Bir işlemcinin üretimi

KARABÜK ÜNĠVERSĠTESĠ
TEKNOLOJĠ FAKÜLTESĠ MEKATRONĠK MÜHENDĠSLĠĞĠ BÖLÜMÜ
MTM 305 MĠKROĠġLEMCĠLER
ArĢ. Gör. Emel SOYLU
ArĢ. Gör. Kadriye ÖZ
Bir iĢlemcinin üretimi
Kum
Silikon, yer kabuğundaki ikinci (%25) en yaygın kimyasal elementtir. Kum özellikle de
kuvars yüksek miktarda silikon (SiO2, silisyum dioksit) içerdiği ve silikon'da yarıiletken
üretiminde ana bileĢen olduğu için çip üreticilerinin temel maddesidir.
Eritilmiş Silikon
Silikon, farklı aĢamalardan geçerek arındırılır ve sonunda yarıiletken üretiminde
kullanılacak kalite seviyesine ulaĢır ki buna Elektronik Grad Silikon adı verilir. Elektronik
Grad Silikon, milyarlarca silikon ve alyan atomu içerir. Yukarıdaki resimde arındırılmıĢ
silikon eriyiğinden elde edilen külçeyi (mono kristal) görebilirsiniz.
Mono Kristal Silikon Külçe
Külçe, Elektronik Grad Silikondan üretilir. Bir Külçe 100 kilogram ağırlığında olup, %99.9999999
silikon saflığına sahiptir. Külçeler, Wafer olarak adlandırılan ayrı disklere kesilirler. Her bir Wafer'ın
kalınlığı 1mm'dir. Waferlar, ayna parlaklığında, kusursuz bir yüzeye sahip olana kadar parlatılırlar.
Intel, tüm bu süreçlerden geçmiĢ üretime hazır waferları üçüncü parti firmalardan temin eder. Intel,
ileri teknoloji ürünü geliĢmiĢ 32nm High K / Metal Kapı sürecini, yaklaĢık 12-inç büyüklüğündeki
300mm waferlarda kullanır ki firmanın ilk defa çip üretmeye baĢladığında baskılı devreler için 2-inç
büyüklüğündeki 50mm waferlar kullandığı dikkate alınırsa teknolojideki geliĢim daha net
gözlenebilir. Intel yaptığı yatırımların bir sonucu olarak bugün üretimde 300mm waferlar kullanıyor
ve bu hızlı geliĢim çip baĢına maliyetlerin düĢürülmesini sağlıyor.
Fotorezist Uygulaması
Wafer üzerinden çip elde etme iĢlemi, yüksek hassasiyet seviyesiyle kontrol edilen
yüzlerce adımı içermektedir. ĠĢte bu sürecin en önemli aĢamalarından biri de farklı
materyaller içeren kalıpların birbiri ardına dizilmesidir. ĠĢlemci üretimindeki uzun ve
karmaĢık süreçte en önemli aĢamalardan biri de fotorezist uygulamasıdır. Yukarıdaki
resimde Mavi renkle görülen fotorezist, ortaya çıktıktan sonra bir sonraki
aĢama için temizlenir. Kalan fotorezist (resimdeki Mavi parlaklık), materyalleri iyon
implantasyonuna maruz kalmamaları için korur.
İyon İmplantasyonu
ĠĢlemci zarı elde edilecek wafer, fotolitografi kullanılarak kalıplara ayrılır. Wafer, artı veya
eksi yüklü iyonlar içeren ıĢın bombardımana tutulur. Ġyonlar, kendilerini wafer yüzeyinin
altına, seçili lokasyonlardaki silikonun iletken özelliklerinde değiĢiklik yapmak üzere
gömerler. Resimde görülen yeĢil bölgeler, doğru Ģekilde uygulanmıĢ aylan atomlarını
göstermekte.
High-K dielektrik birikimi
Intel, wafer yüzeyinde, transistör kapısı ve onun kanalı arasındaki geleneksel yalıtkanlar yerine çok
katmanlı dielektrik materyal kullanıyor. Bu materyal, bir seferde bir atomik katman uyguluyor. Bu
uygulama, elektrik sızıntılarını azalttığı gibi enerji verimli iĢlemci üretimini de mümkün kılıyor.
Wafer yüzeyine uygulanan ayrı molekül katmanlarının her biri, çoklu katman içerir. Orta resimdeki
sarı iki katman, iĢte bu katmanları temsil ediyor. Üçüncü resim ise High-K yalıtkan materyalin tüm
wafer yüzeyine uygulanıĢını gösteriyor. High-K yalıtkan materyal, geleneksel silikondioksit katmana
göre dahakalın olmakla birlikte, performansı maksimize edecek aynı sığal özelliklere sahiptir.
Uygulanan yenilikçi yalıtkan sayesinde, yapısal değiĢikliklere rağmen, akım kaçağı azaltılabilimiĢtir.
Foto litografi
Wafer, üzerine dökülen siyah sıvı ile birlikte döndürülür ve bu adım, ince fotorezist katmanının
uygulanmasına olanak tanır. Fotorezist, ultra viyole ıĢığa çıkartılır. Bu aĢamada meydana gelen
kimyasal reaksiyon, obtüratör butonuna basıldığı anda film kamerasında meydana gelen ile
oldukça benzerdir. Ultra Viyole ıĢığa çıkartılan fotorezist anından çözülebilir olacaktır. Stensil
benzeri maskeler kullanılarak tamamlanan açığa çıkartma iĢleminde, UV ıĢık kullanılmaktadır
çünkü bu sayede maskeler, iĢlemcinin her katmanında yer alan çeĢitli baskılı devrelerini yaratır.
