"Już od lat operujemy na pojedynczych atomach" Mark T. Bohr, Intel Senior Fellow

Krzem (a przede wszystkim dwutlenek krzemu), który stanowi podstawę całej gospodarki opartej na wiedzy, jest jednym z najczęściej występujących pierwiastków na Ziemi. Znajduje się on w piasku kwarcowym. Z tego podstawowego składnika są tworzone mikroukłady, które znajdują zastosowanie w coraz większej liczbie urządzeń elektronicznych służących do przetwarzania danych. Jakkolwiek bazowy materiał wydaje się niepozorny, technologia wytwarzania nowoczesnych mikroukładów jest astronomicznie droga i skomplikowana. Zanim proces wytwarzania procesorów w 32 nanometrach został opracowany w firmie Intel do tego stopnia, aby móc wyprodukować niezliczone miliony procesorów, minęły lata.

Przygotowanie tak precyzyjnego procesu zajęło dużo czasu, choć branży półprzewodnikowej trudno odmówić jednej z największych innowacyjności. W końcu sformułowane jeszcze w 1965 roku prawo Moore’a wciąż obowiązuje. Obecnie mówi ono, że podwojenie liczby tranzystorów na tej samej powierzchni następuje w ciągu mniej więcej dwóch lat (pierwotnie był to rok). Właśnie ta zależność jest główną przyczyną, dzięki której wydajność oraz energooszczędność procesorów następuje w tak szybkim tempie. Produkcja procesorów staje się jednocześnie coraz tańsza.

Aby pokazać, o jakich rzędach wielkości mowa, nasuwa się następujące porównanie: jeden tranzystor w 32-nanometrowym procesorze ma szerokość około 100 nanometrów – co odpowiada mniej więcej rozmiarowi wirusa grypy. Dla porównania atom krzemu ma szerokość ok. 0,26 nanometra. Biorąc pod uwagę tak małe wymiary, nie dziwi również finansowy rozmach skomplikowanej technologii wytwarzania układów – Intel zainwestował blisko 7 mld dolarów w cztery fabryki w Stanach Zjednoczonych w celu wdrożenia nowej technologii produkcji procesorów.

Od piasku do ingotu, od ingotu do wafla.

Najważniejszy materiał bazowy wszystkich procesorów od lat pozostał niemal niezmieniony, a wraz z nim również wstępna faza produkcyjna. Pierwszym krokiem jest zawsze wytworzenie ingotów, czyli w tym wypadku walców składających się z bardzo czystego krzemu (patrz infografika). W tym celu koncerny chemiczne rozgrzewają piasek kwarcowy aż zacznie się topić, po czym jest on czyszczony, tak aby osiągnąć jakość nadającą się na potrzeby elektroniki. Przyjmuje się, że na 10 miliardów atomów krzemu może znaleźć się zaledwie jeden obcy atom.

Z tak oczyszczonego krzemu zostaje wyciągnięty monokryształ w formie kolumny o masie kilkuset kilogramów.

Następnie monokryształ zostaje pocięty diamentową piłą na cienkie warstwy (wafle), które są myte, polerowane oraz dokładnie badane za pomocą techniki laserowej w poszukiwaniu wad. Producenci półprzewodników, np. Intel, kupują te wafle krzemowe w celu wykorzystania ich we własnym procesie technologicznym.

Obecnie stosowane wafle krzemowe mają rozmiar 30 cm. Jednak Intel wraz z tajwańskim producentem TSMC oraz koreańskim Samsungiem postanowił przejść od roku 2012 na jeszcze tańsze 45-centymetrowe wafle.

W ich przypadku na „ścinkowe” obszary przy krawędziach przypada zdecydowanie mniejsza powierzchnia.

Fotoliografia i wytrawianie.

W kolejnych krokach postępuje się już według wytycznych projektantów procesorów. Architektura układu, składająca się z wielu milionów tranzystorów, zapisana jest na komputerze typu mainframe. Na bazie tych danych, stosując napromieniowanie jonami, zostają wytworzone odpowiednie „maski”, które służą w pewnym sensie jako negatywy przy stosowanym w kolejnym kroku procesie fotolitografii. Wafle są najpierw pokrywane światłoczułą emulsją, a następnie naświetlane. W efekcie naświetlona emulsja staje się rozpuszczalna i może zostać usunięta.

Niechronione miejsca są następnie wytrawiane kwasem – na waflu pozostaną jedynie pożądane ścieżki, które mogą zostać połączone stykami znajdującymi się na powierzchni. Przy tym konieczne jest postępowanie z najwyższą dokładnością, już odchylenie maski o jeden mikrometr (czyli tysięczną część milimetra) wystarczy, aby wafel krzemowy zamienić w odpad.