Kiselkretsar finns överallt idag. Vi botar snart alla teknologiska problem genom att ”kasta mer kisel på dem”. Intels stora, avancerade CPU:er tillverkas på Irland och vi har varit i fabriken och tagit en titt. En fabrik som alla andra? Nej, verkligen inte!
Den här artikeln är inte helt ny, ska erkännas, men halvledartillverkning går fortfarande till på samma sätt och Intel har bara byggt till flera fabriker i Leixlip.
CPU:er till persondatorer tillverkas i gigantiska halvledarfabriker, som är ett mönster av renhet. När kretsarna har detaljer i storlek med 15 nanometer kan en enda dammpartikel på en mikrometer betyda kassation. Renare än i Intels Fab 24 i Leixlip på Irland kan det knappast bli här på Jorden. Större delen av fabriken är ett renrum i klass 10, alltså med inte fler än 10 mikrometerstora partiklar per kubikfot. Det är renare än i världsrymdens vakuum. Epitetet ”monster” i rubriken valde jag av kostnadsskäl. Fabriken har kostat 4 miljarder Euro att uppföra! Det är drygt 42 miljarder kronor och med bred marginal den dyraste och mest komplexa fabrik som finns på hela Irland.
Halvledartillverkning är lika delar storindustri och hemlighetsmakeri. På fabriken råder det fotoförbud eftersom bara en skylt, en vy av en bildskärm eller liknande, kan ge konkurrenterna en aning om hur Intel arbetar. Man får inte ens återge fabrikatet på utrusningen i skrift. Att få tag i en wafer visade sig vara helt omöjligt. Det skulle kunna avslöja för mycket (fast konkurrenterna kan kanske köpa en färdig CPU?). Så många tillverkare av till exempel steppers och liknande kritiska maskiner finns det dock inte i världen, det handlar i princip om Nikon, Hitachi och Agilent.
Av denna anledning kontaktades Nils Nordell, föreståndare för Electrumlaboratoriet vid KTH, som stått för många av processbilderna. Man ska ha klart för sig att det Intel gör med automatiserade processer, med robotar och små järnvägar i taket, gör man för hand på Electrumlaboratoriet, varför maskinparken är en annan, men processerna och metoderna är desamma. Det är till och med bättre med handmanövrerade ugnar och etskammare, för då kan man komma i närheten och ta bilder. De hypermoderna maskinerna är bara släta, vita fronter. Intel introducerar hela tiden nya sätt att göra gropar i kislet, mindre gropar, nya dopningsmaterial osv, men tillverkningsprocesserna förblir mer eller mindre desamma.
Magiska namn
Fab 24 byggdes i Leixlip 2004, med en tillbyggnad 2006 kallad Fab 24-2. Fabriken består mer eller mindre bara av renrum, med en total yta på 20.400 kvadratmeter och har cirka 4500 anställda. Dessutom finns 200 anställda på Intel Communications Europe i Shannon där man utför produktutveckling inom Intels grupp för kommunikationsprodukter.
Fabrik 24, varför heter den så? Det är bara ett löpnummer. Det finns betydligt fler fabriker än så världen över. Första fabriken i Kalifornien, byggd för 40 år sedan, kallades Fab 1 och sedan fick de heta 2, 3, 4, 5 osv. På två andra ställen på området finns till exempel fabrikerna Fab 10 och 14 och efter ett tag fick man alltså Fab 24 också. Då kom Intel på att man kanske skulle behålla entalssiffran låst för varje land. Nästa fabrik i Irland kommer alltså att få nummer 34. I Arizona heter de 12, 22 och 32 och i Israel 8, 18 och 28 osv. Den nyaste fabriken i Kina heter (ologiskt) Fab 68 av rent vidskepliga skäl, eftersom kineserna har en stark tro på numerologi och 68 är ett turtal.
Fabrikerna på Irland är kritiska i Intels nätverk av halvledarfabriker. De har den största produktmixen och hanterar för närvarande fler än 65 olika produkter. Här produceras både flashminnen och logikkretsar. Fabriken arbetar med kiselbrickor (wafers) på 300 millimeters diameter (”12 inch technology”) med både 90 och 65 nanometers ledarbredder. Fab 24 är en av Intels mest avancerade fabriker där man tillverkar de allra senaste mikroprocessorerna.
