Til hovedinnhold

Slik lages en prosessor

De er verdens mest kompliserte produkter. Vi forteller deg hvordan de lages »

En ferdig prosessor

Slik lages en prosessor

Prosessorene i dagens datamaskiner er uhyre avanserte greier, selv om de ikke er større enn et par kvadratcentimeter, og en snau millimeter tykke. Allikevel er de pakket med noe av den mest avanserte teknikken mennesket har funnet opp.

Milliarder av elektriske koblinger sys sammen med en nøyaktighet som er flere tusen ganger mindre enn et menneskehår. Og det hele begynner med noe så enkelt som sand.

Vi besøkte Intels Museum i Silicon Valley, for å se nærmere på hvordan dagens prosessorer blir laget. Dette er måten Intel lager sine prosessorer på, men det hele er temmelig likt for alle mikroprosessorer.

Øverst i artikkelen vil du finne en video som kort forklarer hvordan en prosessor lages. For litt mer fyldig informasjon kan du lese videre, hvor vi tar for oss steg for steg i Intels prosessorfabrikk

For ordens skyld, prosessorene som Intel lanserte mandag, Ivy Bridge, produseres på en litt annen måte enn det vi omtaler i denne guiden. De nyeste prosessorene til Intel benytter noe som kalles tri-gate-transistorer, der det bygges mer i høyden. Du kan lese mer om dette i denne artikkelen, men selve prinsippet under produksjonen er akkurat det samme som vi nå vil gå igjennom.

Steg 1 – Råvaren: Mikroprosessorer starter livet som noe helt elementært, nemlig sand. Sanden smeltes og renses i en rekke prosesser, før man sitter igjen med en massiv stav med silisium, kalt en «Ingot». Lær mer om dette punktet »

Steg 2 – Wafer: Ingoten kuttes opp til selve grunnmuren i prosessoren, kalt en wafer. Dette er utrolig tynne, blankpolerte plater med silisium, som man senere lager flere hundre prosessorer på. Lær mer om dette punktet »

Steg 3 – Fabrikken: Produksjonen av prosessorer finner sted i noen av verdens mest avanserte fabrikker. De er massive, robotstyrt, og utrolig rene. Faktisk er ett eneste støvkorn nok til å ødelegge flere prosessorer. Lær mer om dette punktet »

Steg 4 – Prosessoren tegnes: Produksjonen av en prosessor starter ved at den intrikate kretsen «tegnes» på silisiumet ved hjelp av spesielle væsker og UV-stråling. Man etser så vekk det som ikke er merket, for å sitte igjen med det materialet de elektriske koblingene skal ha kontakt med. Lær mer om dette punktet »

Steg 5 – Metallet kommer på plass: Man bruker en teknikk som kalles elektroplettering for å få kobber – som leder strømmen i en prosessor – til å feste seg på transistorene. Kobber og isolerende materiale blir lagt vekselvis for å forme opp mot 40 lag med elektriske koblinger som binder sammen hele prosessoren. Lær mer om dette punktet »

Steg 6 – Wafaren kuttes opp: Nå er selve prosessorkjernen ferdig. Spesielle maskiner kontrollerer at de ikke inneholder produksjonsfeil, og merkerer de som eventuelt skulle ha det. Wafaren, som inneholder flere hundre prosessorkjerner, kuttes så opp for å skille de fra hverandre. Lær mer om dette punktet »

Steg 7 – Kvalitetssjekk og pakking: Kjernene limes så på små kretskort og dekkes til med en varmespreder for å danne den ferdige prosessoren du kjøper i butikken. En siste runde med kvalitetskontrollering avgjør hvilket parti prosessoren skal tilhøre, før de pakkes og sendes ut til kundene. Lær mer om dette punktet »

Vil du lære mer om elektronikk? Se vår guide den det grunnleggende i elektronikkens verden: Del 1 ligger her, del 2 ligger her og den tredje delen finner du her.

Intels lokaler i Silicon Valley

Skapes fra sand

For å lage toppmoderne prosessorer starter man med den primære råvaren: Sand. Sand består av silisiumdioksid, og elektronikkprodusentene henter ut den reneste silisium-sanden de finner rundt om i verden. Norge er faktisk et av landene som selger slik sand.

