CPU 생산 공정 - 기본 다이어그램

CPU는 "마이크로프로세서"라고도 하는 최신 컴퓨터의 핵심 구성 요소입니다. PC의 경우 CPU 사양과 주파수는 종종 컴퓨터의 성능을 측정하는 중요한 지표로 사용됩니다. Intel의 x86 아키텍처는 20년 이상 지속되어 왔으며 x86 CPU는 대부분의 업무와 생활에 지대한 영향을 미칩니다.

 

컴퓨터 지식에 대해 조금 아는 많은 친구들은 CPU에서 가장 중요한 것은 트랜지스터라는 것을 알 것입니다., CPU의 속도를 향상시키기 위해, 가장 중요한 점은 CPU가 너무 작기 때문에, 너무 정확하고, 그것으로 구성된 트랜지스터가 꽤 많기 때문에, 손으로 완성하는 것은 절대 불가능하며, 리소그래피 공정을 통해서만 처리 할 수 있습니다.

 

그렇기 때문에 CPU에 많은 트랜지스터가 있을 수 있습니다. 트랜지스터는 본질적으로 켜기와 끄기의 두 위치 스위치입니다. 기본 컴퓨팅의 시대를 떠올려 보면 컴퓨터가 제 역할을 하는 데 필요한 모든 것입니다. 기계에 대한 두 가지 옵션, 켜기 및 끄기, 즉 0과 1. 그렇다면 CPU는 어떻게 만들 것인가? 오늘 기사에서는 모래 더미에서 강력한 집적 회로 칩에 이르기까지 CPU의 전체 프로세스를 단계별로 안내합니다.

CPU 제조의 기본 원료

CPU의 원료가 무엇인지 묻는다면 누구나 쉽게 대답 할 것입니다. 그것은 사실이지만 실리콘은 어디에서 왔습니까? 사실, 그것은 가장 눈에 띄지 않는 모래입니다. 비싸고, 복잡하고, 강력하고, 신비한 CPU가 그 쓸모없는 모래에서 나올 수 있다는 것은 상상하기 어렵습니다. 물론 그 사이에 거쳐야 하는 복잡한 제조 공정이 있습니다. 그러나 원료로 사용할 수 있는 것은 한 줌의 모래가 아니라 가장 순수한 실리콘 원료를 추출하기 위해 신중하게 선택해야 합니다. 생각해보면, 가장 싸고 풍부한 원자재로 CPU를 만든다면 완제품의 품질은 어떨까, 지금과 같은 고성능 프로세서를 사용할 수 있을까?

 

실리콘 외에도 CPU를 만드는 데 필요한 가장 중요한 재료 중 하나는 금속입니다. 지금까지 알루미늄은 프로세서의 내부 액세서리를 만드는 주요 금속 재료가 되었으며 구리는 점차 단계적으로 폐지되고 있으며 현재 CPU 작동 전압에서 알루미늄의 일렉트로마이그레이션 특성이 구리보다 훨씬 우수한 데에는 여러 가지 이유가 있습니다.

 

소위 일렉트로마이그레이션 문제는 많은 수의 전자가 도체를 통해 흐를 때 도체 물질의 원자가 전자에 부딪혀 원래 위치를 떠나 공석이 생기고 공극이 너무 많으면 도체가 분리되고 원래 위치를 떠난 원자는 다른 위치에 머물러 다른 위치에서 단락을 일으키고 칩의 논리적 기능에 영향을 미치고 칩을 사용할 수 없게 됩니다.

 

이 두 가지 주요 재료 외에도 칩 설계 프로세스에 필요한 여러 화학 원료가 있으며, 이는 서로 다른 역할을 수행하며 여기에서 반복되지 않습니다.

CPU 제조의 준비 단계

필요한 원료를 수집한 후 이러한 원료 중 일부를 전처리해야 합니다. 가장 중요한 원료로서 실리콘 가공이 중요합니다. 첫째, 실리콘 공급 원료는 화학적으로 정제되며, 이는 반도체 산업에서 사용할 수 있는 공급 원료 수준으로 끌어올리는 단계입니다. 이러한 실리콘 원료가 집적 회로 제조의 가공 요구 사항을 충족하려면 실리콘 원료를 녹인 다음 대형 고온 석영 용기에 액체 실리콘을 주입하여 성형해야 합니다.

