¿Qué es un chip? ¿De qué material está hecho? ¿Cuáles son sus características y usos?

Además del silicio, un material importante para fabricar chips es el metal. Hoy en día, el aluminio se ha convertido en el principal material metálico para fabricar los componentes internos de los procesadores, mientras que el cobre se ha ido eliminando gradualmente. Hay una razón para esto. Con el voltaje de funcionamiento actual del chip, las características de electromigración del aluminio son significativamente mejores que las del cobre. El llamado problema de electromigración significa que cuando una gran cantidad de electrones fluyen a través de un conductor, los átomos del material conductor abandonan sus posiciones originales debido al impacto de los electrones, dejando vacantes. Demasiadas vacantes provocarán que los cables se rompan y los átomos que han abandonado sus posiciones originales permanecerán en otras posiciones, provocando cortocircuitos en otros lugares, afectando así la función lógica del chip y haciéndolo aún más inutilizable. Esta es la razón por la que muchos Northwood Pentium 4 han sido reemplazados por SNDS (Síndrome de Explosión de Northwood). Cuando los entusiastas hicieron overclocking en el Northwood Pentium 4 por primera vez, estaban ansiosos por lograr el éxito y aumentaron significativamente el voltaje del chip. Un grave problema de electromigración provocó que el chip se paralizara. Este es el primer intento de Intel con la tecnología de interconexión de cobre y claramente necesita algunas mejoras. Pero, por otro lado, la aplicación de la tecnología de interconexión de cobre puede reducir el área del chip y, al mismo tiempo, debido a que la resistencia del conductor de cobre es menor, la corriente fluye a través de él más rápido.

Además de estos dos materiales principales, en el proceso de diseño del chip también se requieren algunos tipos de materias primas químicas que desempeñan funciones diferentes, por lo que no entraré en detalles aquí. En la etapa de preparación de la fabricación de chips, una vez completada la recolección de las materias primas básicas, algunas de estas materias primas deben preprocesarse. Como materia prima más importante, el procesamiento del silicio es muy importante. En primer lugar, las materias primas de silicio deben purificarse químicamente para alcanzar el nivel de las materias primas utilizadas en la industria de los semiconductores. Para que estas materias primas de silicio satisfagan las necesidades de procesamiento de la fabricación de circuitos integrados, es necesario darles forma. Este paso se logra derritiendo la materia prima de silicio y luego inyectando el silicio líquido en un recipiente de almacenamiento grande a alta temperatura.

A continuación, las materias primas se funden a altas temperaturas. En las clases de química de la escuela secundaria aprendimos que los átomos de muchos sólidos tienen estructuras cristalinas, incluido el silicio. Para cumplir con los requisitos de los procesadores de alto rendimiento, la materia prima de silicio debe ser silicio monocristalino de alta pureza. Luego, la materia prima de silicio se retira del recipiente de alta temperatura mediante rotación y estiramiento, y se produce un lingote de silicio cilíndrico. A juzgar por la tecnología utilizada actualmente, el diámetro de la sección transversal circular del lingote de silicio es de 200 mm. Pero ahora Intel y otras empresas han empezado a utilizar lingotes de silicio de 300 mm de diámetro. Es bastante difícil aumentar el área de la sección transversal sin cambiar las características del lingote de silicio, pero se puede lograr siempre que las empresas estén dispuestas a invertir mucho dinero en investigación. La fábrica que Intel construyó para desarrollar y producir lingotes de silicio de 300 mm costó alrededor de 3.500 millones de dólares. El éxito de la nueva tecnología permitió a Intel construir chips de circuitos integrados más complejos y potentes. La planta de lingotes de silicio de 200 mm también costó 1.500 millones de dólares. El proceso de fabricación de chips se introduce a partir del corte de lingotes de silicio.

Después de convertir el lingote de silicio monocristalino en un lingote de silicio y garantizar que sea un cilindro absoluto, el siguiente paso es cortar el lingote de silicio cilíndrico. Cuanto más finas son las rodajas, menos material se utiliza, lo que naturalmente permite producir más chips de procesador. Las rodajas también tienen un acabado de espejo para garantizar que la superficie sea absolutamente lisa y luego se verifica si hay distorsiones u otros problemas. La inspección de calidad en este paso es particularmente importante, ya que determina directamente la calidad del chip terminado.

Se dopan nuevos trozos de lingotes de silicio monocristalino con algunas sustancias para convertirlos en un verdadero material semiconductor, y luego se graban en ellos circuitos de transistores que representan diversas funciones lógicas. Los átomos del material dopado entran en los espacios entre los átomos de silicio y las fuerzas atómicas interactúan, dando a la materia prima de silicio las características de un semiconductor. La fabricación actual de semiconductores elige principalmente el proceso CMOS (semiconductor de óxido metálico complementario). La palabra complementario significa la interacción entre los transistores MOS de tipo N y los transistores MOS de tipo P en semiconductores. n y p representan respectivamente los electrodos negativos y positivos en tecnología electrónica. En la mayoría de los casos, las rodajas se dopan con productos químicos para formar un sustrato tipo P y los circuitos lógicos grabados en él se diseñan de acuerdo con las características del circuito nMOS. Estos transistores ahorran más espacio y energía. Al mismo tiempo, en la mayoría de los casos, la aparición de transistores pMOS debe limitarse tanto como sea posible, porque en la etapa posterior del proceso de fabricación, es necesario inyectar materiales tipo N en el sustrato tipo P, y este proceso conducirá a la formación de transistores pMOS.

Una vez finalizado el trabajo de dosificación, se completa el corte estándar. Luego, cada rebanada se calienta en un horno de alta temperatura para formar una película de sílice en la superficie de la rebanada controlando el tiempo de calentamiento. Al monitorear de cerca la temperatura, la composición del aire y el tiempo de calentamiento, se puede controlar el espesor de la capa de sílice. En el proceso de fabricación de 90 nm de Intel, el ancho de la capa de óxido de la puerta es tan pequeño como 5 átomos.

