Od písku k procesoru — výroba křemíkového waferu | Kapitola 4
Seznam kapitol
Procesor a další integrované obvody má ve svém počítači každý z nás. Jen málokdo však ví, jak složitá je výroba miniaturních obvodů s až miliardami tranzistorů, která často zabere i několik měsíců. V první části seriálu vám umožníme nahlédnout do procesu výroby moderního procesoru od křemenného písku až k dokonale čistému křemíkovému waferu.
Celý proces výroby procesoru začíná těžbou křemenného písku (SiO2). Ten je před dalším zpracováním nejprve potřeba vyčistit, přičemž je nezbytné dosáhnout téměř dokonalé čistoty alespoň 99,9999999 %. Čistota je pro ilustraci tak velká, že pokud bychom udělali řadu tenisových míčků dlouhou ze Země na Měsíc (cca 380 tisíc km), mohli bychom mezi ně vložit maximálně šest fotbalových míčů, aby byla čistota zachována.
Nejprve se provede chemická reakce křemenného písku s uhlíkem, kdy vznikne tzv. hutní křemík a oxid uhelnatý (dle reakce SiO2 + 2C -> Si + 2CO). Hutní křemík však není dostatečně čistý, provede se proto reakce s chlorovodíkem a vznikne trichloristan (Si + 3HCl -> SiHCl2 + H2). Ten se destilací opětovně čistí a po další reakci s vodíkem vzniká dostatečně čistý křemík vhodný pro použití v integrovaných obvodech.
polykrystalický křemík v kelímku
Vyčištěný křemík má polykrystalickou strukturu (materiál je složený z malých pravidelně uspořádaných zrn s různou vzájemnou orientací), která je pro použití v integrovaných obvodech nevhodná. Pro elektrotechniku je vyžadován monokrystal, který má shodnou orientaci krystalografické mřížky v celém svém objemu. Monokrystal se vyrábí přetavením polykrystalu s následnou přesně řízenou krystalizací pomocí Czochralského metody v zařízení nazvaném tažička. Nejprve se střepy polykrystalického křemíku nasypou do kelímku (ve skutečnosti jsou dva — vnitřní a vnější). Přidáno může být také požadované množství příměsi, často se totiž nevyrábí dokonale čisté monokrystaly, ale monokrystaly s nevlastní vodivostí typu N nebo P (viz minulá kapitola).
Vnitřní kelímek je vyroben z křemenného skla a přímo v něm je uložen polykrystalický křemík. Křemenné sklo je zvoleno proto, že s roztaveným křemíkem reaguje jen velmi pomalu a současně je schopné odolat teplotám okolo 1500 °C. Tento kelímek je pak vložen do vnějšího grafitového kelímku, který je zahříván taktéž grafitovým topným tělesem a rovnoměrně rozvádí teplo do vnitřního kelímku.
průřez tažičkou
V první fázi výroby monokrystalu se kelímek s polykrystalickým křemíkem (a příměsí — dopantem) pomalu spouští do topné zóny s vyhřívacím tělesem a dochází k tání polykrystalu. Je důležité, aby bylo spouštění kelímku dostatečně pomalé a materiál postupně tál ode dna kelímku. Jen tak je zajištěno dokonalé roztavení materiálu bez přitavení křemíku ke stěně kelímku. Teplota taveniny se udržuje jen lehce nad teplotou tání křemíku okolo 1450 °C.
vlevo ponoření zárodku do taveniny, vpravo vyražení zárodku a vznik krčku (pro zvětšení klikněte)
Jakmile je křemík roztavený, pomalu se do něj zanoří držák se zárodkem. Zárodek je malý monokrystal se stejnou krystalografickou orientací, jakou požadujeme u výsledného monokrystalu. Ponořená část zárodku se v tavenině začne taktéž tavit, čímž dojde k roztavení případných vad způsobených předchozím použitím zárodku a současně se vytvoří vazba na taveninu (semínko — seed).
Zárodek se semínkem se začíná vytahovat z taveniny, přičemž rychlost vytahování je výrazně vyšší než při samotném růstu monokrystalu. Vzniká tak úzký krček s průměrem jen několik milimetrů a délkou několik centimetrů. Jeho účelem je odstranit případné poruchy krystalografické mřížky (dislokace), které mohly vzniknout teplotním šokem při prvotním ponoření zárodku do taveniny. Dislokace se pod velkým úhlem šíří od středu materiálu k jeho povrchu, kde zanikají (proto je krček tak úzký).
Komentáře naleznete na konci poslední kapitoly.
