Sự chế tạo bộ xử lý

Các bộ xử lý đầu tiên được chế tạo từ silic, nguyên tố phổ biến thứ hai trên hành tinh này (nguyên tố oxy là phổ biến nhất). Silic là phần cơ bản tạo nên cát ở bãi biển; Tuy nhiên không phải dưới dạng cát mà được sử dụng làm nên con chip.

Phương pháp chế tạo chip từ silic

Cách mà silic hình thành con chip là quá trình dài bắt đầu bằng cách lọc lấy tinh thể silic nhờ vào phương pháp Czochralski (tên của nhà phát minh ra phương pháp này). Trong phương pháp này, lò hồ quang điện sẽ chuyển đổi nguyên liệu thô (chủ yếu là các đá thạch anh) thành silic luyện kim cấp. Sau đó để loại bỏ những tạp chất còn lại, silic sẽ được chuyển sang một dạng chất lỏng đem chưng cất và tái trầm tích thành các que bán dẫn với độ tinh khiết 99.999999%. Các que bán dẫn này bị làm vỡ thành từng khúc và được xếp vào nồi nấu thạch anh, xong cho vào lò luyện tinh thể. Các khối silic này nóng chảy ở nhiệt độ hơn 2,500° F (Fahrenheit). Để ngăn ngừa những tạp chất, các lò này thưởng được đặt trên những khối vuông bê tông dày ở tình trạng treo để ngăn ngừa những chấn động có thể gây nguy hại đến hình dạng tinh thể.

Sau khi silic bị nấu chảy, một tinh thể mầm nhỏ được đưa vào silic đang nóng chảy và được quay chầm chậm. Tùy thuộc vào con chip được làm mỗi thỏi có đường kính 200mm (ước khoáng 8”) hay 300mm (12”) và dài hơn 5 feet, cân nặng hàng trăm pound.

Sau đó mỗi thỏi được hoàn thiện thành một thỏi hình trụ đường kính 200mm hay 300mm với một vết cắt phẳng nhỏ ở một mặt cho sự định vị và tay cầm. Kế tiếp mỗi thỏi được cắt thành hàng ngàn miếng tròn mỏng tang (wafer) bởi lưỡi cưa bằng kim cương có độ chính xác cao, mỗi miếng này dày dưới lmm. Xong chúng được đánh bóng bề mặt như gương để sẵn sẵng cho việc in dấu vào. Một miếng tinh thể đà hoàn tất với con chip được in dấu.

Tiến hành photolithograghy

Những con chip được chế tạo từ những miếng tinh thể này bằng tiến trình kỹ thuật in ảnh (photolithography). Qua tiến trình này những bóng bán dẫn, mạch, đường dẫn tín hiệu được tạo trong miếng bán dẫn bằng cách đặt những lớp vật liệu khác nhau lên con chip, lớp này sau lớp kia. Một bóng bán dẫn hay mạch ngắt được dựng ở nơi hai mạch cụ thể giao nhau.

Tiến trình kỹ thuật in ảnh photolithography bắt đầu khi lớp bảo vệ silic dioxide được phủ lên miếng silic thông qua tiến trình lắng đọng hơi. Kế tiếp phủ thêm lớp cản quang và con chip được chiếu qua mặt nạ lên bề mặt nhạy cảm ánh sáng.

Doping là một thuật ngữ để diễn tả những tạp hóa chất đổ lên miếng silic (không phải là chất dẫn) tạo nên một chất liệu với tính chất bán dẫn. Máy chiếu dùng mặt nạ đặc biệt, là âm bản lớp của con chip được khắc chrome lên miếng thạch anh. Một bộ xử lý hiện đại có 20 hoặc nhiều hơn lớp vật liệu lắng và được khắc từng phần (mỗi mặt nạ là một phần) và đặt lên tới sáu hay nhiều lớp kết nối kim loại.

Ngay khi ánh sáng xuyên qua mặt nạ, tia sáng tập trung trên bề mặt miếng silic, làm khô chất cản quang tương ứng với hình ánh lớp của con chip. Mỗi hình ảnh riêng lẻ của con chip gọi là khuôn (die). Một thiết bị gọi là stepper dùng di chuyển chậm miếng silic, một măt nạ giống nhau được dùng để in khuôn chip khác, miếng này kế tiếp ngay miếng kia. Sau khi toàn bộ miếng silic đã được in lên lớp chất liệu và cản quang, một phương pháp cẩn thận rửa làm sạch bề mặt nơi mà ánh sáng dọi vào lớp cản quang để lại các nét của các yếu tố mạch chip riêng biệt và các đường dẫn. Kế tiếp một lớp vật liệu bán dẫn được đặt lên miếng silic với nhiều chất cản quang phía trên. Lớp mặt nạ kế được dùng để phơi và khắc lớp kế tiếp của mạch. Sứ dụng phương pháp này, những lớp và thành phần của mỗi chip được tạo thành, lớp này đến lớp kia cho đến khi những con chip hoàn tất.

Một số mặt nạ được thêm những lớp bọc kim loại là những kết nối kim loại trong được dùng để gắn các bóng bán dẫn và các thành phần khác với nhau. Một số con chip cũ dùng lớp kết nối nhôm mặc dầu năm 2002 nhiều chip lớp kết nối đã chuyển qua đồng. Đầu tiên là chip xử lý 0.18-micron Athlon sản xuất tại Dresden Fab của AMD. Intel cùng chuyển đổi Pentium 4 qua đồng với phiên bản 0.13 micron. Đồng là chất dẫn tốt hơn nhôm và cho phép lớp kết nối nhỏ hơn với ít điện trở. nghĩa là chip được làm nhỏ hơn và tốc độ nhanh hơn. Lý do mà đồng không được sử dụng ban đầu là do có vấn đề gặm mòn trong quá trình sản xuất mà nhôm thì không bị. Khi vấn đề được giải quyết, nhiều con chip được chế tạo với lớp kết nối đồng.