Jak vzniká procesor aneb procesorová kuchařka
5.9.2006, Lukáš Petříček, technologie
Co vše musí stát za vývojem a vznikem procesoru? Kolik snažení, intelektu, lidského úsilí a stovek inženýrů? Přes návrh u „rýsovacího prkna“, přes modelové testování konceptu, za pomocí softwarových nástrojů, přes testování a ladění prototypů.
Kapitoly článku:
Výroba procesoru
Vznik jádra mikroprocesoru na waferu provází stovky úkonů a vzniká v jednom z nejčistších prostředí jaké si lze představit. Říká se mu Cleanroom a protože je nutné zde tuto čistotu držet, všichni pracovníci jsou oblečeni do takzvaných „bunny suits“ (skafandrů), které mají možné znečištění minimalizovat. Samozřejmostí je zde čištění vzduchu a řízená relativní vlhkost vzduchu.
AMD Cleanroom ve FAB36, Drážďany
Ke vzniku procesoru se používá mnoho přísad a složení čipu a jeho výroba jsou samozřejmě také závislé na jeho nasazení a požadovaných parametrech. Jiné nároky jsou typicky kladeny na část trhu s mobilními počítači a jiné požadavky budou v případě nejvýkonnějších modelů, kde se nutně na spotřebu nebere příliš zřetel. Například v mobilní sféře se často v částích čipu již při návrhu upravují některé tranzistory, aby měly vůči původním desktopovým procesorům nižší spotřebu. Pakliže to samozřejmě nemá přílišné dopady na jejich výkon nebo na výtěžnost.
Křemíkový wafer
Wafer je jedním ze základních stavebních kamenů pří výrobě procesorů. Je uříznut z prutu extrémně čistého monokrystalického křemíku. Křemík, ze kterého se wafer skládá, je hlavní částí polovodičů. Jeho oblíbenost tkví, kromě dostupnosti (je to druhý nejrozšířenější prvek na Zemi), v možnostech výrazně ovlivňovat jeho elektrickou vodivost pomocí relativně malého množství dopantů tak, aby měl námi potřebné vlastnosti. Základem pro výrobu waferu je obyčejný písek, postupně čistěný a upravovaný a tažený do tvaru prutu, například Czochralského (krátce také označováno CZ) metodou. Po uříznutí z prutu je wafer následně dále upravován procesy jako broušení, leštění a čistění, až je povrch doslova zrcadlově hladký a zbavený všech nečistot. Kvalitativní nároky na wafer a jeho povrch jsou značné a zásadně ovlivňují možnou kvalitu výstupu.
Opterony vyrobené 90nm výrobní technologií na 300 mm a 200 mm waferech
Pro výrobu procesorů jsou dnes běžně používány wafery o průměru 200 mm a 300 mm. V budoucnosti se také uvažuje o 450 mm waferech, ale problémy s financováním vývoje vybavení pro produkci čipů na takto velkých waferech (jehož cena roste exponenciálně), zřejmě způsobí jejich značný odklad. Větší wafery jsou také náročnější na výrobu a konzistenci kvality čipů, ale umožnují podstatně vyšší výstup počtu procesorů na jeden wafer. S podobnými problémy financování se potýká i zařízení na pokročilou litografii. Náklady jsou zde již také enormní, a proto se hledají i jiné cesty, jak prodloužit životnost stávajícím technologiím.
Chemikálie a plyny
K výrobě procesorů se také používají chemikálie a plyny. Jako například od hexamethyldisilazane sloučeniny, až třeba po obyčejný bór. Vytlačovány jsou dnes z výroby postupně nahraditelné prvky a chemikálie zatěžující životní prostředí.
Kovy
Kovy, jako například hliník nebo měď, se používají jako vodiče elektřiny. Dnes se používají zejména měděné mezispoje a občas také zlato, které se může používat pro připojení čipu na jeho nosnou destičku.
Záření
Konkrétně záření ultrafialové, které má velmi krátkou vlnovou délku (dnes se používá zejména vlnová délka 193 nm, případně kombinace více vlnových délek). Ultrafialové záření se používá k vysvícení vzorů přes fotolitografickou masku na jednotlivé vrstvy procesoru. Jedná se o proces ve svém důsledku podobný fotografování.
Masky
Ty se při výrobě čipů používají jako prostředek a zdroj vysvícení správných vzorů na každé jednotlivé vrstvě budoucího mikroprocesoru. Každá fotolitografická maska u dnešních procesorů představuje řádově GB dat, které jsou nutné pro jejich výrobu. K výrobě moderních procesorů je dnes třeba až 20 či více masek. Fotolitografické masky se poté používají v zařízeních pro fotolitografii. Dnes ještě stále s použitím záření s vlnovou délkou 193 nm.