 

 

그런 다음 원료를 고온에서 녹입니다. 중학교 화학 시간에 배웠듯이 많은 고체는 결정질 내부 원자를 가지고 있으며 실리콘도 마찬가지입니다. 고성능 프로세서의 요구 사항을 충족하려면 전체 실리콘 원료가 고순도 단결정 실리콘이어야 합니다. 그런 다음 실리콘 원료를 회전 연신에 의해 고온 용기에서 제거하고 원통형 실리콘 잉곳을 생산합니다. 현재 사용되는 공정에서 실리콘 잉곳의 원형 단면의 직경은 200mm입니다.

 

그러나 이제 인텔과 다른 회사들은 이미 300mm 직경의 잉곳을 사용하고 있습니다. 실리콘 잉곳의 다양한 특성을 유지하면서 단면적을 늘리는 것은 매우 어렵지만 기업이 연구에 많은 돈을 투자할 의향이 있는 한 여전히 달성할 수 있습니다. 300mm 실리콘 잉곳을 개발 및 생산하는 인텔의 공장은 약 35억 달러의 비용이 들며, 새로운 기술의 성공으로 인텔은 더 복잡하고 강력한 집적 회로 칩을 제조할 수 있게 되었습니다. 그리고 200mm 잉곳 공장도 15억 달러가 들었습니다.

 

잉곳을 만들고 절대 실린더인지 확인한 후 다음 단계는 원통형 잉곳을 슬라이스하는 것이며 슬라이스가 얇을수록 재료가 적을수록 자연적으로 더 많은 프로세서 칩을 생산할 수 있습니다. 슬라이싱은 또한 표면이 절대적으로 매끄럽도록 거울 마감 처리된 다음 왜곡이나 기타 문제가 있는지 확인합니다. 이 품질 검사 단계는 완성된 CPU의 품질을 직접 결정하기 때문에 특히 중요합니다.

 

새로운 슬라이스에 물질을 도핑하여 진정한 반도체 소재로 만든 다음 다양한 논리 함수를 나타내는 트랜지스터 회로가 새겨져 있습니다. 통합된 물질 원자는 실리콘 원자 사이의 공극으로 들어가고 원자력은 서로 상호 작용하여 실리콘 원료는 반도체의 특성을 갖습니다. 오늘날의 반도체 제조는 CMOS 공정(상보성 금속 산화물 반도체)이 지배하고 있습니다.

 

상보성이라는 단어는 반도체에서 N형 MOS 트랜지스터와 P형 MOS 트랜지스터 간의 상호 작용을 나타냅니다. 반면, N과 P는 전자 공정에서 각각 음극과 양극을 나타냅니다. 대부분의 경우 슬라이스는 화학 물질로 도핑되어 P형 기판을 형성하고 그 위에 새겨진 논리 회로는 공간 효율적이고 에너지 효율적인 nMOS 회로의 특성을 따르도록 설계되었습니다. 동시에, 대부분의 경우, 제조 공정 후반부에 N형 재료를 P형 기판에 주입해야 하기 때문에 pMOS형 트랜지스터의 발생을 최대한 제한해야 하며, 이 공정은 pMOS 트랜지스터의 형성으로 이어질 수 있습니다.

 

화학 물질을 통합하는 작업이 완료되면 표준 절편이 완료됩니다. 그런 다음 각 슬라이스를 고온 오븐에서 가열하여 가열 시간을 제어하여 슬라이스 표면에 실리카 필름을 생성합니다。 온도, 공기 조성 및 가열 시간을 면밀히 모니터링하여 이 실리카 층의 두께를 제어할 수 있습니다. 인텔의 90nm 제조 공정에서 게이트 산화물의 너비는 원자 5개 두께만큼 작습니다. 이 게이트 회로 층은 트랜지스터 게이트 회로의 일부이기도 하며, 트랜지스터 게이트 회로의 기능은 입력 및 출력 포트의 전압에 관계없이 게이트 전압 제어를 통해 전자의 흐름을 엄격하게 제어하는 것입니다.

