MTM 305 MĠKROĠġLEMCĠLER

Transkript

1 KARABÜK ÜNĠVERSĠTESĠ TEKNOLOJĠ FAKÜLTESĠ MEKATRONĠK MÜHENDĠSLĠĞĠ BÖLÜMÜ MTM 305 MĠKROĠġLEMCĠLER ArĢ. Gör. Emel SOYLU ArĢ. Gör. Kadriye ÖZ

2 Bir iģlemcinin üretimi

3 Kum Silikon, yer kabuğundaki ikinci (%25) en yaygın kimyasal elementtir. Kum özellikle de kuvars yüksek miktarda silikon (SiO2, silisyum dioksit) içerdiği ve silikon'da yarıiletken üretiminde ana bileģen olduğu için çip üreticilerinin temel maddesidir. Eritilmiş Silikon Silikon, farklı aģamalardan geçerek arındırılır ve sonunda yarıiletken üretiminde kullanılacak kalite seviyesine ulaģır ki buna Elektronik Grad Silikon adı verilir. Elektronik Grad Silikon, milyarlarca silikon ve alyan atomu içerir. Yukarıdaki resimde arındırılmıģ silikon eriyiğinden elde edilen külçeyi (mono kristal) görebilirsiniz.

4 Mono Kristal Silikon Külçe Külçe, Elektronik Grad Silikondan üretilir. Bir Külçe 100 kilogram ağırlığında olup, % silikon saflığına sahiptir. Külçeler, Wafer olarak adlandırılan ayrı disklere kesilirler. Her bir Wafer'ın kalınlığı 1mm'dir. Waferlar, ayna parlaklığında, kusursuz bir yüzeye sahip olana kadar parlatılırlar. Intel, tüm bu süreçlerden geçmiģ üretime hazır waferları üçüncü parti firmalardan temin eder. Intel, ileri teknoloji ürünü geliģmiģ 32nm High K / Metal Kapı sürecini, yaklaģık 12-inç büyüklüğündeki 300mm waferlarda kullanır ki firmanın ilk defa çip üretmeye baģladığında baskılı devreler için 2-inç büyüklüğündeki 50mm waferlar kullandığı dikkate alınırsa teknolojideki geliģim daha net gözlenebilir. Intel yaptığı yatırımların bir sonucu olarak bugün üretimde 300mm waferlar kullanıyor ve bu hızlı geliģim çip baģına maliyetlerin düģürülmesini sağlıyor.

5 Fotorezist Uygulaması Wafer üzerinden çip elde etme iģlemi, yüksek hassasiyet seviyesiyle kontrol edilen yüzlerce adımı içermektedir. ĠĢte bu sürecin en önemli aģamalarından biri de farklı materyaller içeren kalıpların birbiri ardına dizilmesidir. ĠĢlemci üretimindeki uzun ve karmaģık süreçte en önemli aģamalardan biri de fotorezist uygulamasıdır. Yukarıdaki resimde Mavi renkle görülen fotorezist, ortaya çıktıktan sonra bir sonraki aģama için temizlenir. Kalan fotorezist (resimdeki Mavi parlaklık), materyalleri iyon implantasyonuna maruz kalmamaları için korur.

6 İyon İmplantasyonu ĠĢlemci zarı elde edilecek wafer, fotolitografi kullanılarak kalıplara ayrılır. Wafer, artı veya eksi yüklü iyonlar içeren ıģın bombardımana tutulur. Ġyonlar, kendilerini wafer yüzeyinin altına, seçili lokasyonlardaki silikonun iletken özelliklerinde değiģiklik yapmak üzere gömerler. Resimde görülen yeģil bölgeler, doğru Ģekilde uygulanmıģ aylan atomlarını göstermekte.

7 High-K dielektrik birikimi Intel, wafer yüzeyinde, transistör kapısı ve onun kanalı arasındaki geleneksel yalıtkanlar yerine çok katmanlı dielektrik materyal kullanıyor. Bu materyal, bir seferde bir atomik katman uyguluyor. Bu uygulama, elektrik sızıntılarını azalttığı gibi enerji verimli iģlemci üretimini de mümkün kılıyor. Wafer yüzeyine uygulanan ayrı molekül katmanlarının her biri, çoklu katman içerir. Orta resimdeki sarı iki katman, iģte bu katmanları temsil ediyor. Üçüncü resim ise High-K yalıtkan materyalin tüm wafer yüzeyine uygulanıģını gösteriyor. High-K yalıtkan materyal, geleneksel silikondioksit katmana göre dahakalın olmakla birlikte, performansı maksimize edecek aynı sığal özelliklere sahiptir. Uygulanan yenilikçi yalıtkan sayesinde, yapısal değiģikliklere rağmen, akım kaçağı azaltılabilimiģtir.

