Современные микропроцессоры — потрясающий триумф человеческой мысли, знаний и ультравысоких технологий. Но принцип их устройства может понять каждый, кто хоть раз включал лампочку в комнате. Свет не горит, пока выключатель находится в одном положении, но стоит на него нажать, как лампочка тут же вспыхнет. Если в проводах есть ток (Х) и если есть управляющий сигнал выключателя (Y), лампочка загорится (Z). Мы можем описать принцип работы этой системы всего одной операцией — «И». Пусть положительный ответ будет равен 1, а отрицательный 0. Тогда операцию «И» можно представить себе как умножение. 

Давайте проверим наше предположение. Если X и Y, то Z:

Если X или Y, то Z:

Так из транзисторов можно построить целый набор логических вентилей, а соединив их вместе — что-то вроде универсального модуля для проведения логических операций, процессора. Правда, необязательно «микро». Первые электрические компьютеры были ламповыми и при очень скромной, по сегодняшним меркам, производительности могли занимать целые здания и потреблять огромное количество энергии.

1. Сложнейшее микроэлектронное устройство — процессор — начинается с обычного песка. Добытый песок очищают от посторонних примесей, а затем плавят, чтобы отделить кремний от кислорода (в основном песок состоит из оксида кремния SiО2).

2. Из расплавленного кремния выращивают цилиндрический слиток. Это происходит так: в расплав опускается специальная «точка роста», вокруг которой кристаллизуется жидкий кремний. Постепенно цилиндрический слиток остывающего материала вытягивается из чаши-тигля. Длина слитка достигает 2 м, диаметр — 30 см, а весит слиток до 100 кг.

3. Потом слиток нарезается на пластины толщиной до 1 мм. Каждая пластина шлифуется и полируется — механически и с помощью специальных химических растворов. И это лишь подготовка сырья. По завершении подготовительных работ начинается формирование структуры будущего процессора.

4. Методом фотолитографии на пластине «рисуют» элементы будущих микросхем. Чтобы защитить те области пластин, на которых не надо ничего «рисовать», используют маски из защитной плёнки. Потом их удаляют с помощью специального растворителя.

5. В местах, которые будут обрабатываться примесями, защитная плёнка не нужна — её снимают при помощи травления (удаления слоя для формирования многослойной структуры). Как снять её только в нужных областях? Для этого поверх плёнки наносят ещё один тонкий слой фоторезиста — за счёт центробежной силы вращающейся пластины.

6. Теперь нужно «нарисовать» на кремнии будущие транзисторы. Для этого используют проектор, который засвечивает нужные участки пластины. Поскольку размеры транзисторов очень малы, требуется система зеркал и линз. Благодаря им размеры элементов на шаблоне можно делать минимум в 4 раза больше, чем на пластине. Это снижает требования к точности изготовления шаблонов, а значит — уменьшает процент брака.

7. Затем засвеченный фоторезист удаляется с ненужных областей, а вместе с ним удаляется и часть материала пластины. В результате получается кремниевая плата с готовым рельефом.

8. Аналогичным образом на пластине «рисуют» области с различными проводимостями: так получаются диоды и транзисторы. Пока они расположены в один слой, а полученная структура — плоская. Объёмность процессорам придадут позже.

9. Логические элементы, образовавшиеся в процессе фотолитографии, должны быть соединены друг с другом. Для этого пластины помещают в раствор сульфата меди, в котором под действием электрического тока атомы металла «оседают» в оставшихся «проходах» — в результате гальванического процесса образуются проводящие области, создающие соединения между отдельными частями процессорной «логики». Излишки проводящего покрытия убираются полировкой.

10. Не все элементы чипа можно соединить осаждением меди, поэтому некоторые перемыкаются «вручную» — точнее, сверхточными манипуляторами. После этого процессы фотолитографии, очистки и нанесения проводников повторяются, пока не образуется многослойная структура процессора.

11. Как только последние слои медных проводников соединены, пластина передаётся на резку. Там из большого кругляша (его именуют «вафля») вырезают отдельные прямоугольные чипы. Их дальнейший путь — на испытательный стенд. По статистике, в среднем 30% чипов отбраковывают — обычно из-за дефектов поверхности пластины. Чипы, прошедшие тестирование, собирают в готовые микросхемы, устанавливают в корпус и маркируют.

12. На следующем этапе процессор упаковывается в подложку. Собранные процессоры проходят еще один этап испытаний, после чего их упаковывают в специальные лотки. Производственный процесс завершён, новые чипы отправляются покупателям.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №10. Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.