En halvledarfabrik är som en rymdstation med ett rent utrymme för det allra heligaste och dubbelt så mycket utrymme för stödfunktioner. Renlighet är av yttersta vikt och hela produktionsutrymmet (”the clean room level”) är ett renrum av klass 10, alltså renare än i världsrymden. Hela ”fabriksgolvet” och taket är perforerat för att luften, som är förorenad med ångor av syror och lösningsmedel. ska kunna passera tvärs igenom. Luften renas i en filteranläggning på vinden (”the filter level”), blåser igenom produktionsutrymmet och ned i golvet, upp genom maskinutrymmet (där ingen någonsin går) och upp på vinden igen.
Maskinerna befinner sig i ett annat utrymme än människorna, inneslutna i stora lådor för att inte få in damm. Det är bara en del av maskinens front som sticker ut i korridorerna för att kunna laddas med kiselskivor.
Fab 24 är inte organiserad på något särskilt sätt utan alla maskiner är uppställda för att spara golvutrymme maximalt. Det skulle vara meningslöst att försöka bygga en struktur på fabriksgolvet som följer processen, eftersom kiselskivorna vandrar fram och tillbaka mellan de olika maskinerna väldigt många gånger under de 30 dagar det tar att göra en krets och samma maskin återanvänds flera gånger eftersom processen är mycket repetitiv.
Allt stödmaskineri för avjoniserat, hyperrent vatten för sköljning, förvaring av flourvätesyra med flera starka syror för våtetsning och vakuumpumpar står i källaren. Tillverkningsmaskinerna arbetar med 50 nanometers precision, alltså mindre än en ljusvåglängd i violett ljus, så det går inte att ha dem stående på samma golv som människor går på. Därför har de ben (styltor) som går igenom hål i golvet och står på det stabila undergolvet (”the stilt level”, stylt-våningen). Detta är direkt förbundet med berggrunden.
Wafrarna transporteras mellan maskinerna på en liten järnväg som löper i taket, i förslutna kassetter kallade FOUP (Front Opening Unified Pod). En fylld FOUP väger 13 kilo och innehåller 25 wafers och det är inte absolut säkert att en människa kan bära och vända den på ett helt säkert sätt. Därför är det säkrare att robotar gör det.
Den kan inte bäras tillförlitligt av en människa. Skulle någon tappa den skulle kisel för 25 miljoner dollar bli förstört.
Förr i tiden blåste man bara ut den förorenade luften genom höga skorstenar, men det är det sedan länge slut med. Den förbrukade luften passerar genom scrubbers, vattenavskiljare, där alla rester av lösningsmedel och syror fångas, innan luften blåses ut i omgivningen.
Renast i världen
Jämfört med ett operationsrum på ett sjukhus med sina 10.000 partiklar per kubikfot är renrummet i Fab 24 ett under av renhet och sterilitet. Det smutsigaste där inne är människorna. Det är inte så att jobbarna har kanindräkterna (Intel-jargongen är faktiskt ”bunny suits”) på sig för att ämnena de hanterar är så farliga, utan för att det farligaste som finns där inne är partikelspridaren människan. En oskyddad nysning i ett av rummen skulle kunna stoppa produktionen. Att ta med sig frukostmackor in på arbetsplatsen är helt uteslutet och skulle man vilja gå ut och ta en rök är man oanvändbar den närmaste timmen efteråt.
Om någon absolut måste nysa gäller regeln att man ska lägga sig på golvet och nysa i luftutloppet. Det enda som är tillåtet inne i renrummen är att dricka en smula vatten, och muggar och vatten förvaras i hyperblanka, rostfria skåp längs väggarna. Problemet om man går ut ur ett renrum är att man måste göra ”de-suit” och därefter ”suit-up” igen när man ska in och fortsätta jobba, och det kan ta en halvtimme.
Man får givetvis inte gå in i renrummen som besökare utan leds längs en korridor med fönster in mot tillverkningsutrymmena.
När en reparatör ska in och fixa en maskin går det inte heller att bära med sig verktyg hur som helst. Verktygen måste tas in genom särskilda luckor där partiklarna blåses av.
Varför det gula ljuset? Det är för att inte exponera fotoresisten när belagda wafrar transporteras.
På de ställen där man inte hanterar resistbelagda wafrar, har man inte heller något gult ljus.
Tillverkning i många, många, många steg
Fab 24 är egentligen bara ett mellansteg på vägen till färdig mikroprocessor, om än ett viktigt sådant. In i ena änden kommer färdigsågade, färdigpolerade wafers, precis under en millimeter tjocka skivor av högrent kisel. Ut ur andra änden kommer wafers med cirka 200-500 mikroprocessorer på varje. En wafer går igenom cirka 300 processteg och inspekteras ofta på vägen. Alltihop tar cirka 30 dagar. Ett dammkorn någonstans och en krets är förstörd.
