Home » Processor » Fra sand til siliciumchips
Fra sand til siliciumchips

Fra sand til siliciumchips

Share

Sådan forvandler man almindeligt sand til de fikse
processorer, der styrer vores pc’er

I Arizonas ørken ligger Intels Fab 32. Det er en fabrik til tre milliarder dollar, og den udfører en af de mest komplicerede elektriske ingeniørbedrifter i vores tid. Det er her, processorer med komponenter på blot 45 milliontedel millimeter bliver fremstillet, parate til at blive sendt ud til bundkortproducenter over hele verden. Det er imponerende nok at skabe disse komplicerede miniaturesystemer, men det er ikke processorens diminutive dimensioner, der er det mest forbløffende ved processen. Det kan lyde som en umulig forvandling, men disse afsindigt komplekse komponenter er lavet af noget så enkelt som sand.

Den forvandling er ikke enkel. Produktionsprocessen kræver mere en 300 individuelle etaper. Vi går i dybden og ser på Intels fremstillingsmetode. Vi har kogt processen ned til ti trin. Se her, hvordan sandslotte bliver til Core i7-processorer. Du kan godt regne med at blive overrasket.

Første trin: Sådan omdanner man sand til silicium

1 Sand består af kiselsyreanhydrid (også kendt som siliciumdioxid, og det er udgangspunktet for fremstillingen af en processor. Det sand, man bruger i byggebranchen, er ofte gult, orange eller rødt på grund af urenheder, men den type, man bruger til silicium, er en renere form, der normalt bliver udvundet i stenbrud. Når man skal uddrage silicium af kiselsyreanhydriden, skal det reduceres (man fjerner med andre ord iltet fra det). Det finder sted ved opvarmning af en blanding af kiselsyreanhydrid og kulstof i en elektrisk lysbueovn ved en temperatur på over 2.000 grader.

[pt id=’2003521′ size=’large’ link=’file’ html_attrs=’title=”Stenbrud er ikke netop højteknologi men uden dem ville der ikke være nogen siliciumchips.”‘]

Stenbrud er ikke netop højteknologi, men uden dem ville der ikke være nogen siliciumchips.

Kulstoffet reagerer med ilten i det smeltede kiselsyreanhydrid og producerer kuldioxid (et biprodukt) og silicium, der samler sig i bunden af ovnen. Det tilbageblevne silicium bliver nu behandlet med ilt for at fjerne eventuelle urenheder fra kalk og aluminium. Det endelige resultat af denne proces er en substans, der kaldes metallurgisk rent silicium, og som er op til 99 procent rent.

Det er slet ikke rent nok til fremstilling af halvledere, og den næste opgave er derfor at raffinere det metallurgisk rene silicium yderligere. Siliciummet bliver malet til et fint pulver og udsat for luftformig brintklorid i en fluidiseret reaktor ved 300 graders varme. Det giver en flydende siliciumforbindelse, der kaldes trichlorosilan. Urenheder såsom jern, aluminium, bor og fosfor reagerer også og danner klorider, der bliver fjernet ved fraktionsdestillering. Det rensede trichlorosilan bliver inddampet og behandlet med brint ved 1.100 grader, så man kan udvinde grundstoffet silicium.

Under reaktionen bliver silicium bundfældet på overfladen af en elektrisk opvarmet, ultraren siliciumstang og danner en siliciumbarre. Slutresultatet kaldes elektronisk rent silicium, der har en renhed på 99,999999 procent.

Andet trin: Sådan laver man en cylindrisk krystal

2 Råt, elektronisk rent silicium har en meget høj renhedsgrad, men det har en polykrystallinsk struktur. Det består med andre ord af mange små siliciumkrystaller med svagheder, såkaldte korngrænser, imellem dem. Disse anomalier påvirker lokal elektronisk adfærd, og derfor er polykrystallinsk silicium ikke egnet til fremstilling af halvledere. Før siliciummet kan bruges, skal det omdannes til enkelte krystaller, der har en regulær atomstruktur. Denne forvandling finder sted ved hjælp af czochralski-processen.

