Kako nastane čip

Objavljeno: 24.9.2019 | Avtor: Matej Huš | Kategorija: Nove tehnologije | Revija: Oktober 2019

Moderni svet poganjajo računalniški čipi, ki so tako razširjeni, da se nikoli ne vprašamo, od kod pridejo. Njihova samoumevnost prikriva dejstvo, da gre v resnici za izjemen tehnološki in proizvodni dosežek. V milijonskih nakladah se namreč izdelujejo izdelki, kjer je milimeter neuporabno velika merska enota, mikrometrski defekti pa razlika med delujočim in neuporabnim čipom. A vse se začne s – peskom.

S površja se zdi, da je na Zemlji največ vode, a v resnici 90 odstotkov Zemljine skorje sestavljajo silikatni minerali, katerih glavni gradnik je silicijev dioksid. V skorji je tako največ kisika, silicij pa je na drugem mestu. Če nam katerega elementa ne bo nikoli zmanjkalo, je to prav silicij. A vseeno je pred dvanajstimi leti primanjkovalo dovolj čistega silicija.

Ni samo silicij monokristal

Za proizvodnjo čipov je najpomembnejši monokristalinični silicij, ni pa to edini material, ki ga potrebujemo v obliki monokristalov. Za optoelektronske izdelke potrebujemo, na primer, galijev arzenid (GaAs), galijev nitrid (GaN), germanij (Ge), silicijev karbid (SiC). Vse pridobivamo z različicami postopka Czochralskega, imajo pa vsak svoje ovire in jih je načelno teže pridobivati kakor silicij.

Moderna elektronika ima zaradi zgradbe, ki odseva Zemljino, zanimivo prihodnost. Komponente so pretežno iz silicija, ki ga imamo obilo, baterije pa v glavnem iz grafita in litija, ki ju tudi ne more zmanjkati. Hudič se skriva v detajlih: silicij mora biti izjemno čist, v majhnih količinah pa so nujni tudi precej redkejši elementi, ki jih marsikod pridobivajo na okoljsko hudo sporen način.

Silicij naš vsakdanji

Silicij, ki ga srečujemo v naravi, je pretežno v obliki silicijevega dioksida – silikatov ali po domače peska. Elementarnega silicija v nasprotju z zlatom ali katero drugo kovino ne bomo našli, zato ga je treba pridobiti. Sam postopek je zelo podoben kot pri kovinah, ki se pojavljajo v obliki oksidov (taka je večina). Potrebujemo rudo, reducent in vir energije.

Postopek se imenuje karbotermična redukcija in poteka v električnih obločnih pečeh, v katerih pri temperaturah 1.500–2.000 °C segrevamo kvarcit (kamnina, nastala iz kremenovega peska in peščenjaka) in koks (ogljik, ki deluje kot reducent). Silicijev dioksid pri tej temperaturi razpade na silicij in kisik ter s koksom reagira v ogljikov monoksid (SiO2 + 2 C  Si + 2 CO). Pri reakciji nastajata tudi silicijev monoksid (SiO) in silicijev karbid oziroma karborund (SiC), ki sta nezaželena produkta, zato je v peči vedno presežek silicijevega dioksida v primerjavi s koksom.

Tako dosežemo, da se SiO in SiC ne kopičita, temveč v glavnem nastaja čisti elementarni silicij. Pri temperaturah, ki na dnu peči presegajo 1.900 °C, je SiO tako in tako plin, karborund pa se skepi v trdne obloge, ki bi reaktor zamašile. S presežkom SiO2 pa SiC k sreči reagira (SiC + SiO2 -> Si + SiO + CO). Tekoči silicij na dnu peči izteka v ulitke, kjer se strdi. Končni izdelek se imenuje MG-Si (metallurgical grade), ki je približno 98-odstotno čist. To je več kot dovolj za potrebe jeklarske industrije, ki je tudi večinski porabnik silicija na svetu. Le manjši del pa ga je treba še dodatno prečistiti, da nekoč postane računalniški čip.

Proizvodnja metalurškega (96–98 %) silicija poteka v električnih obločnih pečeh. Slika: Quanzhou Winitoor Ltd

Električna obločna peč za proizvodnjo silicija. Slika: Tenova

Razlika med čistostjo metalurškega silicija in polprevodniškega je osupljiva. Medtem ko ima prvi nekaj odstotkov primesi, ki so v glavnem aluminij in železo, malo pa tudi kalcij, krom, titan, vanadij in še nekaj kovin, mora biti za čipe silicij 99,9999999-odstotno čist. Pravilo devetih devetk pomeni, da se primesi merijo v milijardinkah (ppb).