Allt är baserat på att den rena kiselytan antingen beläggs med olika material (deposition), eller också ska olika atomer skjutas in i ytan till olika djup (implantation) eller också ska den oxideras (förenas med syre till olika djup) vid någon form av värmebehandling. För att kunna göra det selektivt beläggs ytan med en fotoresist, en ljuskänslig film, som exponeras med ett mönster från en mask, framkallas och sköljs bort, varefter man kan börja etsning, deposition, implantation eller oxidering.
Detta gör man om och om och om, med ständigt nya mönster. Varje varv i processbilden ovan innebär givetvis flera delsteg (resist läggs på, resist framkalls, bakas, exponeras, sköljs av, implantation, resterande mask tas bort, tvättning i syrabad, tvättning i vatten, torkning osv). Resultatet blir miljontals lösa transistorer som måste förbindas. I de sista stegen, och det är samma sväng igen, lägger man på resist och exponerar osv och deponerar koppar eller aluminium i ledarbanor och tar bort det som inte ska vara kvar. Vips är allting sammanbundet med ett ledarmönster. Då återstår bara att dela upp wafern i enskilda processorer och kapsla. Det kommer vi till på slutet.
Wafrarna lämnar huset grovt funktionskontrollerade, men inte mer. Från att ha kostat ett par hundra dollar som rent kisel i inänden kostar varje wafer cirka en miljon dollar när den kommer ut i andra änden 30 dagar senare. Kassetterna med wafers går vidare till någon av Intels kapslingsfabriker, oftast i Malaysia eller Mexiko, där skivorna sågas till enskilda chipar som funktionstestas fullständigt en och en. De som är funktionsdugliga monteras i en kapsel, förpackas och levereras till kunderna.
Först gör man kislet
Vad börjar alltihop med? Vanlig sandstrand, faktiskt. Jordskorpan består till största delen av kisel, så råvara är det ingen brist på. Intel skopar emellertid inte själv upp sand och gör rent kisel av utan köper färdiga kiselskivor, wafers, som andra företag (som Hemlock Semiconductor Corporation, Wacker Chemie, REC, Tokuyama, MEMC, Mitsubishi och Sumitomo Corporation) sågat från ett göt (ingot) och polerat.
Så här ser råkisel ut. Det må vara blankt och fint, men är oanvändbart för halvledartillverkning.
Nytillverkat kisel må vara hur rent som helst, men det är ändå polykristallint. Det består alltså av många individuella kristaller med korngränser emellan. Gränserna är i själva verket defekter i kristallen som påverkar kristallens elektriska uppförande. Polykristallint material kan inte användas i halvledartillverkning, men väl för till exempel solceller med lägre verkningsgrad.
Kisel för halvledare måste vara monokristallint, alltså bestå av en enda stor kristall med regelbunden atomstruktur. Metoden att omvandla kislet kallas för Czochralski-processen [tjochralski-]. Man smälter kisel i en roterande degel av kvarts och bibehåller en temperatur precis över kislets smältpunkt på 1414°C.
En typisk, helautomatisk dragugn (crystal grower) för kiselkristaller. Den kan producera göt med en längd på 2 meter och en diameter på mellan 15 och 20 centimeter.
Allting börjar med att man doppar ned en liten startkristall i smältan, som man sedan långsamt drar upp medan kristallen och degeln roterar åt motsatta håll. Kristallen fungerar som en grodd som får kislet att kristallisera runt omkring sig, ungefär som en snökristall kan växa ut från en liten spets. På så sätt byggs ett göt (på engelska ”ingot” eller ”boule”) upp som består av en enda kristall. Götets diameter beror på temperaturen i degeln, hur snabbt man drar upp kristallen (i området millimeter per sekund) och rotationshastigheten. Ett modernt göt kan vara upp till 300 millimeter i diameter, även om 450 millimeter också förekommer.
Göten kan vara 1,5 – 2 meter långa och väga åtskilliga hundra kilo. Materialet liknar mest förspeglat glas och är i stort sett lika tungt.
Färdiga göt ser ut så här. De spetsiga ändarna kapas av senare.
De är så snygga så du får en bild till.
Kislet renas
Renheten i ett göt är sämre än vad som krävs för halvledartillverkning och spårmängderna av föroreningar måste samlas ihop och elimineras på något sätt, så att man bara får kvar en störatom på en miljard kiselatomer, samtidigt som kristallstrukturen måste behållas.
