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So stellt man einen Mikroprozessor her
Silizium: Die Grundlage aller Intel Mikroprozessoren
 Ein Mikroprozessor ist ein integrierter Schaltkreis, der auf einem kleinen Stück Silizium gebaut wird. Silizium wird verwendet, da dieser Werkstoff ein sogenannter Halbleiter ist. Halbleiter stellen wiederum eine Materialsorte dar, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen der eines Leiters und der eines Isolators liegt. Silizium kann verändert werden, um entweder als Isolator elektrische Ladungen abzublocken, oder als Leiter die elektrische Spannung durchzulassen.
Ein Mikroprozessor enthält Millionen Transistoren, die über extrem dünne Drähte aus Aluminium oder Kupfer miteinander verbunden sind. Die Transistoren arbeiten zusammen, um Daten zu speichern und zu manipulieren, so dass der Mikroprozessor eine breite Vielzahl an Funktionen durchführen kann.
Mikroprozessor Produktion: In 300 Schritten zum Ziel
Die Herstellung von Mikroprozessoren ist ein komplexer und anspruchsvoller Prozess, für den mehr als 300 Schritte notwendig sind. Die Mikroprozessoren werden durch die Aufschichtung von Material auf die Oberfläche dünner Siliziumscheiben hergestellt, die als Wafer bezeichnet werden. Dabei setzt Intel verschiedene Prozesse unter Verwendung von Chemikalien, Gasen und Licht ein.
Wafer haben in der Regel einen Durchmesser von 200 mm beziehungsweise 8 Inches. Seit dem Jahr 2001 verwendet Intel jedoch auch Wafer, die einen Durchmesser von 300 mm beziehungsweise 12 Inches haben. Die Wafer werden aus Silizium hergestellt, das Hauptbestandteil des Sandes am Strand ist. Dieser wird gereinigt und verflüssigt und er wächst in Form langer, zylindrischer Röhren, die als „Rohlinge“ bezeichnet werden. Diese Rohlinge schneidet man in dünne Wafer, die man anschließend poliert, bis sie eine tadellose und spiegelähnliche Oberfläche aufweisen.
Bei der Chipfertigung werden sehr dünne Materialschichten in sorgsam erstellten Mustern auf die leeren Siliziumwafer aufgetragen. Bei den Mustern handelt es sich um computerisierte Entwürfe, die miniaturisiert werden, so dass bis zu mehreren hundert Mikroprozessoren auf einem einzigen Wafer Platz finden.
Da die Muster so klein sind ist es unmöglich, das Material genau dort abzulegen, wo es auf dem Wafer untergebracht werden soll. Stattdessen wird eine Schicht des Materials auf die gesamte Wafer-Oberfläche aufgetragen. Danach wird das Material, das nicht benötigt wird, entfernt, und nur das gewünschte Muster bleibt zurück.
Während mehr als 300 Schritte für die Herstellung eines funktionierenden Mikroprozessors benötigt werden, kann der Chipfertigungsprozess in ein paar Schritten zusammengefasst werden. Dazu gehört das Auftragen des Silizium-Dioxids und die Erstellung der leitfähigen Eigenschaften, der Test, die Verpackung und schließlich die Auslieferung.
Auftragen des Silizium-Dioxids und legen der Leiterbahnen
Die Herstellung des Mikroprozessors beginnt mit dem Auftragen einer isolierenden Schicht aus Silizium-Dioxid auf der Oberfläche eines polierten Wafers. Diese Oxid-Schicht verhält sich außerdem wie ein elektrisches „Tor“(Gate), das den Fluss des elektrischen Stroms innerhalb des Mikrochips entweder ermöglicht oder unterbricht. Das Silizium-Dioxid wird bei sehr hohen Temperaturen in einem Ofen auf die Oberfläche des Wafers aufgetragen. Die Dicke der Oxid-Schicht ist abhängig von der Temperatur und der Verweildauer des Wafers im Ofen.
Als nächstes folgt die Photolithographie, der Prozess, in dem die Schaltkreismuster auf die Wafer-Oberfläche aufgedruckt werden. Zunächst wird eine temporäre Schicht aus lichtempfindlichem Material mit der Bezeichnung „Photoresist“ auf den Wafer aufgebracht. Ultraviolettes Licht scheint durch die klaren Stellen einer Schablone, die als „Photomaske“ oder „Maske“ bezeichnet wird, damit bestimmte Bereiche des Photoresist belichtet werden. Die Masken werden während der Entwurfsphase erstellt und benutzt, um die Schaltkreismuster auf jeder Chipebene zu definieren. Die dem Licht ausgesetzten, nicht abgedeckten Bereiche des Photoresist verändern sich chemisch.
Die belichteten Bereiche des Photoresist werden entfernt und geben damit einen Teil des darunter befindlichen Silizium-Dioxids frei. Dieses freigelegte Silizium-Dioxid wird mittels eines Prozesses entfernt, der als „Ätzung“ bezeichnet wird. Danach wird das zurückgebliebene Photoresist entfernt, wodurch ein Silizium-Dioxid-Muster auf dem Silizium-Wafer zurückbleibt. Zusätzliche Materialien wie Polysilizium, das Elektrizität leitet, werden auf dem Wafer mit Hilfe zusätzlicher Lithographie- und Ätz-Schritte aufgetragen. Jede Materialschicht hat ein einzigartiges Muster. Zusammen bilden Sie die Schaltkreise des Chips in einer dreidimensionalen Struktur.
