Kumdan - Silikona, Silikondan-İşlemciye
İşlemci (CPU) Nasıl Üretilir?
Intel'in ilk yüksek hacimli 45nm yonga fabrikasını gorüyorsunuz.
İşlemcilerin üretim kısmı çok temiz bir ortamda gerçekleştirilmektedir.
1- Kumdan Külçe (Sand / Ingot) elde etme
Kum, %25'i (Kütle) oranında silikon içerir. Silikon oksijenden sonra yerkürenin kabuğunda en çok bulunan elementtir. Kum, özellikle de kuvars (quartz) içeriğinde silikon dioksit (SiO2) halinde bol miktarda silikon içerir ve yarı iletken üretimi için vazgeçilmez bir malzemedir.
Eritilmiş Silikon
Wafer seviyesi (~300mm/ 12 inch)
Kum, bir çok Kimyasal aşamalardan geçirilerek içinde bulunan %25'lik silikon ayrıştırılır. Silikon yeterli saflığa ulaştığında elektronik malzeme üretimine hazır hale gelir. Ortaya çıkan elektronik üretimine uygun silikon o kadar saftır ki her bir milyar silikon atomu içinde ancak bir tane yabancı atom bulunur. Saflaştırma aşaması tamamlandıktan sonra eritme aşamasına geçilir. Resimde görüldüğü gibi saflaştırılmış eriyik haldeki silikondan bir adet büyük bir kristal oluşturulur. Ortaya çıkan bu mono-kristal yapıya ingot (külçe) denir.
Mono Kristal Silikon külçe
scale: wafer level (~300mm/ 12 inch)
Her bir külçe yaklaşık olarak 100 kg (=220 pounds) ağırlığa ve %99.9999 oranında saflığa sahiptir.
2-Külçeyi Yonga (Wafer) Plakası haline getirme
i>wafer level (~300mm / 12 inch)
Bu külçeler daha sonra kesme makinesine gönderilir ve yonga plakası (wafer) adı verilen birbirinden ayrı ince silikon diskler haline getirilir. Bazı külçelerin uzunluğu 1.5 metreyi geçebilir. İstenilen plaka çapına göre farklı genişliklerde külçeler üretilebilir. Günümüzde işlemciler genellikle 300 mm'lik plakalardan üretilirler.
wafer level (~300mm/ 12 inch)
Dilimleme işlemi tamamlandıktan sonra silikon diskler (plakalar - wafer) ayna gibi pürüzsüz bir yüzeye sahip oluncaya kadar cilalanırlar. Intel kendi külçe (ingot) ve plakalarını (wafer) üretmek yerine kullanmak istediği plakaları hazır olarak başka üreticilerden temin ediyor. Intel, gelişmiş 45 nm High-K/Metal Gate üretim sürecinde 300 mm'lik (~ 12 inç) plakalar kullanıyor bu sayede yonga başına üretim maliyetini düşürüyor.
3- Fotoğraf Baskısı (Photo Lithography)
wafer level (~300mm / 12 inch)
Üstte görülen mavi sıvı fotoğraf filmlerinde de kullanılan ışığa dayanıklı bir kaplama yüzeyi oluşturuyor. Bu işlem sırasında yonga plakası sürekli döndürülerek kaplamanın her tarafına eşit ve ince bir tabaka halinde yayılması sağlanıyor.
Exposure ( POZLAMA)
wafer level (~300mm / 12 inch)
Bu aşamada ışığa karşı dayanıklı yüzey mor ötesi (UV) ışığa maruz bırakıliyor. Mor ötesi ışık tarafından başlatılan kimyasal reaksiyon aslında eski tip filmli fotoğraf makinelerinin çalışma mantığına çok benziyor.
