चिप निर्माण
यदि आप पूछते हैं कि चिप का कच्चा माल क्या है, तो हर कोई आसानी से जवाब दे देगा-यह सिलिकॉन है। यह गलत नहीं है, लेकिन सिलिकॉन कहां से आता है? वास्तव में, यह सबसे अचूक रेत है। यह कल्पना करना कठिन है। महंगी, जटिल संरचना, शक्तिशाली और रहस्यमय चिप रेत से आती है जो मूल रूप से बेकार है। बेशक, बीच में एक जटिल निर्माण प्रक्रिया होनी चाहिए।
चिप्स बनाने के लिए बुनियादी कच्चा माल
यदि आप पूछते हैं कि चिप का कच्चा माल क्या है, तो हर कोई आसानी से जवाब दे देगा-यह सिलिकॉन है। यह गलत नहीं है, लेकिन सिलिकॉन कहां से आता है? वास्तव में, यह सबसे अचूक रेत है। यह कल्पना करना कठिन है। महंगी, जटिल संरचना, शक्तिशाली और रहस्यमय चिप रेत से आती है जो मूल रूप से बेकार है। बेशक, बीच में एक जटिल निर्माण प्रक्रिया होनी चाहिए। हालांकि, यह केवल मुट्ठी भर रेत नहीं है जिसे कच्चे माल के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है। इसे से शुद्ध सिलिकॉन कच्चे माल को निकालने के लिए सावधानी से चुना जाना चाहिए। कल्पना करें कि यदि चिप्स बनाने के लिए पर्याप्त भंडार वाले सबसे सस्ते कच्चे माल का उपयोग किया गया हो, तो तैयार उत्पाद की गुणवत्ता क्या होगी, क्या आप अब भी उच्च प्रदर्शन वाले प्रोसेसर का उपयोग कर सकते हैं?
सिलिकॉन के अलावा, विनिर्माण चिप्स के लिए एक महत्वपूर्ण सामग्री धातु है। अब तक, एल्यूमीनियम प्रोसेसर के आंतरिक भागों को बनाने के लिए मुख्य धातु सामग्री बन गया है, जबकि तांबा धीरे-धीरे समाप्त हो रहा है। यह कुछ कारणों के कारण है। वर्तमान चिप ऑपरेटिंग वोल्टेज में, तांबे की तुलना में एल्यूमीनियम के इलेक्ट्रोमेक प्रवासन विशेषताओं में काफी बेहतर है। तथाकथित विद्युत-संचार समस्या से तात्पर्य तब होता है जब कंडक्टर के एक खंड के माध्यम से बड़ी संख्या में इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह होता है, कंडक्टर पदार्थ के परमाणुओं को इलेक्ट्रॉनों द्वारा प्रभावित किया जाता है और मूल स्थिति को छोड़ देता है, रिक्तियों को छोड़ देता है। अन्य स्थानों पर रहने से अन्य स्थानों पर शॉर्ट सर्किट हो जाएगा और चिप के लॉजिक फ़ंक्शन को प्रभावित करेगा, जिससे चिप बेकार हो जाएगी।
यही कारण है कि कई नॉर्थवुड पेंटियम 4 को एसएनडीएस (नॉर्थ वुड स्टॉर्म सिंड्रोम) से बदल दिया गया है। जब उत्साही लोगों ने पहले नॉर्थवुड पेंटियम 4 को ओवरक्लॉक किया, तो वे सफलता प्राप्त करने के लिए उत्सुक थे। जब चिप वोल्टेज बहुत बढ़ गई थी, तो गंभीर विद्युत-संचार समस्याओं ने चिप को लकवाग्रस्त कर दिया। यह कॉपर के इंटरकनेक्ट तकनीक के साथ इंटेल जीजी का पहला अनुभव है, और इसे स्पष्ट रूप से कुछ सुधार की आवश्यकता है। लेकिन दूसरी ओर, कॉपर इंटरकनेक्ट तकनीक का उपयोग चिप क्षेत्र को कम कर सकता है। इसी समय, तांबे के कंडक्टर के कम प्रतिरोध के कारण, इसके माध्यम से गुजरने वाला वर्तमान भी तेज है।
