누구나 '쉽게' 따라하는 인텔 CPU 만들기

누구나 '쉽게' 따라하는 인텔 CPU 만들기

  일단, 잘 아시다 싶이 반도체 에는 규소 - 흔히 실리콘(Silicon)이라 불리는 물질을 이용합니다. 여기서 실리콘은 우리가 흔히 생각하는 성형 수술시 가슴 확대 등에 쓰이는 실리콘(Silicone) 과 다릅니다. 실리콘은 지구 지각에 산소 다음으로 가장 많이 포함되어 있는 원소 (25%) 입니다. 자연상에서 흔히 석영(SiO₂)으로 존재하고 있으며 이번에 만들게 될 CPU 의 실리콘도 이 석영으로 부터 만들어졌습니다.

실제 크기 : 300mm

  이제 우리가 구한 실리콘을 통해 반도체를 만들기 위해서는 순도가 매우 높은 실리콘을 필요로 합니다. 따라서, 우리는 실리콘의 순도를 높이기 위해 몇 가지 단계를 거치게 되는데 이 단계를 모두 거치게 되면 소위 말하는 반도체 급 실리콘 (Electronic Grade Silicon - EG Si) 가 되어 10 억개의 규소 원자 중 단 1 개의 불순물 원자가 있을 뿐 입니다. 위 그림에서 당신은 융해된 순수한 실리콘으로 부터 어떻게 하나의 큰 결정이 생성되는지 볼 수 있습니다. 위와 같이 탄생한 한 개의 큰 결정을 잉곳(Ingot) 이라 합니다.

실제 크기 : 300mm

  EG-Si 로 부터 잉곳이 만들어졌습니다. 하나의 잉곳은 100 kg 이나 되며 실리콘의 순도가 무려 99.9999% 나 됩니다.

실제 크기 : 300mm

  잉곳을 얇게 잘라서 하나의 웨이퍼라는 디스크를 만듭니다.

실제 크기 : 300mm

  웨이퍼는 흠집이 없을 때 까지 연마 됩니다. 인텔의 경우 위 작업을 직접 하지 않고 다른 회사들에서 연마가 완료된 웨이퍼를 사들입니다. 초기에 인텔은 50mm 웨이퍼를 사용하였습니다. 하지만 300mm 웨이퍼를 통해 칩을 만들게 되면 가격을 낮출 수 있으므로 현재 인텔은 300mm 웨이퍼를 사용합니다.

실제 크기 : 300mm

  위 그림상에서 파란색으로 표시되어 있는 포토리시스트(Photo Resist, PR) 액체를 웨이퍼에 부어서 PR 층을 만듭니다. 이 때, 웨이퍼를 매우 빠른 속도로 회전 시켜서 매우 얇은 PR 층을 웨이퍼에 만들게 됩니다. PR 층을 만드는 이유는 바로 웨이퍼에 회로기판을 판화 하듯 인쇄 하기 위함입니다. 자세한 내용은 아래를 보면 알 수 있습니다.

실제 크기 : 300mm

  PR 처리가 된 웨이퍼에 마스크(Mask) 로 덮은 후 자외선(UV) 에 쬐입니다. 이 때 일어나는 화학 현상은 우리가 카메라에서 셔터를 누를 때 필름에서 일어나는 작용과 비슷합니다. 자외선에 노출된 PR 층은 흐물 흐물 해져서 쉽게 지워지므로 나중에는 움푹 파이게 됩니다. (물론 양성 PR 과 음성 PR 과 차이가 있지만 여기서는 양성 PR 을 사용하는 것 같습니다.) 따라서, 우리는 마치 판화를 하듯이 웨이퍼에 회로 기판을 인쇄할 수 있습니다. 위 그림에서 중간에 보이는 렌즈를 통해 마스크의 이미지를 축소시키는데, 이 때문에 웨이퍼에는 실제 마스크의 이미지 보다 4 배가 작은 이미지가 나타나게 됩니다.

실제 크기 : 50~200 nm, 여기서 단위가 mm 에서 나노미터(nm) 으로 바뀌었다. 1nm = 1/10^9 m 이다.

  하나의 웨이퍼에는 수백개의 마이크로프로세서 들이 만들어 지지만 위 그림에서는 한 개의 마이크로프로세서 조각 - 다시 말해 하나의 트랜지스터 만 그렸습니다. 참고로 트랜지스터는 컴퓨터 칩에서 전류의 흐름을 제어하는 장비로 마치 스위치 처럼 행동합니다. 인텔의 기술자들은 초소형 트랜지스터를 개발하였는데 크기가 놀랍게도 핀 머리에 30000000 개의 트랜지스터를 올려놓을 수 있을 정도로 작습니다.

실제 크기 : 50~200 nm

  앞서 마스크로 가려지지 않은 PR 층은 UV 를 받게 되면 흐물흐물 하게 되어 결국 움푹 파이게 된다고 했죠? 위 사진은 흐물흐물 하게 되었던 부분이 마침내 움푹 파이게 된 것을 나타냅니다. 따라서, PR 층에는 마스크에 의해 나타난 무늬가 새겨지게 되죠.  

실제 크기 : 50~200 nm

  현재 PR 에 의해 보호되는 부분을 제외한 나머지 부분은 화학 물질 처리에 의해 더욱 깊게 부식되어 파이게 됩니다. 따라서, 우리는 조금 더 뚜렸한 마스크 무늬를 얻을 수 있습니다.

