CPU được làm từ cát, và đây là cách mà Intel đã tạo ra bộ não cho PC

Trước đó, Intel đã công bố “bộ công cụ báo chí” giúp bạn đọc hình dung được quy trình sản xuất CPU, đồng thời biết được những gì được thực hiện trong từng giai đoạn. Vui lòng tham khảo.

CPU được làm bằng cát

Cát có 25% là silic. Sau oxy, đây là nguyên tố hóa học phổ biến thứ hai trên bề mặt Trái Đất. Cát, đặc biệt là thạch anh, có hàm lượng silic cao và ở dạng SiO2. Đây cũng là vật liệu cơ bản cho chất bán dẫn.

Tinh chỉnh và phát triển

Sau khi cát thô được thu thập và silicon được tách ra, silicon này được tinh chế qua nhiều bước để cuối cùng đạt được chất lượng cần thiết, được gọi là “silicon cấp điện tử”. Kết quả của quá trình tinh chế này “sạch” đến mức silicon cấp điện tử chỉ có thể chứa 1 nguyên tử tạp chất cho mỗi 1 tỷ nguyên tử silicon.

Sau khi tinh chế xong, đã đến lúc nấu chảy. Trong hình ảnh trên, bạn có thể thấy cách một tinh thể lớn được hình thành từ silicon nóng chảy. Sản phẩm của quá trình này được gọi là “thỏi”.

Một thỏi lớn

Thỏi đơn tinh thể được làm từ silicon cấp điện tử. Một thỏi nặng khoảng 100kg và có độ tinh khiết silicon là 99,9999%.

Cắt thỏi

Thỏi này sau đó được đưa vào giai đoạn cắt lát. Một lưỡi dao cắt thỏi thành những tấm silicon mỏng, gọi là wafer. Một số thỏi có thể cao hơn 1,5m và wafer có thể có đường kính khác nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụng. Vào năm 2009, CPU thường được làm từ wafer 300mm.

Đánh bóng wafer

Sau khi cắt, các tấm wafer được đánh bóng cho đến khi chúng có bề mặt nhẵn. Intel không tự sản xuất các thỏi và wafer của mình mà thay vào đó mua các wafer làm sẵn từ bên thứ ba. Khi Intel bắt đầu sản xuất chip, họ đã in các bảng mạch lên các wafer 50mm. Năm 2009, Intel chuyển sang wafer 300mm, giúp giảm chi phí cho mỗi chip.

Ứng dụng Photo Resist

Chất lỏng màu xanh trong hình trên là lớp phủ photoresist tương tự như lớp phủ trên cuộn phim máy ảnh. Tấm wafer được xoay để trải đều lớp phủ mỏng, mịn và đều.

Tiếp xúc với tia cực tím

Trong giai đoạn này, lớp phủ được tiếp xúc với tia cực tím (UV), tạo ra phản ứng hóa học tương tự như khi bạn nhấn nút chụp trên máy ảnh phim.

Phần tiếp xúc trở nên hòa tan. Quá trình tiếp xúc được thực hiện bằng cách sử dụng mặt nạ đóng vai trò như khuôn in. Khi sử dụng với đèn UV, các mặt nạ này tạo ra các mẫu mạch. Quá trình này được lặp lại cho đến khi nhiều lớp được xếp chồng lên nhau.

Một thấu kính (ở giữa hình ảnh) sẽ thu nhỏ hình ảnh mặt nạ và thông thường “hình ảnh” được in trên tấm wafer sẽ nhỏ hơn 4 lần so với kích thước của “hoa văn” trên mặt nạ.

Tiếp tục phơi sáng

Hình ảnh trên cho thấy bóng bán dẫn trông như thế nào khi nhìn bằng mắt thường. Nó hoạt động như một công tắc, điều khiển dòng điện trong chip máy tính. Các nhà nghiên cứu tại Intel đã phát triển các bóng bán dẫn nhỏ đến mức một đầu kim có thể chứa 30 triệu bóng bán dẫn.

Rửa chất cản quang

Sau khi tiếp xúc với tia UV, lớp phủ được phơi sáng sẽ hòa tan trong dung dịch. Mẫu hình thu được sẽ trở thành điểm khởi đầu cho bóng bán dẫn, kết nối và các tiếp điểm khác.

Khắc

Lớp photoresist sẽ bảo vệ wafer bên dưới khỏi bị ăn mòn. Các phần còn lại sẽ được ăn mòn hóa học.

Loại bỏ lớp mờ đục

Sau khi khắc, lớp photoresist cũng sẽ được loại bỏ, để lại hình dạng mong muốn.

