Создание процессоров от самого начала до самого конца

1. Чистые комнаты

Создание процессоров - это очень тонкая работа требующая максимальной точности так как все процессы происходят на микроскопическом уровне. Микромир очень чувствителен и поэтому любая малейшая пылинка может послностью испортить всю работу. Чтобы не допустить этого учёными были созданы специальные чистые комнаты, которые используются не только в создании процессоров но и в других сферах вроде медицины и космической инженерий. Чистые комнаты - это общее название подразумевающее комплекс мер и технологических решений призванных ограничить влияние человека. Для начала перед входом в чистую комнату человек надевает защитный костюм сделанный из специальных материалов который не оставляют частиц и проходят специальную обработку. Костюм закрывает всё тело кроме лица и рук лицо закрывается маской и очками а руки тремя слоями перчаток. Костюм одевается по частям и перед одеванием каждой части человек должен пройти через специальный шлюз для очищения. Так пока костюм одевается человек проходит через несколько шлюзов после чего в конце полностью очищены он может приниматься за работу. 

Также человеку запрещено проносить в чистые комнаты обычные вещи так как они пылятся и оставляют частицы в воздухе.  

Самое главное часть в чистых комнатах - это система вентиляции она устроена таким образом что воздух сверху по вентиляции забирает всю пыль и грязь и через перфорированные стены либо же пол, проходят фильтрацию и чистый воздух снова возвращается в комнату. 

С помощью такой системы вентиляции можно полностью контролировать температуру влажности и давления в чистых комнатах. 

Также сами чистые комнаты полностью изолированы от внешнего мира и создан из таких материалов которые не сыпятся не трескаются и не оставляет никаких частиц. 

Помимо всего этого в чистых комнатах присутствует огромное количество различных деталей по типу правил поведения в чистых комнатах а также материалов для работы вроде бумаг и ручек которые также делаются из специальных материалов которые не разбрасывают частиц.

2. Кремниевые пластины/подложка

Первая часть в созданий Процессоров - это создание кремниевой пластины на которой будет строиться весь чип. Так как кремний второе по распространённости химическое вещество на земле после кислорода в природе он чаще всего встречается в минералах и горных породах в виде например кварцевого песка. С помощью сложных химических процессов кремний превращается в поликристаллическую структуру однако в таком виде он непригоден для создания процессоров для этого нужно вырастить строго определённую структуру кристаллов для получения нужных электрических свойств. Для формирования нужной структуры используется так называемый метод Чахральска, который позволяет выращивать кристалы. В этом методе используется сосуд из кварца под названием тигль, в тигле находится расплавленный и очищенные от примесей поликристаллические кремний. В расплав опускается особый стержень затравочным кристаллом на котором и будет выращиваться вся структура кремния. Стержень медленно вытягивается из расплава кремния со скоростю примерно 25 мм в час одновременно с этим ещё и крутясь, во время процесса требуеться поддержание строго определенной температуры. Таким образом формируется круглый слиток кремния размеров с человека называемой Булей. В результате процесса поликристаллический кремний превратился в монокристаллический, пригодны для производства процессоров. После всего этого булю обрабатывают до ровной цилиндрической формы из которой специальной алмазной пилой вырезаются кремниевые пластины которые потом шлифуются и полируются до состояния идеально ровной поверхности с минимальными кристаллическими дефектами.

Дальше качество готовности и толщина кристаллических пластин проверяется на лазерах чтобы не допустить ни малейшего дефекта.

3. Фотолитография

Фоторетография - это основная часть создания процессора. Это метод при котором разрабатываеться архитектура и микросхема процессора в виде рисунка на куске кварцевого стекла создавая трафарет который в будущем будет нанесён на кремниевую пластину в нанаметровом масштабе, в производстве процессоров такой кусок стекла называют маской. маска позволяет получить на поверхность любого материала за свечные и незасвечены участки любой плоской формы. Чтобы нанести этот рисунок на кремниевую пластину на кремниевую пластину сначала наносят специальную жидкость реагирующая на свет называемая фоторезистор. Далее кремниевая пластина с фоторезистором а также маска устанавливается в специальный аппарат для фотолиграфии внутри которой свет проходит через маску и линза фокусирует этот луч света после чего рисунок маски наносится на кремниевую пластину с помощью фоторезистора.

Самая главная характеристика при фотолитографии - это длинна волны испускаемого луча света именно она и определяет насколько маленькиe вы можете получить элементы на кристалле. Чем меньше длина волны тем больше разрешение и меньше техпроцесс. 

В какой-то момент производители дошли до предела возможностей простой фотолитогрфий, до недавних пор когда несколько компаний объединили силы и создали новую технологию которую сейчас называют экстремальной ультрафиолетовой литографией или EUV. Этот способ  настолько сложный что аппараты для EUV называемые Степперами являются без приувеличения произведением технологическое искусства. Они настолько сложные и дорогие что в год их производится всего несколько штук, и создаются они полностью также в чистых комнатах. 

Для работы такой системы исползуеться свет на нижнем участке ультрафиолетового спектра которая имеет длинну волны 13,5 нанометров, для сравнения в обычном методе фотолитогрфий (DUV) длинна волны–193 нанометра. 

У EUV есть пара проблем. Первая проблема в том что он очень быстро рассеивается в воздухе, эту проблему решили путем создания вакуума в аппарате при процессе литографий. Вакуумы бывают разных уровней и для работы EUV нужен был очень глубокий или как его называют высокий вакуум. Для обеспечения такого вакуума в Степперах используеться специальные турбо-молекулярные насосы работающие по принципу вентилятора где молекулы газа стукаются об его лопасти и отскакивают от них в определенных направлениях тем самым их выбивают из рабочей камеры. Чтобы это работало лопасти должны крутиться с огромной скоростью до 1500 оборотов в секунду что достигается с помощью подвески лопастей на магнитной подушке.