 

준비의 마지막 단계는 실리카 층을 감광층으로 덮는 것입니다. 이 재료 레이어는 동일한 레이어의 다른 제어 응용 프로그램에 사용됩니다. 이 재료 층은 건조 시 감광성이 매우 높으며 광에칭 공정 후에 화학적으로 용해 및 제거될 수 있습니다.

포토에칭

이것은 현재 CPU 제조 공정에서 가장 복잡한 단계 중 하나인데 왜 그렇게 말합니까? 포토에칭은 특정 파장의 빛을 사용하여 감광층에 해당 마크를 새겨 재료의 화학적 특성을 변경하는 과정입니다. 이 기술은 사용되는 빛의 파장이 매우 까다로워 단파장 자외선과 곡률이 큰 렌즈를 사용해야 합니다. 에칭 공정은 웨이퍼의 얼룩에 의해서도 영향을 받을 수 있습니다. 에칭의 각 단계는 복잡하고 섬세한 과정입니다.

 

설계 프로세스의 각 단계에 필요한 데이터의 양은 10기가바이트 단위로 측정할 수 있으며, 각 프로세서를 제조하기 위해 20개 이상의 에칭 단계(각 단계에서 하나의 에칭 레이어)가 있습니다. 더욱이, 각 에칭 층의 도면을 여러 번 확대하면 뉴욕시 및 교외 전체의 지도와 비교할 수 있으며, 훨씬 더 복잡한데, 뉴욕의 전체 지도를 실제 면적 크기가 100제곱밀리미터에 불과한 칩으로 축소하면 칩의 구조가 얼마나 복잡한지 상상해 보십시오.

 

이러한 모든 에칭 작업이 완료되면 웨이퍼가 뒤집힙니다. 단파장 빛은 석영 스텐실의 움푹 들어간 노치를 통해 웨이퍼의 감광층에 비추고 빛과 스텐실이 제거됩니다. 노출된 광수용체 물질이 화학적으로 제거되고 공극 아래에 실리카가 즉시 형성됩니다.

불순물

잔류 감광성 물질이 제거된 후 남은 것은 트렌치를 채우는 실리카 층과 층 아래에 노출된 실리콘 층뿐입니다. 이 단계 후에 또 다른 실리카 층이 만들어집니다. 그런 다음 감광층이 있는 폴리실리콘의 또 다른 층이 추가됩니다. 폴리실리콘은 게이트 회로의 또 다른 유형입니다. 금속 원료(따라서 금속 산화물 반도체라는 이름)를 사용하기 때문에 폴리실리콘을 사용하면 트랜지스터 큐 포트 전압이 적용되기 전에 게이트를 설정할 수 있습니다.

 

감광층은 또한 마스크를 통한 단파장 빛에 의해 에칭됩니다. 또 다른 에칭 후 필요한 모든 섹터 회로가 기본적으로 형성되었습니다. 노출된 실리콘 층은 이온화에 의해 화학적으로 이온화되며, 이 경우 N 채널 또는 P 채널을 생성합니다. 이 도핑 공정은 모든 트랜지스터와 서로에 대한 회로 연결을 생성하며 트랜지스터 중 어느 것도 입력과 출력이 없으며 두 끝을 포트라고 합니다.

이 과정을 반복하십시오

이 단계부터 계속해서 레이어를 추가하고, 실리카 레이어를 추가하고, 포토리게이션을 한 번 수행합니다. 이 단계를 반복하면 현재 사용 중인 프로세서의 초기 상태인 다중 계층 스테레오 아키텍처가 생성됩니다. 층 사이의 전도성 연결은 각 층 사이의 금속 코팅 기술을 사용하여 이루어집니다. 오늘날의 P4 프로세서는 7개의 금속 연결 레이어를 사용하는 반면 Athlon64는 9개의 레이어를 사용하며 사용되는 레이어 수는 원래 레이아웃 디자인에 따라 다르며 최종 제품의 성능 차이를 직접 나타내지 않습니다.