[pt id=’2003522′ size=’large’ link=’file’ html_attrs=’title=”Monokrystallinsk silicium har den struktur der kræves når man ønsker forudsigelig adfærd hos elektroner.”‘]

Monokrystallinsk silicium har den struktur, der kræves, når man ønsker forudsigelig adfærd hos elektroner.

Elektronisk rent silicium bliver smeltet i en roterende kvartssmeltedigel ved lige over smeltepunktet på 1.414 grader. En lille siliciumkrystal bliver nu dyppet i det smeltede silicium og trukket langsomt tilbage, samtidig med at den bliver drejet i den modsatte retning af den roterende smeltedigel. Krystallen fungerer som et frø og får silicium i smeltediglen til at krystallisere. Det danner en stang – en såkaldt boule – der udgør en enkelt siliciumkrystal. Boulens diameter afhænger af temperaturen i smeltediglen, hastigheden, hvormed krystallen bliver ”trukket” (det måler man i millimeter i timen), og rotationshastigheden. En typisk boule har en diameter på 300mm.

Tredje trin: Sådan skærer man krystallet op i wafers

3 Integrerede kredsløb er omtrent lineære. Det vil sige, at de bliver dannet på siliciummets overflade. For at maksimere siliciummets overfladestørrelse med henblik på chipproduktion skærer man boulen op i skiver, der kaldes wafers. Disse wafers er lige akkurat tykke nok til, at man kan håndtere dem sikkert under fremstillingen af halvledere. 300mm-wafers er typisk 0,775mm tykke. Man saver ved hjælp af en trådsav, der skærer flere skiver samtidig. Det svarer til, at en æggedeler skærer et æg i mange skiver på en gang. Siliciumsave adskiller sig fra æggedeleren ved, at tråden er i konstant bevægelse, og den trækker slam af siliciumkarbid. Det er det samme materiale, der bruges til vådslibepapir.

De skarpe kanter på waferen bliver glattet ud for at forhindre, at waferen knækker senere i processen. Nu bliver overfladerne poleret med slibeslam, indtil waferne er flade ned til 2μm (to tusindedele af en millimeter).

[pt id=’2003523′ size=’large’ link=’file’ html_attrs=’title=”Siliciumwafers der er skåret af en monokrystal bliver taget ud af trådsaven.”‘]

Siliciumwafers, der er skåret af en monokrystal, bliver taget ud af trådsaven.

Nu bliver waferen ætset i en blanding af salpetersyre, flussyre og eddikesyre. Salpetersyren oxiderer overfladerne og danner et tyndt lag af siliciumdioxid – mens flussyren øjeblikkelig bliver opløst og efterlader en ren siliciumoverflade – og eddikesyren styrer reaktionsraten. Resultatet af al denne raffinering og behandling er en endnu glattere og renere overflade.

Fjerde trin: Sådan laver man et mønstret oxidlag

4 I mange af de følgende trin bliver waferens elektriske egenskaber modificeret ved behandling med ionstråler, varme luftarter og kemikalier. Men det skal ske selektivt på specifikke områder af waferen under opbygningen af kredsløbet. I nogle tilfælde kan proceduren finde sted ved hjælp af ”photoresist”, et lysmodtageligt kemikalium, der ikke adskiller sig meget fra det, der bruges i fremstillingen af fotografisk film (som det er beskrevet i trinnene B, C og D nedenfor). Men når man bruger varme luftarter, vil photoresist blive ødelagt, og der kræves derfor en mere kompliceret behandling af waferen.

For at løse dette problem lægger man et mønstret oxidlag på waferen, så de varme luftarter kun når siliciummet på de områder, hvor der ikke er noget oxidlag. Placering af oxidlaget på waferen sker i flere trin, som det fremgår af illustrationen.

