Laboratorium krzemowego alchemika

Układy scalone, takie jak procesory, pamięci RAM, układy graficzne czy chipsety, składają się z mniejszej lub większej liczby tranzystorów tworzących strukturę logiczną układu, która pozwala procesorowi przeprowadzać obliczenia, a pamięci RAM przechowywać dane. Oczywiście im bardziej skomplikowany jest układ, z tym większej liczby tranzystorów się składa.

Dla przykładu pierwszy procesor Intela z 1971 roku, Intel 4004, zbudowany był z tylko 2300 tranzystorów, które zajmowały powierzchnię 12 mm2. Dzisiaj najbardziej zaawansowany domowy procesor Intela, ośmiordzeniowy Core i9-9900K, ma ich już ponad trzy miliardy. Mieszczą się one na powierzchni zaledwie 174 mm2. Obecnie największymi układami scalonymi są procesory graficzne. GeForce RTX 2080 Ti mierzy 754 mm2 i zawiera 18,6 miliarda tranzystorów.

Jak widać, na coraz mniejszej krzemowej powierzchni „upycha” się coraz więcej tranzystorów. Dla osób zajmujących się technologiami półprzewodnikowymi nie jest to wcale dziwne. Od wielu lat mamy bowiem do czynienia ze stałym rozwojem metod produkcji układów scalonych. Fabryki półprzewodników zmniejszają też sukcesywnie rozmiar wspomnianego wymiaru procesu technologicznego. Jeszcze kilka lat temu określany w nanometrach wymiar technologiczny opisywał długość boku kwadratu, w którym mieściły się wszystkie elementy tranzystora i związany był z bezpośrednio z procesem, który nazywany jest litografią. Obecnie, od czasów technologii 22 nm, wymiar odnosi się wyłącznie do konkretnej generacji układów produkowanych za jej pomocą i nie ma żadnego związku z wielkością elementów tranzystora, a jedynie z szerokością wiązki światła użytej do ich produkcji.

Wszystkie tranzystory, które tworzą później procesor, wytwarza się bezpośrednio na powierzchni bardzo czystego, monokrystalicznego krzemu. Monokryształ oznacza, że użyty do produkcji blok krzemu, niezależnie od rozmiarów, jest jednym dużym kryształem. Ponieważ wykonanie wszystkich tranzystorów i niezbędnych do ich działania połączeń elektrycznych wymaga nawet kilkuset operacji technologicznych, co może trwać do 15–20 tygodni, trzeba było znaleźć sposób na to, aby nie wytwarzać procesorów pojedynczo, ale dużymi partiami, po kilkaset sztuk na raz.

Sposobem na to okazały się krzemowe wafle, czyli okrągłe i oszlifowane monokrystaliczne płytki z krzemu o grubości od 0,5 do 1 mm i średnicy – obecnie – 200 lub 300 mm. Większość współczesnych fabryk korzysta z takich 300-milimetrowych „nośników”. Mają one ustandaryzowaną grubość 775 µm, a na jednym takim waflu mieści się przeciętnie ok. 300–450 procesorów takich jak Intel Core czy AMD Ryzen.

Oczywiście im średnica takiej krzemowej płytki jest większa, tym więcej można jednocześnie wytworzyć procesorów. Niestety duży wafel oznacza pojawienie się większych trudności technologicznych. Obecnie trwają pracę nad wprowadzeniem „plastrów” o średnicy 450 mm. Nawet jeśli wszystkie związane z tym kłopoty zostaną pokonane, to i tak przewiduje się, że producenci zaczną z nich korzystać dopiero za kilka lat.

Sercem każdej fabryki półprzewodników są specjalne, odizolowane od reszty budynku, pomieszczenia bezpyłowe – tzw. pomieszczenia czyste (ang. cleanrooms). W zakładzie zajmującym się wytwarzaniem procesorów jego powierzchnia może wynosić nawet kilka tysięcy metrów kwadratowych. W miejscach tych panują ściśle kontrolowane warunki. W szczególności dąży się do tego, aby całkowicie wyeliminować nie tylko pył czy kurz, ale również bakterie czy duże cząsteczki zanieczyszczeń chemicznych.

