Jak se vyrábí procesory: od písku po čip

Čipy jsou všude, jsou v nich miliony až miliardy tranzistorů a hraje se už na nanometry. Technologie jdou kupředu, zmenšovat ale nejde do nekonečna.
Kapitoly článku

Výroba polovodičových čipů se skládá hned z několika samostatných procesů. Nejdříve je zapotřebí čip navrhnout, tedy vytvořit architekturu čipu, což je např. v terminologii Intelu nazýváno jako „Tock“. Na již vyzkoušeném výrobním procesu, který přišel první rok („Tick“) je nadcházející rok aplikována nová architektura („Tock“). Další rok je zase vyzkoušená architektura použita na nové výrobní technologii.

Postup výroby procesoru v rychlosti na videu:

Tvorba samotného čipu začíná u výroby křemíku – ta v průmyslovém měřítku spočívá v redukci taveniny vysoce čistého oxidu křemičitého, tedy z křemene či písku, (01) v obloukové elektrické peci na grafitové elektrodě, jejíž materiál je při tom spalován na plynný oxid uhličitý podle reakce: SiO2 + C → Si + CO2 . Při tomto procesu vzniká polykrystalický křemík o čistotě 97–99 %. Pro účely elektronického průmyslu je ovšem tato čistota naprosto nedostatečná, neboť výroba elektronických součástek vyžaduje většinou křemík o čistotě minimálně 99,9999 %. I nepatrné znečištění výrazně ovlivňuje kvalitu vyrobených tranzistorů a dalších elektronických součástek.

Článek původně vyšel v časopisu Computer

Základem je čistota

Jednou z nejstarších metod pro přípravu vysoce čistého křemíku je zonální tavení. Čištěný materiál se nejprve upraví do tvaru dlouhé tenké tyče. (02) Ta se potom ve speciální pícce postupně přetavuje tak, aby se tavená zóna posunovala od jednoho konce ke druhému. Přitom se nečistoty přítomné v materiálu koncentrují v roztavené zóně a postupně se dostávají ke konci tyče, který se nakonec odstraní odříznutím. Několikanásobným opakováním tohoto postupu vznikne poměrně vysoce čistý materiál.

Klepněte pro větší obrázek

V současnosti se pro přípravu extrémně čistého křemíku používají chemické metody. V tzv. Siemensově postupu je z křemíku nejprve vyrobena nějaká těkavá sloučenina, obvykle trichlorsilan HSiCl3 nebo chlorid křemičitý SiCl4. Tyto plynné sloučeniny se potom vedou přes vrstvu vysoce čistého křemíku o teplotě přes 1 100 °C. Přitom dochází k jejich rozkladu a vzniklý vysoce čistý křemík se ukládá v krystalické podobě na původní křemíkovou podložku.

 

Jen čistota materiálu brzy nebude stačit, musí se zachovat i přesná atomová struktura

 

Reakci trichlorsilanu vystihuje rovnice: 2 HSiCl3 → Si + 2 HCl + SiCl4. Uvedeným postupem vzniká tzv. polykrystalický křemík, který typicky obsahuje nečistoty v řádu jednotek ppb (1 : 1 000 000 000) a plně vyhovuje požadavkům pro výrobu elektronických polovodičových součástek.

Vytáhne se a nařeže

Jelikož pro výrobu většiny polovodičových součástek je polykrystalický křemík nepoužitelný, používá se křemík monokrystalický. Obvyklou metodou pro jeho výrobu je řízená krystalizace z taveniny, nazývaná Czochralského proces. Při tomto postupu je do křemíkové taveniny vložen zárodečný krystal vysoce čistého křemíku. Tento krystal se přitom otáčí a pulzuje podle předem přesně definovaného programu, přičemž teplota taveniny je také velmi pečlivě sledována a řízena. Celý proces probíhá v nádobách z velmi čistého křemene v inertní atmosféře argonu. Na zárodečném krystalu se pak vylučují další vrstvy mimořádně čistého křemíku, výsledný produkt (křemíkový ingot) (03) pak může mít až 400 mm v průměru a délku do dvou metrů, tvořen je přitom jediným krystalem. Vyrobený ingot se po ochlazení řeže na tenké vrstvy, tzv. wafery (typicky desetiny milimetru). (04)

Klepněte pro větší obrázek

Mikroprocesory se typicky vyrábí ze 300mm waferů, (05) už teď ale Intel plánuje přechod na větší 450mm pláty, na které se vejde dvakrát tolik čipů. V roce 2013 budou tyto wafery použity ve výzkumné továrně D1X a v letech 2014–16 by s některým z pokročilejších výrobních procesů (nejspíše až 10nm) mohl Intel přejít na masovou výrobu. Náklady na přechod budou obrovské, ale v delším časovém horizontu se vyplatí. Když Intel začínal s výrobou čipů, první wafery měly průměr pouhých 50 mm, což bylo ve srovnání s dnešní technologií podstatně nákladnější.

