CPU 제조의 원료는 모래입니다. 왜냐하면 거기에 실리콘이 있기 때문입니다. 

이 중에 아직 모양을 갖추지 않은 무수한 CPU가 있습니다.

이것들이 어떻게 CPU가 될까요?

모래 중에서 실리콘을 화학적인 방법으로 순수하게 뽑아 내야 합니다.

화학적인 방법으로 초기 처리가 끝난 실리콘에 형태를 만들어야 합니다. 고온으로 녹입시다.

실리콘을 녹입시다.

온도를 높여 특수한 처리를 거치면 상태 변화가 생깁니다.

모래의 주요 성분은 이산화규소(규소가 실리콘)입니다. 일정한 처리를 하면 순수한 실리콘 원료가 나오는데 이를 단결정 실리콘으로 만듭니다. 이를 대형의 고온 용기에 넣어 회전시키는 방법으로 실리콘 원료를 웨이퍼로 만들어내는 것입니다.

고온의 순수한 실리콘 원료를 통에 넣습니다.

통에 가득 채웁시다.

온도를 식혀 굳힙시다. 

실리콘이 원통형으로 굳어졌습니다. 실리콘 웨이퍼 기둥의 모양은 팽이처럼 생겼지만, 가공 과정 중에서 이를 원기둥 모양으로 유지해야 하며, 이를 원판 모양으로 잘라냅니다. 얇게 잘라내면 잘라낼수록 제조 원가가 줄어들며, 하나의 실리콘 결정에서 더 많은 칩을 만들어 저렴하게 판매할 수 있습니다. 이렇게 잘라낸 표면은 가공을 거쳐 거울처럼 미끄럽게 만들어야 합니다. 따라서 이 과정은 제조사의 기술 수준을 볼 수 있습니다.

실리콘 잉갓이 나오고 있습니다.

실리콘 잉갓입니다.

이걸 잘라냅니다.

실제로 잘라내는 과정이 저렇게 무식(?)하진 않겠지만.

이걸 얇게 잘라내서 웨이퍼를 만드는 것입니다.

잘라내는 과정 중에 일정한 화학 물질을 추가하여 반도체의 특징을 띄게 한 다음, 고온의 산화 처리를 하여 표면에 두께가 일정한 이산화규소층을 형성시킵니다. 이 부분이 우리가 일반적으로 말하는 전기 회로이며, 그 작용은 전자의 흐름을 조절하는 것입니다. 그 다음 공정은 이산화규소층에 감광층을 덮는 것인데, 이 단계의 목적은 이산화규소의 감광 효과를 더 좋게 하여, 레이저로 회로를 깎아낼 수 있게 하는 것입니다. 레이저 인쇄 후에는 화학 약품을 사용하여 감광층을 다시 씻어냅니다.

웨이퍼를 잘라낸 초기 상태.

산화시키고 감광층을 넣습니다.

철저하게 조절된 단파장 자외선과 곡률이 큰 렌즈를 사용하여 레이저 회로 인쇄를 합니다.

한개 층을 인쇄하는데 사용하는 설계도는 뉴욕 시의 전체 지도보다도 훨씬 더 세밀합니다.

레이저 인쇄가 끝나면 감광층을 씻어내고(이 과정에서 일부 규소층이 드러납니다), 그 다음에는 감광층에 다결정 규소층을 넣습니다. 이때 금속 원료를 사용하며 이 때문에 다결정 규소층을 CMOS(금속 산화물 반도체)라고 부릅니다. 다결정 규소는 트랜지스터에 엔트리 전압을 넣어 게이트 회로 역할을 하게 됩니다. 이후에는 다시 이를 레이저로 깎아내서 외부 규소층에 이온 충격을 받도록 노출시키는데, 이 과정에서 N 게이트와 P 게이트를 생성, 모든 트랜지스터와 그 사이 회로를 연결하게 됩니다.

레이저 인쇄 후에 감광층을 벗겨내야 합니다.

트랜지스터 사이의 회로를 연결합니다.

아래는 앞서 설명했던 작업을 계속 반복하여 그 층수를 늘려가고, 마침내 CPU의 모습을 드러내는 것입니자. 제일 마지막 작업은 각각의 층 사이에 금속 막을 넣어 각 층을 전도-연결시키는 과정입니다.

이제 이걸 덮습니다.

여러 층을 연결하는 입체 구조를 형성합니다.

이렇게 보면 우리가 흔히 보는 CPU 웨이퍼처럼 생겼군요.

한장의 웨이퍼에는 여러개의 CPU 조각들이 있으며, 각각의 조각들은 완전한 구조를 형성하고 있습니다. 하지만 이걸 잘라내는 과정도 결코 쉬운 것이 아닙니다. 여기까지 끝내도 완전히 끝냈다고 말할 수 없는 것이, 만들어진 회로를 검사하고 계속하여 가공해야 하기 때문입니다.

가로로 잘라내고.

세로로 잘라냅니다. 실제로 잘라내는 과정은 이렇게 무식하진 않습니다.

잘라낸 CPU 조각 하나를 떼어냅니다.

정밀한 기계팔로 다이를 옳깁니다. 이건 뉴스에서 자주 나오는 장면이지요.

다이를 확대하면 이렇습니다.

이제 남은 과정은 여러분들의 짐작대로 패키징입니다. 패키징은 칩을 보호하고 칩이 다른 부품과 연결될 수 있게 해줍니다. 하지만 패키징을 하기 전에 반드시 테스트를 거쳐야 하고, 테스트에서 통과하지 못한 제품은 버려지게 됩니다.

웨이퍼에서 분리해낸 다이.

기판에 부착합니다. 그냥 저렇게 단순하게 붙이는건 아니고, 실제로는 복잡한 과정을 거쳐야만 합니다. 다이와 소켓 부분의 접점을 하나하나 이어줘야 하니까요.

히트 스프레더를 붙입니다.

패키징이 끝나면 이제 다이를 볼 수 없게 됩니다.

테스트 과정 중에 문제가 있어 출시가 되지 않는 제품은 엔지니어링 샘플이나 쓰레기가 되는 것이고, 아무런 문제가 없는 제품은 그 스펙과 등급, 시장의 수요에 따라 제품이 세분화가 됩니다. 여기서 해당 제품의 모델이 정해지는 것입니다. 일부 제품은 캐시나 코어 일부에 결함이 존재하여, 그 부분만 막아서 저가형 제품을 만들기도 합니다(코어나 캐시를 살리는 방법도 여기서 비롯된 것입니다).

패키징 후에도 테스트를 합니다.

등급을 나눠 박스에 포장합니다.

끝.

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