Polovodiče: raz tak, potom inak
Polovodiče sú chemické látky, ktoré majú vlastnosti elektrických vodičov aj nevodičov – preto polovodiče. To, či bude elektrický prúd cez polovodič prechádzať je možné riadiť. Ako mikročipy sú zabudované takmer do všetkých elektrických systémov. Patria ku kľúčovým technológiám prepojeného sveta.
Výroba polovodičov stojí zatiaľ na piesku
Kremík (Si) je materiál, vďaka ktorému sa plnia sny o špičkových technológiách. V prírode sa vyskytuje rovnako často ako piesok pri mori – piesok sa totiž skladá prevažne z oxidu kremičitého. Na získanie monokryštalického kremíka vysokej čistoty, ktorý je potrebný na výrobu čipov, sa z piesku zložitým procesom odstraňuje kyslík. Z jednej tony piesku je možné vyrobiť približne 3 000 waferov s priemerom 300 milimetrov.
Ingot, z ktorého sa vyrábajú wafre rozrezaním. Zdroj: www.inseto.co.uk
Wafery: polovodičový svet v plátkoch
300 mm wafer. Jeho kruhový tvar vychádza z minimalizácie strát pri výrobe. Zdroj: www.semi.org
Wafer možno preložiť ako vafľa, palacinka alebo oblátka. Vo svete polovodičov sa tento termín vzťahuje na kruhové dosky vyrobené napríklad z kremíka. Kruhový kremíkový monokryštál s priemerom napríklad 300 milimetrov a dĺžkou väčšou než jeden meter, tzv. ingot, je ťažený z vysoko zahriateho kvapalného kremíka tzv. ťažným procesom. Tento valec sa potom rozreže na plátky – surové wafery. Tie sú tenšie než jeden milimeter. Polovodičové čipy sa vyrábajú vo výrobnom procese, ktorý môže v niektorých prípadoch trvať až niekoľko mesiacov.
Polovodičové čipy sú ako mrakodrapy
Mikročip sa skladá z mnohých na sebe umiestených vrstiev. Podobne ako je to v prípade poschodí mrakodrapu. V mikročipe je na sebe naskladaných približne 30 vrstiev. Každá z nich má špecifickú funkciu, napríklad vedie elektrinu alebo vytvára elektrický odpor. Aby bolo možné tieto vrstvy vyrobiť, musí wafer prejsť niekoľkými stovkami procesných krokov.
Pri tomto procese sa na wafer nanášajú ďalšie tenké vrstvy a štruktúrujú sa. Najprv sa na surový wafer nanesú jednotlivé vrstvy, ktoré sa pokryjú svetlocitlivou vrstvou a potom sa osvetľujú cez expozičnú masku. Vytvrdne iba exponovaná svetlocitlivá vrstva, zvyšný mäkký lak sa odstráni leptacím roztokom. Takto exponované miesta sú následne podrobené fyzikálnym procesom, pri ktorých materiál v týchto miestach nadobúda požadované elektrické vlastnosti.
V ďalšom kroku sa čistením odstráni aj zvyšná svetlocitlivá vrstva. Na takto ošetrenú vrstvu wafera sa nanesie nová vrstva a proces sa opakuje – s expozičnou maskou ďalšej vrstvy a súvisiacim procesom. Čím viac vrstiev je vytvorených, tým je čip zložitejší a výkonnejší. Týmto spôsobom sa na waferi vytvárajú aktívne aj pasívne súčasti, ktoré sú pripojené k obvodu pomocou kovových vodičových dráh. V niektorých prípadoch uplynie niekoľko mesiacov, než wafer prejde všetkými procesnými krokmi. Všetky takto vytvorené obvody sa potom z hľadiska plnej funkcie testujú na waferi.
Výrobní partneri teraz preberajú rozdelenie waferu na jednotlivé čipy a balenie do typických plastových puzdier. Po ďalšom funkčnom teste sú mikročipy pripravené na použitie v elektronických súčiastkach, komponentoch a systémoch.
MEMS: vidieť, cítiť, čuchať
Drobné senzory MEMS sú menšie než špendlíková hlavička, majú obdĺžnikový alebo štvorcový tvar a výšku od jedného do štyroch milimetrov. Sú to všestranní pomocníci v prepojenom svete. MEMS je skratka pre mikroelektromechanické systémy. Používajú sa ako zmyslové orgány v najrôznejších aplikáciách vo vozidlách a poskytujú riadiacim jednotkám informácie napríklad o tom, či vozidlo zabáča na šmykľavom povrchu. Senzory MEMS sa stali nenahraditeľnými aj v spotrebnej a zábavnej elektronike. Napríklad sa nachádzajú v smartfónoch a stoja za zaostrenými fotografiami ale aj meraním tlaku. Senzory MEMS sa v podstate skladajú z prvku MEMS a ASIC na malej doske plošných spojov.
Odhalené útroby barometru. Vľavo riadiaci ASIC, pravo tlakový MEMS senzor
ASIC: čipy so vstavanou „inteligenciou“
Senzory MEMS sú teda zmyslovými orgánmi prepojeného sveta. Aplikačne špecifické integrované obvody, takzvané ASIC, preberajú rolu mozgu. Spracovávajú informácie senzorov MEMS a iniciujú ďalšie akcie. Napríklad aktivujú airbagy vo vozidle v správnom čase. Zložité obvody s až niekoľkými miliónmi jednotlivých elektronických funkcií sú skryté v kremíkových čipoch, ktoré majú veľkosť iba niekoľko milimetrov štvorcových.
Výkonové polovodiče
Špeciálne polovodičové súčiastky preberajú riadenie a spínanie vysokých elektrických prúdov a napätí. Sú preto vybavené špeciálnymi spínacími a vodivostnými vlastnosťami. Vysoké prúdy a napätie by bežné polovodičové súčiastky totiž zničili. Napríklad v elektrických a hybridných vozidlách regulujú tok energie medzi batériou a elektromotorom vo výkonovej elektronike a zaisťujú, aby bola elektrina využívaná čo najefektívnejšie.
Čisté priestory: nielen čisté, ale ultračisté
Polovodiče sa skladajú z mimoriadne jemných štruktúr, ktoré sú asi 50-krát tenšie než ľudský vlas. Preto je nutné zaistiť, aby sa vo vzduchu vo výrobných priestoroch polovodičov nevyskytoval prach ani iné znečisťujúce častice. Aj tie najmenšie častice môžu totiž polovodičové súčiastky zničiť. Vzduch sa tak udržiava čistý pomocou špeciálnej technológie odsávania a filtrovania.
Existujú rôzne triedy čistých priestorov. Výroba citlivých čipov vyžaduje najčistejšiu triedu 1. Pri pracovných odevoch to znamená: Celotelový oblek, rukavice, ochrana vlasov a ochrana úst. Líčenie, rúž ani očné tiene nie sú povolené.
Žlté svetlo: slnko musí zostať vonku
Osvetlenie čistého priestoru sa skladá zo špeciálneho žltého svetla, ktoré neobsahuje žiadne UV žiarenie. Tým sa zabráni neúmyselnému osvieteniu waferov potiahnutých svetlocitlivou vrstvou.
