Výroba polovodičů a čipů

Pokud vás zajímá, jak se vyrábí mikročipy, stručnou odpověď najdete v tomto článku.

Možná by vás zajímalo, jak se vlastně takové mikročipy vyrábí a jak se získává čistý křemík ze sloučenin. A další věci co se týkají polovodičů. Odpověď můžete najít i v tomto článku. Začneme pěkně od začátku.

Pásová teorie

Nevodič – má velmi velké zakázané pásmo a znemožňuje elektronům z valenčního pásu přejít do pásu vodivostního a tím znemožňuje vodivost.

Polovodiče – mají zakázané pásmo menší a tak když tělesu z polovodiče dodáme nějakou energii třeba v podobě tepla, tak se elektrony přes zakázané pásmo dostanou a tím způsobují vodivost.

Vodiče – jejich zakázané pásmo je téměř nepatrné, a tak mohou elektrony přecházet bez problémů do vodivostního pásu.

Polovodiče

Polovodiče jsou látky, jejichž odpor je mezi odporem vodičů a izolantů. Mezi 10-6 Ω*m až 108 Ω*m. Rezistivita je závislá na čistotě, i nepatrné množství nečistot ji může změnit až o několik řádů. Se zvyšující se teplotou rezistivita klesá. Vlastnosti polovodiče ovlivňuje struktura a složení.

Typy vodivostí

Vodivost vlastní je dosažena dokonalou (nejvyšší možnou dosažitelnou) čistotou křemíku. K tomu, aby byla dosažena vodivost, musíme dodat nějakou energii, třeba tepelnou a ta umožní vodivost. Pokud je teplota 0K (Kelvinu), veškeré polovodiče se stávají nevodivými. V praxi se toho ale nevyužívá, protože je vodivost závislá na teplotě.

Nevlastní Vodivost

Je dosažena příměsemi. Jsou vodivosti typu P a typu N.

Vodivost typu N

Je to vodivost takzvaná negativní. Je dosažena přidáním pětimocného prvku do čtyřmocného křemíku. Přidává se například Fosfor. V polovodiči jsou pak navíc volné elektrony, které mají záporný náboj, proto tedy vodivost negativní. Vodivost elektronová. Pětimocné prvky se označují jako donory (dárci). Na obrázku vidíte mezi červenými atomy křemíku jeden zelený atom fosforu a ten způsobuje vodivost.

Vodivost typu P

Je to vodivost pozitivní, pozitivní proto, že se do čtyřmocného křemíku přidává trojmocný prvek, třeba bór a v polovodiči vzniknou díry, chybí v něm elektrony. Je to Vodivost děrová. Na obrázku vidíte mezi červenými atomy křemíku jeden fialový atom bóru a ten způsobuje onu děrovou vodivost. Trojmocné prvky se označují jako akceptory (příjemci).

Podmínky použití polovodičů:

Dokonalá čistota
Forma monokrystalu
Vodivost

Technické polovodičové materiály

- Polovodičové prvky – křemík, germanium, selen, telur, cín (používá se modifikace Alfa, je to práškový cín narozdíl od modifikace beta, která se používá na výrobu pájek).

- Polovodičové sloučeniny – arsenidy, antimonity, fosfory, oxidy, sulfidy, selenidy, teluridy.

Použití polovodičových materiálů

Germanium
– Diody, Tranzistory, Fotodiody (získává se z popílku, je vhodný
pro nízkofrekvenční obvody, v dnešní době je jeho minimální
 použití do teploty 75°C)

Křemík
 – Diody, Tranzistory, Tyristory, Integrované obvody 
(použitelný až do teploty 200˚C, teplota tání přes 
1400˚C, vysoký obsah v zemské kůře asi 25%, 
jsou narozdíl od germania vhodné i pro 
vysokofrekvenční součástky)

Selen
– Usměrňovače, Fotoelektrické články (dnes se již nepoužívá)

Arsenid Galia
– Tranzistory, Diody, Součástky pro vysoké Frekvence

Arsenid India – 
- Lasery, Zdroje a přijímače infračerveného záření,Hallovy sondy

