "ნახშირბადის ცოცხალი" საკმაოდ ხშირად იყრება, მაგრამ რას ნიშნავს ეს? ეს ნიშნავს, რომ ჩვენი სხეულის ძირითადი სტრუქტურული მოლეკულები (ცილები, ამინომჟავები, ნუკლეინის მჟავები, ცხიმოვანი მჟავები და ა.შ.) აგებულია ნახშირბადის ატომების საფუძველზე. ეს იმიტომ ხდება, რომ ნახშირბადი შეიძლება იყოს ოთხვალენტიანი. ჟანგბადს შეუძლია ერთდროულად შექმნას ორი სტაბილური ქიმიური ბმა, აზოტს მხოლოდ სამი, მაგრამ ნახშირბადს შეუძლია ერთდროულად ოთხი განსხვავებული ატომის შეკავება. ეს არის ძლიერი საფუძველი მოლეკულების მშენებლობისა და სიცოცხლის განვითარებისთვის.

იმის გამო, რომ პერიოდული ცხრილი ისეა დალაგებული, რომ ვერტიკალურ სვეტში არსებულ ელემენტებს ჰქონდეთ მსგავსი ქიმიური თვისებები - ნახშირბადის ქვემოთ კი სილიციუმია. ამიტომ ბევრი თეორეტიკოსი ყურადღებას ამახვილებს „სილიკონის სიცოცხლეზე“, მათ სასარგებლოდ ერთ-ერთი არგუმენტი არის ის ფაქტი, რომ სილიციუმი ასევე ოთხვალენტიანია.
რა თქმა უნდა, იმის გათვალისწინებით, რომ დედამიწაზე გაცილებით მეტი სილიციუმია, ვიდრე ნახშირბადი, უნდა არსებობდეს კარგი მიზეზი იმისა, რომ ორგანული სიცოცხლე ნახშირბადზეა აგებული. და აქ ჩვენ კვლავ უნდა მივმართოთ პერიოდულ ცხრილს. ელემენტებს, რომლებიც ვერტიკალურად დაბლაა, აქვთ უფრო მძიმე ბირთვები და უფრო დიდი ელექტრონული გარსი, ამიტომ სილიკონის ზომა ნაკლებად შესაფერისია ზუსტი ამოცანებისთვის, როგორიცაა დნმ-ის აგება. ამრიგად, სამყაროს სხვა ნაწილში, სილიკონზე დაფუძნებული ორგანიზმის განვითარება თეორიულად შესაძლებელია, მაგრამ ჩვენს პლანეტაზე ეს ნაკლებად სავარაუდოა.
სილიკონი კიდევ დიდხანს იქნება სიახლეებში, რადგან მაშინაც კი, თუ რომელიმე ელემენტი ჩაანაცვლებს მას, როგორც კომპიუტერული გამოთვლის საფუძველს, გადასვლის დასრულებამდე დიდი დრო იქნება. გარდა ამისა, არის მისი გამოყენების სხვა მიმართულებები და შესაძლებელია ამ ნივთიერების გამოყენების ახალი გზებიც მოიძებნოს. დიდი ალბათობით, სილიციუმი დარჩება ადამიანის საქმიანობის ფიზიკურ სამყაროში ერთ-ერთ მთავარ ნივთიერებად.