테스트 패키지 테스트 프로세스

앞으로 몇 주 동안 웨이퍼의 턴바이클로즈(turn-by-close) 테스트가 필요하며, 여기에는 웨이퍼의 전기적 특성을 확인하여 논리적 오류가 있는지, 있는 경우 어느 층에서 있는지 등을 확인하는 것이 포함됩니다. 그런 다음 웨이퍼의 각 결함 있는 칩 셀을 개별적으로 테스트하여 칩에 특별한 처리 요구 사항이 있는지 확인합니다.

 

 

그런 다음 전체 웨이퍼를 개별 프로세서 칩 단위로 절단합니다. 초기 테스트에서 테스트에 실패한 유닛은 버려집니다. 컷 칩 유닛은 특정 인터페이스 사양으로 마더보드에 원활하게 삽입될 수 있도록 패키징됩니다. 대부분의 Intel 및 AMD 프로세서는 방열층으로 덮여 있습니다.

 

완성된 프로세서가 완성되면 모든 범위의 칩 기능 테스트도 수행됩니다. 이 부분은 다양한 등급의 제품을 생산하며 일부 칩은 상대적으로 높은 주파수에서 실행되므로 고주파 제품의 이름과 번호가 표시되고 상대적으로 낮은 주파수에서 실행되는 칩은 수정되어 다른 저주파 모델로 표시됩니다. 이것이 바로 프로세서가 다양한 시장에 포지셔닝되는 이유입니다. 또한 칩 기능에 결함이 있을 수 있는 일부 프로세서도 있습니다.

 

예를 들어, 캐싱 기능에 결함이 있는 경우(대부분의 CPU가 마비될 정도임) 일부 캐시 용량으로 마스킹되어 성능이 저하되고 물론 Celeron과 Sepron이 등장하는 제품 가격이 저하됩니다.

CPU를 상자에 넣으면 일반적으로 이전 작업이 올바른지 확인하기 위해 마지막으로 한 번 테스트합니다. 이전에 결정된 최대 작동 주파수에 따라 다른 패키지에 담겨 전 세계에 판매됩니다.

 

이 글을 읽고 나면 CPU 제조 공정에 대해 비교적 깊이 이해하게 되었다고 생각합니다. CPU의 제조는 많은 최첨단 과학 기술의 집대라고 할 수 있으며, CPU 자체가 너무 커서 내부의 재료를 따로 꺼내 판매하면 몇 달러에 팔리지 않을까 두렵습니다. 그러나 CPU 제조 비용은 매우 어마어마하며 이것이 왜 그렇게 비싼지 이해할 수 있습니다.

 

예를 들어, 프로세서가 6300인지 6400인지는 이 링크에서 나뉘어지고 6300은 6300이 태어나지 않지만 테스트 후 프로세서가 6400 표준에서는 안정적으로 작동하지 않고 6300 표준에서만 안정적으로 작동할 수 있으므로 프로세서가 정의되고, 잠기고, ID를 정의하고, 포장하고, 6300으로 인쇄합니다.

 

AMD를 예로 들어 보겠습니다 : 동일한 코어 프로세서가 생산 라인이며 2.8GHz, 1M * 2 스토리지에서 안정적으로 작동하면 5600+로 정의되고 캐시에 결함이 있으면 절단 문제의 절반이 5400+가되고 캐시가 정상이고 주파수가 2.6G에서만 테스트를 통과 할 수 있으면 5200+, 캐시에 결함이 있으면 5000+로 잘립니다.

 

그것은 3800+로 측정되었습니다, 여전히 불안정한 경우, 애슬론 64 싱글 코어 또는 싱글 코어 플래싱 드래곤이 될 수있는 방법을 찾거나, 배치가 3800 + 조건에서 작동 할 수없는 경우, 그러나 3600 + 조건에서 작동하는 경우, 3600+가 나열됩니다, 3G, 1M * 2 조건에서 작동 할 수있는 배치가있는 경우, 6000+가 나열됩니다, 그래서 프로세서는 항상 중형 모델의 시장에 가장 먼저 출시됩니다., 그리고 나중에 하이 엔드 및 하단 엔드, 물론, 나중에 공장은 비용을 절감하고 특별히 저가형 프로세서의 생산을 전문으로 하는 저급 조립 라인을 열 수 있습니다., 셀러론, 고용자 다양한 모델이 나열되었으며, 고급 조립 라인은 Athlon64 캐시 절단과 같은 개별 프로세서의 불안정성으로 인해 저급 프로세서로 변형됩니다 Semploix 64가 될 것입니다.