Thêm một lớp tương phản

Bước tiếp theo là thêm một lớp photoresist (màu xanh) và tiếp tục chiếu tia UV. Sau đó, lớp photoresist được chiếu sẽ được rửa sạch, chuyển sang bước “phun ion”. Đây là nơi các ion “gặp” wafer, cho phép silicon thay đổi các tính chất hóa học của nó, cho phép CPU điều chỉnh dòng điện.

Doping ion

Thông qua quá trình “cấy ion”, phần tiếp xúc của tấm wafer silicon bị bắn phá bằng các ion. Các ion được cấy vào wafer để thay đổi các đặc tính của silicon, cho phép nó dẫn điện. Các ion này di chuyển với tốc độ trên 300.000 km/h và đập vào bề mặt của wafer.

Loại bỏ lớp mờ đục

Sau quá trình cấy ion, lớp cản quang được loại bỏ và phần màu xanh lá cây chứa các hạt ion.

Bóng bán dẫn

Transistor gần như đã hoàn thiện. Sẽ có ba lỗ được khắc vào lớp cách điện (màu đỏ tía) phía trên transistor. Cả ba lỗ sẽ được lấp đầy bằng đồng, được sử dụng để kết nối với các transistor khác.

Mạ điện các tấm wafer

Các tấm wafer sẽ được nhúng vào dung dịch đồng sunfat (CuSO4). Các ion đồng sẽ được mạ lên bóng bán dẫn. Chúng sẽ chảy từ cực dương (anot) đến cực âm (catot) – tức là wafer.

lắng đọng ion

Các ion đồng sẽ lắng xuống, tạo thành một lớp mỏng trên bề mặt tấm wafer.

Loại đồng dư thừa

Lượng đồng dư thừa sẽ được loại bỏ, để lại một lớp đồng cực mỏng.

Phân lớp

Nhiều lớp kim loại được sử dụng để kết nối các bóng bán dẫn với nhau (giống như dây điện). Cách các lớp này kết nối phụ thuộc vào kiến ​​trúc và nhóm thiết kế đằng sau CPU cụ thể. Mặc dù chip máy tính trông phẳng, nhưng chúng có thể có hơn 20 lớp xếp chồng lên nhau, tạo thành một mạch phức tạp. Nếu bạn phóng to một con chip, bạn sẽ thấy một mạng lưới dày đặc các mạch và bóng bán dẫn.

Kiểm tra phân loại wafer

Sau đó, wafer đi qua phần thử nghiệm đầu tiên. Các mẫu thử nghiệm được chuyển đến từng chip và phản hồi từ các chip này được theo dõi và so sánh với kết quả chính xác.

Cắt lát wafer

Nếu tấm wafer vượt qua bài kiểm tra, nó sẽ được cắt thành những mảnh nhỏ hơn, gọi là khuôn.

Phân loại khuôn

Những con chip vượt qua bài kiểm tra sẽ vượt qua “vòng tiếp theo” (đóng gói). Những con chip còn lại sẽ bị loại bỏ. Nhiều năm trước, Intel đã sử dụng những con chip lỗi này để làm móc chìa khóa.

Tách Die

Đây là một khuôn riêng biệt, được cắt từ wafer ở giai đoạn trước. Hình ảnh trên là khuôn của bộ xử lý Intel Core i7.

Đóng gói CPU

Đế, khuôn và bộ tản nhiệt đều được dán lại với nhau để tạo thành một CPU hoàn chỉnh. Đế màu xanh cung cấp các kết nối điện và cơ học cho phép bộ xử lý tương tác với phần còn lại của PC. Bộ tản nhiệt màu bạc được phủ một lớp tản nhiệt, giúp CPU chạy mát hơn.

CPU hoàn chỉnh

Bộ vi xử lý là thứ phức tạp nhất từng được tạo ra trên Trái Đất. Nó thực sự cần hàng trăm bước, chỉ những bước thực sự quan trọng mới được minh họa trong bài viết này.

Kiểm tra CPU

Trong bài kiểm tra cuối cùng, CPU sẽ được kiểm tra các chức năng chính như mất điện và tốc độ xung nhịp tối đa.

Phân loại CPU

Dựa trên kết quả kiểm tra, các CPU có điểm số tương tự được đặt cùng nhau trong một khay. Quá trình này được gọi là phân loại. Phân loại xác định tốc độ xung nhịp tối đa của bộ xử lý và các lô được chia và bán theo các thông số kỹ thuật khác nhau.

Vận chuyển đến cửa hàng

Các bộ xử lý được sản xuất và thử nghiệm sau đó được bán theo khay cho các OEM hoặc được đóng gói và bán lẻ cho người tiêu dùng.

Bạn có thể tham khảo trang web của Intel (tại đây) để tìm hiểu thêm về các giai đoạn.

Nguồn: tom’s HARDWARE dịch bởi Gearvn