[pt id=’2003524′ size=’large’ link=’file’ html_attrs=’title=”Man bruger en flertrinsproces til at skabe et oxidlag der lever op til kravene til kredsløbet.”‘]

Man bruger en flertrinsproces til at skabe et oxidlag, der lever op til kravene til kredsløbet.

A Waferen bliver opvarmet til en høj temperatur i en ovn. Siliciummets overfladelag reagerer med ilt og danner et lag af siliciumdioxid.

B Et lag af photoresist bliver lagt på. Waferen bliver centrifugeret i vakuum, så photoresisten bliver fordelt jævnt over overfladen, før man bager den tør.

C Waferen bliver udsat for ultraviolet lys gennem en fotografisk maske eller film. Denne maske definerer det ønskede mønster af kredsløbsfunktioner. Denne proces skal gentages mange gange, en gang for hver chip eller firkantet klynge af chips på waferen. Filmen bliver fjernet mellem hver belysning ved hjælp af en maskine, der kaldes en ”stepper”.

D Næste trin består i at udvikle det latente kredsløbsbillede. Denne proces finder sted ved hjælp af en alkalisk opløsning. Under processen bliver de dele af photoresisten, der blev udsat for ultraviolet lys, blødgjort i opløsningen og skyllet væk.

E Photoresisten er ikke robust nok til at modstå de varme luftarter, der bruges i nogle trin, men den kan modstå flussyre, der nu bruges til at opløse de dele af siliciumoxidlaget, hvor photoresisten er blevet skyllet væk.

F Til sidst bruger man et opløsningsmiddel til at fjerne den tiloversblevne photoresist. Der er nu dannet et mønstret oxidlag i form af de ønskede kredsløbsfunktioner.

Femte trin: Sådan laver man n-type-regioner og p-type-regioner

5 Den grundlæggende byggesten i en processor er en form for transistor, der kaldes MOSFET. Den er beskrevet nedenfor. Den enhed, vi har illustreret her, er en p-kanal-MOSFET (fordi den bruger materiale af p-typen). Processorer bruger også n-kanal-MOSFET’er, der bruger materiale af n-typen. Det første skridt i dannelsen af et kredsløb er at lave n-type- og p-type-regioner. Dette er den metode, Intel bruger fra 90nm-processen og fremefter:

[pt id=’2003527′ size=’large’ link=’file’ html_attrs=’title=”Siliciummets egenskaber bliver modificeret så man får n-type- og p-type-regioner.”‘]

Siliciummets egenskaber bliver modificeret, så man får n-type- og p-type-regioner.

A Waferen bliver udsat for en stråles af bor-ioner. De indlejrer sig selv i siliciummet via revnerne i photoresisten og danner områder, der kaldes ”p-brønde”. Forvirrende nok bruges de i n-kanal-MOSFET’er. En bor-ion er et boratom, der har fået fjernet en elektron, hvilket giver en positiv ladning. Denne ladning gør det muligt for ionerne at blive accelereret elektrostatisk på en måde, der minder meget om den måde, hvorpå elektroner bliver accelereret i et CRT-fjernsyn, hvilket giver dem tilstrækkelig energi til at blive indlejret i siliciummet.

B Der tilføres nu et andet photoresistlag, og en stråle af fosforholdige ioner bliver på samme måde brugt til at danne ”n-brønde” til p-kanal-MOSFET’erne.

C I det sidste trin af ion-indlejring, der følger efter påførslen af mere photoresist, bliver en stråle af fosforholdige ioner brugt til at danne de n-type-regioner i p-brøndene, som skal fungere som kilde og dræn for n-kanal-MOSFET’erne. Det skal gøres separat fra dannelsen af n-brøndene, fordi der kræves en større koncentration af fosforholdige ioner til at danne n-type-regioner i p-type-silicium end til at danne n-type-regioner i ren, ubearbejdet silicium.