Zakaj silicij?

Da so moderni čipi sestavljeni v glavnem iz silicija, ni naključje. Prevodnost čistega silicija je nekje med izolatorji in prevodniki, ključno pa je njeno enostavno spreminjanje. Poleg močne temperature odvisnosti je prevodnost polprevodnikov odvisna od dopantov (atomov, katerih majhne koncentracije dodamo v polprevodnik) in od pritisnjenega električnega polja. Če siliciju dodamo elemente V. skupine (denimo fosfor), ki imajo elektron več od silicija, so rezultat šibko vezani in zelo mobilni elektroni. Dobimo polprevodnik tipa n. Če pa silicij dopiramo z elementi III. skupine (denimo borom), ustvarimo primanjkljaj elektronov, zato so v polprevodnikih tipa p nosilci naboja vrzeli. Oboje močno spremeni prevodnost.

Poleg tega je silicija na Zemlji dovolj, zato je poceni, hkrati pa ima tudi ustrezne fizikalne lastnosti. Ogljik in germanij sta prav tako polprevodnika, a je ogljik prekrhek, germanij pa temperaturno preobčutljiv, da bi bila uporabna v čipih (nekoč so proizvajali tudi germanijeve čipe).

Nekateri materiali so elektronsko še primernejši za izdelavo tranzistorjev, denimo galijev nitrid ali galijev arzenid, ki zaradi večje mobilnosti elektronov omogočajo izdelavo komponent s taktom do 1.000 GHz. V vsakdanji elektroniki pa je silicij zmagal zaradi cene.

Najprej silicij v reakciji s klorovodikovo kislino nad katalizatorjem pri 300 °C pretvorijo v triklorosilan (SiHCl3), ki je nad 32 °C pri normalnem tlaku plinast. Sorazmerno nizko vrelišče omogoča čiščenje z destilacijo (podobno kot pri kuhanju žganja), s čimer dobijo že zelo čist triklorosilan. Tega v Siemensovem postopku nadalje pretvorijo v ultračist silicij. V reaktorje uvajajo vroča plina triklorosilan in vodik v pravilnem razmerju, ki jima dodajo zelo majhne količine arzina (AsH3) ali fosfina (PH3) za dopiranje. Pri tem iz vodika in triklorosilana nastajata silicij in vodikov klorid (SiHCl3 + H2  Si + 3 HCl). Ker se silicij nalaga na vročih površinah obstoječega silicija, ki v postopku raste, gre za kemijsko nanašanje tankih plasti (chemical vapor deposition).

Siemensov postopek za čiščenje silicija. Slika: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

V principu zveni postopek enostavno, a zahteva obilico natančnosti. Silicij, na katerega nanašajo novi silicij, mora biti izjemno čist, kar velja tudi za vse reaktante. Ob tem so vse spojine nevarne: vodisk in triklorosilan sta eksplozivna, triklorosilan v stiku z vlago burno reagira, arzin in fosfin pa sta med najbolj strupenimi spojinami na svetu. Težavno je tudi vzdrževanje koncentracij. Kot bomo videli v nadaljevanju, so lastnosti silicija močno odvisne od dopiranja, ki mora biti natančno. Medtem ko so pretoki vodika v reaktorju več sto litrov na minuto, je treba arzin in fosfin natančno dovajati v mililitrih na minuto. Rezultat je zelo čist polikristalinični silicij.

Čeprav je tak silicij ustrezno čist in dopiran, še vedno ni primeren za proizvodnjo čipov. V polikristaliničnem siliciju je namreč ogromno kristalitov, kakor imenujemo majhne kristale. V kristalu so atomi (ali molekule) zloženi v pravilnem redu s periodično ponavljajočo se strukturo. V polikristaliničnem materialu je več kristalitov, ki so različno orientirani – predstavljamo si ga lahko kot zmes kristalov. Polikristalinični silicij je treba zato pretvoriti v monokristal, kjer so atomi v isti kristalni rešetki, čeprav so dimenzije metrske. Postopka sta dva: metoda Czochralskega ali conska rafinacija. S consko rafinacijo je moč dobiti ekstremno čiste monokristale, a je uporabna le za ingote manjših premerov (pod 150 mm), medtem ko je metoda, ki jo je leta 1916 odkril poljski kemik Jan Czochralski, široko uporabljana.