Zařízení pro fotolitografii, PAS 5500/1150 od ASML
Mikroprocesor je tvořen vrstvu po vrstvě za použití různých metod, na křemíkovém waferu s užitím ultrafialového záření, plynů a chemikálií. Na každý wafer dnes připadá běžně až několik set procesorů - podle výrobní technologie a velikosti waferu. I přes veškerou snahu výrobců budou některá jádra vadná a později budou při testování vyřazena. Následuje přesnější popis, jak k takovému postupnému vzniku mikroprocesoru dochází...
První růst
Vrstvička oxidu křemičitého je na waferu vypěstována (tak zvaný epitaxní růst) za pomocí extrémní teploty a plynů. Tento růst je podobný tomu, který můžeme vidět na reznoucím železe po vystavení působení vody. Oxid křemičitý na waferu ale roste neporovnatelně rychleji a tato vrstva je příliš tenká, než aby ji bylo vidět pouhým okem. Na tuto vrstvičku jsou samozřejmě také kladeny kvalitativní požadavky, jako například minimální rozptyl její tloušťky, minimální rozptyl měrného elektrického odporu a také co nejméně defektů v její struktuře.
Pokrytí fotorezistem
Dalším krokem je pokrytí waferu, respektive zmiňované vrstvičky, substancí, která mění svoje vlastnosti po vystavení ultrafialovému záření. Říká se jí jednoduše fotorezist.
Fotolitografie
Dalším z kroků je proces zvaný fotolitografie. Ultrafialové záření je na wafer zaměřováno přes složitý systém čoček a masku vzorů, po které je výsledný obraz před promítnutím na wafer zmenšen (typicky 4-5x). Maska chrání části waferu před ultrafialovými paprsky. Části nechráněné před těmito paprsky se naleptají. Na každou vrstvu procesoru se při postupném vrstvení použije jiná maska s příslušnými vzory.
Ozáření waferu pokrytého vrstvičkou oxidu křemičitého a fotorezistem
Leptání
Naleptané části jsou zcela odstraněny rozpouštědlem. Poté jsou odstraněny zbytky fotorezistu naneseného před vysvěcováním vzorů do oxidu křemičitého. Leptání zde tedy zanechá pouze požadované vzory tvořené oxidem křemičitým na křemíkovém plátu.
Proces vrstvení
Dalším krokem je přidání další vrstvičky. Nejprve je opět vypěstována vrstva oxidu křemičitého a na něj je aplikována vrstva polysilikonu (vodivého materiálu, který slouží jako hradlo u MOS technologie, nebo i k propojení jednotlivých částí čipu) a další vrstva fotorezistu. Ultrafialové záření je opět zaměřováno, tentokrát již přes druhou masku, zanechávajíc vzory na této další vrstvě. Nechráněné vzory na masce jsou opět odstraněny rozpouštědlem, které odhalí oxid křemičitý a vrstvy polysilikonu a ty zde zanechávají jen ty správné vzory a struktury.
Část čipu po použití druhé masky a aplikaci zmíněných procesů
Iontová implantace
V procesu iontové implantace jsou vybrané části křemíkového plátu bombardovány s různými elektricky nabitými atomy příměsí, (chemickými znečisťovateli) kterým se říká ionty. Ionty jsou implantovány na křemíkový wafer k zaměnění cest, kterými je pak vedena elektřina. Takto postupně vznikají vrstvy tranzistorů každého budoucího čipu.
Dopování vybraných částí čipu
Vrstvu za vrstvou
Proces vrstvení a aplikace masek, osvěcování, leptání a další procesy jsou opakovány a zanechávají zde otvory, které zde dovolí vést spoje mezi jednotlivými vrstvami. Atomy kovu jsou deponovány do waferu plníce otvory vzniklé v předešlém procesu vrstvení. V mikroprocesorovém obvodu je mnoho vrstev. Jejich počet samozřejmě závisí na návrhu samotného mikroprocesoru a na počtu masek. S počtem jeho vrstev a s vrstvami dnes používaných měděných mezispojů (pro dnešní moderní procesory vyrobené 90 nm, resp. 65 nm výrobní technologií, se běžně používá i 8-9 vrstev měděných mezispojů, v závislosti na výrobci a konkrétním čipu) rostou výrobní náklady, ale zároveň dochází ke zmenšení samotného čipu na waferu. Z hlediska nákladů a možné dostupné výrobní technologie se tedy hledá jakési optimum. Wafery jsou pod stálým dohledem a po řadě úkonů jsou vždy kontrolovány.