Intel Core i7의 전체 생산 과정 그림

모래: 실리콘은 지각에서 두 번째로 풍부한 원소이며, 탈산소화된 모래(특히 석영)에는 반도체 제조 산업의 기초이기도 한 이산화규소(SiO2) 형태로 최대 25%의 실리콘이 포함되어 있습니다.

 

 

실리콘 용융: 12인치/300mm 웨이퍼 레벨, 아래와 동일. 다단계 정제를 통해 전자 등급 실리콘(EGS)으로 알려진 반도체용 고품질 실리콘을 얻을 수 있으며, 실리콘 원자 100만 개당 평균 불순물 원자가 1개에 불과합니다. 이 다이어그램은 실리콘 정제 및 제련을 통해 큰 결정을 얻는 방법을 보여주며 최종 결과는 실리콘 잉곳(잉곳)입니다.

 

단결정 실리콘 잉곳: 전체는 기본적으로 원통형이고 무게는 약 100kg이며 실리콘 순도는 99.9999%입니다.

 

잉곳 다이싱: 둥근 모양으로 수평으로 절단된 단일 웨이퍼로, 종종 웨이퍼라고 합니다. 그건 그렇고, 웨이퍼가 왜 모두 둥글지 아시죠?

 

웨이퍼: 절단된 웨이퍼는 거의 흠잡을 데 없도록 연마되며 표면은 거울로도 사용할 수 있습니다. 실제로 인텔은 이러한 웨이퍼를 직접 생산하지 않고 타사 반도체 회사로부터 완제품을 직접 구매한 후 현재 주류인 45nm HKMG(high-K 금속 게이트)와 같은 추가 공정을 위해 자체 생산 라인을 사용합니다. Intel은 2인치/50mm에 불과한 웨이퍼 크기로 설립되었다는 점을 언급할 가치가 있습니다.

 

포토 레지스트: 그림의 파란색 부분은 웨이퍼 회전 중에 쏟아지는 포토레지스트 액체로, 기존 필름을 만드는 데 사용되는 것과 유사합니다. 웨이퍼 회전을 통해 포토레지스트를 매우 얇고 평평하게 놓을 수 있습니다.

 

리소그래피: 포토레지스트 층은 마스크를 통해 자외선(UV)에 노출되어 용해되며, 이 과정에서 기계식 카메라의 셔터를 누르는 순간과 유사한 화학 반응이 발생합니다. 마스크는 미리 설계된 회로 패턴으로 인쇄되며, 이를 통해 자외선이 포토레지스트 층을 비추어 마이크로프로세서 회로 패턴의 각 층을 형성합니다. 일반적으로, 웨이퍼에서 얻어진 회로 패턴은 마스크 상의 패턴의 1/4이다.

 

리소그래피: 이것은 50-200나노미터 크기의 트랜지스터 수준으로 이동합니다. 단일 웨이퍼에서 수백 개의 프로세서를 절단할 수 있지만 여기서는 하나만 축소하고 트랜지스터 및 기타 구성 요소를 만드는 방법을 보여줍니다. 트랜지스터는 스위치 역할을 하며 전류의 방향을 제어합니다. 오늘날의 트랜지스터는 너무 작아서 바늘 하나에 약 3000만 개가 들어갈 수 있습니다.

 

 

포토레지스트 용해: 포토리소그래피 과정에서 자외선에 노출된 포토레지스트가 용해되어 마스크와 동일한 패턴을 남깁니다.

 

 

에칭: 화학 물질은 웨이퍼의 노출된 부분을 용해하는 데 사용되며 나머지 포토레지스트는 에칭해서는 안 되는 부분을 보호합니다.

 

포토레지스트 제거: 에칭이 완료된 후 포토레지스트의 임무가 완료되고 모든 제거 후 설계된 회로 패턴을 볼 수 있습니다.

