Výroba IO – výroba křemíkových desek

Diody, tranzistory, integrované obvody, mikroprocesory… Všechny tyto vymoženosti křemíkové epochy neodmyslitelně patří k našim životům a provází nás každým krokem, i když si to možná mnohdy ani neuvědomujeme. Všemožné čipy dneska najdeme úplně všude od procesorů našich počítačů až po systémy stahování okének v autech. Tyhle malé mršky dokáží všechno možné a pomalu i nemožné. Zamysleli jste se ovšem někdy jak se vůbec vyrábí? Pokud vás to zajímá, jsou následující řádky určeny právě vám.
čip
Výroba polovodičových součástech v Českých zemích má poměrně dlouhou tradici. Někdy v 50. letech 20. století u nás byla založena stará dobrá matička TESLA ve které se ze začátku produkoval křemík potřebný k výrobě polovodičů a později se začalo i se samotnou výrobou součástek. Jak čas pomalu plynul a nové technologie přicházely, postupně se od výroby elektronek dostalo až k výrobě integrovaných obvodů milimetrových velikostí. Pár let po privatizaci se sice TESLA rozpadla a přešla pod jiné firmy, ovšem výroba polovodičů stále pokračuje. Jako významné středisko výroby polovodičů můžeme zmínit malebné valašské městečko Rožnov pod Radhoštěm.

Tesla
Pojďme ale k samotné výrobě čipů. Začneme od úplného počátku. Na počátku všeho bylo světlo, na počátku integrovaného obvodu je křemík. Křemík je prvek 4. skupiny PSP, tedy prvek se čtyřmi valenčními elektrony, jeho chemická značka je Si (Silicium), taje při 1414 °C a vře při 2900 °C. Jako čistý prvek se v přírodě nevyskytuje, ovšem jeho sloučeniny, převážně oxidy jsou velmi hojně zastoupeny v zemské kůře. Celá čtvrtina zemské kúry je křemík, což nám poskytuje v podstatě nevyčerpatelné množství této suroviny. Křemík se může vyskytovat v několika formách, rozlišené podle vnitřního uspořádání krystalové mřížky. Je to jednak amorfní křemík s chaotickým uspořádáním atomů, polykrystalický s velmi malým podílem uspořádaných atomů a jako poslední monokrystalický křemík, s téměř dokonalým uspořádáním atomů a právě ten se používá pro výrobu křemíkových desek, na kterých se následně vyrábí integrované obvody.

Ke křemíkové desce od samotného křemíku ovšem vede dlouhá cesta. Výchozí surovinou je oxid křemičitý (SiO2) ve formě křemenného písku, ten se musí zbavit nečistot jako jsou železo a hliník, přičemž dostaneme čistý křemík. Ten se chemickými procesy mění na trichlorsilan, ze kterého se následně vyrobí čistý polykrystalický křemík. My ovšem potřebujeme monokrystal. Ten se táhne z taveniny polykrystalického křemíku v argonové atmosféře. Tažení probíhá pomocí zárodku monokrystalu na který se zachytává tavenina polykrystalu a tažením se pak vytvoří křemíková tyč, tzv. ingot. Tyče se táhnou různého průměru: 4″ (100mm), 6″ (150mm) ,12″ (300mm) a dokonce i 16″ (400mm). Za zmínku ještě stojí, že existují dva způsoby tažení křemíku, pojmenovaných dle svých vynálezců, metoda dnes používaná se nazývá Czochralskiho, druhá Pfannova, při té ovšem nelze dosáhnout průměru většího než 5″ a také se při ní nedostává do křemíků žádané množství kyslíku, který je nezbytný pro tvrdost křemíku a zachytávání těžkých kovů v Si.

Si deska
Nyní už máme vyrobenou křemíkovou tyč, ta má na délku někdy až 2 m. Nikdy se však nepodaří vytáhnout tyč přesně žádaného průměru a tak se musí zbrousit. Následuje vybroušení fazet, což jsou rovně zbroušené kraje na které se pak píší různé informace jako jsou čísla desek a sad atd. Fazeta může být jedna nebo klidně i čtyři. Tyč je připravená k řezání na jednotlivé desky. K tomu se používá diamantová pila, která rozřeže tyč na desky požadované tloušťky. Desky jsou po rozřezání poškozené od brusné hlavy a tak je nutné jejich plochy stejně tak jako hrany zbrousit na jemný povrch. Deska se ještě musí vyčistit ve směsi kyseliny dusičné a fluorovodíkové, jedna strana, na kterou se budou tisknout obvody se leští na zrcadlový povrch práškem na bázi Al2O3. Takováto plocha by neměla obsahovat žádné škrábance ani jiné vady. Nakonec se deska pošle na mytí, se zbavuje organických prvků, těžkých kovů a jiných nečistot, provede se tak v horké lázní demineralizované vody ve které je obsažen peroxid vodíku a buď HCl nebo NH4OH. Pokud deska úspěšně dojde až sem, je připravena k samotné výrobě intergovaných obvodů. O tom však ale příště.

O David Bambušek

Student FIT VUT Brno, zajímající se o všemožné webové technologie, programování a svět IT všeobecně. Svůj volný čas věnuje hlavně sportu, hraní na hudební nástroje a výrobě domácích vín.