Proces vrstvení za použití měděných mezispojů
Toto je výčet základních kroků, které provázejí vznik čipů na waferu. S hotovým waferem pak můžeme přejít k dalšímu kroku.
Vznik jádra mikroprocesoru na waferu provází stovky úkonů a vzniká v jednom z nejčistších prostředí jaké si lze představit. Říká se mu Cleanroom a protože je nutné zde tuto čistotu držet, všichni pracovníci jsou oblečeni do takzvaných „bunny suits“ (skafandrů), které mají možné znečištění minimalizovat. Samozřejmostí je zde čištění vzduchu a řízená relativní vlhkost vzduchu.
AMD Cleanroom ve FAB36, Drážďany
Ke vzniku procesoru se používá mnoho přísad a složení čipu a jeho výroba jsou samozřejmě také závislé na jeho nasazení a požadovaných parametrech. Jiné nároky jsou typicky kladeny na část trhu s mobilními počítači a jiné požadavky budou v případě nejvýkonnějších modelů, kde se nutně na spotřebu nebere příliš zřetel. Například v mobilní sféře se často v částích čipu již při návrhu upravují některé tranzistory, aby měly vůči původním desktopovým procesorům nižší spotřebu. Pakliže to samozřejmě nemá přílišné dopady na jejich výkon nebo na výtěžnost.
Příprava ingrediencí
Křemíkový wafer
Wafer je jedním ze základních stavebních kamenů pří výrobě procesorů. Je uříznut z prutu extrémně čistého monokrystalického křemíku. Křemík, ze kterého se wafer skládá, je hlavní částí polovodičů. Jeho oblíbenost tkví, kromě dostupnosti (je to druhý nejrozšířenější prvek na Zemi), v možnostech výrazně ovlivňovat jeho elektrickou vodivost pomocí relativně malého množství dopantů tak, aby měl námi potřebné vlastnosti. Základem pro výrobu waferu je obyčejný písek, postupně čistěný a upravovaný a tažený do tvaru prutu, například Czochralského (krátce také označováno CZ) metodou. Po uříznutí z prutu je wafer následně dále upravován procesy jako broušení, leštění a čistění, až je povrch doslova zrcadlově hladký a zbavený všech nečistot. Kvalitativní nároky na wafer a jeho povrch jsou značné a zásadně ovlivňují možnou kvalitu výstupu.
Opterony vyrobené 90nm výrobní technologií na 300 mm a 200 mm waferech
Pro výrobu procesorů jsou dnes běžně používány wafery o průměru 200 mm a 300 mm. V budoucnosti se také uvažuje o 450 mm waferech, ale problémy s financováním vývoje vybavení pro produkci čipů na takto velkých waferech (jehož cena roste exponenciálně), zřejmě způsobí jejich značný odklad. Větší wafery jsou také náročnější na výrobu a konzistenci kvality čipů, ale umožnují podstatně vyšší výstup počtu procesorů na jeden wafer. S podobnými problémy financování se potýká i zařízení na pokročilou litografii. Náklady jsou zde již také enormní, a proto se hledají i jiné cesty, jak prodloužit životnost stávajícím technologiím.
Chemikálie a plyny
K výrobě procesorů se také používají chemikálie a plyny. Jako například od hexamethyldisilazane sloučeniny, až třeba po obyčejný bór. Vytlačovány jsou dnes z výroby postupně nahraditelné prvky a chemikálie zatěžující životní prostředí.
Kovy
Kovy, jako například hliník nebo měď, se používají jako vodiče elektřiny. Dnes se používají zejména měděné mezispoje a občas také zlato, které se může používat pro připojení čipu na jeho nosnou destičku.
Záření
Konkrétně záření ultrafialové, které má velmi krátkou vlnovou délku (dnes se používá zejména vlnová délka 193 nm, případně kombinace více vlnových délek). Ultrafialové záření se používá k vysvícení vzorů přes fotolitografickou masku na jednotlivé vrstvy procesoru. Jedná se o proces ve svém důsledku podobný fotografování.
Masky
Ty se při výrobě čipů používají jako prostředek a zdroj vysvícení správných vzorů na každé jednotlivé vrstvě budoucího mikroprocesoru. Každá fotolitografická maska u dnešních procesorů představuje řádově GB dat, které jsou nutné pro jejich výrobu. K výrobě moderních procesorů je dnes třeba až 20 či více masek. Fotolitografické masky se poté používají v zařízeních pro fotolitografii. Dnes ještě stále s použitím záření s vlnovou délkou 193 nm.
