Fabryka mikrometrów

Mały kawałek krzemu w naszym komputerze – procesor – to jeden z najbardziej zaawansowanych wytworów ziemskiej technologii. Czy wiecie, jak się go produkuje?

By powstał procesor, potrzeba nie tylko skomplikowanych maszyn, pokaźnego kompleksu fabrycznego, olbrzymich ilości energii elektrycznej, szlachetnych gazów oraz sterylnych warunków, ale także wielu tygodni. Mimo błyskawicznego postępu technologicznego nadal wiele krzemowych układów okazuje się wadliwych i zamiast na sklepowe półki trafia do kosza. Przyjrzyjmy się, jak działa współczesna magia, która – lepiej lub gorzej – plastry czystego, krystalicznego krzemu zamienia w elektronowe mózgi.

50 milionów tranzystorów

Dowolny układ scalony składa się z setek tysięcy tranzystorów wytworzonych na krzemowej płytce. Dzisiejsze jednostki centralne mają ich na pokładzie co najmniej kilkanaście milionów. Wystarczy przypomnieć, że Pentium 4 HT 3,06 GHz składa się z 55 milionów tranzystorów, a najnowszy Athlon XP z jądrem Barton ma ich 54,3 miliona. Wytworzenie takiej struktury wymaga setek ściśle kontrolowanych procesów i podprocesów technologicznych. Procedura 0,18 mikrona (patrz: ramka „Litografia i rozmiar technologiczny”,

100

), która na dobre wyszła już z użycia, składała się z ponad 300 przebiegów i trwała średnio od 8 do 12 tygodni!

Trudno się dziwić, że ze względu na złożoność i długotrwałość przebiegu produkcji wszystkie firmy dążą do optymalizacji wytwarzania układów. W pierwszej kolejności chodzi o to, aby w jednym cyklu „obrobić” jak największą liczbę układów. Dlatego procesorów nie produkuje się pojedynczo, lecz w większych porcjach – na krzemowym waflu. Ów wafel to okrągła płytka o grubości 1-2 mm (patrz: powyższa fotografia) i średnicy 200 mm. Intel swoje najnowsze kości Pentium 4 produkuje na większych, bo 300–milimetrowych waflach.

Podczas naszej wizyty w drezdeńskiej fabryce AMD udało nam się dowiedzieć, że w ciągu tygodnia z linii produkcyjnej zjeżdża ok. 5 tys. gotowych wafli o średnicy 200 mm. Ta informacja pozwala już oszacować moc produkcyjną odwiedzanej przez nas fabryki Fab30. Na jednej krzemowej płytce można zmieścić ok. 300-350 CPU, takich jak Athlon XP bądź Athlon 64. Daje to w sumie 175 tys. procesorów w ciągu tygodnia. Przyjmując, że podobnie jak u innych producentów, odpady stanowią ok. 30% wszystkich układów (tej informacji dla Fab30, nasi gospodarze nam nie ujawnili), z drezdeńskiej fabryki „wychodzi” zatem ponad 120-150 tys. gotowych procesorów na tydzień.

Budujemy tranzystory

Wszystkie znajdujące się na krzemowej płytce tranzystory są tzw. planarnymi tranzystorami polowymi typu MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Electric Transistor). Układy te wytwarza się bezpośrednio na płaskiej (planarnej) powierzchni krzemowego wafla przy użyciu technologii CMOS – patrz: ramka „Budowa tranzystora MOSFET i technologia CMOS”,

102

.

Trzy elementy składowe tranzystora – źródło, dren i kanał łączący te dwa obszary – powstają bezpośrednio w krzemowym podłożu (waflu) dzięki procesom dyfuzji. W trakcie produkcji do wnętrza krystalicznego krzemu, który jest izolatorem, dodaje się atomy innych pierwiastków, np. antymonu, arsenu, fosforu (wówczas powstaje półprzewodnik typu n) lub boru, galu, indu bądź aluminium (półprzewodnik typu p). Atomy te dyfundują (wnikają) następnie do wnętrza krzemu, tworząc trzy wspomniane elementy półprzewodzące.

Technologiczny proces wytwarzania domieszkowanych warstw na krzemowym podłożu nazywa się epitaksją (ang. epitaxy). Różni producenci stosują odmienne jej metody. Najczęściej wykorzystywana jest tzw. epitaksja z fazy gazowej, tak też jest w drezdeńskiej fabryce AMD – patrz: zdjęcie powyżej. Wówczas atomy tworzące nową warstwę rozprowadzane są do miejsc „budowy” w otoczeniu obojętnego gazu, najczęściej jest to argon lub azot. Oczywiście wszystkie składowe substancje też muszą mieć postać gazową, dlatego wymienione wcześniej pierwiastki, które występują w postaci stałej, podgrzewa się pod zmniejszonym ciśnieniem, tak aby odparowały. Nieco rzadziej stosowana jest epitaksja z fazy ciekłej. W tym przypadku krzemowy wafel zanurzany jest w specjalnym roztworze.

0
Zamknij

Choć staramy się je ograniczać, wykorzystujemy mechanizmy takie jak ciasteczka, które pozwalają naszym partnerom na śledzenie Twojego zachowania w sieci. Dowiedz się więcej.