Krzemowy cud

Krzem to drugi po tlenie najbardziej powszechny pierwiastek na Ziemi. Jest podstawowym składnikiem piasku, a zatem znaleźć go można niemal wszędzie. Trudno sobie wyobrazić, że ten najpospolitszy surowiec jest wykorzystywany do konstruowania współczesnych procesorów - prawdziwych cudów techniki.

Krzem to drugi po tlenie najbardziej powszechny pierwiastek na Ziemi. Jest podstawowym składnikiem piasku, a zatem znaleźć go można niemal wszędzie. Trudno sobie wyobrazić, że ten najpospolitszy surowiec jest wykorzystywany do konstruowania współczesnych procesorów - prawdziwych cudów techniki.

Laboratoria Intela pełne są ludzi w  charakterystycznych, białych kombinezonach. Przebranie się w najbardziej kompletny strój (słynny bunny suit) zajmuje nowicjuszom około 12 minut, weteranom natomiast udaje się to w 5-6 minut.

Laboratoria Intela pełne są ludzi w charakterystycznych, białych kombinezonach. Przebranie się w najbardziej kompletny strój (słynny bunny suit) zajmuje nowicjuszom około 12 minut, weteranom natomiast udaje się to w 5-6 minut.

Wytłumaczenie jest jednak bardzo proste - krzem należy do grupy materiałów, które określa się mianem półprzewodników. Oznacza to, że w zależności od warunków, może albo przepuszczać prąd, albo go blokować. Stanowi połączenie izolatora, jakim jest choćby szkło, z przewodnikiem, jak np. miedź. Gdy prąd przepływa przez tranzystor, oznacza to logiczną wartość 1. Gdy tranzystor zablokuje przepływ prądu, wówczas wartość logiczna zmienia się na 0. Ta prosta zasada obowiązuje niezależnie od stopnia skomplikowania procesora, który projektujemy.

Jednak droga, którą przechodzi piasek, zanim zamieni się w najnowsze Pentium 4 albo Athlon, jest długa i skomplikowana. Pierwszy tranzystor został skonstruowany w 1948 roku. W pokaźnych rozmiarów tubie umieszczone były trzy odpowiednio przygotowane warstwy materiału, który przepuszczał lub blokował prąd. Te pierwsze tranzystory pozwoliły m.in. na skonstruowanie radia tranzystorowego, jednak do doskonałości było im daleko. Przełom nastąpił 11 lat później - w 1959 r. po raz pierwszy zastosowano krzemową podstawę, na którą nakładano kolejne warstwy izolatorów lub przewodników, wytwarzając jednocześnie kilkanaście czy kilkadziesiąt tranzystorów.

Idea po raz pierwszy zaprezentowana w 1959 roku w podstawowej postaci przetrwała do dzisiaj - konstruując procesory, nakłada się na wafel krzemowy kolejne warstwy izolatorów, przewodników i półprzewodników. Oprócz tego zmieniło się jednak niemal wszystko - nieprawdopodobna wręcz miniaturyzacja sprawia, że do produkcji procesorów konieczna jest najbardziej zaawansowana technologia.

Pojedynczy tranzystor jest ponad 2000 razy węższy niż odcisk linii papilarnej. Dlatego nawet najmniejszy pyłek kurzu mógłby być zabójczy dla produkowanych procesorów. W związku z tym powietrze w laboratoriach jest wymieniane kilkadziesiąt razy na godzinę, a wszyscy muszą pracować w specjalnych kombinezonach. Z pokazanym na zdjęciu waflem krzemowym trzeba się obchodzić z najwyższą ostrożnością.

Pojedynczy tranzystor jest ponad 2000 razy węższy niż odcisk linii papilarnej. Dlatego nawet najmniejszy pyłek kurzu mógłby być zabójczy dla produkowanych procesorów. W związku z tym powietrze w laboratoriach jest wymieniane kilkadziesiąt razy na godzinę, a wszyscy muszą pracować w specjalnych kombinezonach. Z pokazanym na zdjęciu waflem krzemowym trzeba się obchodzić z najwyższą ostrożnością.

Aby zyskać wyobrażenie, o jakich wielkościach mowa, zastanówmy się nad następującym porównaniem. Jedna linia papilarna ma grubość około 300 mikronów (milionowych części metra). Pojedyncze tranzystory w najnowszych procesorach mają natomiast szerokość 0,13 mikrona, co oznacza, że są ponad 2300 razy węższe. Co więcej, wysokość niektórych poziomych warstw liczy się już w pojedynczych atomach. Nawet w przypadku prostych układów, wykonanych w technologii 1 mikrona, pojedynczy tranzystor jest wciąż 300 razy węższy od linii papilarnej.

Jak powstaje procesor

Jak już powiedzieliśmy, podstawę stanowi krzemowy wafel. Ani Intel, ani AMD nie produkują takich wafli, kupują je od zewnętrznych producentów. Stosowane do niedawna przez Intela wafle krzemowe miały kształt okręgu o średnicy 200 mm. W 2001 roku zakończono pracę nad wdrożeniem w wybranych fabrykach metod obróbki krzemowych tarcz o średnicy 300 mm, na których zmieścić się może np. kilkaset procesorów Pentium 4. Jeden procesor zbudowany jest z kilkudziesięciu milionów tranzystorów. Oznacza to, że na pojedynczym waflu umieścić trzeba kilkadziesiąt miliardów tranzystorów. Każdy z nich skonstruowany jest w opisany poniżej sposób.

Budowanie procesora polega na bardzo precyzyjnym dodawaniu i usuwaniu kolejnych warstw przewodników i izolatorów.

Budowanie procesora polega na bardzo precyzyjnym dodawaniu i usuwaniu kolejnych warstw przewodników i izolatorów.