Jak bardzo jest to ważne? Wystarczy uzmysłowić sobie, że przy rozmiarach tranzystorów, z których składa się procesor, drobina kurzu ma wielkość Mount Everestu, a bakterie żyjące na skórze człowieka mogą być kilkukrotnie większe od najwyższych budynków. Co gorsza, jeśli drobnoustrój, nie mówiąc o drobinie pyłu, osadzi się na delikatnej, krzemowej strukturze procesora, to uszkodzi go i procesor będzie nadawał się do wyrzucenia.

To właśnie dlatego, aby zminimalizować straty podczas produkcji, powietrze w pomieszczeniach bezpyłowych musi być niezwykle czyste. Poddawane jest ono ciągłej filtracji i recyrkulacji, a w pomieszczeniu czystym panuje nadciśnienie, tak aby nie zasysać pyłków z zewnątrz. Co więcej, pracownicy przed zajęciem swojego stanowiska muszą obowiązkowo przebrać się w kombinezony ochronne, a także włożyć specjalne maski, okulary i obuwie. Osoby zatrudnione w Intelu nazywają ten nietypowy strój „garniturem królika” (ang. bunny suit). Dzięki tym nadzwyczajnym środkom bezpieczeństwa w istotnym stopniu ograniczono dostawanie się do pomieszczeń bezpyłowych różnego rodzaju zanieczyszczeń.

Oczywiście wszystkie urządzenia używane wewnątrz tych miejsc są specjalnie zaprojektowane. One również nie mogą powodować zanieczyszczeń. W pomieszczeniach bezpyłowych zabronione jest też używanie papieru, ołówków i naturalnych tkanin, np. bawełny. Nie wprowadza się tam praktycznie nikogo z zewnątrz.

Głównym procesem technologicznym związanym z wytwarzaniem tranzystorów na krzemowym waflu jest epitaksja. Pozwala ona domieszkować krzem, a więc wprowadzać do niego atomy innych pierwiastków. Dzięki temu uzyskuje się obszary o określonych parametrach elektrycznych, które tworzą później poszczególne elementy tranzystora.

Proces domieszkowania musi być prowadzony tylko w konkretnych miejscach wafla. Przed rozpoczęciem epitaksji należy osłonić jego powierzchnię, pozostawiając odkryte tylko te miejsca, do których mają dotrzeć atomy domieszek. Do osłony powierzchni krzemu stosuje się wrażliwe na światło substancje (fotorezyst), a otwory – miejsca, w które mają wniknąć domieszki – wycina się, korzystając z fotolitografii.

Fotorezyst nanoszony jest zawsze na całą powierzchnię krzemowego wafla za pomocą spin-coatingu. Metoda ta polega na tym, że dzięki ruchowi obrotowemu wafla – tak jak na karuzeli – umieszczona na jego środku kropla fotorezystu rozpływa się, tworząc cienką, równomierną błonę. Fotorezyst wystawiony na działanie światła ultrafioletowego lub promieniowania rentgenowskiego zmienia swoje właściwości chemiczne i utwardza się lub mięknie. Dzięki temu po naświetleniu w konkretnych miejscach możemy go wypłukać, odsłaniając potrzebny w danym kroku fragment powierzchni krzemu. Po domieszkowaniu zmywa się pozostałą część substancji światłoczułej i nanosi jego kolejną warstwę – i tak dalej – aż do chwili umieszczenia wszystkich tranzystorów tworzących procesor.

Producenci półprzewodników bardzo lubią chwalić się możliwościami swoich procesów fotolitograficznych. Jest to bardzo spektakularna, wyjątkowo precyzyjna metoda „rysowania” na pokrytej fotorezystem powierzchni krzemu wzoru rozmieszczenia otworów i ścieżek, które muszą być odkryte na danym etapie produkcji. Technologie fotolitograficzne umożliwiają wykonanie, a później odsłonięcie obszarów z dokładnością do ułamków nanometra – a więc zapewniają precyzję dochodzącą do kilku atomów! To tak, jakbyśmy znajdując się na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, rysowali na kartce formatu A4 ułożonej na powierzchni Ziemi.

