Ako sa vyrábajú mikročipy

Autor: Martin Chabada | 29.4.2021 o 8:47 | Karma článku: 9,04 | Prečítané:  2806x

Už nejaký čas zapĺňajú média články o tom, že je na trhu nedostatok mikročipov. Ovplyvňuje to dokonca aj naše automobilky. Ako sa tento zázrak techniky vyrába?

Polovodič nie je (len) čerstvý absolvent autoškoly

Integrované obvody, laicky nazývané mikročipy alebo len čipy, sa vyrábajú z polovodičov. Čo to vlastne je? Jednoducho povedané, kým vodiče vedú elektrický prúd a nevodiče ho nevedú, polovodič je niekde „medzi“. Najdôležitejšou vlastnosťou týchto materiálov je však to, že ich vodivosť sa dá do značnej miery ovplyvniť veľmi malými prímesami iných prvkov. Ak by som mal jednou vetou napísať celý princíp výroby základných súčiastok modernej elektroniky, povedal by som: „Zoberme extrémne čistý polovodič a na konkrétnych miestach ho trochu znečistime“.

Kremík, nie silikón, drahý Watson ...

... povedal by možno Sherlock Holmes, ak by v novinách znovu uvidel pojem „Silikónové údolie“. Správny preklad názvu územia v blízkosti kalifornského San José, známeho koncentráciou firiem zameraných na elektroniku, je totiž „Kremíkové údolie“. Prvok kremík, v angličtine silicon, je totiž úplne odlišný od silikónu (angl. silicone), čo je plast obsahujúci kremík a používaný na tesnenie v kúpeľniach alebo, ako výplň hrudí, zvyšujúci sebavedomie niektorých žien. „Silikónové údolie“ by sme teda našli skôr v blízkosti Hollywoodu, kde sa takéto „vylepšené krásky“ vyskytujú v zvýšenej koncentrácii. 

Oblasť severnej Kalifornie, kde sídlia známe firmy počítačového priemyslu, nenesie tento názov zbytočne. Kremík je totiž dnes najpoužívanejším polovodičom používaným na výrobu nielen mikročipov ale aj ostatných polovodičových súčiastok.

Nebol však prvým. Ešte pred kremíkom sa na výrobu súčiastok používalo germánium. Dokonca aj prvý mikročip z roku 1958 bol vyrobený z tohto materiálu. Dnes sa používa v špeciálnych aplikáciách, napríklad v čipoch pre vysoké frekvencie a v solárnych článkoch s vysokou účinnosťou pre aplikácie vo vesmíre. Jeho nevýhodou je to, že je to relatívne vzácny prvok (kremík sa dá vyrobiť doslova z piesku) a nepracuje dobre pri vyšších teplotách.

V súčasnej elektronike sa využívajú aj takzvané polovodiče typu AIIIBV. Teda zlúčeniny obsahujúce (podľa staršieho označenia) prvok z tretej a piatej skupiny (dnes 13 a 15 skupina) periodickej tabuľky. Príkladom je GaAs používaný vo vysokofrekvenčnej technike. Bežný používateľ elektroniky sa s týmto typom polovodičov môže stretnúť v svietiacich diódach (LED). Napríklad zmes GaAs a GaP svieti na červeno, GaP na zeleno a zmes GaN a InN svieti na modro.

Ideálnym polovodičom je obyčajný uhlík. Znesie vysoké napätie aj teploty niekoľko stoviek °C. Je odolný voči radiácii a teda vhodný aj na použitie vo vesmíre. Má vysokú teplotnú vodivosť, čo zjednodušuje chladenie súčiastok. Je v tom len jeden „drobný“ problém. Uhlík musí byť vo forme diamantu. Výrobu dostatočne veľkých syntetických diamantov na masovú výrobu súčiastok zatiaľ nezvládame. Ak sa to raz podarí, vedľajším efektom bude aj to, že diamantový prsteň sa bude dať kúpiť v obchode s bižutériou. „Silikónové krásky“ tak budú asi vyžadovať od svojich ctiteľov iné druhy darčekov.

