Proizvodnja Intel Ivy Bridgea

Uz pomoć dobro prezentovanih materijala iz produkcionih kapaciteta američkog Intela, predstavljamo vam proizvodni proces najnovijeg procesora iz serije Ivy Bridge

Kada je 1965. godine Gordon Mur, koosnivač kompanije Intel, formulisao svoj dobro poznati zakon, u svetu nauke i tehnologije nije bilo mnogo onih koji su bili potpuno uvereni u dominaciju digitalnog čipa do današnjih dana. Revolucija koju je Murov zakon okruživao sve ove decenije nije stala – u vremenu u kojem živimo ona je aktuelna kao i nekad, uz malo izmenjenu formulaciju i interpretaciju. Čovečanstvo je, kao i nebrojeno puta do sada, pokazalo da mu je potrebna mitska priča kako bi se veo tajnovitosti pretvarao u surovi kapital. Taj kapital vrebaju i današnje perjanice proizvodnje centralnih procesorskih jedinica. Da li ste se zapitali kako izgleda proizvodnja jednog savremenog procesora?

Prošlo je 38 godina od kada je Intel predstavio svoj prvi procesor za pogon kućnog računara. Model širine 8 bita sa oznakom 8080 imao je „svega” 4500 tranzistora, uposlenih na frekvenciji od 2 MHz i izrađenih u proizvodnom procesu od 6 mikrometra. Za skoro četiri decenije promenilo se mnogo toga u procesu proizvodnje mozgova računara i danas nije dovoljno da budete samo dobar „računarac” da biste proizveli uređaj koji će se spremno sukobiti sa konkurencijom. U svetu novih tranzistora jednako su bitni hemičari i fizičari, kao i njihovo razumevanje svih neophodnosti u procesu izrade. Sve počinje u pesku.

Peščana oluja i hemijski rat

Početak proizvodnje gotovo svakog modernog parčeta elektronike vezan je za pesak. Naravno, ne radi se tu o bilo kom pesku. Onaj koji se koristi jeste kvarcni pesak, poznat po tome što sadrži drugi po količini prisutan element u kori naše planete – silicijum. Ovaj hemijski element poseduje izvanredne poluprovodničke karakteristike, te danas predstavlja prvi izbor u industriji čipova. Ipak, da bi zadovoljio karakteristike za izgradnju savremenih čipova, silicijum se mora prečistiti, i to tako da se dobije takozvani silicijum elektronskog stepena (engl. electronic grade silicon), koji ima manje od jednog stranog atoma na milijardu atoma potpuno čistog silicijuma. Da bi se to postiglo, kvarcni pesak se u postupku koji nosi ime po poljskom naučniku Janu Čohralskom (Jan Czochralski, 1885–1953) zagreva i izvlači iz posude za topljenje u obliku valjka, koji se naziva ingot. U slučaju proizvodnje Intelovog procesora Ivy Bridge, monokristalni ingot čistog silicijuma odlikuje prečnik osnove 300 mm, a teži oko 100 kg.

Ingot se u daljem postupku seče na tanke diskove debljine 1 mm koji se nazivaju vaferi (eng. wafer). U prošlosti su ovi diskovi bili manjih prečnika, a do pre samo nekoliko godina njihov prečnik je tek blago prelazio 50 mm, što je uticalo i na kvalitet i na procenat potpuno ispravnih čipova. U narednom periodu očekuje se da prečnik dodatno poraste, a Intelovi inženjeri nadaju se dobijanju vafera prečnika 450 mm (povećanje 50 odsto) od svojih dobavljača. U daljem procesu vaferi se poliraju sve dok ne postignu besprekorno glatku površinu poput ogledala.

