В нынешнее время невозможно представить себе компьютер, смартфон или другой электронный прибор без процессора. В невероятном количестве выходят новые устройства с продвинутыми чипами, благодаря которым аппараты становятся мощнее и умнее. При этом далеко не все догадываются о том, как создаются подобные «камни».

В данной статье мы постараемся многое рассказать о процессе изготовления современных процессоров. Забегая вперед, стоит отметить, что производство чипов – дело сложное и затратное, но также и весьма интересное.

Выбор сырья и начало производства

Процессор имеет очень непростую структуру. Для создания миниатюрных элементов, которые осуществляется моментальные вычисления, необходимо задействовать определенное сырье с многоуровневой системой очистки. Речь идет об обыкновенном песке. Именно из этого сыпучего материала производится кремний. Песок под воздействием невероятно высоких температур смешивается с чистым углеродом. В результате получается полноценный кремний, но его чистота в 98% все еще недостаточна, чтобы сразу же использоваться для микрочипов. Для превращения в «электронный мозг» ему катастрофически не хватает обработки при помощи хлора, чтобы лишиться остатков различных примесей.

Теперь максимально чистый кремний, который помещен в тигель, нужно основательно разогреть. Для этого он направляется в герметичную печь с инертным газом аргоном. Почему бы просто не создать вакуумную среду? К сожалению, эталонный вакуум реализовать на нашей планете нельзя. Только по этой причине потребуется направить свой взор в сторону химии. Так, аргон не дает составу окислиться, великолепно замещая кислород. При этом сам газ вообще не влияет на кремний, что очень важно. В таких условиях песок нагревается до фантастической температуры – 1420 градусов. Он начинает плавиться под действием графитового нагревателя, который никак не загрязняет кремний.

Сейчас в дело вступает длинный затравочный кристалл, состоящий из кремния. Благодаря этому должна начаться кристаллизация, когда жидкий состав постепенно остывает с образованием своеобразной сетки, а именно молекулярной решетки. Теперь кристалл крайне медленно вынимают из тигля, чтобы достать желаемый монокристалл. Примечательно, что «рост» кристалла продолжается около 24-26 часов. В результате мы получаем цельный кристалл в форме цилиндра с 30-сантиметровым диаметром и почти 2-метровой высотой. Такой гигантский «карандаш» может весить до 100-150 кг. Стоит отметить его структуру, которая является абсолютно однородной. Полученная решетка из кремниевых атомов можно с уверенностью назвать идеальной. Вот такая «штука» вытягивается из тигля при помощи затравочного кристалла.

Полученную заготовку обязательно необходимо проверить на чистоту, а также правильность размещения решетки из молекул. Для этого активно применяются не только рентгеноскопические, но и разнообразные химические исследования. Если с кристаллом все хорошо, то его отправляют на физическую обработку. Речь идет о специальной установке, которая способна эффективно резать кремний, чтобы получились 1-миллиметровые пластины. После нарезки потребуется полировка материала, так как проволочная пила все-таки оставляет небольшие микродефекты на поверхности, а и ничего подобного быть не должно.

Обработкой занимаются продвинутые шлифовальные машины, причем данный процесс повторяется многократно. Только когда кремниевый диск будет идеально ровным и гладким шлифовка прекращается. Остается лишь очистить поверхность от пыли, а затем отправить в стерильное помещение для дальнейшего хранения.

Чистота как залог успеха

Производители процессоров строят огромные стерильные цеха, чтобы пыль никак не могла проникнуть внутрь таких помещений. Цех не только должен быть полностью изолированным, но и иметь продвинутую систему очистки воздуха. Профессиональные кондиционеры и прогрессивные конструкции для воздушной очистки делают подобные помещения невероятно стерильными. Так, по чистоте воздуха такие производственные сооружения в тысячи раз опережают даже палаты в хирургических отделениях.

Потрясающая стерильность достигается путем как воздушной очистки, так и нахождения работников в перчатках, масках и специальных костюмах. Более того, последние тенденции в отношении тотальной роботизации повысило уровень стерильности до каких-то сумасшедших показателей. Но и процент брака благодаря промышленным роботам стал заметно ниже. Все это на фоне того, что даже единственной микроскопической пылинки достаточно, чтобы испортить будущий процессор.

Превращаем «вафлю» в микрочип

Сегодня действует конвейерное изготовление процессоров. Причем весь процесс разделен на конкретные этапы с четкими задачами. Так, на место производства будущего чипа доставляются «вафли» в герметичных боксах-контейнерах. Затем ей необходимо пройти сотни технологических этапов и операций. При этом из цеха чип «выходит» в полностью готовом состоянии лишь спустя 2-3 месяца.

Что же представляет собой эта технологическая цепочка, благодаря которой идеально ровный кусок кремния чудесным образом превращается в продвинутый процессор для наших гаджетов и приборов? Тут бытует очень много догадок и размышлений, потому что никто из крупнейших производителей в лице Intel, Qualcomm и AMD не собирается раскрывать собственные секреты. Для начала конструкторы и инженеры компании-изготовителя должны создать 3D-схемы с взаимным расположением всех элементов чипа. Это по-настоящему сложный процесс, требующий особого подхода.

После этого на кремниевую подложку наносятся многочисленные элементы, разделенные на отдельные слои с множеством уровней. Так как данный процесс является чрезвычайно тонким, то его невозможно осуществить вручную. Поэтому изготовление процессоров полностью автоматизировано. Стоит отметить, что технический процесс постоянно совершенствуется, а нанометры все уменьшаются и уменьшаются, позволяя микрочипам с каждым годом бить рекорды производительности.

Когда слои будут нанесены на подложку, а также соединены при помощи атомов меди с возможностью пропускания тока, то остается проверить чип на работоспособность. Примечательно, что на прилавки магазинов могут попадать только на 100% качественные процессоры. Для этого роботизированные машины тщательным образом выбирают, а потом вырезают из общей пластины полностью работоспособные чипы. Происходит сортировка по частотам, энергоэффективности и другим параметрам.

Косметические процедуры

Финишная прямая в процессе изготовления заключается в приклеивании подложки к микросхеме. Для этого конструкция направляется в печь, нагретую до 360-градусной температуры. Когда процессор остывает, то на него одевается крышка, чтобы достаточно хрупкий кремень был надежно защищен.

При этом корпус позволяет отводить лишнее тепло от кристалла. Создаются специальные «ножки» или «шарики» в виде определенного количества электрических контактов. Они аккуратно припаиваются к подложке. Теперь чип основательно промывается в водяном растворе с эффективными веществами для удаления оставшейся грязи. Во многих случаях производители дополнительно тестируют готовые процессоры, чтобы выявить дефекты в работе.

Вот так мы получаем микрочипы, благодаря которым функционируют наши смартфоны, ноутбуки, планшеты, компьютеры, телевизоры и многие другие электрические устройства.