Shema postopka Czochralskega za izdelavo monokristalov silicija. Slika: Stefano Meroli, CERN

V veliki posodi raztopijo zelo čist silicij z dopanti v ustreznih količinah. Nato na površino taline postavijo majhen kristal silicija, ki ga ob vrtenju zelo počasi vlečejo iz taline. Na tak način kristal s seboj vleče malo taline, ki se na zraku strdi in nadaljuje obstoječo kristalno rešetko. Temperatura, hitrost vrtenja in hitrost vlečenja morajo biti skrbno uravnavane, da ne pride do prekinitve kristalne rešetke oziroma nastanka novega kristalita. Rezultat je ingot značilno zašiljene oblike, ki ima na enem koncu konico, v valjastem delu pa meri v novejših postopkih do 450 mm (običajno pa 300 mm). To je posledica hitrostnega profila – na začetku kristal vlečejo hitro, da morebitnih defektov iz kristala ne propagirajo v novozrasli silicij, nato pa hitrost zmanjšajo.

Velika silicijeva kriza

Cene silicija so dandanes na zgodovinsko nizkih ravneh, a pred 12 leti je vladala prava kriza. Medtem ko danes kilogram čistega polikristaliničnega silicija stane 20–30 dolarjev, je leta 2007 cena poskočila na 450 dolarjev. Vzrokov je bilo več.

Veliko držav, zlasti Nemčija in Japonska, je po prelomu tisočletja začelo množičen prehod na obnovljive vire energije, tudi sončne celice, ki potrebujejo veliko čistega silicija. Poraba čistega silicija za sončne celice je leta 2006 že presegla porabo za elektronske komponente, cene pa so vse od leta 2000 rasle. Proizvajalci sončnih celic, ki niso imeli dolgoročnih pogodb in so bili primorani silicij kupovati na trgu po trenutni ceni (spot price), so imeli že leta 2005 velike težave.

Proizvodnja ni zmogla slediti naglemu povečanju povpraševanja, ki ga je naraščajoča cena še podžigala, ko se podjetja borila za surovino. V začaranem krogu, ki so ga podpihovali članki o silicijevi krizi, je cena eksplodirala. A sledila je svetovna recesija, proizvodnja se je prilagodila in cene silicija so danes zmerne.

Pri tem postopku je zelo pomembno, da na nobeni stopnji ne uvajajo dodatnih nečistoč. Terilnica mora biti iz skrajno čistega silicijevega dioksida, v njej mora biti zelo čist silicij iz Siemensovega postopka, atmosfera mora biti skrbno nadzorovana. Da je temperatura čim bolj konstantna, torej brez gradientov, s čimer se prepreči konvekcija, skrbijo močna magnetna polja. Ko ingot raste, morajo spreminjati hitrost vrtenja in hitrost vlečenja, ker so se razmere v terilnici spremenile. Primesi je zdaj tam več kot na začetku, temperatura je višja itd. Natančen recept vsak proizvajalec seveda ljubosumno skriva. Na koncu kristal spet potegnejo nekoliko hitreje, da dobijo zašiljen konec. Začetna in končna cona imata več primesi kakor valjasti del, zato se zavržeta.

Končni ingot monokristala silicija. Slika: Smithsonian, 2000

Conska rafinacija uporablja consko taljenje, ki ga je leta 1962 odkril Henry Theuerer iz Bellovih laboratorijev. Conska rafinacija, ki sta jo prav tako v Bellovi laboratorijih odkrila John Desmond Bernalin William Gardner Pfann, se je v 50. letih uporabljala za čiščenje silicija, ker omogoča koncentracijo nečistoč v tankem pasu, kasneje pa je Theuerer pokazal, kako je mogoče polikristalinični silicij spremeniti v monokristal. Palico silicija, ki ima na enem koncu dodan silicijev monokristal, vpnemo na obeh koncih, nato pa jo vertikalno premikamo skozi grelno tuljavo. Tanka rezina silicija se raztopi, a nikamor ne steče zaradi viskoznosti. Ko se ponovno strdi, nadaljuje kristalno rešetko monokristala. Na tak način (float zone) dobimo monokristal silicija, ki ima še manj primesi kakor po metodi Czochralskega – predvsem se raztopi manj kisika in ogljika, ker silicij ni v stiku z nobeno drugo snovjo razen z zrakom v interni atmosferi.