Klepněte pro větší obrázek

Vyleptání struktury

Struktura čipů je na wafery vyleptána procesem nazvaným fotolitografie. Na roztočený wafer je nanášena světlocitlivá vrstva, (06) která musí být co nejrovnoměrnější a po nanesení je ozářena ultrafialovým (UV) zářením. (07) To má na vrstvu podobný efekt, jako když dopadne světlo na povrch klasického filmu. Právě pomocí soustředěného paprsku UV záření je možné doslova kreslit integrované obvody přes příslušnou masku na povrch waferu. V cestě paprsku ještě stojí speciální čočka, která zmenší velikost nanášeného obvodu.

Klepněte pro větší obrázek

Originální maska, podle které se díky UV záření tiskne, je většinou přibližně čtyřikrát větší než výsledný integrovaný obvod. Tam, kde byla světlocitlivá vrstva ozářená, je její struktura narušena a je možné ji pomocí speciálního chemického roztoku smýt. Tím se odkryje vytištěný vzorek. (08) Po vymytí narušené světlocitlivé vrstvy přichází fáze leptání, kde je materiál nekrytý zbývající světlocitlivou vrstvou dále narušen speciálními chemikáliemi. Tím se prohloubí vzorek vytištěný na fotocitlivé vrstvě. (09) Po leptání je odstraněn i poslední zbytek světlocitlivé vrstvy, čímž vznikne finální tvar tranzistoru. (10)

Klepněte pro větší obrázek
Kapitoly článku

Témata článku: Technologie, Rovnice, Jak, Čip, Speciální čočka, Zelená barva, Sloučenina, Integrovaný obvod, Celý povrch, Implantát, Mikroprocesor, Elektrický náboj, Leptání, Procesor, Nadcházející rok, První rok, Pro +, Čistota, Podobný efekt, Skalice, Proces, Nová architektura, Polovodičový čip, Výsledný produkt, Maska



Sex manželských párů? Jen výjimečně. Ložnice ovládnou roboti s umělou inteligencí

Sex manželských párů? Jen výjimečně. Ložnice ovládnou roboti s umělou inteligencí

** Sex manželských párů jen při zvláštních příležitostech. ** Ložnice ovládnou sexuální roboti s umělou inteligencí. ** I to je jeden ze závěrů Mezinárodní robotické konference.

Filip KůželJiří Liebreich
RobotiSexUmělá inteligence
Vybrali jsme nejlepší telefony, které si v srpnu 2022 můžete koupit

Vybrali jsme nejlepší telefony, které si v srpnu 2022 můžete koupit

** Každý měsíc vybíráme nejlepší mobily v několika kategoriích. ** Smartphony dělíme podle výbavy a ceny, aby si mohl vybrat každý. ** Nezapomínáme ani na tablety a tlačítkové telefony.

Jan Láska
TelefonySmartphonyNákup a ceny
Jak zrcadlit obrazovku mobilu a počítače do televize

Jak zrcadlit obrazovku mobilu a počítače do televize

Ať už se chcete pochlubit fotkami z dovolené na velké obrazovce, nebo si přehrát video uložené na disku počítače, neobejdete se bez zrcadlení obrazovky. Ve výchozím stavu jej podporuje Windows i Android.

Stanislav Janů
NávodyTelevizeWindows
Nastal pravý čas na výměnu telefonu. Jak poznat, že ten váš už dosluhuje?

Nastal pravý čas na výměnu telefonu. Jak poznat, že ten váš už dosluhuje?

** Jak poznat, že váš telefon má nejlepší dny za sebou? ** Vypadá potlučeně, má pavučinu nebo nedostává aktualizace? ** Ukážeme si, kdy má smysl jeho oprava, a kdy už jen koupě nového

Martin Chroust
Prasklý displejVysloužilý mobilSmartphony
Recenze hry Two Point Campus. Ve škole se revoluce nekoná

Recenze hry Two Point Campus. Ve škole se revoluce nekoná

V podstatě přímé pokračování Two Point Hospital sice mění prostředí, herní mechaniky však zůstávají stejné. Zabaví to i nyní?

Vojtěch Matušinský
Two Point CampusRecenze
Nejničivější bomba v historii lidstva. Rusko zveřejnilo dokument o testu Car-bomby
David Polesný
Sovětský svazAtomová bombaJaderný útokZbraně
Xiaomi Mix Fold 2 je skládačka s tenkým tělem. Skvělou výbavu podtrhuje fotoaparát Leica

Xiaomi Mix Fold 2 je skládačka s tenkým tělem. Skvělou výbavu podtrhuje fotoaparát Leica

** Xiaomi představilo svůj druhý skládací smartphone ** Vylepšil co mohl, dostal nový typ displeje a fotoaparát Leica ** Zatím je dostupný pouze v Číně

Martin Miksa
Skládací konstrukceLeicaVlajková loď