실제 크기 : 50~200 nm

  에칭이 끝난 다음에는 PR 을 제거합니다. 결과적으로 우리가 원하던 모양을 얻게 됩니다.

실제 크기 : 50~200 nm

  이온처리를 위해 또 다시 PR 층 (위 그림에서 파란색으로 나타남) 을 생성한 후, UV 에 노출시킨 후 씻어서 UV 에 노출된 부분의 PR 을 제거합니다.  PR 은 이온이 주입되지 말아야 할 부분을 보호하고 있습니다.

실제 크기 : 50~200 nm

  이온 주입 공정을 통해 PR 로 보호되지 않은 실리콘 웨이퍼가 '이온(Ion)' 이라 불리는 화학적 불순물들에 의해 범벅이 됩니다. 이온들은 실리콘 웨이퍼에 주입되어, 실리콘 내부에서 전기가 전도되는 경로를 바꾸게 됩니다. 이온들은 매우 빠른 속도로 실리콘에 주입되는데 전기장을 통해 가속된 이온들은 시속 300,000km 가 넘는 속도로 실리콘 웨이퍼와 충돌하게 됩니다.

실제 크기 : 50~200 nm

  이온 주입이 끝난 후, PR 이 제거됩니다.

실제 크기 : 50~200 nm

  이제 트랜지스터를 만드는 과정이 막바지에 도달하였습니다. 3 개의 구멍이 트랜지스터 상단을 덮은 절연층 (위 그림에서 자홍색) 에 식각(etch)되었습니다. 나중에 이 3 개의 구멍은 구리로 채워져서 다른 트랜지스터와의 연결고리 역할을 하게 됩니다.

실제 크기 : 50~200 nm

  이 단계에서는 웨이퍼가 황산동(Copper Sulphate) 용액에 넣어지게 됩니다. 구리 이온들은 전기도금을 통해 트랜지스터에 침전됩니다.

실제 크기 : 50~200 nm

  전기도금이 끝나면 웨이퍼 표면에 구리 이온으로 이루어진 얇은 구리 층이 생성됩니다.

실제 크기 : 50~200 nm

  표면을 연마하여 흠집을 없앱니다.

실제 크기 : 500 nm, 6 개의 트랜지스터가 합쳐진

  다른 트랜지스터를 연결하기 위해 여러개의 금속 층을 만들어집니다. 이러한 금속 층들을 어떻게 만드냐는 CPU 의 아키텍쳐와 디자인 팀에 의해 결정됩니다. 이러한 금속 층들의 배치에 따라 CPU 의 성능과 용도가 달라지게 됩니다. 컴퓨터 칩들을 살펴보면 상당히 납작해 보이지만 사실 그 위에는 20 개가 넙는 금속 층들이 각 트랜지스터들을 연결해 주고 있습니다.. 우리가 만약 컴퓨터 칩들을 크게 확대해서 본다면 미래 도시의 고속도로 같은 각 CPU 들을 연결해 주는 회로선 들의 복잡한 네트워크를 볼 수 있을 것입니다.

실제 크기 : 10mm

  이제 처음으로 웨이퍼는 첫 성능 테스트를 받게 됩니다.

실제 크기 : 300mm

  웨이퍼는 다이(die) 라고 부르는 조각들로 잘려지게 됩니다.

실제 크기 : 300mm

  위 성능 테스트를 통과한 다이들 만이, 다음 단계로 넘어가게 됩니다.

실제 크기 : 10mm

  위 사진은 하나의 다이를 보여주고 있습니다. 참고로, 위 사진의 다이는 인텔 Core i7 프로세서의 다이 입니다.

실제 크기 : 20mm

  회로기판과 다이, 그리고 방열기(Heatspreader)가 하나로 합쳐져서 하나의 완전한 프로세서를 만들게 됩니다. 초록색의 회로기판은 CPU 가 나머지 PC 시스템과 전기적 및 기계적인 상호작용을 하게 해줍니다. 은색의 방열기에는 냉각제가 들어 있고 프로세서가 작동하는 동안 온도를 낮추어주는 역할을 합니다.

실제 크기 : 20mm

  완전한 프로세서 (위 사진에서는 인텔® Core™ i7 프로세서) 는 아마 지구상에서 가장 복잡한 제품 중 하나 일 것입니다. 사실 프로세서 하나를 만들기 위해 100가지가 넘는 단계를 걸쳐가야 되지만 이 글에서는 몇 가지 중요한 단계만 나타내었을 뿐 입니다. (그러므로 CPU 를 '쉽게' 만들 수 있다는 말은 거짓말이였습니다 - 죄송합니다. 참고로 도전하실 분은 집부터 모조리 멸균 하셔야 할 것 같습니다. CPU 를 제작하는 인텔 공장은 세계에서 가장 깨끗한 곳이라고 합니다)

  CPU 의 마지막 성능테스트에서는 여러가지 중요한 기능들을 검사 받게 됩니다.

  위 테스트 결과에 따라 비슷한 성능의 CPU 들은 같은 운반 접시에 운반됩니다.

  이제 성공적으로 테스트를 통과한 완전힌 CPU 는 위와 같이 상자에 담겨 상점에서 판매됩니다!

자세한 내용은 아래 사이트를 참조하세요
http://www.intel.com/pressroom/kits/chipmaking/index.htm