इन दो मुख्य सामग्रियों के अलावा, चिप डिजाइन प्रक्रिया में कुछ प्रकार के रासायनिक कच्चे माल की आवश्यकता होती है। वे विभिन्न भूमिकाएँ निभाते हैं और यहाँ दोहराया नहीं जाएगा।
चिप निर्माण की तैयारी के चरण
आवश्यक कच्चे माल का संग्रह पूरा होने के बाद, इनमें से कुछ कच्चे माल को पूर्व-संसाधित करने की आवश्यकता होती है। सबसे महत्वपूर्ण कच्चे माल के रूप में, सिलिकॉन का प्रसंस्करण महत्वपूर्ण है। सबसे पहले, सिलिकॉन कच्चे माल को रासायनिक रूप से शुद्ध करना पड़ता है, और यह कदम उन्हें कच्चे माल के स्तर तक लाता है जिसका उपयोग अर्धचालक उद्योग द्वारा किया जा सकता है। इन सिलिकॉन कच्चे माल के लिए एकीकृत सर्किट निर्माण की प्रसंस्करण आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए, उन्हें भी आकार देना चाहिए। यह कदम सिलिकॉन कच्चे माल को पिघलाने और फिर एक बड़े उच्च तापमान वाले क्वार्ट्ज कंटेनर में तरल सिलिकॉन डालने से पूरा होता है।
फिर, कच्चे माल को उच्च तापमान पर पिघलाया जाता है। हमने मिडिल स्कूल केमिस्ट्री क्लास में सीखा कि एक ठोस के अंदर कई परमाणुओं में एक क्रिस्टलीय संरचना होती है, जैसा कि सिलिकॉन करता है। उच्च-प्रदर्शन वाले प्रोसेसर की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए, पूरे सिलिकॉन कच्चे माल को अत्यधिक शुद्ध और एकल क्रिस्टल सिलिकॉन होना चाहिए। फिर, रोटरी स्ट्रेचिंग द्वारा सिलिकॉन कच्चे माल को उच्च तापमान वाले कंटेनर से निकाल लिया जाता है, और एक बेलनाकार सिलिकॉन पिंड का उत्पादन किया जाता है। वर्तमान में उपयोग की जाने वाली प्रक्रिया से देखते हुए, सिलिकॉन पिंड के परिपत्र क्रॉस-सेक्शन का व्यास 200 मिमी है। लेकिन अब इंटेल और कुछ अन्य कंपनियों ने 300 मिमी व्यास वाले सिलिकॉन सिल्लियों का उपयोग करना शुरू कर दिया है। सिलिकॉन पिंड की विभिन्न विशेषताओं को बरकरार रखते हुए क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र को बढ़ाना काफी मुश्किल है, लेकिन जब तक कंपनी अध्ययन के लिए बहुत सारे पैसे का निवेश करने के लिए तैयार है, तब भी इसे हासिल किया जा सकता है। 300 मिमी सिलिकॉन सिल्लट्स के विकास और उत्पादन के लिए इंटेल जीजी का कारखाना लगभग 3.5 बिलियन अमेरिकी डॉलर का है। नई तकनीक की सफलता इंटेल को अधिक जटिल और शक्तिशाली कार्यों के साथ एकीकृत सर्किट बनाने की अनुमति देती है। 200 मिलीमीटर के सिलिकॉन इंगोट प्लांट की कीमत भी 1.5 बिलियन डॉलर है। चिप निर्माण प्रक्रिया सिलिकॉन सिल्लियों के कटाई से शुरू होती है।
एकल क्रिस्टल सिलिकॉन पिंड
सिलिकॉन पिंड बनाने और यह सुनिश्चित करने के बाद कि यह एक पूर्ण सिलेंडर है, अगला चरण बेलनाकार सिलिकॉन पिंड का टुकड़ा करना है। टुकड़ा जितना पतला होगा, कम सामग्री का उपयोग किया जाता है, और स्वाभाविक रूप से अधिक प्रोसेसर चिप्स का उत्पादन किया जा सकता है। स्लाइसिंग को यह सुनिश्चित करने के लिए दर्पण परिष्करण की भी आवश्यकता है कि सतह बिल्कुल चिकनी है, और फिर विकृति या अन्य समस्याओं की जांच करें। गुणवत्ता निरीक्षण का यह कदम विशेष रूप से महत्वपूर्ण है, यह सीधे तैयार चिप की गुणवत्ता को निर्धारित करता है।
