תהליך הייצור
אחרי שהבנו איך עובד מעבד הגיע הזמן ללמוד איך מייצרים דבר כל כך מורכב על פרוסה כל כך קטנה של סיליקון. לא נוכל לעבור על כל שלבי הייצור כי מדובר בכמה מאות שלבים. הכנת מעבד היא תהליך מורכב ותובעני, הכולל 20-25 שכבות של חומרים שמחוברים לפרוסת סיליקון בתהליכים שונים הכוללים שימוש בכימיקלים, גאזים, חום ואור. כל התהליכים שנפרט בהמשך מיוצרים באולמות נקיים פי 100 מחדרי ניתוח כי מספיק חלקיק אחד של אבק שמגיע אל פרוסת הסיליקון במהלך התהליך בשביל "לדפוק" מעבד. אפילו האנשים שמעורבים בתהליך לובשים חליפות מיוחדות כדי שלא "יזהמו" את החדר. כמו כן החליפות פורקות כל הזמן חשמל סטאטי שנוצר על החליפה ויכול לגרום למעגלים הזעירים במעבד להשרף.
לייצור מעבדים משתמשים בפרוסת סיליקון בצורת פלטה עגולה הנקראת Silicon Wafer וקוטרה 300מ"מ במקרה של ה-Pentium 4. נעבור על השלבים העיקריים אחד אחד:
1- פרוסות הסיליקון הללו מיוצרות מחול ים פשוט שעבר תהליכים של טיהור.
2- הסיליקון המטוהר מותך וניצק לתוך גלילים בקוטר 300מ"מ. אחרי שהסיליקון מתקשה הוא מעוצב בצורת גליל. גלילים אילו נקראים "Ingots".
3- ה-Ingots נפרסים לפרוסות דקות הנקראות "Wafers" ומלוטשות עד שמקבלים משטח חלק לגמרי(מראה).
Ingots ו-Wafers לפני תחילת הייצור
4- בתנאי ריק(ואקום), שמים על ה-Wafer תבניות מהונדסות היטב ע"י מחשב, כל כך ממוזערות עד כי ניתן לדחוף על Wafer אחד מאות מעבדים.
5- בגלל שבכל תבנית המעגלים כל כך ממוזערים קשה לשים את שכבת החומר "המזהם" רק במקומות הרצויים, במקום זה שמים שכבה של חומר על כל פרוסת הסיליקון ומסירים את התבניות עם שאריות החומר. מה שנשאר בסוף היא רק הצורה הרצויה. כל פעם חומר אחר שנותן לסיליקון תכונות אחרות.
6- אחרי שממקמים את החומר המזהם הרצוי, מחברים אותו לסיליקון. כל שכבה והחומר שלה, כל חומר והתהליך שמחבר אותו לסיליקון. יכולות להיות 20-25 שכבות כאלו שהופכות את המעבד למעגל משולב בכמה שכבות(תלת מימדי).
בהתחלה שמים חומר רגיש לאור הנקרא "Photoresist" על פרוסת הסיליקון, ישנם שני סוגי Photoresist: חיובי (Positive) ושלילי (Negative). מזכיר לכם משהו?
אחר כך בתהליך שנקרא ליתוגרפיה (Photolithography) מאירים באור אולטרא סגול רב עוצמה (UV – Ultra Violet, ספקטרום של אור הנמצא מחוץ לספקטרום שאנו רואים) דרך תבנית על המשטח, רק בנקודות שנחשפו לאור נצרבת התבנית. אחר כך בתהליך שנקרא "Etching" עודפי ה-Photoresist מוסרים.
האור שעובר דרך התבנית צורב את הדוגמה על ה-Photoresist
חומרים נוספים כמו ה-Poly Silicon (שמוליך זרם) מוספים ועוברים את אותו תהליך ליתוגרפיה.
לכל שכבה של חומר יש תבנית יחודית וביחד הן מהוות את המבנה התלת מימדי של המעבד.
בתהליך שנקרא "Doping" האזורים החשופים על פרוסת הסיליקון "מופצצים" בחומרים שונים, זיהומים שעליהם למדנו בתחילת הכתבה הנותנים לסיליקון את תכונות N-Type ו-P-type על פי התבניות שיוצרות בעצם את כל הטרנזיסטורים והרכיבים האחרים על ליבת המעבד.
ישנם תהליכים שונים לשכבות השונות אבל רובם תהליכים כימיים שלא מעניינים אותנו.
כדי שתהיה תקשורת בין השכבות, בכל שכבה המהנדסים השאירו "חלון", בין חלון לחלון שמים שכבת מתכת קטנה, במקרה של המעבדים היום משתמשים בנחושת כי היא מוליכה מעולה.
כמו כן יש הרבה מקומות ריקים בכל מעבד שלא צרובה עליהם שם תבנית, אם מסתכלים עם מיקרוסקופ על הליבה אפשר לראות אפילו אומנות צרובה במקומות הללו על פרוסת הסיליקון, כשמפתחי השבבים שמים את החתימות שלהם, ציורים ומה לא בעצם.(יש אנשים שאוספים שבבים כדי לחפש את אומנות הסיליקון המשונה הזאת).
דילברט