Na wafel krzemowy zostaje nałożona warstwa dwutlenku krzemu, który przykrywa się maską fotolitograficzną. Wszystkie warstwy zostają zasłonięte kolejną maską z wyżłobionym wzorcem. Wzorzec ten musi zostać przeniesiony na krzem. Maska fotolitograficzna pod wpływem promieni ultrafioletowych staje się podatna na działanie chemicznych rozpuszczalników. Wykorzystując to zjawisko, przez zewnętrzną maskę z wzorcem przepuszcza się właśnie takie promienie. Następnie rozpuszczalnik w masce litograficznej wytrawia odpowiednie wzory, odsłaniając znajdujący się pod spodem dwutlenek krzemu. Odsłonięty dwutlenek usuwa się razem z maską fotolitograficzną, dzięki czemu wytwarza się odpowiedni wzór na dwutlenku krzemu, który pozostał na waflu.

Ta tarcza w kolorach tęczy to w rzeczywistości wafel krzemowy, na którym umieszczono kilkaset procesorów Pentium 4. Jeśli pomnożymy liczbę procesorów przez liczbę tranzystorów, z których zbudowany jest jeden układ, wówczas okaże się, że na widoczny na zdjęciu wafel zdołano nanieść za pomocą bardzo precyzyjnej technologii kilkadziesiąt miliardów tranzystorów.

Ta tarcza w kolorach tęczy to w rzeczywistości wafel krzemowy, na którym umieszczono kilkaset procesorów Pentium 4. Jeśli pomnożymy liczbę procesorów przez liczbę tranzystorów, z których zbudowany jest jeden układ, wówczas okaże się, że na widoczny na zdjęciu wafel zdołano nanieść za pomocą bardzo precyzyjnej technologii kilkadziesiąt miliardów tranzystorów.

Po zakończeniu pierwszej fazy wafel krzemowy ponownie pokrywa się warstwą dwutlenku krzemu, jednak tym razem jest ona 500 razy cieńsza niż w pierwszej fazie. Następnie umieszcza się na niej powłokę polikrzemową, która przewodzi prąd, oraz kolejną warstwę fotolitograficzną. Wszystko to ponownie przykrywa maska z wyżłobionym wzorem. Następnie powtarza się sytuacja z pierwszej fazy - naświetlanie ultrafioletem i rozpuszczanie naświetlonych miejsc warstwy fotolitograficznej. Z odsłoniętej przez tę operację powierzchni usuwa się polikrzemian oraz wspomnianą cieniutką powłokę dwutlenku krzemu. Dzięki temu odsłonięta zostaje część powierzchni wafla krzemowego.

Odsłonięte miejsca są następnie bombardowane substancjami chemicznymi, które mają zmienić przewodnictwo elektryczne krzemu. Później powłoka fotolitograficzna jest w całości usuwana, a wafel krzemowy podgrzewany, aby wspomniane substancje przedostały się głębiej do jego wnętrza.

Operacja powtarza się jeszcze raz - warstwa dwutlenku krzemu, maska fotolitograficzna, ultrafiolet, rozpuszczalnik. Tym razem jednak rozpuszczalnik tworzy w tranzystorze otwory, które dochodzą do samego spodu, do wafla krzemowego, oraz do polikrzemianu, który znajduje się w centralnej części procesora. Otwory te zostaną później wypełnione metalem, który utworzy ścieżki przesyłające prąd wewnątrz układu scalonego.

Laboratoria Intela zastawione są olbrzymią liczbą maszyn, służących np. do fotolitografii. Konstrukcja budynku uwzględnia to, że maszyny trzeba często przestawiać, dostosowując pomieszczenia do konkretnego projektu. Dlatego właśnie podłoga w laboratorium przypomina plaster miodu Đ przez liczne otwory można błyskawicznie poprowadzić przewody do znajdujących się w piwnicy zbiorników z chemikaliami  bądź agregatów prądotwórczych.

Laboratoria Intela zastawione są olbrzymią liczbą maszyn, służących np. do fotolitografii. Konstrukcja budynku uwzględnia to, że maszyny trzeba często przestawiać, dostosowując pomieszczenia do konkretnego projektu. Dlatego właśnie podłoga w laboratorium przypomina plaster miodu Đ przez liczne otwory można błyskawicznie poprowadzić przewody do znajdujących się w piwnicy zbiorników z chemikaliami bądź agregatów prądotwórczych.

Na ostatnim etapie tranzystor pokrywany jest aluminiową powłoką, która służyć będzie do przekazywania sygnałów elektrycznych. O wyborze aluminium zdecydowały dwa czynniki - metal ten dobrze przewodzi prąd i dobrze się łączy z krzemem i dwutlenkiem krzemu. Przypomnijmy, że każda z tych operacji wykonywana jest na tranzystorze czasami nawet ponad 2000 razy węższym od linii papilarnej.

Fabryka

Fabryka, w której produkuje się procesory, jest sama w sobie obiektem godnym podziwiania. Mieliśmy okazję zwiedzać fabrykę Intela w Palo Alto. Jest to ośrodek głównie badawczy, w którym trwają prace nad procesorami następnych generacji.

W piwnicach budynków mieści się zaplecze techniczne, w którym pracują maszyny niezbędne do działania aparatury w laboratoriach, np. wszystkie zbiorniki substancji chemicznych, które automatycznie dozują i przesyłają do laboratoriów potrzebne chemikalia. Zaawansowane systemy pomiarowe czuwają nieustannie i błyskawicznie informują o każdym zagrożeniu; ewentualne wycieki są wykrywane, zanim stężenie substancji chemicznych osiągnie 1/3 dopuszczalnej normy.


Zobacz również