Чтобы изготовить любую микросхему – так.назыв. чип, интегральную схему на очень тонкой пластинке с токопроводящими элементами внутри, - требуются специальные полупроводниковые материалы. Их нужно вырезанть из монокристаллических слитков. Если говорить в общем, то такой слиток представляет собою стерженья круглого сечения, который получают путем вытягивания из расплавов полупроводниковых материалов с помощью затравки.
Производство процессоров прежде всего начинают с нагревания необожженного поликристаллического кремния до 1420 ºС, и делают это в специальной герметичной печи, которую предварительно очищают от воздуха инертным газом – аргоном.
После этого получившийся расплавленный кремний раскручивается в тигле, а затравочный кристалл кремния, который размером и формой напоминает карандаш, погружается в него, вращаясь в противоположном направлении. При этом он охлаждается холодильником, и пока расплавленный монокристаллический кремний остывает, затравочный кристалл медленно извлекают из расплава приблизительно по 1,5мм в минуту. В результате чего, всего лишь со скоростью около метра в час, получается сплошной кристалл кремния весом. около 200кг, и диаметром в 200 или 300 миллиметров. Вытягивают цилиндр из ванный специальными машинами для транспортировки.
Кристалл кремния настолько прочен, что этот вес, в 2 центнера, может выдержать нить кремния в 3 миллиметра. Но в то же время кремний хрупкий, и легко разламывается.
Теперь цилиндр кремния нужно разрезать точно по размеру. Также нужно провести химическое и рентгеноскопическое исследование, чтобы проверить степень его чистоты и молекулярной ориентации. Затем его погружают в установку для резки к
На видео можно увидеть ленточную пилу, весящую около 10 тонн.. С помощью быстро движущейся ленты из ультра тонкой проволоки нарезают кремниевые пластины толщиной всего 2/3 мм. Но после нарезки на поверхности пластин остаются микроскопические дефекты, а это значит, что пора переходить к полировке с помощью шлифовки, которую проводят под защитными кожухами в чистых и свободных от пыли. Шлифовальники обычно изготовляют из стекла , чугуна, стали, латуни или меди. На видео видно, как в первую очередь обрабатывают пластины связанным абразивом на металлическом круге, в котором шпиндель вращается с частотой 15000 – 18000 об/мин. И приходит в контакт с поверхностью пластин. Алмазные зерна шлифовальника, ударяясь с высокой скоростью о пластины, снимают с поверхности полупроводникового материала микро стружку. Но после такой шлифовки пластины не достаточно гладкие, и их поверхность имеет специфический рисунок, который представляет собой сетку из множества пересекающихся черточек.
После этой шлифовки их полируют еще один раз с использованием химических реагентов. Результат – кремниевые пластины с шероховатостью поверхности менее 0, 0000000000000000001 на метр. После того, как они отполированы до блеска, ни их поверхности наконец-то можно гравировать микросхемы.
Разместить миллионы транзисторов на этих крошечных пластинах – это работа специальных предприятий, оборудованных новейшей техникой. В 1958 году изобретателю интегральной микросхемы Джеку Хилби удалось разместить на своей схеме один транзистор. В наши дни последнее поколение полупроводников используют почти миллиард, и в соответствии с законом Мура, каждые два года их емкость удваивается. Но, чем больше пытаются увеличить емкость, тем меньше должен стать каждый транзистор, вплоть до молекулы.
Работа с такими микроскопическими деталями ставит перед изготовителями чипов серьезную проблему: поскольку толщина транзистора всего одна десятитысячная миллиметра (или 0,0001мм), то даже самые мелкие частицы пыли могут привести к катастрофе: весь прибор станет неработоспособным. Поэтому, прежде, чем специалист приступает к работе на фабрике по изготовления полупроводниковых чипов, он надевает специальный защитный костюм. В цехе, где площадь составляет чуть меньше 18 тысяч квадратных метров , производство обычной микросхемы состоит из полутора тысячи отдельных технологических операций. Такой цех является чистой комнатой «класса один». Благодаря 12 тоннам оборудования для кондиционирования воздуха, он в этом помещении в тысячу раз чище, чем в хирургической операционной. В одном кубическом футе воздуха, - 1/30 часть кубического метра, содержится менее 100 микрочастиц. Всего лишь одна частица, попавшая на наиболее важный участок пластины, способно вывести из строя целый микрочип.
Чтобы избежать непреднамеренного загрязнения процессоров от сотрудников, стопки пластин производства проходят через сложный процесс в специальных комплектах для компонентов, тоесть в унифицированных контейнерах фронтального открытия. Они защищают обрабатываемые пластины от воздушной среды помещения. Перемещаются такие контейнеры по специальным линиям внутри помещений, обычно вверху помещения. Основная проблема производства чипов заключается в том, как уменьшить сложные схемы и сделать их «оттиск» на пластинах. Это делается с помощью процесса, который называют «фотолитография».
Фотолитография - один из основных приёмов планарной технологии, самый распространенный на сегодняшний день способ, который состоит в том, чтобы получить рисунок на тонкой плёнке материала, где используется свет определённой длины волны. Сначала пластины покрывают светочувствительными химическими элементами, реактивами, которые, которые застывают под воздействием ультрафиолета. В герметичных темных помещениях ультрафиолет проходит сквозь изображения, затем через уменьшающие линзы, и попадает на покрытую реактивами пластину. Когда химикаты смываются, изображение остается прямо, как при проявке фотографии. Но, чтобы разместить на пластине все компоненты, их таким же образом добавляют слой за слоем., как этажи в крошечном небоскребе. Для совершения работы, пластины в контейнерах проходят до 40 циклов, и операции фотолитографии повторяются над каждым новым слоем. Некоторые слои нагреваются, на другие же воздействуют ионизированной плазмой, еще некоторые покрываются металлами. Каждый тип обработки меняет свойства этого слоя, таким образом медленно создает часть головоломки, которая образует модель чипа.
На готовых листах кремниевой пластинки может размещаться до тысячи отдельных микро чипов, и более 4 миллиардов компонентов схемы.. Осталось только разрезать и упаковать их.
Превращение песка в печатную плату завершено.
То, что однажды было ничего не стоящей кучей, теперь может быть продано за тысячи долларов за грамм, и способно в считанные доли секунды рассчитать число Пи с точностью до тысячи знаков.