Esta capa de circuito de compuerta también es parte del circuito de compuerta del transistor. El propósito de una puerta de transistor es controlar el flujo de electrones dentro de ella. Al controlar el voltaje de la puerta, el flujo de electrones se controla estrictamente independientemente del voltaje en los puertos de entrada y salida. El último paso de la preparación es cubrir la capa de dióxido de silicio con una capa fotosensible. Esta capa de material se utiliza para otras aplicaciones de control en la misma capa. Esta capa de material tiene un buen efecto fotosensible después del secado y puede disolverse y eliminarse químicamente después del proceso de fotolitografía.

La fotolitografía es un paso muy complejo en el proceso actual de fabricación de chips. ¿Por qué dices eso? El proceso de fotolitografía utiliza luz de una determinada longitud de onda para tallar las muescas correspondientes en la capa fotosensible, cambiando así las propiedades químicas del material allí. Esta tecnología tiene requisitos muy estrictos en cuanto a la longitud de onda de la luz utilizada, lo que requiere el uso de rayos ultravioleta de longitud de onda corta y lentes con grandes curvaturas. El proceso de grabado también se ve afectado por las manchas en la oblea. Cada paso del grabado es un proceso complejo y delicado. La cantidad de datos necesarios para diseñar cada proceso se puede medir en unidades de 10 GB, y la fabricación de cada procesador requiere más de 20 pasos de grabado (una capa a la vez). Y si el mapa grabado de cada capa se amplía muchas veces, se puede comparar con el mapa completo de Nueva York y sus suburbios, o incluso más complicado. Imagínese reducir todo el mapa de Nueva York a un chip con un área real de solo 100 milímetros cuadrados. Puede imaginar lo compleja que es la estructura de este chip.

Cuando se completa todo este grabado, se da la vuelta a la oblea. Se irradia luz de longitud de onda corta sobre la capa fotosensible de la oblea a través de la abertura hueca de la plantilla sensible al tiempo y luego se retiran la luz y la plantilla. El material de la capa fotosensible expuesta se elimina químicamente y se genera dióxido de silicio directamente debajo de la posición hueca.

Después de eliminar el material dopado de la capa fotosensible restante, lo que queda es una capa de dióxido de silicio llena de zanjas y una capa de silicio expuesta debajo. Después de este paso, se completa otra capa de dióxido de silicio. Luego, agrega otra capa de polisilicio con una capa fotosensible. El polisilicio es otro tipo de puerta. Debido a que aquí se utilizan materias primas metálicas (de ahí el nombre semiconductor de óxido metálico), el polisilicio permite que el circuito de puerta se construya antes de que el voltaje del puerto de la matriz de transistores entre en vigor. Al mismo tiempo, la capa fotosensible se graba mediante luz de longitud de onda corta que pasa a través de la máscara. Después de otro grabado se han formado básicamente todos los circuitos de puerta necesarios. A continuación, la capa de silicio expuesta se bombardea químicamente con iones, con el objetivo de crear un canal N o un canal P. Este proceso de dopaje crea todos los transistores y sus conexiones de circuito. Ningún transistor tiene una entrada y una salida, los dos extremos se llaman puertos.

Repetir este proceso.

A partir de este paso continuarás añadiendo capas, añadiendo una capa de dióxido de silicio y luego fotolitografiando una vez. Repita estos pasos y surgirá una arquitectura tridimensional de múltiples capas, que es el estado embrionario del procesador que está utilizando actualmente. La conexión conductora entre capas se logra mediante tecnología de recubrimiento metálico. Los procesadores P4 actuales utilizan 7 capas de conexiones metálicas, mientras que Athlon64 utiliza 9 capas. El número de capas utilizadas depende del diseño original y no representa directamente una diferencia de rendimiento en el producto final.

En las próximas semanas, necesitamos probar las obleas una por una, incluida la verificación de las características eléctricas de las obleas para ver si hay algún error lógico y, de ser así, en qué piso se encuentran. etc. Luego, cada unidad de chip defectuosa en la oblea se prueba individualmente para determinar si el chip tiene necesidades de procesamiento especiales.

A continuación, toda la oblea se corta en unidades de chip de procesador individuales. Durante la prueba inicial, aquellas unidades que no pasen la prueba serán descartadas. Estas unidades de chip recortadas se empaquetarán de cierta manera para que puedan insertarse con éxito en una placa base con una especificación de interfaz determinada. La mayoría de los procesadores Intel y AMD están cubiertos con un disipador de calor. Una vez completado el procesador, es necesario realizar una gama completa de pruebas de funcionamiento del chip. Esta empresa producirá diferentes grados de productos. Algunos chips funcionan a una frecuencia relativamente alta, por lo que se marca el nombre y número del producto de alta frecuencia, mientras que aquellos chips que funcionan a una frecuencia relativamente baja se modifican y se marcan con otros modelos de baja frecuencia. Este es el procesador con diferente posicionamiento en el mercado. Y algunos procesadores pueden tener algunas deficiencias en la funcionalidad del chip. Por ejemplo, si tiene un defecto en sus capacidades de caché (un defecto que paralizaría a la mayoría de los chips), entonces tendrán bloqueada parte de la capacidad de caché, lo que reducirá el rendimiento y, por supuesto, el precio del producto. De aquí provienen Cy Young y Sempron. Una vez completado el proceso de envasado de chips, muchos productos deben volver a probarse para garantizar que no haya omisiones en el proceso de fabricación anterior y que el producto cumpla plenamente con las especificaciones sin desviaciones.