Orta resimde görülen lens, maskenin imajını azaltır ve sonuç olarak wafer üzerinde oluĢan
baskı, tipik olarak maskenin kendi kalıbından dört kat daha küçük olur. Intel araĢtırmacıları,
geliĢtirdikleri çok daha küçük transistörler sayesinde tek bir pinin baĢına 30 milyon transistor
yerleĢtirebilmektedirler.
Etching - Oymabaskı
YapıĢkan fotorezist, kullanılan çözücü ile yok edilir. Bu adımla birlikte maske tarafından
yapılan fotorezist kalıbı (siyah kısım) ortaya çıkar. Fotorezist, kimyasallara aĢınmaması
adına High-K dielektriği koruma görevini üstlenir. AĢındırılmıĢ fotorezistin
kaldırılmasından sonra istenen Ģekil görünür olur.
Metal Dökme
Hazır transistörler artık tamamlanmaya yakındır. Üç delik, Kırmızı renkle görülen yalıtkan
katman ile yakılırlar. Bu üç delik, diğer transitörlerle iletiĢimi sağlamak üzere bakır ya da
diğer metaller ile doldurulurlar. Elektro-Kaplama aĢamasında waferlar, bakır sülfat
solüsyon içerisine sokulurlar. Bakır iyonları, elektro-kaplama adı verilen iĢlem ile
transistörlere dökülürler. Bakır iyonları, pozitif terminalden (anot) negatif terminale (katot)
doğru seyahat ederler. Elektro-Kaplama aĢamasından sonra Bakır iyonları aynı
ince bir Bakır katmanı gibi yerleĢirler wafer üzerine.
Metal Katmanlar
Bu aĢamada önce artan materyal silinir. Çoklu metal katmanlar, farklı transistörler
arasında bağlantı (kablolar gibi) oluĢtururlar. Bağlantıların nasıl gerçekleĢeceği ise
mimari ve tasarım ekipleri tarafından tanımlanır. Bilgisayar çipleri aĢırı düz görünürler,
aslında 30'dan fazla katmana sahip olan iĢlemcilerin büyütülmüĢ görüntülerine bakılırsa,
devre hatları arasındaki karıĢık ağ yapısı ve transistörler, futuristik birçok katmanlı
otoban sistemi gibi görülebilirler. Wafer, gerekli süreçler tamamlandıktan sonra tümleĢke
ve test tesislerine transfer edilirler.
Wafer Sınıflandırma Testi ve Dilimleme
Hazır waferlar ilk olarak fonksiyonalite testine tabi tutulurlar. Bu aĢamada, test kalıbı her
çip için tekrarlanır ve çipin tepki süresi takip edilerek "doğru cevap" ile karĢılaĢtırılır.
Wafer, dilimleme aĢamasında, "zar" olarak tanımlanan parçalara ayrılır. Intel'in 32nm
Core i3 ve Core i5 iĢlemcilerinde, biri CPU diğeri de grafik için olmak üzere iki zar
hazırlanır ve aynı pakette bir araya getirilirler. Az önce detaylandırdığımız üzere test
aĢamasında doğru cevabı veren zarlar bir sonraki aĢamaya geçer, hatalı zarlar ise
ayıklanır. Wafer dilimleme aĢamasından sonra iĢlemcilerde kullanılacak zarlar ortaya
çıkmıĢ olur.
Paketleme
Wafer dilimlemesinin ardından paketlemeye geçilir ve zar ya da zarlar (Core i3 ve Core
i5 için) ısı dağıtıcı ile birlikte tamamlanmıĢ iĢlemci formunu oluĢturmak için bir araya
getirilirler. Resimde görülen yeĢil alt tabaka, PC sisteminin kalanıyla kurulacak iletiĢim
için gerekli olan elektriksel ve mekanik arabirimi kurar. Resimde görülen gümüĢ ısı
dağıtıcı ise, kullanılacak iĢlemci soğutucusu ile teması sağlar ve çalıĢma esnasında
iĢlemciyi serin tutar. Son resimde ise tamamlanmıĢ bir iĢlemci görülmektedir.
MikroiĢlemciler, dünya üzerinde üretim süreci en karmaĢık ürünlerdir ve yüzlerce
süreçten geçerler. Tabi tüm bunlardan bahsederken, iĢlemcilerin, dünyanın en temiz
ortamında yani mikroiĢlemci tesislerinde üretildiğini de belirtelim.
Sınıf Testi, Tamamlanmış İşlemci
Son test aĢamasında, hazırlanan iĢlemciler, anahtar karakterlerini ortaya çıkartacak (ısıl
güç tasarımı ve en yüksek frekans değerleri) teste alınırlar ve elde edilen test
sonuçlarına göre modellendirme yapılarak aynı kapasitedeki iĢlemciler aynı taĢıma
rafına dizilirler. Üretimi bitmiĢ ve test süreci tamamlanmıĢ iĢlemciler, sistem üreticilerine
raflar içerisinde, teknoloji mağazalarına ise orijinal kutuları içerisinde gönderilir ve
tüketicilerle ilk buluĢma gerçekleĢmiĢ olur.
Beni dinlediğiniz için teĢekkür ederim.