Conska rafinacija omogoča pripravo ultračistih monokristalov silicija. Slika: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Rezanje

Naslednji korak je razrez velikih ingotov silicija v rezine (wafer), ki so dejansko material za proizvodnjo čipov. Na prvi pogled gre za trivialno početje, v resnici pa je to ena najbolje varovanih skrivnosti. Rezi morajo biti izjemno natančni. Tipična rezina s premerom 300 mm mora biti povsem ravna, tako da so odstopanja od idealne ravnine manj kot 1 μm. Debelina 300-milimetrskih rezin znaša 0,775 mm, tehtajo pa 125 gramov. Površina teh rezin je popolna, ima le nanometer oksida, ki nastane ob stiku z zrakom in pasivira površino (tj. zaščiti pred nadaljnjimi kemijskimi reakcijami).

Na koncu dobimo rezine, ki imajo več kot 30 značilnosti, med drugim tip dopiranja (n ali p), koncentracijo kisika (ravno prav) in ogljika (čim manj), geometrijo, čistost površine, koncentracijo nečistoč (kovine, ki bodo skrajševala življenjsko dobo čipov).

Pri delu s silicijevo rezino je treba preprečiti kontaminacijo. Slika: IBM

Na pogled so vse rezine enake, a silicij se dopira različno, če želimo polprevodnik p ali n. Poleg tega je pomembna tudi orientacija kristalne mreže, saj lahko režemo po ravnini 111 ali 100. Številke predstavljajo Millerjeve indekse, ki označujejo smeri v osnovni celici pravokotno, na katere so rezali. Poenostavljeno si predstavljajmo, da imamo kocko silicija, kjer so atomi v ogliščih (in drugod, kjer to zahteva struktura). Če jo odrežemo vzporedno z osnovno ploskvijo, je to rez 100, če pa jo odrežemo po telesni diagonali, je to rez 111. Rezultat je vsakokrat drugačna površina, kar se močno pokaže pri elektrokemijskih lastnostih, ker je silicij anizotropen material. Rezine so zato označene, in sicer jih del odrežejo (glej sliko). Obstaja dogovor, kakšen krožni odsek odrežejo za material n in p ter za ravnini 100 in 111. To je zelo pomembno, ker so napake zelo drage.

Z rezanjem se na silicijevih rezinah označita vrsta dopiranja in kristalna ravnina.

Proizvodnja čipov

Ko so izdelane rezine, želimo na njih ustvariti integrirano vezje. Tako imenujemo vse povezane elektronske elemente (tranzistorji, diode) na skupnem polprevodniškem substratu. Postopek se razdeli na dva dela, ki sestojita iz več opravil: FEOL (front-end-of-line) in BEOL (back-end-of-line). S FEOL dejansko izdelamo integrirana vezja, z BEOL pa jih dokončno obdelamo.

Prvi del obdelave rezin (FEOL) sestoji iz fotolitografije silicija. Postopek se večkrat ponovi, ker imajo čipi več slojev. Slika: Technische Universität Wien

Prvi korak FEOL sta poliranje zgornje plasti silicija na rezini in oksidacija, s čimer se ustvari zaščitna plast. V nasprotnem primeru bi pri nadaljnjih postopkih izdelave lahko v globino poškodovali silicijevo rezino. Oksidna plast seveda ni nič drugega kot silicijev dioksid (SiO2), ki ima na površini terminalne skupine OH. Te so hidrofilne (privlačijo vodo), zato ne zadostujeta samo čiščenje in sušenje, temveč je treba segreto površino obdelati s plinastim HMDS (heksametildisilazan, [(CH3)3Si]2NH). Takšna hidrofobna površina je pripravljena, da nanjo rotacijsko nanesejo (spint coating) fotorezist. Brizgajo ga na sredino rezine, ki se hitro vrti, zaradi česar se fotorezist razleze po celotni površini. Debelina nanosa je odvisna od hitrosti vrtenja. Fotorezist je organski material, ki na svetlobi spremeni svojo strukturo, kar s pridom izkoriščamo pri fotolitografiji. Obstajajo pozitivni in negativni fotorezisti, ki se razlikujejo po tem, ali bo topen del, ki je bil izpostavljen svetlobi (pozitivni), ali del, ki ni bil (negativni). Z robov rezin morajo najprej odstraniti 2–5 mm debel del fotorezista, nato pa celotno rezino segreti na 90–110 °C, da topilo odpari in se fotorezist strdi.