Den vanligaste metoden är sk zonsmältning. Götet läggs vågrätt och en spole börjar vandra från götets ena ände till den andra. Spolen virvelströmsvärmer götet till glödgning och allt eftersom den glödande zonen vandrar fram längs götet följer störatomerna med. De kommer till sist att ha koncentrerats i götets bortre ände. Den förorenade änden sågas därefter av.
Här finns mera information om hur göt framställs http://en.wikipedia.org/wiki/Crystalline_silicon och renas http://en.wikipedia.org/wiki/Zone_melting. Ett färdigt renat göt innehåller 99,9999 % kisel. Här är en tillverkare: www.silfex.com/products_2_0.html
Kislet sågas i skivor
Götet sågas i millimetertunna skivor, vilka sedan poleras spegelblanka med en noggrannhet av bättre än en ljusvåglängd. Om mönstret som läggs på senare har detaljer i stil med 20-30 nanometer måste skivytan vara ungefär lika slät.
Götet sågas i automatiska maskiner som denna, varefter wafrarna samlas ihop.
Polering sker med allt finare slipmedel tills ojämnheterna blir så små att de inte stör den vidare processen. Det är ungefär som när man slipar linser och andra optiska element. Det tar massor av tid.
Wafern behandlas och blir till en halvledare
Nu handlar det om att börja göra små gropar, vallar och diken i kislet som i slutänden ska utgöra transistorer och ledare. Men börjar med att hälla på en fotoresist (blå) och spinna runt wafern så att resisten sprids jämnt. Wafern har nu blivit ljuskänslig, ungefär som en fotografisk film och behandlas på samma sätt: exponering, framkallning och sköljning. Bilden längst till höger visar exponering av en enda transistor i steppern (beskrivs nedan).
En sk wafer-track. En robotiserad anordning tar wafern (W) ur kassetten (K) och kan lägga den i spin-coatern (S) där fotoresist spinns på för att bli alldeles jämnt fördelad. Roboten tar wafern vidare och kan baka resisten i någon av ugnarna (U1, U2) och även framkalla fotoresisten efter exponering. Maskinen är av typen kassett-till-kassett, samma kassett som Intel kallar FOUP.
Steppern
Mönstret exponeras på den resistbehandlade wafern med en ”stepper”, såsom denna Nikon NSR-S310F. Grundmönstret exponeras på kislet (photolithography) med ultraviolett ljus som strålat genom en mask (photolithography mask) och den del av fotoresisten som bestrålats blir löslig i lösningsmedel. Samma mönster exponeras om och om igen, sida vid sida på wafern, när den stegas fram (stepping). Måtten är nu omkring 50-200 nanometer.
Här är en typisk stepper genomskuren. Den är utan tvekan den mest komplexa maskinen i hela maskinparken, med otroligt höga toleranskrav. Alla längst ned sitter kassetterna med wafers som ska exponeras och en robot tar ut den mångfärgade skivan och lägger den på ett matningsbord (orange). Det ultravioletta ljuset börjar i en lampa till höger och får vandra igenom en hel del optik innan det till sist skiner igenom masken (ungefär mitt i bilden), varefter det fortsätter ned och belyser wafern på det orange bordet. Till vänster om strålgången sitter tre kasetter med masker, som också måste förvaras dammtätt. Efter att wafern exponerats, lägger roboten tillbaka den i kasetten igen.
Matningsbordet (stepper board) matar wafern i X- och Y-led och måste hålla fantastiskt hög noggrannhet. Eftersom de flesta steg i denna beskrivning utförs om och om igen vill det till att maskinen som exponerar mönstret kan stega fram wafern med yttersta noggrannhet. Vi talar om ledarbredder nedåt 45 nanometer, så en noggrannhet på 10 nanometer är lämplig. Maskinen börjar med att läsa av wafern och hitta startmönster, som den sedan utgår ifrån. Jamen, fatta, tio nanometer! Vi talar om små delar av en ljusvåglängd! Precisionen är ofattbar. Det är som att hitta en synål på Månen.
Så här ser en typisk mask ut. Den består av en glasskiva som belagts med ett reflekterande skikt av nickel.
Hur har den framställts? Ungefär på samma sätt som när man konstruerar kretskort. Konstruktören börjar med att konstruera sin krets i CAD-utrustning och avlusa den så gott det går i simulator. Precis som när man gör kretskort, producerar CAD-programmet ett flertal negativ, som ska användas efter varandra i processen.
En glasskiva beläggs med nickel (deposition) och en fotoresist och man projicerar mönstret med en fokuserad elektronstråle för att få till de finaste detaljerna på resisten, som därefter framkallas och sköljs bort. Därefter etsas de blottlagda delarna av nicklet bort och man får en glasskiva som är ett negativ av kretsmönstret, bara mycket större, 4-5-10 gånger större. Mönstret förminskas i stepperns optik.