Čistota pol života ...

Na výrobu mikročipov je potrebný extrémne čistý kremík. Nutná je „deväť deviatková“ čistota, teda 99.9999999%. Jeden atóm nečistoty na miliardu atómov kremíka. Rovnaká čistota musí byť zachovaná aj počas celého výrobného procesu. Operačná sála neurochirurgie je tak oproti fabrike na výrobu polovodičových súčiastok špinavá ako žumpa. Preto musia byť zamestnanci pri výrobe mikročipov oblečení v „skafandroch“, vzduch prichádzajúci do továrne je niekoľkonásobne  filtrovaný a ďalšie samostatné filtre majú aj jednotlivé stroje na ktorých prebieha samotný výrobný proces.

Kremík musí byť vo forme monokryštálu. Znamená to, že atómy sú usporiadané do pravidelnej mriežky. Takto pripravený materiál sa nareže na tenké plátky nazývane wafer (oblátka). Dnes majú najčastejšie priemer 300 mm a hrúbku necelý milimeter.

... a špina celý

Ako som už napísal vyššie, aby sa takto prácne pripravený kus extra čistého kremíka zmenil na mikročip, musíme ho, na presne definovaných miestach, extrémne presne „znečistiť“. Odborne sa tento proces nazýva dopovanie.

Elektróny v atóme kremíku vedia vytvoriť štyri väzby so „susedmi“. Ak pridáme prvok, ktorý vie vytvoriť len tri väzby, napríklad bór, jedna väzba kremíku nebude využitá a vznikne takzvaná „diera“. Takýto polovodič sa potom nazýva P, od slova „pozitívny“, lebo neprítomnosť elektrónu so záporným nábojom vytvára dieru, ktorá sa javí ako častica s kladným nábojom.

Ak naopak pridáme prvok, ktorý vie vytvoriť päť väzieb, ako arzén, jeden jeho elektrón „nebude mať partnera“ a keďže takýto „voľný“ elektrón má záporný náboj, vznikne polovodič typu N (negatívny).

Kombináciou takýchto rôzne dopovaných oblastí vznikajú samotné elektronické súčiastky. Ak spojíme oblasť typu P a typu N, vznikne dióda, elektronický prvok, ktorý vedie prúd len jedným smerom. Zložitejšia zostava N-P-N funguje ako tranzistor, teda súčiastka, ktorá už dokáže zosilňovať elektrické signály.

Ako však dostať nečistoty na tie správne miesta? V princípe sa používajú dve základné metódy. Prvou je difúzia. Wafer sa umiestni do plynu, ktorý obsahuje žiadaný dopant. Pri vysokej teplote tak prenikajú atómy dopujúceho prvku do kremíku. Hĺbka prieniku závisí od teploty, ktorá musí byť udržiavaná s vysokou presnosťou.

Druhým spôsobom je tzv. iónová implantácia. Atómy prímesi sa ionizujú (získajú elektrický náboj), urýchlia v elektrickom poli a doslova „nastreľujú“ na žiadané miesta waferu.               

Kreslenie svetlom na kameň

Nielen pri dopovaní ale aj pri ostatných krokoch pri výrobe mikročipu je potrebné limitovať miesta na ktoré daná operácia účinkuje. Na to sa používa fotolitografia, doslova „kreslenie svetlom na kameň“. Na wafer sa nanesie fotorezist, látka, ktorá dokáže pod vplyvom ultrafialového svetla stvrdnúť. Následne sa cez masku nasvieti celý wafer ultrafialovým svetlom. Oblasti, ktoré boli osvietené, tak ostanú zakryté stvrdnutým fotorezistom, kým tie ktoré maska zakrývala a osvietené neboli, budú po omytí nestvrdnutého fotorezistu prístupné napríklad pre difúziu.