In einem Vorgang, der als „Dotierung“ bezeichnet wird, werden die belichteten Bereiche des Siliziumwafers mit verschiedenen chemischen Verunreinigungen bombardiert, die als „Ionen“ bezeichnet werden. Sie enthalten positive und negative Ladungen und ändern dadurch die Art, wie das Silizium in diesen Bereichen die Elektrizität leitet. Die elektrischen Ladungen helfen dem Transistor beim Ein- und Ausschalten, wodurch elektrischer Strom durch das Gate des Transistors gelangen kann.
Damit eine Verbindung zwischen den zusätzlichen Schichten eines Wafers hergestellt werden kann, baut man „Fenster“ durch die Wiederholung der Maskierung- und Ätz-Schritte ein. Diese Schichtung wird 20 – 25 Mal in einem Zeitraum von mehreren Wochen wiederholt. So entstehen mehrere Schichten auf einem Wafer.
Metall wird für die „Fenster“ verwendet, die dadurch elektrische Verbindungen zwischen den Schichten des Chips herstellen. Intel hat im Rahmen seiner 0,13-Mikron Prozesstechnologie, der derzeit fortschrittlichsten in Produktion befindlichen Mikroprozessor Prozess-Generation, Kupfer als Metall eingeführt. Zuvor hat Intel Aluminium bei seiner 0,18-Mikron und früheren Prozesstechnologien verwendet. Kupfer und Aluminium sind exzellente elektrische Leiter.
Test
 Wenn der Aufbau der Schichten abgeschlossen ist, werden die Wafer für Tests vorbereitet. Die Wafer müssen relativ dick sein, um den verwendeten Prozessen und der Ausrüstung standhalten zu können. Diese Dicke muss um 33 Prozent reduziert werden, bevor man die Wafer in einzelne Mikroprozessoren schneiden kann. Deshalb durchläuft der Wafer eine Reihe von Schritten, um die Dicke zu reduzieren und Verunreinigungen von der Rückseite zu entfernen. Sobald die Dicke des Wafers reduziert wurde, trägt man eine Schicht eines anderen Materials auf die Rückseite des Wafers auf, um eine gute Oberfläche für das Siliziumplättchen zu bilden, damit es bei der Montage angeschlossen werden kann. Außerdem stellt dies einen elektrischen Kontakt von der Rückseite des integrierten Schaltkreises zum externen Gehäuse während des Montagevorgangs her.
Die Wafer werden dann getestet, um die Qualität jedes Verarbeitungsschrittes feststellen zu können. Separate Komponenten wie Transistoren, Widerstände und Kondensatoren werden getestet um feststellen zu können, ob die Chips richtig funktionieren oder nicht. Wenn ein Verarbeitungsproblem erkannt wird, können diese Daten analysiert werden, um den Verarbeitungsschritt zu erkennen, der den Fehler verursacht hat.
Auf jedem Siliziumplättchen auf dem Wafer werden dann elektrische Sonden platziert und jedes Siliziumplättchen wird anschließend mit Energie versorgt. Ein Computer führt eine Reihe von Tests aus, damit festgestellt werden kann, ob der Schaltkreis die Spezifikationen erfüllt.
Gehäuse
Nach dem Test, werden die Wafer in die Montagestätten von Intel gebracht, wo jeder Wafer in kleine Rechtecke zerschnitten wird, die als „Die“ bezeichnet werden. Jeder dieser „Dies“ enthält einen kompletten integrierten Schaltkreis. Eine Präzisionssäge trennt die Dies von einander ab. Die nicht funktionierenden Siliziumplättchen werden ausrangiert.
Die einzelnen Siliziumplättchen werden in externe Gehäuse montiert. Die Gehäuse schützen das Siliziumplättchen vor der Umgebung und enthalten die elektrischen Verbindungen für den Die, damit dieser mit der Hauptplatine kommunizieren kann, auf der er später befestigt wird. Winzige Kugeln aus Lötzinn verbinden bestimmte Bereiche des Siliziumplättchens mit den elektrischen Leitungen des Gehäuses. Ab jetzt kann Elektrizität vom gedruckten Schaltkreis zum Die und wieder zurück fließen.
Nach der Montage des Gehäuses wird ein Test durchgeführt um feststellen zu können, ob das Siliziumplättchen immer noch normal funktioniert. Nicht funktionierende Exemplare werden aussortiert. Die funktionierenden Exemplare werden dann Stress Tests unterzogen. Während dieser Tests wird jedes Exemplar verschiedenen Luftfeuchtigkeits- und Temperaturstufen ausgesetzt und auf elektrostatische Entladung kontrolliert. Nach jedem Stress Test wird das Exemplar auf seine Funktion hin überprüft. Die Exemplare werden dann in verschiedene Behälter gelegt, abhängig von Geschwindigkeit und Leistung.
Auslieferung
Qualifizierte integrierte Schaltkreise werden dann einer abschließenden Inspektion unterzogen. Dies soll sicherstellen, dass alle vorhergehenden Tests korrekt waren und der integrierte Schaltkreis die Verbraucherstandards erfüllt oder sie übertrifft. Alle integrierten Schaltkreise, die diese Inspektion überstehen, werden gekennzeichnet und verpackt, damit sie an die Verbraucher geschickt werden können.
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