नए स्लाइस को वास्तविक अर्धचालक सामग्रियों में बनाने के लिए कुछ पदार्थों के साथ डोप किया जाना चाहिए, और फिर विभिन्न तर्क कार्यों का प्रतिनिधित्व करने वाले ट्रांजिस्टर सर्किट को उन पर लिखा जाता है। डोप की गई सामग्री परमाणु सिलिकॉन परमाणुओं के बीच अंतराल में प्रवेश करती है, और परमाणु बल एक दूसरे पर कार्य करते हैं ताकि सिलिकॉन कच्चे माल में अर्धचालक की विशेषताएं हों। आज जीजी का सेमीकंडक्टर निर्माण एक सीएमओएस प्रक्रिया (पूरक धातु-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर) से अधिक है। पूरक शब्द का तात्पर्य सेमीकंडक्टर्स में एन-टाइप एमओएस ट्रांजिस्टर और पी-टाइप एमओएस ट्रांजिस्टर के बीच की बातचीत से है। एन और पी इलेक्ट्रॉनिक प्रक्रिया में क्रमशः नकारात्मक इलेक्ट्रोड और सकारात्मक इलेक्ट्रोड का प्रतिनिधित्व करते हैं। ज्यादातर मामलों में, पी को एक पी-प्रकार सब्सट्रेट बनाने के लिए रसायनों के साथ डोप किया जाता है। इस पर लिखे गए तर्क सर्किट को nMOS सर्किट की विशेषताओं का पालन करने के लिए डिज़ाइन किया जाना चाहिए। इस प्रकार के ट्रांजिस्टर का अधिक स्थान उपयोग है और यह अधिक ऊर्जा-कुशल है। इसी समय, ज्यादातर मामलों में, pMOS ट्रांजिस्टर की उपस्थिति को यथासंभव सीमित किया जाना चाहिए, क्योंकि विनिर्माण प्रक्रिया के बाद के चरणों में, एन-प्रकार की सामग्रियों को पी-टाइप सब्सट्रेट में प्रत्यारोपित करने की आवश्यकता होती है, और यह प्रक्रिया pMOS ट्यूबों के गठन की ओर ले जाएगी।
रसायनों के निगमन का काम पूरा होने के बाद, मानक स्लाइसिंग पूरा हो गया है। फिर प्रत्येक स्लाइस को एक उच्च तापमान वाली भट्टी में रखा जाता है और गर्म किया जाता है, और एक सिलिकॉन डाइऑक्साइड फिल्म को हीटिंग के समय को नियंत्रित करके स्लाइस की सतह पर उत्पन्न किया जाता है। तापमान, वायु संरचना और हीटिंग समय की बारीकी से निगरानी करके, सिलिका परत की मोटाई को नियंत्रित किया जा सकता है। इंटेल&की 90-नैनोमीटर विनिर्माण प्रक्रिया में, गेट ऑक्साइड की चौड़ाई 5 अद्भुत परमाणुओं की तुलना में छोटी है। यह लेयर गेट सर्किट ट्रांजिस्टर गेट सर्किट का भी हिस्सा है। ट्रांजिस्टर गेट सर्किट की भूमिका उनके बीच इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह को नियंत्रित करना है। गेट वोल्टेज के नियंत्रण के माध्यम से, इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह को कड़ाई से नियंत्रित किया जाता है, इनपुट और आउटपुट पोर्ट वोल्टेज के आकार की परवाह किए बिना। तैयारी की अंतिम प्रक्रिया सिलिकॉन डाइऑक्साइड परत पर एक सहज परत को कवर करने के लिए है। सामग्री की इस परत का उपयोग उसी परत में अन्य नियंत्रण अनुप्रयोगों के लिए किया जाता है। जब यह सूख जाता है तो सामग्री की इस परत में अच्छी फोटोसिटीविटी होती है, और फोटोलिथोग्राफी प्रक्रिया समाप्त होने के बाद, इसे रासायनिक विधियों द्वारा भंग और हटाया जा सकता है।
