Wie wird aus Sand Silizium? CPU-Herstellung erklärt

Die Welt lebt von Informationen, wobei die Menschheit schätzungsweise 2,5 Millionen Terabyte an Daten pro Tag erstellt. All diese Daten sind jedoch nutzlos, wenn wir sie nicht verarbeiten können. Prozessoren sind also wohl eines der Dinge, ohne die die moderne Welt nicht leben kann.

Aber wie wird ein Prozessor hergestellt? Warum ist es ein modernes Wunder? Wie kann ein Hersteller Milliarden von Transistoren in ein so kleines Gehäuse einbauen? Tauchen wir ein, wie Intel, einer der größten Chiphersteller weltweit, eine CPU aus Sand kreiert.

Extraktion von Silizium aus Sand

Der Grundstoff jedes Prozessors, Silizium, wird aus Wüstensand gewonnen. Dieses Material kommt reichlich in der Erdkruste vor und besteht zu etwa 25 % bis 50 % aus Siliziumdioxid. Es wird verarbeitet, um Silizium von allen anderen Materialien im Sand zu trennen.

Die Verarbeitung wird mehrmals wiederholt, bis der Hersteller eine 99,9999 % reine Probe erstellt. Das gereinigte Silizium wird dann gegossen, um einen zylindrischen Ingot in Elektronikqualität zu bilden. Der Zylinder hat einen Durchmesser von 300 mm und wiegt etwa 100 kg.

Anschließend schneidet der Hersteller den Ingot in 925 Mikrometer dünne Wafer. Anschließend wird es auf ein spiegelglattes Finish poliert, wobei alle Fehler und Schönheitsfehler auf seiner Oberfläche entfernt werden. Diese fertigen Wafer werden dann zur Umwandlung von einer Siliziumplatte in ein Hightech-Computergehirn an die Halbleiterfabrik von Intel geliefert.

Der FOUP-Highway

Da es sich bei Prozessoren um hochpräzise Teile handelt, darf ihre reine Siliziumbasis vor, während und nach der Fertigung nicht kontaminiert werden. Hier kommen die Front-Opening Unified Pods (FOUPs) ins Spiel. Diese automatisierten Behälter halten jeweils 25 Wafer und bewahren sie beim Transport der Wafer zwischen den Maschinen sicher in einem umweltkontrollierten Raum auf.

Darüber hinaus kann jeder Wafer Hunderte Male dieselben Schritte durchlaufen, manchmal von einem Ende des Gebäudes zum anderen. Der gesamte Prozess ist in die Maschinen eingebettet, sodass die FOUP weiß, wohin sie für jeden Schritt gehen muss.

Außerdem fahren die FOUPs auf von der Decke hängenden Einschienenbahnen, sodass sie das schnellste und effizienteste Teil von einem Fertigungsschritt zum nächsten transportieren können.

Fotolithographie

Der Fotolithografieprozess verwendet einen Fotolack, um Muster auf den Siliziumwafer zu drucken. Photoresist ist ein zähes, lichtempfindliches Material, ähnlich dem, was Sie auf Film finden. Sobald dies aufgetragen ist, wird der Wafer mit einer Maske des Musters des Prozessors ultraviolettem Licht ausgesetzt.

Die Maske sorgt dafür, dass nur die zu bearbeitenden Stellen belichtet werden und der Fotolack in diesem Bereich löslich bleibt. Sobald das Muster vollständig auf dem Siliziumwafer aufgedruckt ist, durchläuft es ein chemisches Bad, um alles zu entfernen den belichteten Fotolack und hinterlässt ein Muster aus blankem Silizium, das die nächsten Schritte in durchlaufen wird Prozess.

Ionenimplantation

Dieser auch als Dotierung bezeichnete Prozess bettet Atome aus verschiedenen Elementen ein, um die Leitfähigkeit zu verbessern. Nach Abschluss wird die anfängliche Fotolackschicht entfernt und eine neue aufgebracht, um den Wafer für den nächsten Schritt vorzubereiten.

Radierung

Nach einer weiteren Photolithographie-Runde geht der Siliziumwafer weiter zum Ätzen, wo die Bildung der Transistoren des Prozessors beginnt. An den Stellen, an denen das Silizium verbleiben soll, wird Fotolack aufgetragen, während die zu entfernenden Teile chemisch geätzt werden.