Fra sand henter man silisium

For å kunne bruken sanden må dioksid-delen av navnet fjernes. Det gjøres kort og greit ved å fjerne oksygenet. En prosess der sanden blir varmet opp til flere tusen grader, sammen med karbon. Karbonet reagerer med oksygenet, og danner karbondioksid. Dette stoffet er tyngre enn silisium, og legger seg i bunn av smelteovnene.

På toppen blir godsakene liggende igjen, som nå er hele 99 prosent rent silisium. Men det er, tro det eller ei, skittent. Veldig skittent.

For å kunne lage elektroniske halvledere, som en prosessor i bunn og grunn er, må det renses skikkelig. Silisiumet blir malt opp til et pulver, som på nytt varmes opp sammen med diverse andre stoffer, til en flytende masse. Stoffene reagerer med hverandre, som i sin tur destilleres.

Det er først nå man kan hente ut silisium som er rent nok til produksjonen av elektriske kretser. Det har en renhet på hele 99,999999 prosent. Med andre ord, det er bare ett atom som ikke hører hjemme per hundre millioner.

Rent er ikke bra nok

Silisiumet er nå uhyre rent, men det er ikke bra nok – det har helt feil fysisk form. På dette punktet i prosessen er silisiumet krystallisert, noe som påvirker måten elektronene vil oppføre seg senere om man hadde laget en prosessor ut av det.

Trikset er å få gjort om atomstrukturen slik at den er lik hele veien, og ikke formet i ulike krystaller. For å få til dette varmes silisiumet nok en gang opp til en temperatur rett over smeltepunktet i en roterende ovn.

Man trekker så det semiflytende silisiumet ut av den roterende ovnen sakte med sikkert, og står igjennom med det stoffet alle mikroprosessorer er laget fra – formet som en en «ingot».

En «ingot». Diameteren er 300 mm, som er vanlig for dagens produksjoner.

Disse solide blanke klumpene er selve grunnmuren til en prosessor, og i dag er det vanlig å lage disse med en diameter på litt over 300 mm. Tidligere var de langt mindre, men moderne produksjonsteknikk gjør det mulig å håndtere større ingoter.

Desto bredere denne klumpen med silisium er, desto flere prosessorer kan man lage samtidig, og desto billigere blir de alle.

Kuttes opp som brødskiver

Før selve produksjonen av prosessorer kan starte må ingoten kuttes opp, i skiver som er godt under én millimeter tykke. Man gjør dette på mange måter slik brødkutte-maskinene i dagligvarebutikker fungerer, bare litt mer elegant.

Mer spesifikt er det tråder som kutter opp den massive ingoten, som sager igjennom uten å «stjele» spesielt mye silisium underveis. Platene man nå sitter igjen med kalles «wafers».

En wafer klar for produksjon

Waferene får nå en god runde med sliping og polering, som sørger for at overflaten er ufattelig flat og jevn. For dem som liker tall så skal det nevnes at de største ujevnhetene maksimalt ligger på to mikrometer, to tusendeler av en millimeter.

Bli med til neste side, så ser vi nærmere på de ultramoderne fabrikkene der prosessorer lages»

Fabrikken

Ultramoderne fabrikker

Utsnitt av en prosessorfabrikk

For å koke sammen en prosessor trenger man naturlig nok en fabrikk. Dette er imidlertid ikke noe som kan slenges inn i et hvilket som helst industribygg, her må alt bygges opp fra bunnen av. Ultramoderne komponenter som prosessorer krever en ultramoderne fabrikk, og den fabrikken må være i et ultramoderne bygg.

Intels fabrikker består gjerne av fire etasjer, og mange lignende produsenter benytter det samme prinsippet. De to nederste, og den øverste, er såkalte service-nivåer. Her blir luften renset, væsker og gass lagret og gjort klart for bruk, samtidig som strømmen til hele bygget også tas inn her. Kort og greit sørger disse etasjene for at det store åpne rommet i tredjeetasje fungerer plettfritt.

For det er der all moroa finner sted. det enorme området er et såkalt "clean room", et rom som er helt renset for støv og alle andre luftpartikler. Ikke bare det, her har man også kontroll på temperatur, luftfuktighet, statisk elektrisitet, magnetfelt, trykk og vibrasjoner.

Rommet er rett og slett så rent som det overhode er mulig å gjøre det – med god grunn. Et eneste støvkorn er mer enn nok til å ødelegge flere prosessorkjerner.

