Hlavní stránka Hardware Procesory, paměti Od písku k procesoru — výroba křemíkového waferu
Od písku k procesoru — výroba křemíkového waferu
autor: Tomáš Šulc , publikováno 22.6.2012
Od písku k procesoru — výroba křemíkového waferu

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.


Od písku k procesoru — výroba křemíkového waferu
základní vlastnosti křemíku

Jak už bylo řečeno v minulé kapitole, integrované obvody se skládají především z tranzistorů. Tranzistory jsou polovodičové součástky. Polovodič je materiál, jehož elektrická vodivost závisí na aktuálních podmínkách (například teplota) a změnou těchto podmínek se dá snadno ovlivnit. Mezi v elektrotechnice používané polovodičové materiály patří křemík (Si), germanium (Ge) a arsenid galia (GaAs), přičemž pro výrobu integrovaných obvodů se používá především první jmenovaný. Jedním z důvodů k jeho volbě je vedle vhodných vlastností také jeho dostupnost. Křemík je totiž s podílem 14,5 % třetím nejvíce zastoupeným prvkem na Zemi (první je železo s 40 % a druhý kyslík 28 %). Jedinou jeho nevýhodou v tomto ohledu je, že se v přírodě nevyskytuje v čistém stavu, ale jen ve sloučeninách — křemen a křemičitany. Pro výrobu integrovaných obvodů se používá křemenný písek ve složení SiO2.

Od písku k procesoru — výroba křemíkového waferu
vnitřní struktura ideálního monokrystalu křemíku

Křemík je prvek, který krystalizuje do plošně centrované kubické mřížky. Tuto mřížku si lze jednoduše představit jako krychli, ve které se atom křemíku nachází v každém z vrcholů krychle a každém středu stěny. V každé pomyslné krychli je tedy čtrnáct atomů křemíku. Křemík je současně čtyřvazný prvek, což znamená, že každý atom vytváří pevnou vazbu se svými čtyřmi nejbližšími sousedy. Pokud je tato vnitřní struktura dodržena v celém svém objemu (přesněji v makroskopickém měřítku), označuje se křemík jako monokrystalický. Právě monokrystaly křemíku mají díky své pravidelné struktuře ideální vlastnosti a používají se jako základ k výrobě integrovaných obvodů. Obrázek pravidelné vnitřní struktury monokrystalu křemíku je zobrazen výše.

Od písku k procesoru — výroba křemíkového waferu
pásové modely látek (zdroj: Wikipedia)

Pro pochopení řady úprav křemíku při výrobě integrovaného obvodu je nutné se v krátkosti zmínit o elektrické vodivosti pevných látek. Tu vysvětlím pomocí pásových modelů. Při teplotě absolutní nuly zaujímají částice látky (elektrony) nejnižší možné energetické úrovně a nacházejí se v energetickém pásu. Nejvyšší obsazený energetický pás je nazýván valenčním. Pokud látce dodáváme energii (zahříváme ji), vytrhávají se vlivem dodané energie elektrony ze svých vazeb a přecházejí do vyšších pásů (vodivostních), kde se volně pohybují a mohou vést elektrický proud. U vodičů se vodivostní a valenční pás překrývají, případně na sebe přímo navazují. Kovy tedy dobře vedou proud téměř za jakýchkoliv podmínek. U polovodičů a izolantů je však mezi valenčním a vodivostním pásem ještě zakázaný pás, který musí elektron při přechodu z valenčního do vodivostního pásu překročit. U izolantu je tak velký (> 3 eV), že je pro elektron velmi obtížné jej překonat a potřebuje k tomu velké množství energie. U polovodičů je však výrazně menší (1,12 eV u křemíku), polovodiče s dodanou energií (teplem) proto na rozdíl od izolantů vedou elektrický proud.

Záporně nabitý elektron, který přešel z valenčního do vodivostního pásu za sebou nechává prázdný kladně nabitý prostor, který je nazýván dírou. Proces přechodu elektronu z valenčního do vodivostního pásu a rozdělení páru na elektron/díra je pak označován jako generace a spotřebuje se při něm energie. Opakem tohoto procesu je rekombinace, kdy elektron přejde z vodivostního pásu zpět do valenčního, dojde k zániku volného nosiče náboje a uvolní se energie.

Od písku k procesoru — výroba křemíkového waferu
křemenný písek — základní surovina pro výrobu integrovaných obvodů



 
Komentáře naleznete na konci poslední kapitoly.
248 čtenářů navrhlo autorovi prémii: 121.6Kč Prémie tohoto článku jsou již uzavřené, děkujeme za váš zájem.
Tento web používá k poskytování služeb soubory cookie.