Photoetching
यह वर्तमान चिप निर्माण प्रक्रिया में एक बहुत ही जटिल कदम है। तुमने ऐसा क्यों कहा? फोटोसेटिंग प्रक्रिया प्रकाश की एक निश्चित तरंग दैर्ध्य का उपयोग करने के लिए है, जिससे फोटोसिटिव परत में संबंधित स्कोर को खोदा जा सके, जिससे वहां सामग्री के रासायनिक गुणों को बदल दिया जाए। इस तकनीक की उपयोग की जाने वाली प्रकाश की तरंग दैर्ध्य पर अत्यधिक सख्त आवश्यकताएं हैं, जिसके लिए लघु-तरंग दैर्ध्य पराबैंगनी किरणों और बड़े वक्रता लेंसों के उपयोग की आवश्यकता होती है। वेफर पर दाग से भी नक़्क़ाशी प्रक्रिया प्रभावित होती है। नक़्क़ाशी का प्रत्येक चरण एक जटिल और नाजुक प्रक्रिया है। प्रक्रिया के प्रत्येक चरण को डिजाइन करने के लिए आवश्यक डेटा की मात्रा को 10GB की इकाइयों में मापा जा सकता है, और प्रत्येक प्रोसेसर के निर्माण के लिए आवश्यक नक़्क़ाशी कदम 20 से अधिक चरणों (प्रत्येक परत etched) हैं। इसके अलावा, यदि प्रत्येक परत के नक्काशीदार चित्र को कई बार बढ़ाया जाता है, तो यह पूरे न्यूयॉर्क शहर के नक्शे और उपनगरीय सीमा से भी अधिक जटिल हो सकता है। के वास्तविक क्षेत्र में संपूर्ण न्यूयॉर्क मानचित्र को कम करने की कल्पना करेंकेवल 100 वर्ग मिलीमीटर। चिप पर, फिर आप कल्पना कर सकते हैं कि इस चिप की संरचना कितनी जटिल है।
जब ये सभी नक़्क़ाशी पूरी हो जाती है, तो वेफर खत्म हो जाती है। शॉर्ट-वेवलेंथ लाइट को क्वार्ट्ज टेम्पलेट पर खोखले किए गए पायदान के माध्यम से वेफर की सहज परत पर विकिरणित किया जाता है, और फिर प्रकाश और टेम्पलेट को हटा दिया जाता है। बाहर उजागर की गई प्रकाश संश्लेषक परत की सामग्री को रासायनिक विधियों द्वारा हटा दिया जाता है, और सिलिकॉन डाइऑक्साइड तुरंत रिक्त स्थान के तहत उत्पन्न होता है।
डोपिंग
शेष प्रकाश संश्लेषण परत सामग्री को हटा दिए जाने के बाद, जो बचता है वह भरी हुई खाई की सिलिकॉन डाइऑक्साइड परत और परत के नीचे उजागर सिलिकॉन परत है। इस चरण के बाद, एक और सिलिकॉन डाइऑक्साइड परत पूरी हो गई है। फिर, एक प्रकाश संश्लेषक परत के साथ एक और पॉलीसिलिकॉन परत को जोड़ा जाता है। पॉलीसिलिकॉन एक अन्य प्रकार का गेट सर्किट है। धातु कच्चे माल (इसलिए नाम धातु ऑक्साइड अर्धचालक) के उपयोग के कारण, पॉलीसिलिकॉन ट्रांजिस्टर कतार बंदरगाह पर वोल्टेज से पहले गेट सक्रिय होने की अनुमति देता है। मुखौटा के माध्यम से प्रकाश-तरंगित परत को शॉर्ट-वेवलेंथ प्रकाश द्वारा भी etched है। एक और नक़्क़ाशी के बाद, सभी आवश्यक गेट सर्किट मूल रूप से बन गए हैं। फिर, उजागर सिलिकॉन परत रासायनिक रूप से आयनों के साथ बमबारी होती है। यहां उद्देश्य एन-चैनल या पी-चैनल बनाना है। यह डोपिंग प्रक्रिया सभी ट्रांजिस्टर और उनके बीच सर्किट कनेक्शन बनाती है। किसी भी ट्रांजिस्टर में एक इनपुट और आउटपुट नहीं होता है, और दो छोरों को पोर्ट कहा जाता है।
