Výroba čipů: Proměna písku ve zlato

DEFINICE Výroba čipů je procesem, při kterém se v továrnách, jejichž zbudování přijde na miliardy dolarů, mění ...


DEFINICE
Výroba čipů je procesem, při kterém se v továrnách, jejichž zbudování přijde na
miliardy dolarů, mění písek na integrované obvody. Ty mohou sloužit jako
mikroprocesory, paměti, jednoúčelové řídicí systémy apod. Výroba čipů je jednou
z nejkomplikovanějších a nejdražších aktivit, se kterými se lze v průmyslu
setkat.
Na světě existuje jen málo věcí, které by člověku přišly primitivnější než
písek, a pravděpodobně žádná, která by byla tak komplikovaná, jako moderní
elektronický čip. Křemík, který je součástí písku, však stojí na samém počátku
procesu výroby integrovaných obvodů, jež dnes řídí všechno od superpočítačů po
mobilní telefony nebo mikrovlnné trouby. Proměna písku na tyto složité malé
komponenty s miliony součástí je výjimečným úspěchem vědy a techniky, který by
se v roce 1947, kdy byl v Bellových laboratořích vytvořen první tranzistor,
zdál zřejmě naprosto neuvěřitelný. Dnes jsou na malých destičkách o ploše v
řádech centimetrů čtverečních směstnány tranzistorů desítky milionů např.
procesor Pentium 4 jich obsahuje 42 milionů.

Jak to funguje
Křemík je přírodní polovodič. Za určitých podmínek elektřinu vede a za jiných
funguje jako elektrický izolant. Jeho elektrické vlastnosti navíc mohou být
změněny přidáním různých příměsí v procesu, který se nazývá dopování. Tyto
skutečnosti činí z křemíku ideální materiál pro výrobu tranzistorů, které jsou
jednoduchými zařízeními, která zesilují elektrický signál. Tranzistory ovšem
mohou fungovat také jako spínače. Realizují tak stavy zapnuto/vypnuto, logickou
jedničku a nulu. Pokud se spojí do složitějších obvodů, mohou provádět základní
logické operace and, or a not.
Operace and a or pracují se dvěma vstupy. Pokud jsou u and (a) oba vstupy ve
stavu logické jedničky (zapnuto), výsledkem je zase jednička. V ostatních
případech je výsledkem nula (vypnuto). U operace or (nebo) stačí pro jedničkový
výsledek situace, kdy je alespoň jeden ze vstupů ve stavu logické jedničky.
Operace not je negací výstup je tedy ve stavu logické jedničky v případě, kdy
je vstup nulový a naopak. Kombinací prvků realizujících tyto jednoduché logické
operace lze realizovat nejrůznější funkce.

Různé čipy
V současnosti je vyráběna celá škála různých druhů čipů. Mikroprocesory jsou
logické obvody, které provádějí výpočty ve většině komerčních počítačů (snad s
výjimkou analogových, které se používají např. v oblasti regulace). Paměťové
čipy uchovávají informace. Digitální signální procesory (DSP) mohou převádět
signály z analogových na digitální a dále je zpracovávají. K dispozici je
rovněž řada čipů určených pro specifické aplikace, jako např. pro ovládání
automobilu, pro řízení mobilního telefonu či jiných komunikačních zařízení nebo
zařízení spotřební elektroniky.

Nakrájíme na plátky
Čipy jsou vyráběny v továrnách, jejichž vybudování přijde na miliardy dolarů.
Často se označují slovem fab (v množném čísle fabs). Než vznikne kompletní
integrovaný obvod, jehož srdcem je čip, musí být provedeny stovky nejrůznějších
operací. Ty se často odehrávají na různých místech i geograficky značně
vzdálených.
Prvním krokem celého procesu je roztavení písku, jeho vyčištění a vytvoření
křemíkových ingotů s čistotou 99,9999 %. Ty jsou poté rozřezány na tenké
destičky označované jako wafers. Jejich tloušťka je srovnatelná s tloušťkou
desetníku, jejich průměr je různý podle vyspělosti továrny. Obecně platí, že
čím větší průměr, tím náročnější výrobní proces, ale také vyšší efektivita
výroby. Největší běžně používaný průměr plátů je nyní 300 milimetrů.
Křemíkové pláty jsou po rozřezání vyčištěny a vyleštěny aby byly připraveny na
výrobu obvodů. Tyto a následující kroky jsou již realizovány v takzvaných
čistých místnostech (clean rooms), kde je zajištěna taková čistota prostředí,
aby se zabránilo kontaminaci prachem a dalšími cizími substancemi. Lidé se v
tomto prostředí pohybují ve speciálních skafandrech.

Maska za maskou
Na vyčištěném povrchu plátů je nejprve vytvořena nevodivá vrstva oxidu
křemičitého, na kterou je následně nanesena fotorezistentní vrstva. Ta je skrz
speciální masku osvícena ultrafialovým zářením (v rámci tzv. fotolitografického
procesu). Tento krok zpevní oblasti, které byly ozářeny. Neosvícená místa jsou
následně odstraněna horkými plyny, a tak se opět odkryje vrstva oxidu
křemičitého. Tato základní vrstva i vlastní křemík jsou dále naleptány do
různých hloubek.
Fotorezistentní vrstva, která byla na počátku litografickým procesem zpevněna,
je nyní odstraněna, takže výrobce získá jen čistou prostorovou křemíkovou
strukturu, která odpovídá návrhu realizovaném maskou. Elektrická vodivost
některých částí čipu nyní může být změněna tím, že se pod tlakem a za vysoké
teploty nadopují dalšími materiály. Fotolitografický proces s různými maskami
následovaný leptáním a dopováním je pro jeden čip mnohokrát opakován, takže
postupně vzniká stále komplikovanější integrovaný obvod.
Následně jsou vytvořeny vodivé cesty mezi komponentami čipu (a k vývodům, které
budou ve výsledném produktu zajišťovat spojení čipu s okolím). Za tímto účelem
se celý čip pokryje tenkou vrstvou kovu, dnes zpravidla hliníku, a proces
fotolitografie se použije na odleptání všech částí této vrstvy, které nejsou
potřebné k vytvoření vodivých cest. Někdy je třeba vytvořit takových vodivých
vrstev několik. Potom se oddělují skleněným izolantem.
Přesnost, s jakou fotolitografie pracuje, určuje potenciální maximální množství
součástek, které se vejdou na jeden čip, a také jejich spotřebu. Přesnost se
měří v nanometrech a běžné je dnes využití 130nm technologie.

Na cestě
Po dokončení výrobních operací je každý čip na plátu otestován, zda plní své
funkce podle návrhu. Následně je plát rozřezán na jednotlivé čipy (a právě v
tomto okamžiku se z nich vlastně čipy tedy "úlomky" stávají).
Funkční čipy jsou poté zapouzdřeny do plastových nebo keramických obalů s
vývody, které umožňují jejich použití na plošných spojích koncových zařízení.
Nefunkční produkty jsou označeny a zničeny.
Proces výroby křemíkových ingotů (tedy první krok celé výroby) a pouzdření čipů
(tedy poslední krok) se často provádí v jiných továrnách než vlastní výroba
čipů.









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.