Nato se začne fotolitografija. Nad čip postavijo masko z narisanimi vsemi povezavami, ki jih želijo na določenem nivoju v rezini. Seveda je maska večja od rezine, zato nanjo posvetijo skozi lečo in ob tem zelo natančno pazijo na goriščno razdaljo. Po 30–60 sekundah izpostavitve UV-svetlobi (350–450 nm) je na rezini fotorezist, obdelan po enakem vzorcu, kot je na maski. Sledi še ena termična obdelava fotorezista, nato pa »razvijanje slike« na rezini. Večino današnjih fotorezistov sperejo z alkalnimi vodnimi raztopinami. Pripraven je TMAH (tetrametil amonijev hidroksid), ker nima kovinskih atomov, ki bi kontaminirali silicij. Če je bil pozitivni fotorezist, se spere svetlobi izpostavljen del, sicer pa obratno. Običajno je treba po »razvijanju« rezino ponovno toplotno obdelati (hard bake). Na ta način dobijo na rezini vzorec, kjer se izmenjujeta zaščiteno (neprevodni) del in izpostavljeni (prevodni) del silicija. Sledi jedkanje neželene komponente, ki je lahko mokro ali suho. Reagent za mokro jedkanje silicija je fluorovodikova kislina, za suho pa druge fluorove spojine. Preostali fotorezist se nato odstrani.

Odvisno od tega, katere komponente želimo izdelati v določenem sloju, je na voljo več možnosti. Na površino lahko nanesemo želeno snov (denimo polisilicij), in sicer tarčno (physical vapor deposition) ali iz prekurzorja v plinasti fazi (chemical vapor deposition). Lahko pa izvedemo dopiranje z vgrajevanjem ionov (ion implantation), da ustvarimo polprevodnik tipa n ali p. Elektrone z električnim poljem močno pospešimo, da se ob trčenju s površino rezine zarinejo primerno globoko. Ker se ioni zagozdijo v intersticijska mesta in nekoliko pokvarijo kristalno rešetko, je treba s toplotno obdelavo nato obnoviti rešetko. Dopante lahko uvedemo tudi z difuzijo iz plinaste faze dopanta v stiku s silicijem pri visokih temperaturah.

Celoten postopek se nato nekajkrat ponovi, s čimer gradimo čip plastjo za plastjo. Ko izdelamo komponente, kot jih želimo, se pomaknemo v BEOL. Prvi korak je metalizacija, kakor se imenuje nanos bakra ali aluminija na površino. Iz tega sloja bodo nastale povezave med čipi, ki jih spet ustvarimo s fotolitografijo. Nanosu fotorezista sledi izpostavitev svetlobi skozi masko in nato odstranitev nepotrebne kovine, ki je fotorezist ni varoval (če je negativen). Moderni čipi zahtevajo več nivojev povezav (interconnect), zato se celoten postopek nanosa kovine in fotolitografije tudi v BEOL ponovi deset- ali večkrat. Med posameznimi nivoji povezav je izolacijski material. Navpične povezave, kadar so te potrebne, pa se imenujejo VIA (vertical interconnect access).

Drugi del obdelave rezin (BEOL) predstavlja metalizacija (fotolitografski nanos kovinskih povezav). Postopek se večkrat ponovi, ker imajo čipi več slojev. Slika: Technische Universität Wien

Za izolacijo pa se uporablja tehnika STI (shallow trench isolation), s čimer se preprečijo prisluhi med sosednjimi komponentami. Med gradnjo čipa se v silicij (spet s fotorezistom) izjedkajo jarki, v katere se nanese silicijev dioksid ali kateri drug izolator. Površina se najprej prekrije z oksidom in nato še z nitridom, nato pa se nanese fotorezist. Po osvetlitvi skozi fotomasko se na izpostavljenih mestih izjedkajo fotorezist, nitrid in oksid. Na celotni površini, vključno z nastalo jamico, se ustvari plast oksida. Nato se površina spolira, z vrha se odstranita oksid in nitrid, v jamici pa oksid seveda ostane.