Gulvet i en prosessorfabrikk

For å være helt sikre på at støv ikke finner veien inn i fabrikken, holdes det et lite overtrykk i rommet. Luft pumpes inn via gulvet, så består av store aluminiumsfliser med hull. De har forskjellige farger som forteller arbeiderne hva de må passe på.

Grå fliser indikerer at det er en gangvei, sort betyr at dører kan svinge opp, grønne leder vei til sikkerhetssoner og røde forteller at kobber – som må holdes for seg selv – befinner seg i området man går inn i.

Roboter tar over

Inne i fabrikken går alle arbeiderne i hvite, heldekkende dresser, som spyles rene for støv ved hjelp av luft hver eneste gang de går inn i rommet.

I masseproduksjonen av mikroprosessorer kan naturlig nok ikke menneskehender gjøre alt. Faktisk er ikke mikroprosessorene i kontakt med menneskehender under hele produksjonen.

For at waferene skal kunne bli transportert trygt fra maskin til maskin senere i prosessen, har man kommet opp med et eget automatisk system. Rundt 25 wafere plasseres i bokser som den på bildet over, FOUPs (Front Opening Unified Pod). Roboter flytter så boksene fra stasjon til stasjon under hele produksjonen, der én og én wafer blir behandlet, før de puttes tilbake i boksen for transport videre.

Under har vi hentet ut to filmsnutter som viser livet på innsiden av lignende fabrikker. Dette er reklamefilmer fra henholdsvis IMFT, som produserer minnebrikker, og TSMC som lager prosessorer for en rekke aktører.

Produksjonen begynner

En prosessor starter livet ved at fabrikkene tar inn de store ingotene med silisium, kutter de opp til wafers og polerer dem paddeflate. Waferene er i dag 30 cm i diameter, og på én slik plate kan man lage flere hundre prosessorer avhengig av type. Toppmodellene er fysisk større enn budsjettmodellene, desto mindre prosessoren er desto flere går det per plate.

Først av alt blir waferen behandlet med en strøm av ioner, som presser på deler av platen. På den måten blir deler av silisiumet «dopet» med andre atomer, og man endrer de elektriske egenskapene til stoffet. Dette er selve hovedrammen som må på plass for elektroniske halvledere. Med fremmede atomer i silisiumet kan man kontrollere hvordan det oppfører seg når man senere sender strøm igjennom det.

For Intels del blir det også smurt på et par lag med det de selv kaller et High-k Dielectric-materiale. Kort fortalt er dette stoffer som smøres utover for å forhindre elektrisk lekkasje, at elektroner rømmer hjemmefra, noe som er et stort problem når prosessorene krympes så mye som i dag.

I dag har også AMD, og alle andre produsenter av mikroprosessorer, implementert lignende teknologier.

På én wafer kan man lage flere hundre små prosessorer

Bildet over viser en helt ferdigprodusert wafer, men vi tar det med for illustrasjonens skyld allerede nå. Før vi går videre må vi gå inn i den mikroskopiske verdenen. Hver eneste en av de små prosessorene på en wafer, består av flere milliarder transistorer som er koblet sammen. En transistor er hjernen i alle elektriske kretser, en komponent som fungerer likt en bryter som slår strømmen av og på for å kontrollere det elektriske signalet.

Illustrasjonene fremover tar for seg hvordan én slik transistor formes, men prosessen gjøres over hele platen. La oss begynne!

Kretsen tegnes med ekstrem presisjon

Det er nå moroa begynner. Hvis du tidligere har laget små kretser i naturfagstimen vil du nok kjenne igjen mye av dette. Du tegnet kanskje på et blankt kretskort før du belyser det med UV-lys og senere etset bort det du ikke vil ha. Og vips satt du igjen med de banene du trenger for å lage en liten og enkel krets.

Prosessorgigantene gjør akkurat det samme, bare i en langt større skala og med en en ufattelig presisjon.

En transistor in the making

På bildet over har vi en modell av en enkelt transistor. Det grønne laget representerer ione-behandlingen og det gule er High-K-laget som allerede er påført.

Men nå skal selve kretsen tegnes, og da smører man først på et lyssensitiv fotoresistent materiale.