Naredni koraci u proizvodnji pripadaju domenu hemije, i to oblasti koja se naziva fotolitografija. Proces fotolitografije podrazumeva nanošenje posebnog sloja fotoosetljive tečnosti na vafer, koji se okreće, a sve sa ciljem ravnomernog raspoređivanja pomenute tečnosti. Naneti sloj ima zadatak da propusti svetlost tačno određene talasne dužine, a ima i svrhu zaštite jer je otporan na hemikalije koje se koriste u kasnijim koracima. Nakon nanošenja fotoosetljivog sloja i čekanja dovoljno vremena da se on stvrdne, pristupa se proceduri izlaganja vafera zračenju ultraljubičaste (UV) svetlosti. Efekat koji pri tom nastaje liči na onaj koji se dešava na filmu kod starih, analognih fotoaparata kada otvorimo blendu. Izložen svetlosti, fotoosetljivi sloj menja svoju strukturu i postaje uklonjiv. Svetlost se kroz posebno umanjujuće sočivo emituje kroz masku (šablon), koja omogućava da se u sloju otisne željena „šara”, i to onoliko puta koliko je zamišljeno da bi se dobila potpuna slika vafera sa delovima izloženim i neizloženim UV zračenju.

Na kraju ovog procesa, uklonjivi delovi fotoosetljivog sloja „skidaju” se u posebnom hemijskom procesu, ostavljajući za sobom „šaru” koju je definisala maska iz prethodnog procesa.

Vafer dalje bombarduju snopom jona (brzina emisije biva veća od 300 000 km/h), koji postaju urezani ispod površina koje nisu prekrivene fotoosetljivim slojem. Tokom ovog procesa silikon se obogaćuje nečistoćama koje povećavaju provodnu ili otpornu prirodu silicijumskog vafera, zavisno od upotrebljenog tipa jona.

Sve što je u ovom delu proizvodnje preostalo jeste da se sa vafera uklone svi preostali delovi pokriveni fotoosetljivim slojem. Tako na vaferu ostaju samo regioni nečistoćama obogaćenog silicijuma, koji će poslužiti za formiranje tranzistora.

Da bi se kreiralo peraje 3D tranzistora (što Intel s ponosom ističe kao najveće dostignuće u izradi tranzistora) površina jednog tranzistora poliva se posebnim hemikalijama koje razlažu silicijum u svim delovima u kojima on nije potreban, osim u centralnom delu, gde je naneta još jedna doza fotolitografskog sloja iz prethodnog procesa – otpornog na hemikalije za odstranjivanje.

Nakon uspešnog odstranjivanja viška silicijuma, uklanja se i prethodno naneti fotoosetljivi sloj, ostavljajući za sobom tanko peraje od silicijuma u samom centru tranzistora.

Tranzistori 3D

U još jednom fotolitografskom poduhvatu, delovi tranzistora pokrivaju se fotoosetljivim slojem i tankim slojem silicijum-dioksida (SiO₂), koji se dobija uranjanjem vafera u cev ispunjenu kiseonikom. Na taj način se u centru tranzistora formira privremeni dielektrik gejta (eng. gate). Na mestu gde je nastao privremeni gejt razvija se polikristalni sloj silicijuma, koji postaje privremena elektroda gejta.

U još jednom postupku oksidacije tranzistora stvara se sloj silicijum-dioksida nad čitavim vaferom tranzistora, omogućavajući tako izolovanost u odnosu na ostale tranzistore. Sa ciljem izbegavanja problema sa stabilnošću tranzistora, Intel u svom proizvodnom procesu koristi tehniku zvanu gate last, poznatiju kao replacement metal gate. Suštinu formiranja tranzistora u ovom postupku čini uklanjanje privremene elektrode i dielektrika gejta korišćenjem slabih kiselina, a na tranzistoru ostaje samo stvarni gejt.

Na površinu vafera se, nakon prethodnog koraka, nanosi poseban molekularni sloj (High-k dielektrik), a svi viškovi se uklanjaju u još jednom procesu fotolitografije, što ostavlja tranzistor odlično pripremljen za formiranje metalnog gejta. Na taj način postižu se dobri rezultati u smanjenju „curenja” tranzistora i povećanju njihovih stvarnih performansi u odnosu na stariju generaciju (sa silicijum-dioksid/polisilikonskim gejtom).

