रेत सिलिकॉन कैसे बनती है? सीपीयू विनिर्माण समझाया गया

दुनिया सूचनाओं पर चलती है, जिसमें मानवता प्रतिदिन अनुमानित 2.5 मिलियन टेराबाइट डेटा बनाती है। हालाँकि, यह सारा डेटा तब तक बेकार है जब तक हम इसे संसाधित नहीं कर सकते, इसलिए, यकीनन, एक ऐसी चीज़ जिसके बिना आधुनिक दुनिया नहीं रह सकती है, वह है प्रोसेसर।

लेकिन प्रोसेसर कैसे बनता है? यह एक आधुनिक चमत्कार क्यों है? एक निर्माता इतने छोटे पैकेज में अरबों ट्रांजिस्टर कैसे फिट कर सकता है? आइए गहराई से देखें कि कैसे इंटेल, विश्व स्तर पर सबसे बड़े चिप निर्माताओं में से एक, रेत से सीपीयू बनाता है।

रेत से सिलिकॉन निकालना

किसी भी प्रोसेसर का मूल घटक, सिलिकॉन, रेगिस्तानी रेत से निकाला जाता है। यह सामग्री पृथ्वी की पपड़ी में प्रचुर मात्रा में पाई जाती है और इसमें लगभग 25% से 50% सिलिकॉन डाइऑक्साइड होता है। इसे रेत में अन्य सभी सामग्रियों से सिलिकॉन को अलग करने के लिए संसाधित किया जाता है।

प्रसंस्करण कई बार दोहराया जाता है जब तक कि निर्माता 99.9999% शुद्ध नमूना नहीं बनाता। फिर शुद्ध किए गए सिलिकॉन को एक बेलनाकार इलेक्ट्रॉनिक-ग्रेड पिंड बनाने के लिए डाला जाता है। सिलेंडर का व्यास 300mm है और वजन लगभग 100kg है।

निर्माता तब पिंड को 925-माइक्रोमीटर-पतले वेफर्स में काटता है। बाद में, इसकी सतह पर सभी दोषों और दोषों को दूर करते हुए, इसे दर्पण-चिकनी खत्म करने के लिए पॉलिश किया जाता है। फिर इन तैयार वेफर्स को सिलिकॉन के स्लैब से हाई-टेक कंप्यूटर ब्रेन में बदलने के लिए इंटेल के सेमीकंडक्टर फैब्रिकेशन प्लांट में भेज दिया जाता है।

एफओयूपी राजमार्ग

चूंकि प्रोसेसर उच्च-सटीक भाग होते हैं, इसलिए उनके शुद्ध सिलिकॉन बेस को निर्माण से पहले, दौरान या बाद में दूषित नहीं किया जाना चाहिए। यह वह जगह है जहां फ्रंट-ओपनिंग यूनिफाइड पॉड्स (एफओयूपी) आते हैं। इन स्वचालित पॉड्स में एक बार में 25 वेफर्स होते हैं, जो उन्हें मशीनों के बीच वेफर्स के परिवहन के दौरान पर्यावरण-नियंत्रित स्थान में सुरक्षित और सुरक्षित रखते हैं।

इसके अलावा, प्रत्येक वेफर एक ही चरण के माध्यम से सैकड़ों बार यात्रा कर सकता है, कभी-कभी इमारत के एक छोर से दूसरे छोर तक जा सकता है। पूरी प्रक्रिया मशीनों के भीतर अंतर्निहित है ताकि एफओयूपी को पता चले कि प्रत्येक चरण के लिए कहां जाना है।

इसके अलावा, एफओयूपी छत से लटके मोनोरेल पर यात्रा करते हैं, जिससे वे एक निर्माण चरण से दूसरे तक सबसे तेज़, सबसे कुशल भाग ले सकते हैं।

फोटोलिथोग्राफी

फोटोलिथोग्राफी प्रक्रिया सिलिकॉन वेफर पर पैटर्न छापने के लिए एक फोटोरेसिस्ट का उपयोग करती है। फोटोरेसिस्ट एक कठिन, प्रकाश-संवेदनशील सामग्री है जो आपको फिल्म पर मिलती है। एक बार इसे लागू करने के बाद, वेफर को प्रोसेसर के पैटर्न के मास्क के साथ पराबैंगनी प्रकाश के संपर्क में लाया जाता है।

मुखौटा सुनिश्चित करता है कि केवल वे स्थान जिन्हें वे संसाधित करना चाहते हैं, उजागर हो जाते हैं, इस प्रकार उस क्षेत्र में फोटोरेसिस्ट को घुलनशील छोड़ दिया जाता है। एक बार जब पैटर्न सिलिकॉन वेफर पर पूरी तरह से अंकित हो जाता है, तो यह सभी को हटाने के लिए एक रासायनिक स्नान से गुजरता है उजागर फोटोरेसिस्ट, नंगे सिलिकॉन का एक पैटर्न छोड़कर जो अगले चरणों से गुजरेगा प्रक्रिया।

आयन प्रत्यारोपण

डोपिंग के रूप में भी जाना जाता है, यह प्रक्रिया चालकता में सुधार के लिए विभिन्न तत्वों से परमाणुओं को एम्बेड करती है। एक बार पूरा हो जाने पर, प्रारंभिक फोटोरेसिस्ट परत हटा दी जाती है, और अगले चरण के लिए वेफर तैयार करने के लिए एक नई जगह लगाई जाती है।

एचिंग

फोटोलिथोग्राफी के एक और दौर के बाद, सिलिकॉन वेफर नक़्क़ाशी पर जाता है, जहां प्रोसेसर के ट्रांजिस्टर बनने लगते हैं। फोटोरेसिस्ट उन क्षेत्रों पर लागू होता है जहां वे चाहते हैं कि सिलिकॉन बना रहे, जबकि जिन हिस्सों को हटाया जाना चाहिए, वे रासायनिक रूप से नक़्क़ाशीदार हैं।

शेष सामग्री धीरे-धीरे ट्रांजिस्टर के चैनल बन जाती है, जहां इलेक्ट्रॉन एक बिंदु से दूसरे बिंदु पर प्रवाहित होते हैं।

सामग्री जमाव

एक बार चैनल बन जाने के बाद, सिलिकॉन वेफर जरूरत के अनुसार फोटोरेसिस्ट परतों को जोड़ने या हटाने के लिए फोटोलिथोग्राफी में वापस आ जाता है। इसके बाद यह सामग्री जमा करने के लिए आगे बढ़ता है। विभिन्न सामग्रियों की विभिन्न परतें, जैसे सिलिकॉन डाइऑक्साइड, पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन, उच्च-के ढांकता हुआ, अलग धातु मिश्र धातु, और तांबा, लाखों ट्रांजिस्टर बनाने, अंतिम रूप देने और कनेक्ट करने के लिए जोड़ा और उत्कीर्ण किया जाता है टुकड़ा।

रासायनिक यांत्रिक नियोजन

प्रत्येक प्रोसेसर परत रासायनिक यांत्रिक समतलीकरण से गुजरती है, जिसे पॉलिशिंग के रूप में भी जाना जाता है, अतिरिक्त सामग्री को ट्रिम करने के लिए। एक बार सबसे ऊपरी परत को हटा दिए जाने के बाद, अंतर्निहित तांबे का पैटर्न प्रकट होता है, जिससे निर्माता को आवश्यकतानुसार विभिन्न ट्रांजिस्टर को जोड़ने के लिए अधिक तांबे की परतें बनाने की अनुमति मिलती है।

हालांकि प्रोसेसर असंभव रूप से पतले दिखते हैं, उनके पास आमतौर पर जटिल सर्किटरी की 30 से अधिक परतें होती हैं। यह इसे आज के अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक प्रसंस्करण शक्ति प्रदान करने की अनुमति देता है।

परीक्षण, टुकड़ा करने की क्रिया और छँटाई

एक सिलिकॉन वेफर प्रोसेसर बनाने के लिए उपरोक्त सभी प्रक्रियाओं से गुजर सकता है। एक बार जब सिलिकॉन वेफर उस यात्रा को पूरा कर लेता है, तो वह परीक्षण शुरू कर देता है। यह प्रक्रिया कार्यक्षमता के लिए वेफर पर बनाए गए प्रत्येक टुकड़े की जांच करती है-चाहे वह काम करता हो या नहीं।

एक बार हो जाने के बाद, वेफर को टुकड़ों में काट दिया जाता है जिसे डाई कहा जाता है। फिर इसे सॉर्ट किया जाता है, जहां मर जाता है, वह काम पैकेजिंग के लिए आगे बढ़ता है, और जो विफल हो जाते हैं उन्हें छोड़ दिया जाता है।

सिलिकॉन डाई को प्रोसेसर में बदलना

पैकेजिंग नामक यह प्रक्रिया, प्रोसेसर में बदल जाती है। आपके द्वारा खरीदे गए सीपीयू को बनाने के लिए एक सब्सट्रेट, आमतौर पर एक मुद्रित सर्किट बोर्ड, और एक हीट स्प्रेडर को डाई पर रखा जाता है। सब्सट्रेट वह जगह है जहां डाई भौतिक रूप से मदरबोर्ड से जुड़ती है जबकि हीट स्प्रेडर आपके साथ इंटरफेस करता है CPU का DC या PWM कूलिंग फैन.

परीक्षण और गुणवत्ता नियंत्रण

पूर्ण किए गए प्रोसेसर का फिर से परीक्षण किया जाता है, लेकिन इस बार प्रदर्शन, शक्ति और कार्यक्षमता के लिए। यह परीक्षण निर्धारित करता है यह किस तरह की चिप होगी—चाहे यह अच्छा हो a i3, i5, i7, या i9 प्रोसेसर. फिर प्रोसेसर को खुदरा पैकेजिंग के अनुसार समूहीकृत किया जाता है या कंप्यूटर निर्माताओं को डिलीवरी के लिए ट्रे में रखा जाता है।

सूक्ष्म रूप से छोटा अभी तक बेहद जटिल

जबकि प्रोसेसर बाहर से सरल दिखते हैं, वे बेहद जटिल होते हैं। प्रोसेसर निर्माण में 24/7 प्रक्रियाओं में ढाई से तीन महीने का समय लगता है। और इन चिप्स के पीछे अत्यधिक सटीक इंजीनियरिंग के बावजूद, अभी भी कोई गारंटी नहीं है कि उन्हें एक संपूर्ण वेफर मिलेगा।

वास्तव में, प्रोसेसर निर्माता अपूर्णताओं, दूषित पदार्थों, और बहुत कुछ के कारण वेफर पर मरने वाले 20% से 70% के बीच कहीं खो सकते हैं। यह मान तेजी से छोटी सीपीयू प्रक्रियाओं से प्रभावित होता है, जिसमें नवीनतम चिप्स 4nm. जितना छोटा हो रहा है.

हालाँकि, जैसा कि मूर के नियम में कहा गया है, हम अभी भी 2025 तक हर दो साल में प्रोसेसर के प्रदर्शन को दोगुना करने की उम्मीद कर सकते हैं। जब तक प्रोसेसर परमाणु आकार की मूलभूत सीमा तक नहीं पहुंच जाते, तब तक इन सभी निर्माण प्रक्रियाओं को हमारे द्वारा मांगे जाने वाले चिप का उत्पादन करने के लिए डिजाइनों का सामना करना पड़ता है।

मूर का नियम क्या है और क्या यह अभी भी 2022 में प्रासंगिक है?

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