S tehniko TSI se na rezini ustvari izolacija med sosednjimi elementi, s čimer preprečimo prisluhe in kratke stike.

Manj je več

Prvi silicijevi polprevodniški čipi so bili zgrajeni v mikrometrski tehnologiji. To pomeni, da so bili elementi in povezave milimetre narazen. To je za današnje razmere ogromno, zato tedanji proizvodnji postopki niso zahtevali tako neverjetno visoke stopnje natančnosti in čistosti. Danes se proizvajalci ukvarjajo s 7-nanometrskimi čipi, kar je povsem drug velikostni razred. Za primerjavo: človeški las je debel 75.000 nm, hišni prah v zraku pa sestavljajo delci s premerom 500–100.000 nm. To je razlog, da so moderne tovarne čipov sterilni laboratoriji, v katerih delavci hodijo v skafandrih, zrak pa je temeljito filtriran (in z malenkostnim nadtlakom). Če bi med izdelavo čipa nanj padel prašni delec, bi ga zelo verjetno uničil.

Nagaja pa tudi fizika. Fotorezist se skozi masko obseva s svetlobo valovne dolžine 350–450 nm, kar je približno tudi velikost delcev, ki jih še lahko razločimo. Iz istega razloga s svetlobnim mikroskopom ne moremo opazovati virusov, saj so mnogo manjši od valovnih dolžin vidne svetlobe. Zato je treba biti pameten, če želimo niže.

Prva rešitev je bila uporaba potopitvene litografije, kjer je med lečo in silicijevo površino tekočina namesto zraka. Ker ima tekočina višji lomni količnik (pri zelo čisti vodi je 1,44), je tako moč delati 30–40 odstotkov manjše elemente. Dosegljiva ločljivost je okrog 30–40 nm. Da bi šli še dlje, koristi uporabiti večkratno vzorčenje (multiple patterning). Namesto ene maske se na istem nivoju ob presvetlitvi zaporedno uporabi več mask. Interferenca in uklon se v tem primeru izkoristita tako, da je končni rezultat vzorec z drobnejšo ločljivostjo, kot bi šlo zgolj z enkratno masko.

Pri potopitveni fotolitografiji je med lečo in rezino tekočina, kar omogoča višjo ločljivost jedkanja.

Če uporabimo svetlobe krajših valovnih dolžin, lahko dosežemo še boljšo ločljivost, žal pa to prinaša svojevrstne težave. Danes se že uporablja UV z valovno dolžino 193 nm, prihodnje leto pa pričakujemo resno uporabo ekstremne UV-litografije (EUV) s 13,5 nm. Tako kratke valovne dolžine zahtevajo uporabo izjemno močnih virov svetlobe (nekaj deset kilovatov), ker je absorpcija te svetlobe v lečah velikanska. Tudi zrak močno absorbira to svetlobo, zato mora EUV potekati v vakuumu.

Dodatne omejitve postavlja fotorezist. Njegova ločljivost ni neomejena, saj že molekule fotorezista lahko merijo nekaj nanometrov, na svetlobi pa nekatere polimerizirajo. Fotorezist ima lastno ločljivost. Vse to pomeni, da s klasičnimi fotorezisti bistveno dlje od 5 nm ne bo šlo. Čisto na koncu nas pričaka fizika silicija – osnovna celica silicijevega kristala meri 0,54 nm. Pri 5 nm imamo torej opraviti z manj kot desetimi!

Čipi

Na koncu je treba integrirana vezja, ki so še vedno na rezinah, preizkusiti, ustrezi razrezati in zapreti. Vezja se preizkusijo, kar je za enostavne komponente enostavno, za cele mikroprocesorje pa je to zapleten postopek, ki ga proizvajalci ne razkrivajo. Tu nista mogoča le dva izida (deluje, ne deluje), temveč se ocenjuje tudi kakovost čipa. Boljši bodo postali procesorji, ki delujejo z višjim taktom, slabši pa njihove šibkejše verzije. Mimogrede, to je tudi razlog, da veliko večino procesorjev vsaj malo »navijete«.