Kľúčovým elementom je tu maska. Pripomína šablónu, ktorú si z kartónu vystrihne sprejer, aby mohol daný motív hromadne nastriekať na steny. V začiatkoch výroby mikročipov sa masky vyrezávali ručne z plastovej fólie a potom fotograficky zmenšovali. Dnes sa vytvárajú počítačom. V princípe jadro návrhu mikročipu spočíva vo vytvorení sady masiek pre každú technologickú operáciu, ktorá je potrebná pre konkrétny čip.

Na osvetlenie sa pri fotolitografii tradične využíva ultrafialové svetlo s vlnovou dĺžkou 193 nm. Dnešné najvyspelejšie polovodičové technológie však majú najmenšie detaily na úrovni 5 nm. Je to niečo podobné, ako kresliť štetcom s priemerom 19,3 cm obrázok s detailmi veľkými len 0,5 cm. Pomaly sa preto prechádza na svetlo s oveľa kratšou vlnovou dĺžkou – 13,5 nm. Tento, nesmierne technologicky náročný, proces sa nazýva EUV (extreme ultraviolet lithography).

Krájanie oblátky

Na jednom waferi sú umiestnené stovky až tisíce čipov. Celý proces výroby trvá v priemere asi tri mesiace. Po celý čas je nutné striktne kontrolovať priebeh jednotlivých operácií, už niekoľkominútový výpadok elektriny môže celú niekoľkotýždňovú „várku“ znehodnotiť.

Po dokončený základnej časti výroby sa wafer rozreže na jednotlivé čipy. Tie sú následne otestované, zapuzdrené a môžu ísť ku konečnému zákazníkovi.

Nie každý čip sa podarí. Jedným zo základných parametrov polovodičovej výroby je tzv. výťažnosť (angl. yield). Je to pomer funkčných čipov k celkovému počtu vyrobených. Pri zavádzaní novej technológie to kľudne môže byť len 30%, teda skoro tri štvrtiny vyrobených čipov sa vyhodia. Niekedy je možné využiť aj čiastočne nefunkčný mikročip. Napríklad sa pri osemjadrovom mikroprocesore deaktivujú štyri nefunkčné jadrá a predáva sa ako štvorjadrový.   

Nie je to také ľahké, drahá ...

Ak ste dočítali až sem, tak chápete, že výroba mikročipov je nesmierne komplikovaný a na technológie náročný proces. A to som celý postup dosť zjednodušil a o množstve výrobných operácií som vôbec nepísal. Je nutné mať k dispozícii extra čisté vstupné materiály. Dostatok vody, ktorej sa využíva pri výrobe nesmierne množstvo, napríklad na omývanie waferov medzi operáciami, je samozrejmosťou. Ak nenaprší, ohrozuje to samotnú výrobu.

Továreň na mikročipy nie je možné postaviť len tak. Jej cena už dávno prekročila miliardu dolárov, dnes sa blíži skôr k desiatim miliardám a budúce fabriky túto sumu prekonajú. Takáto investícia sa musí zaplatiť a teda dopredu dlhodobo plánovať na základe prieskumu trhu. Ak je prognóza chybná a dopyt prevyšuje ponuku, čipov je na trhu nedostatok. Pre výrobcu mikročipov je to ale stále tá lepšia situácia. Ak by boli naopak prognózy príliš optimistické a zákazníci by nekupovali toľko čipov ako vypočítala predpoveď, výrobca by išiel do straty a mohol by aj skrachovať. Preto vo výrobe mikročipov neexistujú nadmerné voľné kapacity. Ak vznikne v jednej továrni požiar alebo iný výpadok, prejaví sa to na trhu nedostatkom.                  

Páčil sa Vám tento článok? Pridajte si blogera medzi obľúbených a my Vám pošleme email keď napíše ďalší článok
Pridaj k obľúbeným

Hlavné správy

Traktor odlialo, krovinorez ani nenašli. Rudno sa pýta, prečo hrádza nevydržala

Nádrž nad dedinou sa prelievala už týždne. Starosta to vedel.

KOMENTÁR PETRA TKAČENKA

Kedy to Kollára prestane baviť?

Koalícia sa potáca z krízy do krízy.


Už ste čítali?