Вторая проблема это то что простые линзы не подходят для работы с экстремальным ультрафиолетом, т.к. этот свет поглощается практически всеми материалами. Для решения этой проблемы нужно было создать специальные отражающие линзы и эти линзы должны быть идеально гладкими. Площядь этой линзы должна быть настолько гладкой что ничего не должно выпирать больше чем 0.5 нанометра, а это почти размер атома! Создать такие линзы способна только одна компания в мире, немецкая ZEISS. Та самая компания которая делает линзы для множества фотоапаратов и смартфонов. 

Следующая сложность в созданий Степперов состоит в том что в природе не существует лазеров способных излучать свет на нужной длинне волны. И чтоб его получить нужна плазма, для добычи плазмы нужно нагреть олавяный пар до температуры в 100 раз выше температуры поверхности солнца. В Степперах для нагревания олова используется специальный углекислотный лазер мощностью 30 киловат что примерно в 15 раз сильнее лазера для резки стали. Этот лазер может производиться только в тандеме всего двух компаний в мире — немецкой фирмой Trumpf и американской Cymer. 

Этот лазер пускает два импульса с частотой в 50,000 раз в секунду, который проходит в степпер где гинератор запускает крошечные капли олово размер которого имеет одну треть диаметра человеческого волоса. Первый заряд плавит олово а второй поджигает расплавленную каплю олова, она испаряется и превращается в плазму который и испускает свет в экстримальном ультрафиолетовом спектре.

Создание Степперов и технологий EUV литографий позволило сделать не просто большой шаг а целый прыжок вперед в развитий современных технологий.

4. Травление и осаждение

Фотолитогрфия не единственный процесс при создании процессора, она позволяет нам получить нужный трехмерный рисунок на поверхности чипа. Но кроме этого надо еще и убрать лишние и расставить коммуникации между ними, для этого существует осаждение и травление

Травление – это процесс удаления ненужного материала из только определенных областей. Есть два вида травления — сухое и мокрое. При использовании мокрого травления материал помещается в специальную ванну или поливается сверху определенным раствором. Этот раствор химически реагирует и растворяет тот материал, который нужно убрать, это и удаляет материал с поверхности. Но у такого метода есть минусы, которые при создании маленьких транзисторов очень важны — жидкость затекает во все места, и травление происходит равномерно во все стороны, а не вертикально вниз, как мы хотим. Это называется подтрав под маску! Здесь маска закрывает на чипе те участки, которые не нужно удалять. При производстве часто используют сухое травление, для которого надо снова создать плазму. Плазма полна разных частиц, атомов, электронов, а также различных положительных и отрицательных ионов. Вот в этих ионах и кроется ключевая особенность. Ионы имеют какой-то заряд, и можно их направить в нужное место, просто приложив к нужному месту противоположный заряд. То есть если ионы обладают положительным зарядом, то к чипу надо прикложить отрицательное напряжение и ионы полетят в него. Более того можно даже регулировать с какой силой ионы бьют по поверхности будущего чипа! Подаем больше напряжения — ионы летят быстрее. Ионы относительно тяжелые и если подать достаточное напряжение, то они врезаются в поверхность материала как бомбы в землю, и просто разносят всю его поверхность! Этот процесс, так и называется — ионная бомбардировка поверхности.

Это физическая составляющая процесса плазмохимического травления материала. Но есть и химическая. Ионы очень активны и если правильно подобрать газ, из которого сделана плазма, то ионы будут химически реагировать с материалом чипа и просто образовывать новые соединения, которые будут просто улетать! При этом, как и в случае с жидким травлением, те участки, которые нужно сохранить, можно покрыть специальной маской, которая останется нетронутой в процессе сухого травления, а открытые участки просто улетят! Вот так путем игры с разными параметрами в процессе травления можно получать идеально гладкие, вертикальные отверстия абсолютно любой формы и глубины.

Теперь надо осадить различные материалы — это могут быть как металлы, например, медь для контактов транзистора или диэлектрики для изоляции в тех местах, где надо. Способов осаждения огромная куча. Один из методов это химическое осаждение пара где на поверхности материала, в нужных местах происходят специальные химические реакции. При этом процессе подложка помещается в пары одного или нескольких веществ, которые, вступая во взаимные реакции и/или разлагаясь, формируют на поверхности подложки слой необходимого вещества. в результате процесса осаждения образуются проводящие области, создающие соединения между отдельными частями процессорной «логики».

Как только все эти процессы будут завершены Кремниевая пластина передается из производства в монтажно-испытательный цех. Там кристаллы проходят первые испытания, и те, которые проходят тест, вырезаются из подложки специальным устройством. Подложка, кристалл и теплораспределительная крышка соединяются вместе и вот процессор готов и отправляеться на полки магазинов.

Вот так и создаются самые сложный и главный атрибут все современной техники. С помощью святой троицы процессоров Фотолитографии, Травления и Осаждения! Эти три типа процессов являются базой для создания всех современных чипов. Да и не только процессоров: эти же процессы являются основой при создании экранов, будь то OLED или LCD, матриц фотокамер, различных модемов и датчиков. Процессор - это главное вычеслительное устройство без которого любая электроника ни на что не способна и без которого человечество никогда бы не добилось тех достижения которые они имеют сейчас.

---

Әлеуметтік желілерде бөлісіңіз: