Elettronica digitale - Come nasce una CPU

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Dalla sabbia a un lingotto di silicio detto policristallino, estremamente puro ma inadatto all'utilizzo nell'elettronica, che richiede l'ausilio di un unico grande cristallo. Per ottenerlo si utilizza il processo Czochralski che, immergendo un piccolo cristallo monocristallino di silicio in rotazione in un bagno fuso di silicio, permette al materiale fuso di aggrapparsi al cristallo seguendone l'orientamento, crescendo fino a diventare un unico grande reticolo cristallino perfettamente ordinato. L'immagine che è ritratta in queste pagine rappresenta il silicio fuso alla base e la colonna monocristallina che viene sollevata dal centro. Il processo per la produzione dei moderni processori e chip grafici è il silicio, il secondo elemento piùdiffuso sulla Terra dopo l'ossigeno. Il silicio costituisce infatti circa il 28% della massa totale del nostro pianeta, trovandosi di fatto nella stragrande maggioranza delle rocce e dei composti presenti in natura. La reperibilità pratica di questo materiale di fondamentale importanza è di conseguenza piuttosto semplice. Il silicio, abbastanza puro, è presente al massimo un atomo estraneo ogni milione di atomi di silicio. In questo stato si presenta come un reticolo quadrato (i singoli atomi si dispongono come sulle facce di un cubo) con distanza tra loro di circa 0,5 nanometri (nm). Un lingotto di "Electronic Grade Silicon" così formato può essere utilizzato per l'accrescimento fino alle dimensioni volute di cristalli o di alcuni blocchi. Anche se la pulizia ottenuta può sembrare quasi eccessiva, è importante tener conto che per la costruzione di dispositivi elettronici è necessario utilizzare materiali di altissima purezza.dato che è pre- mato ha la forma di un cilindro didi chip elettronici la presenza disente in grandi quantità, sottoforma 300 mm di diametro, 60 cm di altez-atomi estranei può modificare pe-di diossido di silicio (SiO2), nella za e 100 kg di peso. La purezza disantemente il risultato finale.sabbia e nel quarzo. L’estrazione questo cristallo di silicio è fissata aIn questo stato il materiale è costi-del silicio dalla sabbia avviene tra- un minimo del 99,9999%.tuito da innumerevoli distinti cri-Dal lingotto al wafer mensione dei wafer di silicio a 450mm di diametro, con un raddoppiodella superficie disponibile per la co-struzione dei chip. Le stime indicanoI l lingotto di silicio purissimo mo- no un diametro di 50 mm, e su ognu- l’introduzione dei wafer da 450 mmnocristallino è affettato orizzontal- no di essi potevano essere costruiti nel corso del 2014.mente da lame al diamante nel sen- solamente pochi distinti elementi. Al Data

L'anisotropia del silicio mono-cristallino è oggi un fattore determinante nella crescita del cristallo. Su una fetta di silicio cristallino, le proprietà del materiale dipendono dall'orientamento. La faldatura naturale del silicio, insieme alle proprietà di 300 mm di diametro, possono essere utilizzate per riconoscere la posizione originale. Le fette di materiale purissimo da 300 mm di diametro e spessore di circa 0,775 mm sono alla base del processo produttivo. Questi elementi sono utilizzati per la produzione dei circuiti integrati. Attualmente, i produttori stanno avviando una progressiva diminuzione delle dimensioni dei wafer, passando dai 245 processori di gamma Core i7 ai più piccoli Core 2 Duo, con un numero di unità per wafer che sale a 660. L'ultimo passo prima dell'inizio della produzione è la lucidatura a specchio della superficie con un altissimo grado di precisione.

di precisione, in modo chiamati wafer. Quando Intel iniziò evoluzione che che la superficie dell’intero a produrre processori i wafer aveva- porterà la di- wafer sia nella pratica un uni-“ co piano cristallino di silicio.

I wafer da 300 mm di diametro cresceranno in futuro fino a 450 mm.

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PASSO PER PASSO Tramite un processo Silicio2 di accrescimento del fuso silicio fuso viene creato un lingotto purissimo attorno a un singolo cristallo iniziale. Il risultato è un blocco monocristallino dotato di tutte le proprietà necessarie per poter essere utilizzato per

1 Sabbia (e silicio) i tradizionali scopi elettronici.

La sabbia è il punto di partenza per la realizzazione (scala: di tutti i circuiti integrati. Per nostra fortuna è abbondante wafer 300 mm) e di facile reperibilità in praticamente tutto il pianeta.

Il risultato è un lingotto di 30 cm di diametro e circa 60 cm di altezza, con

Un peso com-plessivo di circa 100 kg e una pu-rezza superiore al 99,9999%. Entro cinque anni 4le maggiori fonde- Taglio del lingottorie prevedono di passare a un dia- Il lingotto è tagliato orizzontalmente da macchinari con metro di 450 mm. punte di diamante in wafer dello spessore di 0,775 mm.

Lingotto di silicio3 (scala: L’operazione è facilitata dalla tendenza del silicio a sfal-monocristallino wafer 300 mm) darsi in maniera omogenea. (scala: wafer 300 mm)

Il wafer così ottenu-to viene pulito e lu-cidato fino ad otte-nere superfici com-poste da un solo piano cristallino.

I wafer odierni han- Il disegno no un diametro di della famosa300 mm e spessore legge di circa 0,775 mm. di Moore, (scala: co-fondatore5 Wafer wafer 300 mm) di Intel.

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Fotolitografia P er la realizzazione dei transistor all’interno del wafer di silicio si utilizza la co-siddetta tecnica fotolitografica, che permette di incidere e rimuo-vere determinate

Le aree all'interno di impressionarne altre. Per creare del blocco di silicio monocristallino tale permette infatti di stiparne un "disegno" particolare come creare conseguentemente un bas- circa 200 miliardi su un singolo wa- questo a una scala nanometrica isorilievo che verrà in seguito utiliz- fer, oppure 3,5 milioni nello spazio principali produttori di Cpu utiliz- zato come forma base per la costru- occupato dal punto al termine di questa frase. Con la fotolitografia a immersione utilizzata da alcuni pro- complessa con precisione assoluta a mento consiste nella stesura di un duttori la lente tradizionale viene dimensioni microscopiche. A oggi particolare materiale chiamato pho- affiancata da un sottile velo d'acqua su un singolo wafer sono stipate toresist, in grado di reagire all'espo- che permette di ottenere,

grazie al-centinaia di Cpu, ognuna dellesizione diretta alla luce ultraviolet- le proprietà di rifrazione del liqui-"quali composta da centinaia di mi-ta diventando solubile e permetten- do, un fattore di riduzione ancoralioni di transistor. La tecnologia at-do una semplice rimozione tramite maggiore.trattamento chimico. " I n f u t u r o , per scendere al di sottoPe r " d i s e g n a r e " s u l l a s u p e r f i c i e d e l dei processi produttivi a 32 o 22 nm,I solchi nel waferw a f e r i solchi necessari si utilizza tutt'ora allo studio dei maggioriuna potente luce ultravioletta (at- produttori, sarà probabilmente ne-di silicio sono impressitualmente con lunghezza d'onda di cessario modificare la fonte di luce193 nm) filtrata da una maschera da 193 nm a un valore inferiore, da-tramite photoresistparticolare in grado di lasciare in to che le lenti iniziano a mostrare ie luce ultraviolettaombra alcune parti del photoresist e proprilimiti d'uso massimi. Incisione canali esposti direttamente all'aria croprocessori presenti all'interno che possono essere attaccati utilizzando cloruro ferrico, che intacca il chip grafici Radeon o GeForce) di silicio inizia con la rimozione silicio puro ma lascia intatto il photoresist e, di conseguenza, il silicio può essere ripetuta più volte contro ultravioletta, diventato ormai solubile in agenti chimici particolari, tra- guenza non è diretta o meccanica, ma chimica. Una volta effettuata diversi e con spessori diversi. Nell'immagine che vedete qui sotto

photoresist rimanente e lavare pra la parte rimossa sarà riempitamantiene invece le proprietà origi- l’intero wafer di silicio, esponendo in seguito con un materiale isolan-nali e la resistenza all’azione degli la perfetta riproduzione in bassori- te che delimiterà lo spazio di co-agenti chimici utilizzati. lievo della maschera forata utiliz- struzione, mentre la parte centralezata in precedenza. sarà ulteriormente lavorata conD o p o l a r i m o z i o n e d i q u e s t o s t r a t o procedimenti diversi diventandoP e r l a c o s t r u z i o n e d i c h i p c o m p l e s -il wafer si presenta ricoperto solo in (entro qualche pagina) un vero esiqualche punto dal photoresist, con e multistrato come gli attuali mi- proprio transistor.80PC Professionale - Dicembre 2009TECNOLOGIACPUPASSO PER PASSO Attraverso una ma-Sul wafer viene ste- schera opportuna-so in maniera ra- mente forata e unadiale un sottile lente focalizzante,strato di liquido viene

Impressa sul particolare (chiamato wafer) una particolare materiale photoresist forma che andrà a costituire i bordi dei transistor utilizzati per la vecchia fotografia su pellicola, in grado di reagire direttamente ai raggi di luce ultravioletti. Questa operazione sarà in seguito ripetuta più e più volte, disegnando i vari strati dei transistor.

Stesura:

6 7 (scala: wafer 300 mm)

(scala: wafer 300 mm)