V nekaterih primerih se vezja na zadnji strani zbrusijo, da so tanjša (backgriding). To je pomembno, kadar želimo zelo tanke čipe, ki jih zlagamo v 3D, ali za drugo posebno uporabo.

Tranzistorji

Ključni sestavni del čipov so tranzistorji. Tranzistor je polprevodniški element, ki je konceptualno podoben dvema diodama. Deluje kot stikalo ali ojačevalnik signalov. Klasični tranzistor ima plasti npn ali pnp, torej priključke emitor, baza in kolektor. Če med bazo in emitor pritisnemo dovolj visoko napetost, bo tranzistor prevajal tok, ki bo v glavnem tekel iz emitorja v kolektor, čisto malo pa tudi v bazo. Tak tranzistor se imenuje bipolarni.

Danes se v glavnem uporabljajo polprevodni tranzistorji na poljski efekt iz kovinskih oksidov (MOSFET), ki so unipolarni. Te krmilimo z napetostjo, ki jo pritisnemo nanje. Imajo priključke izvor, vrata in ponor. Med izvorom in ponorom je upornost, ki je odvisna od električnega polja (napetosti) na vratih. Tako s to napetostjo upravljamo tok, ki teče med izvorom in ponorom.

MOSFET sestavljata dve območji (izvir in ponor) nasprotno dopiranega silicija (tip n), med katerima je silicij tipa p (vrata). Nad vrati je tanka plast oksida, nad katero je kovina. Ko na kovino pritisnemo električno napetost, sega ustvarjeno električno polje tudi v silicij tipa n, zato se njegova prevodnost poveča. Tok po kanalu med izvirom in ponorom steče.

Rezine se vpnejo na posebne plastične trakove (dicing tape), ki so pripeti na trdne kovinske obroče. Ti skrbijo, da se vezje med rezanjem v posamezna jedra (die, množina dice) ne premakne. Na rezini je med posameznimi deli, ki bodo postali ločeni čipi, samo okrog 100 μm prostora, zato morajo biti rezi natančni. Za rezanje se običajno uporabljajo laserji, ki režejo od znotraj (stealth dicing). Včasih so se uporabljali tudi diamantne žage (diamond saw) in rezkanje z nadzorovanim lomljenjem (diamond scribing).

Proizvodnja čipov poteka v zelo čistem okolju. Slika: IM Flash

Ko rezine razrežejo na ustrezna vezja, jih ponovno preizkusijo in nato nalepijo v ohišja čipov. Kontakte na ohišju čipa, s katerimi se povezuje z ostalimi komponentami na ploščah tiskanega vezja, je treba povezati z integriranim vezjem v notranjosti. To naredijo na več načinov, denimo s termo-ultrazvočno žičnim povezovanjem, kompresijskim povezovanjem, termičnim spajkanjem, plastičnim trakom s kovinskimi kontakti ali z lepljenjem. Na koncu se spodnji del ohišja pokrije, čip na neprodušno zapre. Upoštevati je treba toplotni odtis, zato ni za vsak čip primerno plastično ohišje. Najpotratnejše je treba zapreti v ohišje, ki ima kovinski zgornji del, da bo prenos toplote na hladilnik učinkovit. Dobili smo čip!

Izmet

Če je šlo vse po načrtih, smo iz kosa peska dobili visokospecializiran čip. To ni tako samoumevno in eden najpomembnejših dejavnikov pri proizvodnji je izmet. Podatki o izmetu so skrbno varovana skrivnost, ki na plan pricurlja le občasno, ko se, na primer, Intel pritoži, da imajo težave s prehodom na 7 nm.

Ni pa skrivnost, da je izmet ključni dejavnik, ki določa dobičkonosnost proizvodnje. V vseh fazah proizvodnega postopka lahko pride do defektov, ki se kažejo v nedelujočem čipu. Defekti so na rezinah porazdeljeni naključno, zato je izmet odvisen od kakovosti proizvodnega postopka in od števila jeder na rezini (oziroma njihove velikost). Koliko uporabnih čipov dobimo iz rezine (yield), na koncu odloča, ali bo proizvodnja množična ali ne.

Izmet je posledica naključnih napak na rezini, ki se kažejo v določenem deležu defektnih čipov.