8 Foto litografi Wafer, üzerine dökülen siyah sıvı ile birlikte döndürülür ve bu adım, ince fotorezist katmanının uygulanmasına olanak tanır. Fotorezist, ultra viyole ıģığa çıkartılır. Bu aģamada meydana gelen kimyasal reaksiyon, obtüratör butonuna basıldığı anda film kamerasında meydana gelen ile oldukça benzerdir. Ultra Viyole ıģığa çıkartılan fotorezist anından çözülebilir olacaktır. Stensil benzeri maskeler kullanılarak tamamlanan açığa çıkartma iģleminde, UV ıģık kullanılmaktadır çünkü bu sayede maskeler, iģlemcinin her katmanında yer alan çeģitli baskılı devrelerini yaratır. Orta resimde görülen lens, maskenin imajını azaltır ve sonuç olarak wafer üzerinde oluģan baskı, tipik olarak maskenin kendi kalıbından dört kat daha küçük olur. Intel araģtırmacıları, geliģtirdikleri çok daha küçük transistörler sayesinde tek bir pinin baģına 30 milyon transistor yerleģtirebilmektedirler.

9 Etching - Oymabaskı YapıĢkan fotorezist, kullanılan çözücü ile yok edilir. Bu adımla birlikte maske tarafından yapılan fotorezist kalıbı (siyah kısım) ortaya çıkar. Fotorezist, kimyasallara aģınmaması adına High-K dielektriği koruma görevini üstlenir. AĢındırılmıĢ fotorezistin kaldırılmasından sonra istenen Ģekil görünür olur.

10 Metal Dökme Hazır transistörler artık tamamlanmaya yakındır. Üç delik, Kırmızı renkle görülen yalıtkan katman ile yakılırlar. Bu üç delik, diğer transitörlerle iletiģimi sağlamak üzere bakır ya da diğer metaller ile doldurulurlar. Elektro-Kaplama aģamasında waferlar, bakır sülfat solüsyon içerisine sokulurlar. Bakır iyonları, elektro-kaplama adı verilen iģlem ile transistörlere dökülürler. Bakır iyonları, pozitif terminalden (anot) negatif terminale (katot) doğru seyahat ederler. Elektro-Kaplama aģamasından sonra Bakır iyonları aynı ince bir Bakır katmanı gibi yerleģirler wafer üzerine.

11 Metal Katmanlar Bu aģamada önce artan materyal silinir. Çoklu metal katmanlar, farklı transistörler arasında bağlantı (kablolar gibi) oluģtururlar. Bağlantıların nasıl gerçekleģeceği ise mimari ve tasarım ekipleri tarafından tanımlanır. Bilgisayar çipleri aģırı düz görünürler, aslında 30'dan fazla katmana sahip olan iģlemcilerin büyütülmüģ görüntülerine bakılırsa, devre hatları arasındaki karıģık ağ yapısı ve transistörler, futuristik birçok katmanlı otoban sistemi gibi görülebilirler. Wafer, gerekli süreçler tamamlandıktan sonra tümleģke ve test tesislerine transfer edilirler.

12 Wafer Sınıflandırma Testi ve Dilimleme Hazır waferlar ilk olarak fonksiyonalite testine tabi tutulurlar. Bu aģamada, test kalıbı her çip için tekrarlanır ve çipin tepki süresi takip edilerek "doğru cevap" ile karģılaģtırılır. Wafer, dilimleme aģamasında, "zar" olarak tanımlanan parçalara ayrılır. Intel'in 32nm Core i3 ve Core i5 iģlemcilerinde, biri CPU diğeri de grafik için olmak üzere iki zar hazırlanır ve aynı pakette bir araya getirilirler. Az önce detaylandırdığımız üzere test aģamasında doğru cevabı veren zarlar bir sonraki aģamaya geçer, hatalı zarlar ise ayıklanır. Wafer dilimleme aģamasından sonra iģlemcilerde kullanılacak zarlar ortaya çıkmıģ olur.

13 Paketleme Wafer dilimlemesinin ardından paketlemeye geçilir ve zar ya da zarlar (Core i3 ve Core i5 için) ısı dağıtıcı ile birlikte tamamlanmıģ iģlemci formunu oluģturmak için bir araya getirilirler. Resimde görülen yeģil alt tabaka, PC sisteminin kalanıyla kurulacak iletiģim için gerekli olan elektriksel ve mekanik arabirimi kurar. Resimde görülen gümüģ ısı dağıtıcı ise, kullanılacak iģlemci soğutucusu ile teması sağlar ve çalıģma esnasında iģlemciyi serin tutar. Son resimde ise tamamlanmıģ bir iģlemci görülmektedir. MikroiĢlemciler, dünya üzerinde üretim süreci en karmaģık ürünlerdir ve yüzlerce süreçten geçerler. Tabi tüm bunlardan bahsederken, iģlemcilerin, dünyanın en temiz ortamında yani mikroiģlemci tesislerinde üretildiğini de belirtelim.

14 Sınıf Testi, Tamamlanmış İşlemci Son test aģamasında, hazırlanan iģlemciler, anahtar karakterlerini ortaya çıkartacak (ısıl güç tasarımı ve en yüksek frekans değerleri) teste alınırlar ve elde edilen test sonuçlarına göre modellendirme yapılarak aynı kapasitedeki iģlemciler aynı taģıma rafına dizilirler. Üretimi bitmiģ ve test süreci tamamlanmıģ iģlemciler, sistem üreticilerine raflar içerisinde, teknoloji mağazalarına ise orijinal kutuları içerisinde gönderilir ve tüketicilerle ilk buluģma gerçekleģmiģ olur.

15 Beni dinlediğiniz için teģekkür ederim.