Maskpassare för kontaktlitografi (dvs när fotoresist ska exponeras). Wafern med fotoresist läggs på den runda plattan till vänster, masken läggs ovanpå och alltihop exponeras med UV-ljus. Detta är en maskin för experiment, med linjebredder ned till någon mikrometer. Men det är inte bara att ”lägga dit” masken utan man måste hitta rätt på några tiondels mikrometer när och det sker genom att masken passas med hjälp av passmärken i kislet, som betaktas genom mikroskopen (som är uppfällda i bilden). Små kryss helt enkelt. Intel gör detta helt automatiskt med sk steppers, som exponerar en mask på kislet, flyttar kiselbiten till nästa plats och exponerar igen och igen och igen. Med linjebredder nedåt 22 nanometer är det helt enkelt väldigt små kryss som gäller och väldigt exakt förflyttning. Principen i steppern är dock den samma som i maskinen på bilden.
Olika metoder för etsning
Etsningen börjar med att man tvättar bort all den lösliga resisten och etsar det kisel som nu tittar fram, med fluorvätesyra eller xenondifluoridånga. Efter etsningen kan man använda ett starkare lösningsmedel och tvätta bort kvarvarande resist. Vi har nu en kiselplatta med nanometerdjupa gropar i.
En plasmaets-maskin hos Electrumlab i Kista (för att Intel inte ville visa det allra innersta). Just på denna bild används indiumfosfidwafers istället för kisel, vilket ses på att wafrarna är delade i fyra delar eftersom substratmaterialet är så dyrt. Den blå ”hatten” sänks ned över wafern och man pumpar vakuum där inne och skapar sedan ett plasma genom att släppa in och jonisera någon reaktiv gas under lågt tryck, exempelvis gaser med föreningar av klor eller fluor, som ”äter av” atomer ur substratet, där detta inte täcks av resist. Om klorgas är reaktiv, dvs gärna går i förening med något, i rumstemperatur är den oändligt mycket mera aggressiv som plasma.
Så här ser det ut bakom den fina, vita väggen på en större, automatisk maskin. Detta är en torr-ets, alltså en plasma-etsare och mängden slangar mm är mest till för vakuumanläggningen. Maskinen används för Bosch-processen, som medger extrem djupets i kisel, för till exempel MEMS-detaljer (mikromekanik i kisel, accelerometrar, mikrospeglar för projektorer, sensorer etc). Med omväxlande etsning och passivering kan man skapa raka, lodräta schakt i kislet. Kisel och kiseldioxid etsas oftast med fluorhaltiga gaser, medan metaller etsas med klorföreningar.
En kemisk tvättbänk hos Electrumlab där man antingen tvättar bort föroreningar manuellt, både organiska och metalliska (A), lite som forna tiders fotolabb. Tvätten kan t.ex. göras med fluorvätesyra eller en blandning av väteperoxid och svavelsyra. Maskinen (B) är en sk rinse-dryer, som sköljer bort all återstående kemi, först med högfiltrerat vatten, varefter kislet torkas med kvävgas. Hos Intel är givetvis detta arbete helautomatiserat, men principen är densamma.
Så här ser våtetsning (inte) ut i Intels automatiska fabrik. Maskinen bakom operatören är själva etsaren, men Intel vill inte visa några detaljer.
Jonimplantation och andra ytbeläggningar
Kisel är i sig själv inte särskilt ledande och i nästa steg ska man med hjälp av joninplantation skjuta in föroreningar i kislet som styr dess ledningsförmåga. Det är dags för ny fotoresist, exponering genom en ny mask och efterföljande tvättning. Wafern stoppas i en jonimplanter, där man skjuter in dopämnen (arsenik, fosfor, bor, hafnium etc) i form av en stråle av joner (elektriskt laddade atomer), som accelereras med ett elektriskt fält i vakuum och får slå in i kislet och dopa det. De dopade områdena har nu blivit ledande. Man dopar med ett antal olika störatomer i flera steg, antingen på tidigare orörda områden eller ovanpå tidigare dopade områden.
Efter implantation, eller när en yta ska oxideras, används en ugn.
Här står ett antal wafers i sina ”båtar” och är på väg in i en ugn hos Electrumlab. Ugnen är egentligen flera ”våningar” hög. Ugnsprocesser används till exempel för att skapa gate-oxider, ren värmebehandling eller beläggning av tjockare skikt av kiseldioxid. Beroende på vad man gör i ugnen för tillfället kan detta steg inträffa på många ställen i tillverkningsprocessen.