Işığa dayanıklı kaplamanın mor ötesi ışığa maruz kalan bölümleri çözünebilir hale geliyor. Işığa maruz kalacak yerler bir tür şablonla belirleniyor. Mor ötesi ışığın bazı bölümleri maskelenerek yüzey üzerinde devre desenleri oluşturuluyor. Birden fazla katmanın üst üste bindirilmesi için işlemci üretimi sırasında bu süreç gerektiği kadar tekrarlanıyor.
Ortada bulunan bir lens sayesinde maskeden geçen ışık küçültülerek odaklanıyor. Genelde yüzey üzerinde ortaya çıkan baskı maskenin büyüklüğünden dört kat küçük oluyor.
transistor level (~50-200nm)
Yukarıdaki resimde tek bir transistörün gözle görülebilir boyutlara büyütülmüş halini görüyorsunuz. Transistörler bir çeşit anahtar görevi görürler ve yonga üzerinden geçen elektrik akımına yön verirler. Intel'in araştırmacıları bir toplu iğne başına 30 milyon transistör sığdırabilecek kadar küçük üretim yaptıklarını iddia ediyorlar.
4- Oymabaskı (Etching)
transistor level (~50-200nm)
Mor ötesi ışık aşaması bittikten sonra ışığa dirençli yüzeyin ışığa maruz kalan kısımları çözünebilir hale gelir ve bir çeşit çözücüyle yıkanarak temizlenir. Bu sayede şablonda bulunan devre şeması yüzeye aktarılmış olur. Transistörün parçaları, ara bağlantılar ve diğer bileşenler bu aşamadan sonra oluşturulmaya başlanır.
transistor level (~50-200nm)
Işığa karşı dayanıklı yüzey oyulmaması gereken bölümü korur. Açıkta kalan alanlar kimyasal maddeler yardımıyla oyulur.
transistor level (~50-200nm)
Oyma işlemi tamamlandıktan sonra ışığa dayanıklı kaplama kaldırılır ve ortaya istenen şekil çıkar.
5- İyon Aşılama (Ion Implantation)
transistor level (~50-200nm)
İyon yerleştirme (İon implantation) işlemi;
Daha sonra yeniden ışığa dayanıklı (mavi) kaplama yapılır ve yeniden mor ötesi ışığa maruz bırakılır. Bir sonraki adım olan iyon eklemeye geçmeden önce ışığa duyarlı yüzey yıkanır. Yonga plakası üzerine iyon bombardımanı yapılır bu sayede silikonun yapısı değiştirilerek elektrik akımını yönlendirebilecek hale gelmesi sağlanır.
transistor level (~50-200nm)
İyon ekleme (implantation) olarak adlandırılan bir süreçle silikonun açıkta kalan bölümleri iyon bombardımanına tabi tutulur. Silikonun içine gömülen iyonlar buranın yapısını değiştirerek elektriği iletebilir hale gelmesini sağlarlar. İyonlar plaka üzerine son derece çok yüksek hızlarda gönderilir. Bir elektrik alanı iyonları silikona 300.000 km/saat hızına ulaştırır.
transistor level (~50-200nm)
İyon yerleştirme işlemi tamamlandıktan sonra ışığa dayanıklı yüzey kaldırılır. Artık yeşil olarak gösterilen alana iyonlar yerleştirilmiştir.
6-Metal Kaplama (Metal Deposition)
transistor level (~50-200nm)
Transistörün yapısı artık tamamlanmaya çok yakın. Transistörün üzerine yerleştirilen yalıtkan katmana (pembe renkli) üç delik açılır. Bu üç delik bir sonraki aşamada bakırla doldurulur böylece transistörler arasında bağlantı noktaları sağlanmış olur.
transistor level (~50-200nm)
Yonga plaka bu aşamada bakır sülfat çözeltisine yerleştirilir. Elektrokaplama olarak adlandırılan bir süreçle bakır iyonları transistör üzerinde toplanır. Bakır iyonları artı uçtan (anot) bu durumda plaka olan eksi uca (katot) hareket ederler.
transistor level (~50-200nm)
Bakır iyonları plakanın yüzeyinde ince bir tabaka oluşturacak şekilde toplanır.