Das verbleibende Material wird langsam zu Kanälen der Transistoren, in denen die Elektronen von einem Punkt zum anderen fließen.

Materialablagerung

Sobald die Kanäle erzeugt wurden, kehrt der Siliziumwafer zur Fotolithografie zurück, um nach Bedarf Fotolackschichten hinzuzufügen oder zu entfernen. Es geht dann weiter zur Materialabscheidung. Verschiedene Schichten aus unterschiedlichen Materialien, wie Siliziumdioxid, polykristallines Silizium, High-k-Dielektrikum, unterschiedlich Metalllegierungen und Kupfer werden hinzugefügt und geätzt, um die Millionen von Transistoren auf dem zu erstellen, fertigzustellen und zu verbinden Chip.

Chemisch-mechanische Planarisierung

Jede Prozessorschicht wird einer chemisch-mechanischen Planarisierung unterzogen, die auch als Polieren bekannt ist, um überschüssiges Material abzuschneiden. Sobald die oberste Schicht entfernt ist, wird das darunter liegende Kupfermuster freigelegt, sodass der Hersteller mehr Kupferschichten erstellen kann, um die verschiedenen Transistoren nach Bedarf zu verbinden.

Obwohl Prozessoren unglaublich dünn aussehen, haben sie normalerweise mehr als 30 Schichten komplexer Schaltkreise. Dadurch kann es die Rechenleistung liefern, die für heutige Anwendungen erforderlich ist.

Testen, Slicen und Sortieren

Ein Siliziumwafer kann alle oben genannten Prozesse durchlaufen, um einen Prozessor herzustellen. Sobald der Siliziumwafer diese Reise abgeschlossen hat, beginnt er mit dem Testen. Dieser Prozess prüft jedes erstellte Stück auf dem Wafer auf Funktionalität – ob es funktioniert oder nicht.

Sobald dies erledigt ist, wird der Wafer in Stücke geschnitten, die als Chip bezeichnet werden. Es wird dann sortiert, wo funktionierende Matrizen zum Verpacken weitergeleitet werden und diejenigen, die versagen, verworfen werden.

Aus dem Siliziumchip einen Prozessor machen

Dieser Prozess, Verpackung genannt, verwandelt Chips in Prozessoren. Ein Substrat, normalerweise eine Leiterplatte, und ein Wärmeverteiler werden auf den Chip gelegt, um die von Ihnen gekaufte CPU zu bilden. Das Substrat ist dort, wo der Chip physisch mit dem Motherboard verbunden ist, während der Wärmeverteiler mit Ihrem verbunden ist DC- oder PWM-Lüfter der CPU.

Prüfung und Qualitätskontrolle

Die fertigen Prozessoren werden dann erneut getestet, diesmal jedoch auf Leistung, Leistung und Funktionalität. Dieser Test bestimmt was für ein Chip wird es sein– ob es gut ist, ein zu sein i3-, i5-, i7- oder i9-Prozessor. Die Prozessoren werden dann für die Einzelhandelsverpackung entsprechend gruppiert oder zur Lieferung an Computerhersteller in Schalen platziert.

Mikroskopisch klein und doch ungeheuer kompliziert

Während Prozessoren von außen einfach aussehen, sind sie immens kompliziert. Die Prozessorherstellung dauert zweieinhalb bis drei Monate mit 24/7-Prozessen. Und trotz der hochpräzisen Technik hinter diesen Chips gibt es immer noch keine Garantie dafür, dass sie einen perfekten Wafer erhalten.

Tatsächlich können Prozessorhersteller zwischen 20 % und 70 % der Chips auf einem Wafer aufgrund von Unvollkommenheiten, Verunreinigungen und mehr verlieren. Dieser Wert wird zusätzlich durch immer kleinere CPU-Prozesse beeinflusst, mit der neueste Chips gehen so klein wie 4nm.

Wie das Moore'sche Gesetz besagt, können wir jedoch weiterhin damit rechnen, dass sich die Prozessorleistung bis 2025 alle zwei Jahre verdoppelt. Bis die Prozessoren die fundamentale Obergrenze der Atomgröße erreichen, müssen all diese Herstellungsprozesse mit den Designs zur Herstellung des von uns geforderten Chips fertig werden.

Was ist das Mooresche Gesetz und ist es im Jahr 2022 noch relevant?

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