Do utworzenia potrzebnego w danym kroku technologicznym wzoru ścieżek i otworów wykorzystuje się maski fotolitograficzne, czyli szklane płytki, które zawierają powiększoną mapę wszystkich odwzorowywanych na krzemie detali. Nie wdając się w szczegóły występujących tu zjawisk fizycznych, można powiedzieć, że maski pozwalają naświetlić wzór, w którym grubość linii jest kilkukrotnie mniejsza od długości używanego do rysowania światła. Za pomocą fotolitografii odwzorowany przez maskę wzór ścieżek i otworów nanoszony jest niczym stemplem na kolejne obszary wafla, na których powstaną poszczególne procesory. Precyzyjne sterowanie sprawia, że światło trafia tam, gdzie trzeba.

Kiedy wszystkie krzemowe elementy tranzystorów są gotowe, można przystąpić do wykonania bramek. Bramka to element tranzystora, który steruje przepływem prądu. Technologia produkcji półprzewodnikowych układów scalonych zakłada, że bramki wystają ponad powierzchnię krzemu, dlatego do ich produkcji wykorzystuje się próżniową technologię naparowywania, nazywaną też napylaniem PVD (Physical Vapour Deposition). Maszyna nazywana napylarką nanosi wszędzie tam, gdzie nie ma fotorezystu, polimorficzny, czyli pozbawiony struktury krystalicznej, krzem. To z niego zbudowane są wszystkie bramki tranzystorów. Proces napylania jest dokładnie kontrolowany. Specjalne czujniki monitorują szybkość nanoszenia warstwy i jej wymiar z dokładnością do kilku atomów.

Następnie bramki osłaniane są przed zakłóceniami elektromagnetycznymi specjalną izolacją – dystanserem. Wykonana jest ona z polimerów domieszkowanych niklem lub kobaltem i nanosi się ją za pomocą naparowywania. Wyprodukowanie bramek kończy technologiczny proces wytwarzania tranzystorów procesora. Na końcu całą powierzchnię krzemowego wafla pokrywa się izolacyjną warstwą dwutlenku krzemu (SiO2).

Ostatnim etapem produkcji układów scalonych jest doprowadzenie do każdego elementu tranzystora elektrod, a następnie ich połączenie w strukturę logiczną układu – jednostkę wykonawczą, moduł graficzny, pamięć cache itp. Proces ten to metalizacja. Zaczyna się on od wycięcia otworów w odpowiednich miejscach. Korzystając z napylarek, otwory te wypełnienia się wolframem, który będzie pełnił funkcję elektrod doprowadzających prąd do tranzystorów (nadmiar jest następnie zeszlifowywany). Pierwiastka tego używa się dlatego, że pozwala on na doprowadzenie prądu o dużym natężeniu niezbędnego do działania tranzystorów.

Warstwa wolframu to pierwsza warstwa metalizacji. Kolejne są już z miedzi nanoszonej galwanicznie. Niestety technologia ta jest bardzo skomplikowana, a każda warstwa, będąca swego rodzaju odpowiednikiem połączeń pomiędzy układami elektrycznymi, wymaga od kilku do kilkunastu przebiegów litograficznych. Problemem jest też dobór materiału izolującego miedziane ścieżki. Każdy producent stosuje swoje własne mieszaniny substancji, których skład jest pilnie strzeżoną tajemnicą firmową.

Po wykonaniu metalizacji układy są wstępnie testowane. Za pomocą zautomatyzowanego mikroskopu optycznego i zestawu kamer sprawdza się tutaj, czy wszystkie ścieżki metalizacji są prawidłowo wykonane. Nałożenie warstwy ochronnej i doprowadzenie do metalizacji złączy w postaci kulek lutowniczych kończy produkcję układu scalonego. Na końcu wykonywane są jeszcze tzw. elektryczne testy kontaktowe. Mają one na celu wykrycie wadliwych procesorów, a także pozwalają określić maksymalną częstotliwość taktowania.

Wielu czytelników zastanawia się zapewne, jak dużo jest dobrych procesorów na waflu, ile jest braków i czy nawet jeden uszkodzony tranzystor dyskwalifikuje cały układ. Okazuje się, że nie ma na te pytania jednoznacznej odpowiedzi. Liczba niesprawnych procesorów to pilnie strzeżona tajemnica producenta, bo ujawnienie tych informacji dostarczyłoby konkurentom wielu cennych danych na temat procesu produkcyjnego. Szacuje się jedynie, że ok. 10–30 proc. procesorów na waflu to odpady.