7- Metal Katmanlar Ekleme (Metal Layers)
transistor level (~50-200nm)
Fazla malzeme cilalama işlemiyle yüzeyden uzaklaştırılır. Bu sayede yüzeyde çok ince bir katman bakır bırakılır.
transistor level (six transistors combined ~500nm)
Son aşamada elde edilen transistorleri birbirine bağlamak işlemine geçilir.Bu çoklu transistörler arasında ara bağlantılar (kablo gibi düşünebilirsiniz) oluşturulur. Bu bağlantıların nasıl olacağı tasarım takımı tarafından belirlenen mimariye (örneğin Core i7 gibi) bağlıdır. İşlemciler ne kadar yassı bir görünüme sahip olsalar da karmaşık devreler oluşturmak için genelde 20 katmana sahiptirler. Eğer bir işlemciye yakından bakma imkanınız olsaydı bilim kurgu filmlerindeki gibi çok-katmanlı yol ağları görürdünüz.
8- Test İşlemi ve Dilimleme (Wafer Sort Test / Slicing)
die level (~10mm / ~0.5 inch)
Bu aşamada plaka ilk işlev testlerinden geçirilir. Her bir yongaya test verisi gönderilir ve gelen cevap doğru mu değil mi kontrol edilir.
wafer level (~300mm / 12 inch)
Dilimleme (Dicing) Testlerde söz konusu plakanın yeterince iyi sonuçlar verdiğine karar verilirse plaka çekirdek olarak adlandırılan küçük parçalara kesilir. Mono kristalin dilimler halinde kesilmesi için elmastan dairesel (annular) testere kullanılır.
wafer level (~300mm / 12 inch)
İlk testte doğru sonuçlar veren çekirdekler ayıklanır ve bir sonraki aşamaya geçirilir (paketleme). Çalışmayan çekirdeklerse atılır.
9- Paketleme (Packaging)
die level (~10mm / ~0.5 inch)
Burada bir önceki aşamada kesilip çıkarılan çekirdeği görüyorsunuz. Resimde görülen çekirdek Intel Core i7'ye ait.
package level (~20mm / ~1 inch)
Yeil taban, çekirdek ve ısı dağıtıcı olan gümüş kapak bir araya getirilerek son ürün tamamlanır. Yeşil taban, işlemciyle anakartın iletişimini sağlayan elektriksel ve mekanik arayüzü oluşturur. Gümüş ısı dağıtıcı, soğutma çözümünün çekirdekle temasını sağlar, bu sayede işlemci çalışırken serin kalır.
İşte (Intel ® Core i7 işlemci bu durumda) işlemci Tamamlandı. Bir mikroişlemci dünya üzerinde üretilmiş en karmaşık üründür. Aslında burada sadece önemli aşamaları yazdık, normalde son ürün ortaya çıkmadan önce yüzlerce adımdan geçilir.
10- Sınıflandırma Testi (Class Testing / Completed Processor)
package level (~20mm / ~1 inch)
Son testler sırasında işlemciler önemli karakteristik özelliklerine göre denenirler. (ısı yayımı ve ulaşılabilen en yüksek hız gibi).
package level (~20mm / ~1 inch)
Yapılan testler sonucundan benzer özellikler gösteren işlemciler aynı taşıma tepsilerine yerleştirilir. Bu sürecin sonunda işlemciler en yüksek kararlı çalışma hızlarına göre sınıflandırılır ve satışa çıkarılırlar.
package level (~20mm / ~1 inch)
Üretilen ve test edilen işlemciler (resimdeki Core i7) ya tepsiler halinde sistem üreticilerine ya da kutulanarak parakende satış yapan mağazalara gönderilip son kullanıcıya satılırlar.
Mustafa İRDEM
Temmuz 2009
Kaynak : www.intel.com/pressroom/kits/chipmaking