Gate-oxiden är den aktiva delen i en transistor och en gate kan vara några tiotals nanometer tjock. Tjockleken beror på vilket gate-material som används. Vanliga kiseldioxidgatar åstadkoms genom att man oxiderar ytan av kisel och processen är ganska enkel. Inne i ugnen är det 600-700 grader varmt (långt under smältpunkten på 1400 grader) och man blåser in väldigt mycket syre och då gör syret som det brukar, förenar sig med kislet. Hur långt ned i kislet man vill oxidera kan man kontrollera genom att hålla på att oxidera olika länge.
En annan typisk värmebehandling är att få implanterade joner att lägga sig snyggt i kristallmönstret, sk ”aktivering”. När man skjuter ned joner (metallkärnor) i kislet med jonimplantering hamnar jonerna lite varstans i kristallen och gör ingen nytta, men efter en stunds värmning letar de sig fram till sina korrekta platser i atommönstret och kan börja göra sin ”störande” verkan.
High-K
Moores lag är viktig, men allra mest viktig är den för halvledartillverkarna, som måste fortsätta krympa kretsarna hela tiden. Ett problem är läckströmmarna i de allt tunnare gatematerialen, som förhindrar ännu kortare switchtider. Längre switchtider innebär högre energiförbrukning som i sin tur ger en varmare krets, som i sin tur begränsar klockfrekvensen. Ju fler gånger man vill switcha per sekund, desto varmare blir transistorn. Allt detta måste vändas. Ett bra försök var att minska drivspänningen (spänning x ström = effekt). Från början kördes alla logikkretsar på 5 volt, men det blev för varmt. Då gick man ned till 3,3 volt och därefter till 1,5, 1,3 och 1,1 volt. Men det räcker tyvärr inte.
Därför är kiseldioxid lite ute som gate-material. Idag är det High-K-material som gäller. High-K är helt enkelt ett material med hög dielektricitetskonstant. På så sätt kan man göra gaten mycket tunnare och gatelängden kan minskas, eftersom e-fältet som stänger kanalen mellan source och drain blir högre. Den längd som elektronerna ska passera i kanalen under gaten kan minskas betydligt och förloppet av-på kan därmed snabbas upp. Kiseldioxid har ersatts med till exempel hafniumoxid. Det rör sig om bara några få atomlager, som enligt Intel deponeras lager för lager i en apparat som kallas ALD, Atomic Layer Deposition.
Vi måste gå in lite på strukturen hos en enskild transistor. Alltihop byggs på opåverkat kisel (substratet) och den switchande delen av transistorn är kanalen, som genom ett elektriskt fält som ligger mellan gate-elektroden i polykristallint kisel och substratet, kan öppna eller stänga kanalen. Det är viktigt att det bara blir ett elektriskt fält och att det inte börjar läcka elektroner från gate-elektroden och över till source eller drain. Därför har man det ytterst tunna, isolerande dielektriska skiktet emellan.
Så här ser det ut i verkligheten i elektronmikroskop. ”Topparna” du ser i bilden, som bildar fina mönster, är kiselatomer. Underst ser du det regelbundna mönstret av kiselatomer i substratet och överst ser du det polykristallina kislet i gaten, som har lite andra vinklar i sin kristallstruktur. Emellan dem ligger dielektrikumet, sisådär 6 atomlager, som mest er ut som en 10 nanometer tjock gröt av atomer.
Andra metoder att lägga på störatomer eller helt nya lager av material på kiselytan som kan behandlas vidare, är olika former av epitaxi.
En epitaxi-reaktor hos Electrumlab. I denna ugn kan man till exempel lägga på kontrollerade lager av indiumgalliumarsenidfosfid (InGaAsP) på indiumfosfid (InP) för att göra optoelektroniska komponenter (sådana som alstrar eller detekterar ljus, t.ex. lasrar). I en annan liknande utrustning kan man också odla indiumfosfid på kisel för att integrera halvledarlasrar ovanpå elektroniska kretsar. Man leder in en blandning av olika gaser, nämligen arsin eller fosfin (AsH3, eller PH3, föreningar av arsenik respektive fosfor och vätgas) och trimetyler av olika metaller, sk metallorganiska föreningar (trimetylindium, trimetylgallium, trimetylaluminium etc), vilka reagerar med wafern i en bärargas av väte vid cirka 600 graders temperatur. Metallerna eller halvmetallerna avsätts då på ytan av substratet (epi betyder ”ovanpå” och taxis ”på ett ordnat sätt” på grekiska). Genom att ändra gasens sammansättning kan man ändra ytans elektriska och optiska egenskaper. Skikttjocklekar så små som enskilda atomlager kan deponeras på detta sätt.