Fosfidy
 – Lasery, Světelné Diody, Luminiscenční součástky

Antimonity
 – Hallovy sondy, Sluneční články

Oxidy
 – Usměrňovače, Fotoelektrické články, Termistory

Karbidy
 – Variátory

Sulfidy

 – Fotorezistory, Luminiscenční součástky

Čištění Křemíku

- Chemické čištění

Křemík se chemicky slučuje, tato sloučenina se následně čistí a křemík se následně chemicky získá, i přesto křemík obsahuje velké množství nečistot nebo se získává v elektrické obloukové peci redukcí křemene velmi čistým koksem za přítomnosti železa jako katalyzátoru SiO2 + 2C -> Si + 2CO2 (aby byl křemík použitelný, musí být hodnota nečistot maximálně 1 gram na milion tun křemíku)

- Fyzikální čištění

Křemík se čistí metodou pásového tavení. Viz obr. křemíková tyč se upne do netečného prostředí, např. argon nebo jiný netečný plyn (křemík je velice reaktivní ale s ostatními prvky se slučuje až za vysokých teplot) do svorek které se otáčí, mezi cívku indukčního ohřevu, ta natavuje materiál na teplotu tání. Na povrch materiálu se dostávají nečistoty, které cívka jakoby tlačí předsedou v tavenině křemíku. Tento postup se opakuje několikrát. Na koncích tyče se shromáždí nečistoty, konce tyče se odřežou a vrací se do výroby. Vlastnosti a čistota křemíku se neustále kontroluje.

Výroba monokrystalu křemíku.

Monokrystal křemíku se vyrábí metodou tažení z kelímku. Na tyč se uchytí zárodek monokrystalu křemíku, ten se ponoří do kelímku s roztaveným křemíkem a pomalu za protichůdného otočného pohybu kelímku a tyče s monokrystalem se vytahuje. Monokrystal křemíku vnucuje svoji strukturu. Tímto způsobem se vytáhne tyč o délce až 1metr s průměrem až 100mm, která je na koncích zúžená. Konce se odřežou a vrací se zpět do výroby. Tím jsme dostali monokrystal křemíku.

Výroba součástek

Z tyče monokrystalu se nařežou tenké asi 0,5 až 1mm tlusté plátky. Typ vodivostí (P nebo N) se zajišťuje v plynné či kapalné fázi dotováním a vznikne polovodičový přechod, základ tranzistoru. Desítky milionů tranzistorů najednou se vyrábí tak, že příslušná chemikálie se nanese na celou plochu čipu, na ni se nanese vrstva fotorezistu, ta se přes přesně vyrobenou a extrémně přesnou masku exponuje a osvícené části se odleptají, takže zůstane jen to, co zůstat má. Podobně se vyrábí i vodivé spoje mezi tranzistory, pouze se použije kov. Vrstev ve spoji je několik, záleží na složitosti mikroprocesoru. Vše se nakonec proměřuje. Vše se dělá v dokonale čistém nereaktivním prostředí. Jakákoliv nečistota je schopná výrobek naprosto zničit. I přes velmi přesné a složité výrobní procesy se asi 30 až 40% mikroprocesorů vyhazuje kvůli nějaké chybě. To je taky jeden z důvodů vyšší ceny procesorů a jiných složitých polovodičových prvků. Na polovodiče se napařují kontakty a přidělávají vývody a nakonec se zapouzdřují. Pouzdra jsou nyní většinou plastová ale používá se keramika i kovy. Některé se opatřují chladiči.

Přechod typu PN proč funguje tak a ne jinak.

Přechod je vodivý, pokud elektrony přechází z polovodiče dotovaného pětimocným prvkem, kde přebývají elektrony do trojmocného, kde prvky chybí. Asi těžko budou přecházet z místa, kde chybí, do místa kde přebývají.

Z historie polovodičů

Polovodiče - získání nejnovějších tajných materiálů. Problém polovodičů, jejich výroba a všestranná aplikace je dnes na celém světě přední otázkou v elektronice. Germaniové polovodiče (diody a tranzistory) se dnes uplatňují téměř ve všech elektrotechnických zařízeních, nahrazují velké radiolampy a v některých zařízeních, jako jsou elektronové mozky, radiolokace apod., jsou zcela nepostradatelné.

Výroba dosud používané výchozí suroviny - germania, je dosti nákladná. (V ČSR jsou výrobní náklady na 1 kg germania 57.000 Kčs).

