Arsitektur dan Organisasi Komputer: PROSES PEMBUATAN CHIP CPU

Ini adalah ilustrasi bagaimana chip dibuat. Artikel dan gambar-gambar di bawah ini mendemonstrasikan tahap-tahap proses bagaimana memproduksi sebuah CPU (central processing unit), yang digunakan di setiap PC di dunia saat ini. Anda akan melihat sekilas beberapa pekerjaan yang luar biasa ini dilakukan tiap hari di pabriknya di Intel.

1. Sand (Pasir)

Pasir - terutama Quartz - memiliki persentase tinggi dari Silicon dalam pembentukan Silicon dioksida (SiO2) dan nerupakan bahan dasar untuk produksi semikonduktor.

Pasir - sekitar 25% masa Silicon yang merupakan senyawa kedua terbanyak - setelah oksigen - di muka bumi

2. Silikon Cair

Silikon dimurnikan dalam tahap berlapis untuk akhirnya nencapai kualitas produksi yang disebut Electronic Grade Silicon (EGS). EGS mungkin hanya mengandung sebuah atom asing setiap satu triliun atom Silikonnya. Pada gambar di bawah ini Anda bisa lihat bagaimana sebuah kristal besar tumbuh dari silikon cair yang dimurnikan. Hasilnya adalah kristal tunggal yang disebut Ingot.

Silikon cair - skala: level wafer (~300mm / 12 inch)

3. Kristal Silikon Tunggal - Ingot

Sebuah ingot dibuat dari Electronic Grade Silicon. Sebuah ingot memiliki berat sekitar 100 kilogram (220 pound) dan memiliki kemurnian Silicon 99.9999%.

Mono-crystal Silicon Ingot -- scale: wafer level (~300mm / 12 inch)

4. Pengirisan Ingot

Ingot kemudian diiris menjadi disc-disc silikon individual yang disebut wafer.

Ingot Slicing -- scale: wafer level (~300mm / 12 inch)

5. Wafer

Wafer-wafer ini dipoles sedemikian rupa hingga tanpa cacat, dengan permukaan selembut kaca cermin. Intel membeli wafer-wafer siap produksi itu dari perusahaan pihak ketiga. Process rumit 45nm High-K/Metal Gate oleh Intel menggunakan wafer dengan diameter 200 milimeter. Saat Intel mulai membuat chip-chip, perusahaan ini mencetak sirkuit-sirkuit di atas wafer 50 milimeter. Dan untuk saat ini menggunakan wafer 300mm, yang menghasilkan penghematan biaya per-chip.

Wafer -- scale: wafer level (~300mm / 12 inch)

6. Mengaplikasikan Photo Resist

Cairan (warna biru) yang di tuangkan di atas wafer saat diputar adalah sebuah proses dari photo resist yang sama seperti yang kita kenal di film untuk fotografi. Wafer diputar selama tahap ini untuk membuatnya sangat tipis dan bahkan mengaplikasikan layer photo resist.

Applying Photo Resist -- scale: wafer level (~300mm / 12 inch)

7. Exposure

Hasil dari photo resist diekspos ke sinar ultraviolet (UV. Reaksi kimianya ditrigger oleh tahap pada proses tersebut, sama dengan apa yang terjadi pada material film pada sebuah kamera saat Anda menekan tombol shutter. Hasil dari photo resist yang diekspos ke sinar UV akan bersifat dapat larut. Exposure diselesaikan menggunakan mask yang berfungsi seperti stensil dalam tahap proses ini. Saat digunakan dengan cahaya UV, mask membentuk pola-pola sirkuit yang bervariasi di atas tiap layer dari mikroprosesor. Sebuah lensa (di tengah) mengurangi image dari mask. Sehingga yang dicetak di atas wafer biasanya adalah empat kali lebih kecil secara linier daripada pola-pola dari mask.

Exposure -- scale: wafer level (~300mm / 12 inch)

8. Exposure

Meskipun biasanya ratusan mikroprosesor bisa dihasilkan dari sebuah wafer tunggal, cerita bergambar ini hanya akan fokus pada sebuah bagian kecil dari sebuah mikroprosesor, yaitu pada sebuah transistor atau bagian-bagiannya. Sebuah transistor berfungsi seperti sebuah switch, mengendalikan aliran arus listrik dalam sebuah chip komputer. Peneliti-peneliti di Intel telah mengembangkan transistor-transistor yang sangat kecil sehingga sekitar 30 juta transistor dapat diletakkan pas di kepala sebuah peniti.

Exposure -- scale: transistor level (~50-200nm)

9. Membersihkan Photo Resist

Photo resist yang lengket dilarutkan sempurna oleh suatu pelarut. Proses ini meninggalkan sebuah pola dari photo resist yang dibuat oleh mask.

Washing off of Photo Resist -- scale: transistor level (~50-200nm)

10. Etching (Menggores)

Photo resist melindungi material yang seharusnya tidak boleh tergores. Material yang ditinggalkan akan digores (disketch) dengan bahan kimia.

Etching -- scale: transistor level (~50-200nm)

11. Menghapus Photo Resist

Setelah proses Etching, photo resist dihilangkan dan bentuk yang diharapkan menjadi terlihat.