 

 

포토레지스트: 포토레지스트(파란색 부분)를 다시 부은 다음 포토에칭하고 노출된 부분을 씻어내고 남은 포토레지스트는 이식되지 않을 재료 부분을 보호하는 데 계속 사용됩니다.

 

이온 주입: 진공 시스템에서 고체 물질은 도핑할 가속 원자의 이온을 조사(주입)하여 주입 영역에 특수 주입층을 형성하고 이 영역에서 실리콘의 전도도를 변경합니다. 전기장에 의해 가속된 후 주입된 이온 전류는 시속 300,000km 이상의 속도에 도달할 수 있습니다.

포토레지스트 제거: 이온 주입이 완료된 후 포토레지스트도 제거되고 주입 영역(녹색 부분)도 도핑되어 다른 원자가 주입됩니다. 녹색이 이전과 다릅니다.

 

 

트랜지스터 준비: 이 시점에서 트랜지스터가 거의 완성되었습니다. 절연 재료(마젠타)에 세 개의 구멍이 에칭되고 다른 트랜지스터와 상호 연결할 수 있도록 구리로 채워집니다.

 

도금: 황산구리 층이 웨이퍼에 도금되어 구리 이온을 트랜지스터에 침전시킵니다. 구리 이온은 양극(양극)에서 음극(음극)으로 이동합니다.

구리층: 도금이 완료된 후 웨이퍼 표면에 구리 이온이 증착되어 얇은 구리층을 형성합니다.

 

연마: 과도한 구리는 연마됩니다, 즉 웨이퍼 표면이 연마됩니다.

 

금속층 : 트랜지스터 레벨, 6 개의 트랜지스터 조합, 약 500 나노 미터. 서로 다른 트랜지스터 사이에 복합 상호 연결 금속층을 형성하는 것은 각 프로세서에 필요한 다양한 기능에 따라 다릅니다. 칩의 표면은 비정상적으로 매끄러워 보이지만 실제로는 20개 이상의 복잡한 회로 레이어가 포함될 수 있으며 확대하면 미래형 다층 고속도로 시스템과 같은 매우 복잡한 회로 네트워크를 볼 수 있습니다.

 

웨이퍼 테스트: 코어 레벨, 약 10mm/0.5인치 이 이미지는 첫 번째 기능 테스트를 거치는 웨이퍼의 일부를 보여주며, 기준 회로 패턴을 사용하여 각 칩을 비교합니다.

웨이퍼 슬라이싱: 웨이퍼 레벨, 300mm/12인치. 웨이퍼는 블록으로 절단되며, 각 블록은 프로세서의 핵심입니다.

 

결함이 있는 코어 폐기: 웨이퍼 레벨. 테스트 중에 발견된 결함 있는 커널은 폐기되어 다음 단계로 넘어갈 수 있는 완벽한 준비가 된 상태로 남습니다.

 

단일 코어: 커널 수준. 웨이퍼에서 잘라낸 단일 코어는 Core i7의 코어입니다.

패키지: 패키지 레벨, 20mm/1인치 기판(기판), 코어 및 방열판은 서로 겹쳐져 프로세서로 보이는 것을 형성합니다. 기판(녹색)은 베이스 역할을 하며 프로세서 코어에 전기적 및 기계적 인터페이스를 제공하여 PC 시스템의 나머지 부분과 쉽게 상호 작용할 수 있도록 합니다. 방열판(은색)은 코어에서 열을 발산하는 역할을 합니다.

 

 

레벨 테스트: 마지막 테스트는 최대 주파수, 전력 소비, 발열 등과 같은 각 프로세서의 주요 특성을 식별하고 최고급 Core i7-975 Extreme 또는 저가형 모델 Core i7-920에 적합한지 여부와 같은 프로세서 레벨을 결정할 수 있습니다.

포장: 동일한 등급의 가공업체는 등급 테스트 결과에 따라 배송을 위해 함께 그룹화됩니다.

 

소매 포장: 제조 및 테스트를 거친 프로세서는 OEM에 대량으로 배송되거나 소매 시장용 상자에 담겨 배송됩니다.