इस प्रक्रिया को दोहराएं
इस चरण से, आप परतों को जोड़ना जारी रखेंगे, सिलिकॉन डाइऑक्साइड की एक परत जोड़ें, और फिर एक बार लिथोग्राफी करें। इन चरणों को दोहराएं, और फिर एक बहु-परत तीन आयामी वास्तुकला है, जो उस प्रोसेसर की भ्रूण स्थिति है जिसे आप वर्तमान में उपयोग कर रहे हैं। प्रत्येक परत के बीच, परतों के बीच प्रवाहकीय कनेक्शन का संचालन करने के लिए धातु कोटिंग की तकनीक का उपयोग किया जाता है। आज&का P4 प्रोसेसर धातु कनेक्शनों की 7 परतों का उपयोग करता है, जबकि Athlon64 9 परतों का उपयोग करता है। उपयोग की गई परतों की संख्या प्रारंभिक लेआउट डिज़ाइन पर निर्भर करती है और सीधे अंतिम उत्पाद के प्रदर्शन अंतर का प्रतिनिधित्व नहीं करती है।
अगले कुछ हफ्तों में, वेफर का एक-एक करके परीक्षण किया जाएगा, जिसमें वेफर की विद्युत विशेषताओं का परीक्षण करना शामिल है, यह देखने के लिए कि क्या तर्क त्रुटियां हैं, और यदि हां, तो किस परत पर और इतने पर। उसके बाद, वेफर पर प्रत्येक चिप यूनिट जिसमें समस्या है, यह निर्धारित करने के लिए व्यक्तिगत रूप से परीक्षण किया जाएगा कि चिप में विशेष प्रसंस्करण की आवश्यकता है या नहीं।
फिर, पूरे वेफर को व्यक्तिगत प्रोसेसर चिप इकाइयों में काट दिया जाता है। प्रारंभिक परीक्षण में, जो इकाइयाँ परीक्षण में विफल रहीं, उन्हें छोड़ दिया जाएगा। इन चिप इकाइयों को काट दिया जाता है, एक निश्चित तरीके से पैक किया जाएगा ताकि इसे आसानी से एक निश्चित इंटरफ़ेस विनिर्देश के मदरबोर्ड में डाला जा सके। अधिकांश इंटेल और एएमडी प्रोसेसर हीट सिंक से ढके होते हैं। प्रोसेसर के तैयार उत्पाद के पूरा होने के बाद, चिप फ़ंक्शन परीक्षणों की एक पूरी श्रृंखला की भी आवश्यकता होती है। यह भाग विभिन्न ग्रेड के उत्पादों का उत्पादन करेगा, कुछ चिप्स अपेक्षाकृत उच्च आवृत्ति पर काम करते हैं, इसलिए उच्च आवृत्ति वाले उत्पादों के नाम और संख्या को लेबल किया जाता है, और अपेक्षाकृत कम ऑपरेटिंग आवृत्तियों वाले चिप्स को लेबल, अन्य कम आवृत्ति वाले मॉडल में संशोधित किया जाता है। यह विभिन्न मार्केट पोजीशनिंग का प्रोसेसर है। और कुछ प्रोसेसर में चिप फ़ंक्शन में कुछ कमियां हो सकती हैं। उदाहरण के लिए, इसमें कैश फ़ंक्शन में दोष हैं (यह दोष अधिकांश चिप्स को पंगु बनाने के लिए पर्याप्त है), फिर उन्हें कुछ कैश क्षमता, प्रदर्शन को कम करने और निश्चित रूप से, उत्पाद की कीमत कम करने से परिरक्षित किया जाएगा। यह सेलेरॉन और सेम्प्रोन की उत्पत्ति है।
चिप की पैकेजिंग प्रक्रिया पूरी होने के बाद, कई उत्पादों को यह सुनिश्चित करने के लिए एक और परीक्षण करना पड़ता है कि पिछली विनिर्माण प्रक्रिया में कोई चूक नहीं है, और उत्पाद पूरी तरह से विचलन के बिना विनिर्देशों का अनुपालन करता है।
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