Aby zminimalizować straty, producenci starają się wykorzystać układy, które nie są uszkodzone w zbyt wielu miejscach. Ponieważ największą powierzchnię procesora zajmuje pamięć cache, dzieli się ją na banki. Uszkodzony tranzystor lub niezbyt poprawne parametry elektryczne wykryte podczas testów kontaktowych w jednym z bloków sprawiają, że „odcina się” tylko ten jeden moduł, a procesor sprzedawany jest wówczas jako niższy model. Podobnie postępuje się z rdzeniami procesora. W tym wypadku zamiast np. czterordzeniowego układu możemy mieć układ dwurdzeniowy.

Oczywiście nie znaczy to, że wszystkie niższe wersje procesorów czy układów graficznych to odpady produkcyjne. Gros z nich to chipy wytwarzane od razu z myślą o konkretnym, docelowym modelu. Warto też wspomnieć, że wafel zawsze zawiera te same układy. Wynika to z samej idei procesu naświetlania po kolei każdego fragmentu podłoża za pomocą tej samej maski. Jej założenie i ponowne ustawienie to wielodniowy proces kalibracji.

Gotowe układy, które cały czas są jeszcze w waflach, wysyłane są do znajdujących się na całym świecie fabryk. Tam tnie się je diamentowymi piłami na pojedyncze procesory. Uszkodzone kości, które wykryto wcześniej w trakcie testów, są utylizowane, a sprawne montuje się w temperaturze 120–140°C na procesorowych płytach drukowanych, korzystając z kulistych kontaktów lutowniczych. Płytki te są tak naprawdę dobrze znaną obudową procesora.

Proces montażu i lutowania odbywa się tak, aby strona z metalizacją przylegała do górnych styków płytki procesora, dzięki czemu zapewniony jest kontakt elektryczny z obwodem drukowanym i układ może się już komunikować się ze światem. Po drugiej stronie obudowy znajdują się wyprowadzone elektrody w postaci nóżek lub punktów stykowych LGA.

Ostatnim etapem montażu procesorów w obudowach jest założenie metalowej osłony rdzenia. Często krok ten jest pomijany, gdyż widoczna na górze powierzchnia krzemu to druga, nieużywana podczas produkcji, strona wafla. Niemniej metalowa osłona chroni rdzeń przed uszkodzeniami mechanicznymi i pomaga w odprowadzaniu ciepła. Teraz procesory wędrują na stanowiska testowe, skąd po końcowych pomiarach mogą już trafić do naszych komputerów.

Nośniki wykorzystywane do produkcji układów scalonych wytwarzane z bardzo czystego (99,9999999%), monokrystalicznego krzemu. Oznacza to, że może się w nim znaleźć zaledwie atom zanieczyszczeń na miliard atomów krzemu. Jak czysty jest to krzem, można sobie wyobrazić, wlewając szklankę brudnej wody do stawu. Krzem będzie dalej znacznie czystszy niż woda w stawie. Monokryształy krzemu otrzymuje się najczęściej w procesie powolnego wyciągania kryształu-zarodka. Metoda ta, stosowana pierwotnie w metalurgii, opracowana została została przez polskiego chemika Jana Czochralskiego w 1916 roku. Metodą Czochralskiego można otrzymać monokryształy krzemu o długości dochodzącej nawet do 2 m i ważące blisko 225 kg, jednak uzyskanie aż tak dużych monokryształów jest bardzo trudne i czasochłonne, a co za tym idzie – kosztowne. Taki blok monokryształu w kształcie walca o średnicy np. 300 mm nazywa się wlewkiem (ang. ingot). Otrzymany metodą Czochralskiego wlewek jest następnie cięty na plastry (wafle), szlifowany i polerowany. Szlifowanie pozwala uzyskać precyzyjną grubość wafla, a polerowanie przygotowuje jego powierzchnię pod produkcję tranzystorów tworzących procesor.