Neste steg er at waferen blir belyst med UV-stråler, via en maske der selve kretsen er tegnet. Selve masken er mange ganger større en selve kretsen, men det kjøres via en serie med linser som krymper det ned til elementer som er bare noen få nanometer store.

Med UV-strålene er den intrikate kretsen nå «tegnet» på silisiumet, som kan skimtes i som mørkeblått midt på bildet over. Dette er akkurat som når du skal male soverommet og maskerer rundt vinduer og dører.

Etsingen begynner

Med kretsen, eller den lille stripen i dette tilfellet, tegnet riktig, begynner prosessen med å etse vekk det som ikke hører hjemme. Den fotoresistente væsken som ikke er en del av mønsteret vaskes vekk, og man sitter igjen med én enkel stripe(blått) som beskytter deler av High-K-materialet.

Diverse kjemikalier kommer nå inn i bildet, som rett og slett etser vekk den delen av High-K-materialet(gult) som ikke er beskyttet av fotovæsken. Når det er gjort blir den siste biten av fotovæsken fjernet, og man sitter igjen med det mønsteret som først ble tegnet.

Transistoren er nå klar for å få påført lagene med metall, som gjør den i stand til å lede elektriske signaler.

Bli med til neste side, så forklarer vi deg hvordan dette gjøres »

Metallet kommer på plass

I neste steg blir hele transistorer dekket i et ekstra tykt lag isolerende materiale, her representert med rødt. I dette blir det etset ut tre hull. De to i front gir direkte kontakt med silisiumet, mens hullet i bakkant åpnet opp mot High-K-laget.

Det er disse tre punktene man trenger for å lage en transistor, og hullene skal nå fylles med kobber – et billig materiale som leder strøm meget effektivt.

Ved hjelp av tradisjonell elektroplettering blir hele sulamitten så dekket med et tynt lag med kobber. Viktigst av alt er at de tre hullene blir fylt til randen, noe som er målet med akkurat denne prosessen.

Elektroplateringen fungerer på noen måter likt det bilprodusentene gjør når de lakkerer biler. Selve silisiumet er negativt ladet, trekker til seg kobber som er positivt ladet. Det fester seg dermed til silisiumet med en veldig sterk kobling.

Transistoren blir så polert med en hårfin nøyaktighet, en prosess som fjerner alt det overflødige kobberet. På den måten ligger det kun igjen kobber i de tre små hullene.

Denne prosessen blir så gjentatt gjerne 40 ganger, noe som skaper opp mot 40 forskjellige lag i prosessorkjernen. På den måten blir alle transistorene koblet slik at de kan jobbe sammen. Bildet over viser hvordan seks transistorer er koblet sammen – en ferdig prosessor inneholder flere milliarder av dem.

Nå er det på tide å gjøre prosessoren klar for butikkhyllene. Bli med til siste side »

Produksjonen avsluttes

Etter mange runder der isolasjon og kobber legges om hverandre for å lage prosessoren, er hovedproduksjonen ferdig. Waferen er ferdig prosessert, og man kan se de små kjernene med det blotte øyet.

En ferdigprodusert wafer

Den er imidlertid fortsatt en stor og rundt plate, så hver enkelt prosessorkjerne må kuttes ut.

Spesielle verktøy tester nå hver enkelt prosessorkjerne mens de fortsatt sitter på waferen. De som ikke består blir merket med en liten dråpe blekk.

Waferen blir så kuttet opp for å skille de individuelle prosessorene fra hverandre. De som ikke fikk grønt lys fra kvalitetssjekken blir så kastet ut, som på bildet over.

Pakkes og sendes ut

En ferdig prosessor

Resten går videre til pakking. Selve prosessorkjernen blir limt på et kretskort, som gir den de mekaniske koblingene slik at du kan montere den på hovedkortet ditt. En varmespreder av aluminium festes så på toppen, for å gi bedre kontakt med kjøleløsningen.

Prosessoren går så igjennom en ny runde kvalitetstesting. Produsenten ser nærmere på de individuelle egenskapene til prosessoren, som vil variere litt fra gang til gang, og samler de som er helt like i egne partier.

De blir så pakket inn i produkteskene du finner i butikken, eller stablet på store brett som sendes ut til OEM-produsentene enkeltvis.

Det er slik en prosessor blir laget. Ta gjerne turen tilbake til side 1 for å se videosnutten som oppsummerer det hele.

annonse