D Efter at der er afsat et mønstret oxidlag, bliver der påført et lag af silicium-germanium, behandlet med bor (der er et p-type-materiale), fordi photoresisten ville blive ødelagt af de varme luftarter, der bliver brugt her.

Sjette trin: Sådan tilføjer man porte og gør MOSFET’erne færdige

6 Når n-type- og p-type-regionerne er i orden, mangler der kun porten, så er MOSFET’erne færdige. Ligesom med mange andre af disse trin er den første opgave at producere et mønstret oxidlag som beskrevet i fjerde trin. I dette tilfælde skal oxidlaget kun have huller i MOSFET’ernes portregioner. Også her findes der forskellige metoder, men den, vi her beskriver, er typisk.

[pt id=’2003528′ size=’large’ link=’file’ html_attrs=’title=”MOSFET-portene bliver dannet ved hjælp af kemisk dampafsætning i disse diffusionsovne.”‘]

MOSFET-portene bliver dannet ved hjælp af kemisk dampafsætning i disse diffusionsovne.

Som vist i diagrammet i tekstboksen ”Forstå MOSFET”, er den første del af porten et meget tyndt isolerende lag af siliciumdioxid, der er afsat på overfladen af siliciummet mellem kilden og drænet. Det sker ved hjælp af kemisk dampafsætning (CVD). Det er en proces, der finder sted i en ovn, som er fyldt med forskellige luftarter, der forårsager en kemisk reaktion på siliciummets overflade. Når en MOSFET skal gøres færdig, bliver et lag af silicium lagt oven på det tynde oxidlag, hvor det fungerer som leder. Igen bruger man CVD, og siliciummet bliver lagt på via en oxideringsreaktion, hvori luftformigt siliciumhydrid reagerer med ilt, og resultatet bliver silicium og vand.

Syvende trin: Sådan MOSFET’er med kobberspor

7 Når alt dette er gjort, indeholder waferen milliarder af MOSFET’er. Hvis de skal arbejde sammen som kredsløb, skal de forbindes, så de danner mange individuelle chips, der hver indeholder millioner af MOSFET’er. Den proces, Intel bruger, foregår sådan:

[pt id=’2003529′ size=’large’ link=’file’ html_attrs=’title=”Et isolerende lag af siliciumdioxid beskytter MOSFET’erne. Man ætser huller i dem for at give plads til forbindelser.”‘]

Et isolerende lag af siliciumdioxid beskytter MOSFET’erne. Man ætser huller i dem for at give plads til forbindelser.

A MOSFET’ens oprindelige tilstand på waferen.

B Før man kan tilføje kobberkredsløbet, bliver der lagt et isolerende lag på waferen, så forbindelsessporene ikke kortslutter alle MOSFET’erne. Siliciumdioxid bliver brugt som isolator, og dette lag bliver opbygget på waferens overflade, enten ved oxidering i en ovn eller ved CVD.

Når hele waferens overflade er dækket af et isolerende lag af siliciumdioxid, kan man ikke længere lave forbindelser til kilde, dræn og port på MOSFET’erne. Der findes en række metoder til at gendanne forbindelserne, men for nemheds skyld beskriver vi en kommende metode, der kaldes ”dobbelt damascering”. Denne metode omfatter to damasceringstrin – det ene til at danne forbindelsespins af wolfram, det andet til at lave kobberforbindelser.

C Med flussyre ætser man huller i siliciumdioxid-isoleringen (gennem et lag photoresist).

D Derefter ætser man grøfter i mønstret af forbindelsesspor ind i siliciumdioxidlaget via endnu et lag af photoresist.

E Et lag af kobber bliver nu lagt på ved hjælp af galvanisering. Det udfylder grøfter og huller og skaber kontakt med de underliggende MOSFET’er. De heraf følgende metalpins, der stikker frem gennem det isolerende lag, kaldes ”vias”.