Tridimenzionalni čipi

Doslej opisane metode omogočajo izdelavo čipov, kjer so elektronski elementi razporejeni v dveh dimenzijah, po površini. Povezave med njimi so seveda razmaknjene vertikalno in tudi čipi imajo vertikalno strukturo, a to so še vedno čipi 2D. Inženirji pa se zadnja leta, ko miniaturizacija trka ob fizikalne omejitve, Moorov zakon pa je v težavah, ubadajo z izdelavo pravih čipov 3D, o čemer smo pisali že pred petimi leti (Čipi v treh razsežnostih, Monitor 08/14). Odtlej smo prišli daleč: od 22-nanometrske tehnologije do današnjih čipov AMD v 7 nm.

Pravih čipov 3D vseeno še ni. Pri pomnilniku je zlaganje čipov v višino že običajno, kar tudi omogoča velike kapacitete. Čipe 3D NAND v tovarni, ki jo je Micron sredi avgusta odprl v Singapurju, zlagajo že v 96 slojev, množično proizvodnjo pa bodo zagnali do konca leta. Proizvodnja takih čipov je v principu enaka kot pri klasičnih, le bistveno več korakov fotojedkanja vključuje. V čipih NAND pomnilniške celice v primerjavi z monoslojnimi čipi ležijo na strani. Naredijo jih tako, da na silicijevo rezino izmenjaje nanesejo nitrid in oksid. Ko je plasti dovolj, navpično izjedkajo luknjo, ki jo ob robu zalijejo s polisilicijem in napolnijo s tanko plastjo oksida. Nato izjedkajo še stranske jamice, odstranijo nitrid, zaščitijo oksid, dodajo izolator z visoko dielektrično konstanto in napolnijo s tantalovim nitridom. Tako navpično povezavo imenujejo TSV (through silicon via).

Pomnilnik NAND se že rutinsko izdeluje v več plasteh, trenutno do 96. Slika: The Memory Guy

Počasi pa se bližajo tudi čisto zaresni čipi 3D. Intel je v začetku leta predstavil tehnologijo Foveros, ki bo omogočila pravo 3D-sestavljanje čipkov (chiplets). Na ta način bi bilo mogoče izdelati tudi mikroprocesor, v katerem bi bili čipi zloženi v treh dimenzijah. Čipe bi po novem sestavljali manjši elementi (chiplets), ki so lahko eden nad drugim. Intel je še zelo skrivnosten o tej tehnologiji, čeprav je že pokazal delujoč dizajn, v katerem so jedro Sunny Cove X86 in štiri jedra Atom, vse skupaj v enem 10-nanometrskem 3D-čipu. Glavne prednosti 3D -čipov bodo nadaljnja miniaturizacija, manjša poraba energije in predvsem možnost hitrejših povezav med procesorjem in pomnilnikom, če bosta znotraj istega čipa.

Bo prihodnost kvantna?

Razvoj čipov je v zadnjih desetletjih presegel vsa pričakovanja, rast hitrosti pa je ves čas sledila eksponentnemu Moorovemu zakonu. Da je inženirjem to uspelo, so morali najti najrazličnejše rešitve za številne tehnološke probleme. Ko so pri taktu trčili ob omejitve silicija, so se pojavili večjedrni čipi. Ko s klasično litografijo ni več šlo, so jo potopili v vodo in prešli na UV. Ko je zmanjkalo prostora, so čipe začeli zlagati v tri dimenzije. In še in še. Danes je tehnologija izdelovanja čipov zrela branža, ki zahteva verjetno največjo natančnost na planetu, hkrati pa je podrčje nenehnih inovacij.

Toda nenehnega zmanjševanje litografije bo prej ali slej konec, ker se bližamo velikosti atoma. Čez to omejitev ne gre. To pa ne pomeni, da se bo razvoj ustavil. Na voljo je še cela tretja dimenzija, kamor bi čipi obstoječe velikosti lahko rasli.

Morda pa bo prihodnost tako drugačna, da si je ne moremo niti predstavljati. Nekje v daljavi se svitajo kvantni računalniki, povsem mogoče pa je, da so pred ali za njimi še druge tehnologije, o katerih sploh še nismo slišali. Iz peska smo iztisnili več, kot smo si kadarkoli predstavljali.

 

Naroči se na redna tedenska ali mesečna obvestila o novih prispevkih na naši spletni strani!
Prijava

ph

Komentirajo lahko le prijavljeni uporabniki