Kiselkarbidreaktor. Kiselkarbid (SiC) är den nya högtemperaturhalvledaren som ska frälsa högeffektindustrin (motorstyrningar, krafthalvledare), med transistorer som i princip kan glöda och ändå fungera. Även detta är en epitaxi-reaktor, men kiselkarbid kräver betydligt högre temperatur, över 1500 grader, för att reaktionen mellan gaserna silan och propan ska ge ett perfekt kristallint skikt. Den glödande reaktorkammaren syns genom de två fönstren på ugnens sida.
Uppställning! Inspektion!
Under hela processen sker inspektioner med jämna mellanrum.
Ett inspektionsmikroskop (defektmikroskop). Kislet måste hela tiden inspekteras så man kan se att allt står rätt till och inga felaktigheter har införts. Ett dammkorn på kislet är en katastrof. Man väljer att kunna avbryta det dyrbara arbetet i tid, hellre än att gå vidare och föra med sig felet längre.
Hos Intel ser defektmikroskopen ut så här när de används.
Eller så här.
Defektmikroskop kan bli ganska omfattande, som detta Nikon Optistation, som själv kan plocka wafers ut en kassett och lägga tillbaks dem igen efter inspektion.
Wafern hålls fram för operatören i olika vinklar, för att defekter ska bli mera uppenbara.
Wafern roteras också för att operatören ska kunna se den från olika håll.
Ledningsmönstret läggs ut
Nu ska de enskilda transistorerna förbindas. Man börjar med att lägga på ytterligare isolerande material (lila) ovanpå transistorn, men gör hål i det man vill ha anslutningar till den underliggande transistorn. Sen går det ungefär till som du fick lära dig i skolan om elektroplätering. Wafern stoppas i en kopparsulfatlösning och ansluts till minuspolen, medan den kopparelektrod som stoppas ned i lösningen ansluts till pluspolen. Därefter börjar kopparatomer vandra från kopparelektroden och belägga wafern helt och hållet med ett kopparskikt.
Det enda man vill ha kvar är anslutningarna ner genom anslutningshålen, så det mesta av kopparn poleras bort igen. Genom att lägga på ny fotoresist och exponera och tvätta kan man få nya vallgravar att fylla med koppar. Överskjutande koppar poleras bort och man gör nya vallgravar att fylla en våning högre upp. Till sist får man skölja bort all resterande fotoresist. Väldigt avancerade processorer kan ha upp till 20 ledningslager uppe i luften. Kiselytan kan se slät ut, men den består i själva verket av ett omfattande nät av ledningar. Intels process med galvanisering är en våtprocess, men det går att göra i vakuum också.
En person håller i en insats till en elektronstråleförångare med en wafer monterad mitt på. I förångaren deponeras antingen metaller för att skapa ett ledarmönster på kiselytan, eller kiseldioxid för att skapa isolatorer. Varefter man spinner på fotoresist, exponerar och etsar bort den metall man inte vill ha, och har då fått sitt ledarmönster.
Efter att man lagt på flera lager metall på ytan och tagit bort de bitar man inte vill ha, kvarstår ett ledarmönster, som i modern kretsteknik kan vara flera våningar. I denna falskfärgade elektronmikroskopbild är kopparledningarna brunaktiga, medan gatarna de ansluter till är ljust blåaktiga. Alltihopa står på substratets mörkblå yta.
Samma princip här, fast bilden kommer från IBM.
Copper only! Koppar används numera företrädesvis som ledarmaterial på kiselkretsar. Koppar har tyvärr den egenskapen att det förorenar allting i processen, maskiner såväl som mikroskop och verktyg. Utrustning som används i kopparprocessen får bara användas för denna och inget annat, för då kommer kopparn att smitta av sig.
Wafern sågas i bitar
Efter att ha vandrat igenom cirka 300 processteg är wafern inspekterad och klar.
Anledningen till att den blänker i alla regnbågens färger är att mönstren på ytan är i storlek med delar av en ljusvåglängd. Därför blir det interferenser med det vita ljuset och ljus av olika färg bryts i olika riktningar. Och det är de synliga reflexerna. Objekten på ytan är numera nere i 45 nm vilket är kortare än den kortaste våglängden för det UV-ljus som atmosfären släpper igenom. De reflexerna ser man inte.
