Làm thế nào để cát trở thành silicon? Giải thích về sản xuất CPU

Thế giới chạy trên thông tin, với con người tạo ra ước tính 2,5 triệu terabyte dữ liệu mỗi ngày. Tuy nhiên, tất cả dữ liệu này đều vô dụng trừ khi chúng ta có thể xử lý nó, vì vậy, có thể nói, một trong những thứ mà thế giới hiện đại không thể sống thiếu là bộ xử lý.

Nhưng một bộ xử lý được tạo ra như thế nào? Tại sao nó là một kỳ quan hiện đại? Làm thế nào một nhà sản xuất có thể lắp hàng tỷ bóng bán dẫn vào một gói nhỏ như vậy? Hãy cùng tìm hiểu sâu về cách Intel, một trong những nhà sản xuất chip lớn nhất trên toàn cầu, tạo ra một CPU từ cát.

Chiết xuất silicon từ cát

Thành phần cơ bản của bất kỳ bộ xử lý nào, silicon, được chiết xuất từ ​​cát sa mạc. Vật liệu này được tìm thấy rất nhiều trong vỏ trái đất và bao gồm khoảng 25% đến 50% silicon dioxide. Nó được xử lý để tách silicon khỏi tất cả các vật liệu khác trong cát.

Quá trình xử lý lặp lại nhiều lần cho đến khi nhà sản xuất tạo ra mẫu tinh khiết 99,9999%. Sau đó, silicon tinh khiết được đổ để tạo thành một thỏi điện tử hình trụ. Đường kính của hình trụ là 300mm và nặng khoảng 100kg.

Sau đó, nhà sản xuất sẽ cắt thỏi thành những tấm mỏng 925 micromet. Sau đó, nó được đánh bóng thành lớp hoàn thiện mịn như gương, loại bỏ tất cả các khuyết điểm và nhược điểm trên bề mặt của nó. Những tấm wafer thành phẩm này sau đó được chuyển đến nhà máy chế tạo chất bán dẫn của Intel để biến đổi từ một phiến silicon thành một bộ não máy tính công nghệ cao.

Đường cao tốc FOUP

Vì bộ xử lý là các bộ phận có độ chính xác cao, nên nền silicon nguyên chất của chúng không được bị nhiễm bẩn trước, trong hoặc sau khi sản xuất. Đây là nơi các nhóm hợp nhất mở phía trước (FOUP) đi vào. Các nhóm tự động này chứa 25 tấm cùng một lúc, giữ chúng an toàn và chắc chắn trong không gian được kiểm soát về môi trường khi vận chuyển các tấm giữa các máy.

Hơn nữa, mỗi tấm wafer có thể di chuyển qua các bước giống nhau hàng trăm lần, đôi khi đi từ đầu này sang đầu kia của toà nhà. Toàn bộ quy trình được nhúng trong máy để FOUP biết phải đi đâu cho mỗi bước.

Ngoài ra, các FOUP di chuyển trên các ray đơn treo trên trần nhà, cho phép chúng thực hiện các bộ phận nhanh nhất, hiệu quả nhất từ ​​bước sản xuất này sang bước sản xuất khác.

Photolithography

Quá trình quang khắc sử dụng một chất cản quang để in các mẫu lên tấm silicon. Photoresist là một vật liệu cứng, nhạy sáng tương tự như những gì bạn tìm thấy trên phim. Khi điều này được áp dụng, tấm wafer được tiếp xúc với ánh sáng tia cực tím với một mặt nạ có hoa văn của bộ xử lý.

Mặt nạ đảm bảo rằng chỉ những nơi họ muốn xử lý mới được tiếp xúc, do đó, chất quang điện trong khu vực đó có thể hòa tan được. Sau khi hoa văn được in hoàn toàn trên tấm silicon, nó sẽ đi qua một bể hóa chất để loại bỏ tất cả chất phản quang tiếp xúc, để lại một khuôn silicon trần sẽ trải qua các bước tiếp theo trong quy trình.

Cấy ion

Còn được gọi là pha tạp, quá trình này nhúng các nguyên tử từ các nguyên tố khác nhau để cải thiện độ dẫn điện. Sau khi hoàn thành, lớp photoresist ban đầu được gỡ bỏ và một lớp mới được đặt vào vị trí để chuẩn bị wafer cho bước tiếp theo.

Khắc

Sau một vòng quang khắc khác, tấm silicon sẽ chuyển sang quá trình khắc, nơi các bóng bán dẫn của bộ xử lý bắt đầu hình thành. Photoresist được áp dụng cho các khu vực mà họ muốn silicon vẫn còn, trong khi các phần phải loại bỏ được khắc hóa học.