Zařízení pro fotolitografii, PAS 5500/1150 od ASML
Postupná konstrukce
Mikroprocesor je tvořen vrstvu po vrstvě za použití různých metod, na křemíkovém waferu s užitím ultrafialového záření, plynů a chemikálií. Na každý wafer dnes připadá běžně až několik set procesorů - podle výrobní technologie a velikosti waferu. I přes veškerou snahu výrobců budou některá jádra vadná a později budou při testování vyřazena. Následuje přesnější popis, jak k takovému postupnému vzniku mikroprocesoru dochází...
První růst
Vrstvička oxidu křemičitého je na waferu vypěstována (tak zvaný epitaxní růst) za pomocí extrémní teploty a plynů. Tento růst je podobný tomu, který můžeme vidět na reznoucím železe po vystavení působení vody. Oxid křemičitý na waferu ale roste neporovnatelně rychleji a tato vrstva je příliš tenká, než aby ji bylo vidět pouhým okem. Na tuto vrstvičku jsou samozřejmě také kladeny kvalitativní požadavky, jako například minimální rozptyl její tloušťky, minimální rozptyl měrného elektrického odporu a také co nejméně defektů v její struktuře.
Pokrytí fotorezistem
Dalším krokem je pokrytí waferu, respektive zmiňované vrstvičky, substancí, která mění svoje vlastnosti po vystavení ultrafialovému záření. Říká se jí jednoduše fotorezist.
Fotolitografie
Dalším z kroků je proces zvaný fotolitografie. Ultrafialové záření je na wafer zaměřováno přes složitý systém čoček a masku vzorů, po které je výsledný obraz před promítnutím na wafer zmenšen (typicky 4-5x). Maska chrání části waferu před ultrafialovými paprsky. Části nechráněné před těmito paprsky se naleptají. Na každou vrstvu procesoru se při postupném vrstvení použije jiná maska s příslušnými vzory.
Ozáření waferu pokrytého vrstvičkou oxidu křemičitého a fotorezistem
Leptání
Naleptané části jsou zcela odstraněny rozpouštědlem. Poté jsou odstraněny zbytky fotorezistu naneseného před vysvěcováním vzorů do oxidu křemičitého. Leptání zde tedy zanechá pouze požadované vzory tvořené oxidem křemičitým na křemíkovém plátu.
Proces vrstvení
Dalším krokem je přidání další vrstvičky. Nejprve je opět vypěstována vrstva oxidu křemičitého a na něj je aplikována vrstva polysilikonu (vodivého materiálu, který slouží jako hradlo u MOS technologie, nebo i k propojení jednotlivých částí čipu) a další vrstva fotorezistu. Ultrafialové záření je opět zaměřováno, tentokrát již přes druhou masku, zanechávajíc vzory na této další vrstvě. Nechráněné vzory na masce jsou opět odstraněny rozpouštědlem, které odhalí oxid křemičitý a vrstvy polysilikonu a ty zde zanechávají jen ty správné vzory a struktury.
Část čipu po použití druhé masky a aplikaci zmíněných procesů
Iontová implantace
V procesu iontové implantace jsou vybrané části křemíkového plátu bombardovány s různými elektricky nabitými atomy příměsí, (chemickými znečisťovateli) kterým se říká ionty. Ionty jsou implantovány na křemíkový wafer k zaměnění cest, kterými je pak vedena elektřina. Takto postupně vznikají vrstvy tranzistorů každého budoucího čipu.
Dopování vybraných částí čipu
Vrstvu za vrstvou
Proces vrstvení a aplikace masek, osvěcování, leptání a další procesy jsou opakovány a zanechávají zde otvory, které zde dovolí vést spoje mezi jednotlivými vrstvami. Atomy kovu jsou deponovány do waferu plníce otvory vzniklé v předešlém procesu vrstvení. V mikroprocesorovém obvodu je mnoho vrstev. Jejich počet samozřejmě závisí na návrhu samotného mikroprocesoru a na počtu masek. S počtem jeho vrstev a s vrstvami dnes používaných měděných mezispojů (pro dnešní moderní procesory vyrobené 90 nm, resp. 65 nm výrobní technologií, se běžně používá i 8-9 vrstev měděných mezispojů, v závislosti na výrobci a konkrétním čipu) rostou výrobní náklady, ale zároveň dochází ke zmenšení samotného čipu na waferu. Z hlediska nákladů a možné dostupné výrobní technologie se tedy hledá jakési optimum. Wafery jsou pod stálým dohledem a po řadě úkonů jsou vždy kontrolovány.
Proces vrstvení za použití měděných mezispojů
Toto je výčet základních kroků, které provázejí vznik čipů na waferu. S hotovým waferem pak můžeme přejít k dalšímu kroku.