F Waferen er nu dækket af et lag af kobber. Det sidste trin består i at fjerne det. I en proces, der kaldes kemisk-mekanisk polering, fjerner man det overskydende kobber, så en passende mængde sidder tilbage og danner spor i grøfter og huller.

Ottende trin: Sådan fuldender man kredsløbet

8 Man kan ikke forbinde et kredsløb med ledninger, uden at ledningerne krydser hinanden. Hvis der kun var en enkelt forbindelse, ville de spor, der krydsede den, kortslutte. For at undgå det har MOSFET’er mere end et metallag, der hver er isoleret af endnu et lag siliciumdioxid, og som er forbundet ved hjælp af vias.

[pt id=’2003530′ size=’large’ link=’file’ html_attrs=’title=”Billedet er taget med et elektronmikroskop: Masser af metalliske lag isoleret af siliciumdioxid udgør kredsløbet.”‘]

Billedet er taget med et elektronmikroskop: Masser af metalliske lag, isoleret af siliciumdioxid, udgør kredsløbet.

Niende trin: Sådan sorterer man de gode chips fra de dårlige

9 Hvis alt er gået godt, burde waferen nu indeholde nogle hundrede dies (det officielle navn på chips). Men i virkeligheden fungerer de ikke alle korrekt. Halvlederproducenter er tilbøjelige til at holde disse tal for sig selv, men eksperter i branchen anslår, at en typisk høst (den procentdel af dies på en wafer, der virker) er omkring 60 procent. Den næste opgave er derfor at finde ud af, hvilke dies der virker. Det klarer en wafersonde. Denne form for hardware bruger pins, der stiller sig på line med kontakterne på en die, og så kan der sendes elektriske signaler, der gennemgår processoren. Når man skal skille klinten fra hveden, kategoriserer man dies som ”funktionelle” eller ”ikkefunktionelle”, men der kan sagtens forekomme eksempler på delvis funktionelle dies. Processorer, hvori kun nogle dies fungerer, kan stadig sælges som et produkt med ringere specifikationer.

[pt id=’2003532′ size=’large’ link=’file’ html_attrs=’title=”Den endelige test af waferen afgør hvilke af dens dies der virker.”‘]

Den endelige test af waferen afgør, hvilke af dens dies der virker.

Når alle dies er blevet undersøgt, bliver waferen savet op i individuelle dies, der bliver sorteret og brugt i overensstemmelse med resultatet af wafertesten.

Tiende trin: Sådan pakker man varen, så den kan overleve den virkelige verden

10 Nu står vi med en velfungerende die, men den er alt for skrøbelig til uden videre at blive sendt til en bundkortproducent. Desuden har en die hundrede eller tusinder af forbindelser til den omgivende verden, men den er kun et par millimeter stor. Den er alt for lille til, at et elektronikfirma kan lave forbindelser til den. Den sidste trin er derfor at lægge den nøgne chip i en pakke, som de fleste mennesker betragter som en ”processor”. Der findes flere metoder til denne proces. Uanset hvilken metode man bruger er slutresultatet, at en die bliver solidt fastgjort til pakken, og der bliver lavet elektriske forbindelser mellem kontakterne på die’en og kontakterne på pakken. En sidste test ved den afsluttende montering er alt, hvad der mangler for at processoren kan sendes til en producent og i sidste ende styre en computer.

[pt id=’2003531′ size=’large’ link=’file’ html_attrs=’title=”Det ”bulede” net forbinder die’en med bundkortet. Her er et nyt blyfrit bump under et elektronmikroskop.”‘]

Det ”bulede” net forbinder die’en med bundkortet. Her er et nyt blyfrit bump under et elektronmikroskop.