Vật chất còn lại từ từ trở thành các kênh của bóng bán dẫn, nơi các electron di chuyển từ điểm này sang điểm khác.

Lắng đọng vật liệu

Khi các kênh đã được tạo ra, tấm silicon sẽ quay trở lại chế độ quang khắc để thêm hoặc bớt các lớp photoresist nếu cần. Sau đó nó tiến hành lắng đọng vật chất. Nhiều lớp vật liệu khác nhau, như silicon dioxide, silicon đa tinh thể, chất điện môi cao k, các hợp kim kim loại khác nhau và đồng, được thêm vào và khắc để tạo, hoàn thiện và kết nối hàng triệu bóng bán dẫn trên chip.

Hóa chất cơ học phẳng

Mỗi lớp bộ xử lý đều trải qua quá trình phẳng hóa cơ học, còn được gọi là đánh bóng, để loại bỏ các vật liệu thừa. Khi lớp trên cùng được loại bỏ, mô hình đồng bên dưới sẽ lộ ra, cho phép nhà sản xuất tạo ra nhiều lớp đồng hơn để kết nối các bóng bán dẫn khác nhau theo yêu cầu.

Mặc dù bộ vi xử lý trông mỏng đến mức khó tin nhưng chúng thường có hơn 30 lớp mạch phức tạp. Điều này cho phép nó cung cấp sức mạnh xử lý theo yêu cầu của các ứng dụng ngày nay.

Kiểm tra, cắt lát và sắp xếp

Một tấm silicon có thể trải qua tất cả các quá trình trên để tạo ra một bộ xử lý. Khi tấm silicon hoàn thành hành trình đó, nó sẽ bắt đầu thử nghiệm. Quá trình này kiểm tra từng phần được tạo trên tấm wafer về chức năng — liệu nó có hoạt động hay không.

Sau khi hoàn thành, tấm wafer sẽ được cắt thành từng miếng được gọi là khuôn. Sau đó, nó được sắp xếp, những chỗ chết mà công việc chuyển sang đóng gói, và những cái hỏng sẽ bị loại bỏ.

Biến khuôn silicon thành bộ xử lý

Quá trình này, được gọi là đóng gói, biến các khuôn thành bộ xử lý. Chất nền, thường là bảng mạch in và bộ tản nhiệt được đặt trên khuôn để tạo thành CPU bạn mua. Chất nền là nơi đế kết nối vật lý với bo mạch chủ trong khi bộ tản nhiệt giao tiếp với quạt làm mát DC hoặc PWM của CPU của bạn.

Kiểm tra và Kiểm soát Chất lượng

Sau đó, các bộ xử lý đã hoàn thành sẽ được kiểm tra lại, nhưng lần này là về hiệu suất, sức mạnh và chức năng. Thử nghiệm này xác định loại chip đó sẽ là loại chip nào — liệu đó có phải là bộ xử lý i3, i5, i7 hay i9 hay không. Các bộ xử lý sau đó được nhóm lại cho phù hợp để đóng gói bán lẻ hoặc đặt trong các khay để giao cho các nhà sản xuất máy tính.

Về mặt vi mô nhỏ nhưng vô cùng phức tạp

Mặc dù nhìn từ bên ngoài các bộ xử lý đơn giản nhưng chúng lại vô cùng phức tạp. Quá trình sản xuất bộ xử lý mất từ ​​hai tháng rưỡi đến ba tháng với quy trình 24/7. Và mặc dù có kỹ thuật cực kỳ chính xác đằng sau những con chip này, vẫn không có gì đảm bảo rằng chúng sẽ có được một tấm wafer hoàn hảo.

Trên thực tế, các nhà sản xuất bộ xử lý có thể mất khoảng 20% ​​đến 70% số khuôn trên tấm wafer do không hoàn hảo, chất gây ô nhiễm, v.v. Giá trị này bị ảnh hưởng nhiều hơn bởi các quy trình CPU ngày càng nhỏ, với các chip mới nhất có kích thước nhỏ nhất là 4nm.

Tuy nhiên, như Định luật Moore phát biểu, chúng ta vẫn có thể mong đợi hiệu suất của bộ xử lý sẽ tăng gấp đôi sau mỗi hai năm cho đến năm 2025. Cho đến khi các bộ xử lý đạt đến mức cơ bản của kích thước nguyên tử, tất cả các quy trình sản xuất này phải đối phó với các thiết kế để sản xuất chip mà chúng ta yêu cầu.

Đọc tiếp