Removing Photo Resist -- scale: transistor level (~50-200nm)

12. Mengaplikasikan Photo Resist

Terdapat photo resist (warna biru) diaplikasikan di sini, diekspos dan photo resist yang terekspos dibersihkan sebelum tahap berikutnya. Photo resist akan melindungi material yang seharusnya tidak tertanam ion-ion.

Applying Photo Resist -- scale: transistor level (~50-200nm)

13. Penanaman Ion

Melalui seuatu proses yang dinamakan "ion implantation" (satu bentuk proses yang disebut doping), area-area wafer silikon yang diekspos dibombardir dengan "kotoran" kimia bervariasi yang disebut Ion-ion. Ion-ion ini ditanam dalam wafer silikon untuk mengubah silikon pada area ini dalam memperlakukan listrik. Ion-ion ditembakkan di atas permukaan wafer pada kecepatan tinggi. Suatu bidang listrik mempercepat ion-ion ini hingga kecepatan 300.000 km/jam.

Ion Implantation -- scale: transistor level (~50-200nm)

14. Menghilangkan Photo Resist

Setelah penanaman ion, photo resist dihilangkan dan material yang seharusnya di-doped (warna hijau) memiliki atom-atom asing yang sudah tertanam (perhatikan sekilas variasi warnanya).

Removing Photo Resist -- scale: transistor level (~50-200nm)

15. Transistor yang Sudah Siap

Transistor ini sudah dekat pada proses akhirnya. Tiga lubang telah dibentuk (etching) di dalam layer insulasi (warna magenta) di atas transistor. Tiga lubang ini akan terisi dengan tembaga yang akan menghubungkannya ke transistor-transistor lainnya.

Ready Transistor -- scale: transistor level (~50-200nm)

16. Electroplating

Wafer-wafer diletakkan ke suatu larutan sulfat tembaga di tahap ini. Ion-ion tembaga ditanamkan di atas transistor melalui proses yang disebut electroplating. Ion-ion tembaga bergerak dari terminal positif (anoda) menuju terminal negatif (katoda) yang dipresentasikan oleh wafer.

Electroplating -- scale: transistor level (~50-200nm)

17. Tahap Setelah Electroplating

Pada permukaan wafer, ion-ion tembaga membentuk menjadi suatu lapisan tipis tembaga.

After Electroplating -- scale: transistor level (~50-200nm)

18. Pemolesan

Material ekses dari proses sebelumnya di hilangkan.

Polishing -- scale: transistor level (~50-200nm)

19. Lapisan Logam

Lapisan-lapisan metal dibentuk untuk interkoneksi (seperti kabel-kabel) di antara transistor-transistor. Bagaimana koneksi-koneksi itu tersambungkan ditentukan oleh tim desain dan arsitektur yang mengembangkan fungsionalitas prosesor tertentu (misal Intel® Core™ i7 Processor). Sementara chip-chip komputer terlihat sangat flat, sesungguhnya didalamnya memiliki lebih dari 20 lapisan yang membentuk sirkuit yang kompleks. Jika Anda melihat pada pembesaran suatu chip, Anda akan menemukan jaringan yang ruwet dari baris-baris sirkuit dan transistor-transistor yang mirip sistem jalan raya berlapis di masa depan.

Metal Layers -- scale: transistor level (six transistors combined ~500nm)

20. Testing Wafer

Bagian dari sebuah wafer yang sudah jadi ini diambil untuk dilakukan test fungsionalitasnya. Pada tahap test ini, pola-pola di masukkan ke dalam tiap chip dan respon dari chip tersebut dimonitor dan dibandingkan dengan daftar yang sudah ditetapkan.

Wafer Sort Test -- scale: die level (~10mm / ~0.5 inch)

21. Pengirisan Wafer

Wafer diiris-iris menjadi bagian-bagian yang disebut Die.

Wafer Slicing -- scale: wafer level (~300mm / 12 inch)

22. Memisahkan Die yang Gagal Befungsi

Die-die yang saat test pola merespon dengan benar akan diambil untuk tahap berikutnya.

Discarding faulty Dies -- scale: wafer level (~300mm / 12 inch)

23. Individual Die

Ini adalah die tunggal yang telah jadi pada tahap sebelumnya (pengirisan). Die yang terlihat di sini adalah die dari sebuah prosesor Intel® Core™ i7.

Individual Die -- scale: die level (~10mm / ~0.5 inch)

24. Packaging

Bagian dasar, die, dan heatspreader digabungkan menjadi sebuah prosesor yang lengkap. Bagian dasar berwarna hijau membentuk interface elektris dan mekanis bagi prosesor untuk berinteraksi dengan sistem komputer (PC). Heatspreader berwarna silver berfungsi sebagai pendingin (cooler) untuk menjaga suhu optimal bagi prosesor.

Packaging -- scale: package level (~20mm / ~1 inch)

25. Prosessor

Inilah prosesor yang sudah jadi (Intel® Core™ i7 Processor). Sebuah mikroprosesor adalah suatu produk paling kompleks yang pernah dibuat di muka bumi. Faktanya, dibutuhkan ratusan langkah - hanya bagian-bagian paling penting saja yang ditampilkan pada artikel ini - yang dikerjakan di suatu lingkungan kerja terbersih di dunia, sebuah lab mikroprosesor.