Wafern är rund, men processorerna fyrkantiga, så en del hamnar i kanten och blir halva. Dessa kastas givetvis. Det är just detta som är anledningen till att man går upp till större och större wafers hela tiden. Man vill ha mindre spill utmed kanterna när processorerna ökar i storlek. Idag är det 300 millimeters diameter som gäller, men Intel arbetar på att gå upp till 450 millimeter.
Ungefär i det här stadiet lämnar wafern fabriken i Irland och går till sluttest och sågning i USA.
Framme i nästa fabrik testas varje processor elektriskt genom att man sätter ned en nåldyna med kontakter mot anslutningarna längs kretsens kanter och provkör den. Kretsar som inte klarar provet noteras i testapparaturen. Wafern går vidare till uppsågning (dicing) och blir till enskilda kiselbrickor, chipar (dies). De trasiga chiparna kastas.
I praktiken ser det ut så här när en krets på en wafer testas. En robot sänker ned tunna kontaktspröt mot kretsens kontaktplattor eller andra testpunkter och spröten ansluts i andra änden till en testutrustning. Utrustningen lägger på drivspänning och några grundläggande rutiner körs mot kretsen för att se om den fungerar.
Mycket försiktigt sågas wafern i småbitar med en diamantsåg. Förr ritsade man kislet och bröt sönder det som en glasmästare bryter glas, men det är för inexakt och kan skada de enskilda chiparna.
Chiparna förpackas
De lösa chiparna går vidare till förpackning. Chipen löds fast på ett substrat (grönt) som fungerar både som mekaniskt stöd och bas för alla anslutningspinnar. Varje anslutningsplätt på chipen förbinds med motsvarande ledare på substratet vid en operation kallad bondning. Därefter sätts locket på och löds eller limmas fast och processorn är klar.
En robot punktsvetsar på en guldtråd, cirka en hundradels millimeter tjock, mellan kislet och substratet. Tråden kommer ut ur det vita, keramiska munstycket, trycks mot kislet och punktsvetsas fast. Därefter drar roboten munstycket vidare till anslutningspunkten i kapseln och svetsar igen. Så värms guld tråden av och roboten fortsätter till nästa kontaktpunkt på kislet.
I elektronmikroskop ser anslutningarna på kislet ut så här (falska färger). Guldtråden ställs ned mot kiselytan och smälts precis lagom för att svetsas fast mot kislet. Dragstyrkan kan bli ganska stor. Tråden går lätt att dra av med handkraft, men det blir tråden som går av, inte anslutningen mot kislet.
När bondningen är klar ska kretsen inspekteras. Någon bondtråd kan ha släppt, eller tråden kan ha blivit dubbel, ja det kan hända allehanda olyckor.
Slutprodukten
Så här ser en Itanium-processor ut i närbild (falskfärgad, naturligtvis).
Här har du de viktigaste funktionerna beskrivna. Det är intressanta att notera att större delen av processorn tas upp av elektronik som inte gör någon nytta vid beräkningarna, nämligen cacheminnet.
När chipen monterats på sitt substrat, kretskort i det här fallet, locket lötts på och kretskortet försetts med silkondensatorer för att jämna ut matningsspänningarna, ser slutresultatet ut så här.
Utsläpp, nej tack!
Halvledarindustrin har tidigare fått klä skott för anklagelser om att de förorenat marken runt omkring sig. Så är det inte längre. Intel tar definitivt sitt miljöansvar och förorenar inte de gröna irländska hedarna runt omkring, ej heller den lilla flod som rinner intill fabriken. Tvärtom arbetar de tillsammans med Leixlips kommun om att städa upp miljön, som var betydligt risigare innan Intel kom dit. Igenväxta floder och trasiga hus håller på att åtgärdas med Intel Ireland Ltd. som sponsor.
Det är inte bara halvledarfabrikerna i Leixlip som visar Intels närvaro i Irland. Intel vill ta sitt samhällsansvar och vara med i olika miljöprojekt. Sålunda sponsrar man dyrbara restaureringsprojekt av medeltida kyrkor (som St. Mary’s ovan) eller, som i bilden nedan, uppröjningen av den igenväxta floden Rye.
1994 fann kommunen att Rye var så igenväxt med vass, som ett resultat av lantbrukets övergödning och allmän erosion, att alla fiskar i det närmaste hade utrotats. Endast några få lekplatser för lax återstod. Uppröjningen började med att floden muddrades och flodbankarna återställdes och man skapade små vattenfall som gjorde floden intressantare för fiskar och andra djurarter att leka i. Intel fortsätter att investera i området för att hålla floden vid liv.