Z budoucnosti polovodičů

Japonští výzkumníci ověřili v praxi postup pro výrobu čipů z nové křemíkové sloučeniny. Ta je již od padesátých let minulého století známa svými podstatně lepšími vlastnostmi než samotný křemík, avšak jejímu použití dosud bránily problémy při výrobě.
Křemík si za svoji více než půlstoletou životní dráhu dokázal v počítačovém průmyslu získat prakticky stejně zásadní pozici jako benzín v průmyslu automobilovém - už desítky let na něj "jezdí" každý majitel auta (nepočítáme-li ty se zážehovými motory, spalujícími naftu) a s vyhlídkou vyčerpání světových zásob této suroviny výrobci jen obtížně hledají jeho (pokud možno i výkonnější) alternativu. Podobně je to s křemíkem v IT průmyslu: jeho možnosti přestávají stále rychlejšímu vývoji menších a integrovanějších čipů stačit. Vývojáři již delší dobu testují nové materiály i principy, na nichž by čipy budoucnosti měly fungovat, avšak ještě několik let se bezpochyby křemík pro výrobu čipů bude používat - než narazí na své fyzikální limity.
Nejde přitom jen o výkonový strop, daný velikostí tranzistorových hradel. Ta se podle očekávání Intelu stanou nejpozději za 15 let osudovou překážkou pro platnost Moorova "zákona," podle něhož se výkon procesorů každých 18 měsíců zdvojnásobí. Při pokračující miniaturizaci tranzistorů (která kromě snížení ceny znamená i kratší dráhy elektronů a tím i rychlejší čipy) se totiž v oné předpokládané době kolem roku 2019 bude pro jejich výrobu používat 16ti nanometrová technologie, při které bude mít hradlo velikost pěti nanometrů - a přestane být schopná řídit směr pohybu elektronů. Výzkumníci mnoha firem i univerzit se proto snaží najít nové materiály i postupy, které by pomohly tuto překážku v budoucnu obejít.
To jsou poměrně zásadní problémy, dané samotnou architekturou současných čipů. Čím dál viditelnějšími nevýhodami však trpí i samotný křemík, ze kterého se dnes čipy lisují. Přes své nepopiratelné přednosti pro výrobu a elektrickou vodivost má výraznou nevýhodu ve velmi nízké tepelné odolnosti. Křemíkové čipy jsou citlivé na teplo, generované svými vlastními obvody a musí být proto chlazeny - nejčastěji vzduchem, tedy podobně jako to dělají známé větráčky na procesorech, v poslední době však i ve výkonnějších osobních počítačích přichází ke slovu voda. Procesory totiž generují čím dál více tepla a to způsobuje problémy s jeho odváděním: větráčky při vysokých otáčkách způsobují nepříjemný hluk a navíc ani mnohdy procesor účinně neochladí. Ještě podstatně náročnější oblastí jsou z tohoto pohledu různé vědecké aplikace elektroniky, kdy se teplu prakticky nedá vyhnout - příkladem může být třeba kosmonautika, kde je navíc problém s odstíněním radioaktivity.
Tyto potíže by mohl vyřešit objev japonských výzkumníků z vývojových laboratoří firem Toyota a Denso Corporation. Podle serveru Nature.com se jim podařilo překonat potíže při výrobě křemíkové sloučeniny (karbidu), která je mnohem odolnější vůči teplotním vlivům. Splnili přitom klíčový požadavek pro masovou výrobu, kterým je snadné zhotovení waferu (křemíkového plátu), ze kterého se čipy lisují. Při použití čistého křemíku (tak, jak se čipy vyrábí dnes) jsou obvody lisovány z těchto waferů a poté je na ně nanášena vrstva chemikálií, které mají zlepšit elektrickou vodivost čipů. Při stejném postupu s křemíkovým karbidem, o který se vědci pokoušeli již v 70. letech minulého století, však získané wafery trpěly nízkou kvalitou. Na vině byly především mikroskopické trhliny, které celkově snižovaly pevnost obvodů, jež poté v provozu selhávaly.
Tým Kazumasa Takatoriho z japonské Toyoty však přišel s řešením v podobě usměrňování krystalů křemíkového karbidu tak, aby tuhnoucí sloučenina krystalizovala na optimálních straně s minimem poruch. Vědci takto pečlivě "vystavěli" krystal vrstvu po vrstvě, což jim umožnilo vytvořit slitek křemíkové sloučeniny - malé cihličky, z nichž se lisují wafery.
Předchozí výzkumy přitom prokázaly, že elektronická zařízení, zhotovená z této sloučeniny, jsou schopna provozu při teplotě až 650 °C bez potřeby chlazení. Výsledky výzkumu by tak mohly znamenat převrat v elektroprůmyslu i počítačových sestavách nejen náročných uživatelů.