Et nærmere kig på de bittesmå transistorer i den moderne processors hjerte

Silicium er en dårlig elektrisk leder, men det kan gøres mere ledende, hvis man tilsætter urenheder. Processen kaldes ”doping”. Fosfor har en elektron mere i sin ydre skal end silicium. Når man doper med det, tilføjer man flere elektroner, der kan bevæge sig i krystalmatricen. Dette materiale kaldes ”n-type” (n for negativ) og leder bedre end rent silicium på grund af dets negative ladningsledere. Omvendt har bor en elektron mindre i sin ydre skal. Når man doper med dette grundstof, dannes der materiale af ”p-type” (p for positiv), og det kan lede via positive ladningsledere, der kaldes ”huller”.

[pt id=’2003534′ size=’large’ link=’file’ html_attrs=’title=”MOSFET’er er kontakterne i processorens hjerte.”‘]

MOSFET’er er kontakterne i processorens hjerte.

Tegningen viser en MOSFET. Den kan virke som en elektronisk kontakt, der styrer strømmen i et kredsløb ved at sætte strøm til et andet. Det er et krav til alle elektroniske kredsløb. Hvis strømmen bliver sat til mellem kilden og drænet, løber der ingen strøm, og MOSFET’en bliver slukket. Det skyldes, at ensartede ladninger frastøder hinanden, og elektroner kan derfor ikke strømme fra p-typen ind i det negative n-type-materiale. Hvis man imidlertid sætter negativ strøm til porten (der er isoleret fra p-type-materialet på grund af siliciumdioxidlaget), frastøder den elektrostatiske ladning elektroner fra n-type-materialet og inddrager huller fra p-type-regionerne. Det gør, at der dannes en p-type-kanal lige under porten, og der er nu en ledende sti mellem kilden og drænet. MOSFET’en er derfor blevet tændt.

Når man laver stadig mindre chips, er man afhængig af lysets bølgelængde

I mange af de trin, der kræves for at gøre en nøgen siliciumwafer til en wafer, der er fuld af chips, dannes der mønstre i siliciummet ved hjælp af fotolitografi. Men det er ikke ukompliceret at bruge photoresist på denne måde.

Det mønster, der kræves ved hvert trin, er defineret af et stykke fotografisk film, der kaldes en maske. Masken er meget større end die’en, og man belyser derfor photoresisten ved hjælp af optik, der kan betragtes som det omvendte af et fotografisk forstørrelsesapparat. Desværre betyder fysikkens love, at der er en grænse for, hvor lille et billede man kan fokusere på waferen, og minimumsstørrelsen afhænger af lysets bølgelængde. Da man begyndte at producere halvledere – da chipsene var meget større – kunne man bruge almindeligt hvis lys. Senere gik man over til monokromatisk lys – lys med en enkelt bølgelængde – og den bølgelængde er gradvis blevet kortere. Nutidens 45nm-proces er kun mulig, fordi man bruger dybt ultraviolet lys med en bølgelængde på 193nm.

[themepacific_accordion] [themepacific_accordion_section title=”Fakta”]

Fakta

[/themepacific_accordion_section] [themepacific_accordion_section title=”Fakta”]

Fakta

[/themepacific_accordion_section] [/themepacific_accordion]


TAGS
Silicium

DEL DENNE
Share


Mest populære
Populære
Nyeste
Tags

Find os på de sociale medier

Modtag dagligt IT-nyhedsbrev

Få gratis tech-nyheder i din mail-indbakke alle hverdage. Læs mere om IT-UPDATE her

Find os på FaceBook

AOD/AOD.dk

Brogårdsvej 22
DK-2820 Gentofte
Telefon: 33 91 28 33
redaktion@aod.dk

Audio Media A/S

CVR nr. 16315648,
Brogårdsvej 22
DK-2820 Gentofte
Telefon: 33 91 28 33
info@audio.dk
Annoncesalg:
Lars Bo Jensen: lbj@audio.dk Telefon: 40 80 44 53
Annoncer: Se medieinformation her


AOD/AOD.dk   © 2020
Privatlivspolitik og cookie information - Audio Media A/S