Naposletku, tranzistor se u procesu elektroforeze stavlja u rastvor silicijum-sulfata i joni bakra se sa anode nanose na katodu tranzistora. Ovako je tranzistor potpuno optočen tankim slojem bakra, koji se dalje mehanički polira radi odstranjivanja viška materijala.

Na pripremljen tranzistor nanose se višestruki slojevi metalnih konektora, namenjenih spajanjima više tranzistora. Ovakvih slojeva kod poslednjih arhitektura ima i više od 30, što podseća na veliku saobraćajnu petlju, na primer, u Los Anđelesu, pomnoženu proizvoljnim faktorom. Povezanim tranzistorima preostalo je samo da se dodaju delovi za elektronsku komunikaciju sa spoljnim svetom, a oni se nanose na pločicu svakog zaokruženog proizvoda – procesora.

Nakon sklapanja, vaferi se prenose na traku za sklapanje i testiranje. Tu se procesori pojedinačno testiraju dok su još na vaferu, nakon odvajanja i, u još jednom prolazu, nakon pakovanja. Testiranje na vaferu sprovodi se posebnim elektronskim uređajem koji ima zadatak da testira pojedinačni čip kroz nekoliko specijalnih upita koji moraju imati zadovoljavajući odgovor da bi se prošao test. Nakon utvrđivanja stanja svakog pojedinačnog procesora, oni koji su prošli inicijalne testove odsecaju se sa vafera i odvajaju u poseban sistem za pakovanje. Na svom putu do završnih delova sistema za pakovanje procesori se ponovo testiraju i odvajaju u dve grupe.

Oni koji zadovoljavaju sve kriterijume prenose se do faze u kojoj se na pločicu nanosi proizvedeni čip, koji se poklapa poznatim poliranim poklopcem za prenos toplote. Supstrat na pločici dobija električne i mehaničke izvode za komunikaciju sa ostatkom sistema.

Nakon pakovanja, procesori prolaze kroz završno testiranje, gde im se utvrđuje pripadnost određenim grupama unutar proizvodnje. Pripadnici iste grupe dodaju se na tray pakovanja i šalju se potražiocima, bilo u obliku nizova procesora za ugradnju ili u kutijama za prodaju širom sveta.

• • •

Izgradnja moderne fabrike procesora jedan je od skupljih poduhvata u savremenom biznisu. Uložiti više od pet milijardi američkih dolara usred ekonomske krize svakako nije lak zadatak, čak ni za snažne, dobrostojeće kompanije. Ono što donekle olakšava situaciju jeste činjenica da se ova investicija vraća za nekih četiri do pet godina, nakon čega fabrika počinje da generiše čist profit. No, u tehničko-tehnološkom napretku kakav uživaju informacione tehnologije, to je veoma dug period. Zbog toga su mnogi proizvođači primorani na to da procesore proizvode protočno (eng. pipeline). Na taj način se u istom trenutku izvode istraživanje i razvoj, izrada prototipova i serijska proizvodnja. Poslednja decenija uči nas da je tačno tih četiri do pet godina maksimalna količina vremena da isti proizvodni proces i njegovi predstavnici u procesorima uopšte budu interesantni tržištu. To u neku ruku omogućava ulagačima da profit od jedne fabrike ulažu u drugu i na taj način, uvezano, dolaze do čistog novca, koji bi trebalo da im obezbedi komparativnu prednost u budućnosti. Prihod kompanije Intel u prošloj godini iznosio je 54 milijarde američkih dolara, a profit tek nešto manje od 13 milijardi. U tekućoj godini, Intel planira da uloži nešto više od 10 milijardi dolara u istraživanje i razvoj, gde najveći deo otpada na proizvodnju budućih procesora. U tom segmentu informacionih tehnologija tek predstoje ozbiljni ratovi. Intel ulazi na polje mobilnih telefona, a ARM svoje procesore „diže” u desktop i serverske sisteme. Obrti su tek počeli.

Momir ĐEKIĆ