Výroba polovodičov

Polovodič je materiál, ktorého elektrická vodivosť sa nachádza medzi vodivosťou vodiča (napr. medi) a izolanta (napr. skla). Typickými materiálmi polovodičov sú kremík alebo germánium. Vodivosť je možné cielene zmeniť dopovaním (zavedením cudzích atómov) a vonkajšími vplyvmi, ako je teplota alebo svetlo. Vďaka tomu sú polovodiče ideálne pre elektronické súčiastky, ako sú tranzistory, diódy a integrované obvody. Polovodičový priemysel rýchlo rastie, podporovaný dátovými úložiskami, umelou inteligenciou a miniaturizáciou. Trend smeruje k čoraz výkonnejším, no súčasne čoraz menším polovodičom. Odborníci tento vývoj nazývajú nanometrovými pretekmi. Pre procesy, ako je EUV litografia, nanášanie povrchových vrstiev, expozíciu a leptanie sú nevyhnutné laserové a plazmové technológie firmy TRUMPF. Bez týchto technológií by nebola výroba čipov najnovšej generácie možná.

Tranzistor je elektronická súčiastka, ktorá slúži ako spínač alebo zosilňovač elektrických signálov. Je srdcom modernej mikroelektroniky a tvorí základ pre procesory, pamäťové čipy a takmer všetky digitálne zariadenia. Viac tranzistorov v jednom čipe znamená vyšší výkon výpočtov.

Polovodič zvyčajne prechádza niekoľkými stovkami, niekedy aj viac ako tisíckou výrobných krokov. Jeho výroba trvá mesiace. Veľmi zjednodušene je možné proces výroby polovodičov opísať v desiatich krokoch:

1. Výroba začína plátkom (wafer), ktorá sa vypestuje z vysoko čisteného kremíka a nareže sa na tenké plátky.

2. Plátok sa leští, aby sa dosiahol absolútne hladký povrch pre nasledujúce výrobné procesy.

3. Pri litografii sa nanáša svetlocitlivá vrstva (fotorezist), ktorá neskôr určuje štruktúru obvodov.

4. Na premietanie drobných vzorov na plátok sa používajú mimoriadne presné metódy expozície, ako napríklad EUV litografia.

5. Následne sa chemicky vyvolajú exponované oblasti, aby sa zviditeľnili požadované štruktúry.

6. Procesy leptania (napr. plazmové leptanie) sa používajú na odstránenie vrstiev materiálu za účelom vytvorenia vodivých dráh a tranzistorov.

7. Nasledujú dopovacie procesy, pri ktorých sa zavádzajú cudzie atómy, aby sa zmenili elektrické vlastnosti kremíka.

8. Kvôli vytvoreniu zložitých spojení medzi tranzistormi sa nanáša niekoľko vrstiev kovov a izolantov.

9. Po stovkách takýchto krokov sa plátok otestuje a nareže na jednotlivé čipy (dies) – tento proces sa nazýva delenie plátkov (wafer dicing).

10. Nakoniec sa čipy osadia do puzdra (packaging), otestujú a schvália na použitie v zariadeniach, ako sú mobilné telefóny, počítače alebo autá.

1. Informačné a komunikačné technológie
Polovodiče riadia výpočtové procesy v počítačoch, serveroch a mobilných telefónoch. Sú nevyhnutné pre digitálnu komunikáciu, cloud computing a internet vecí (IoT).

2. Umelá inteligencia a počítačové centrá
Vysokovýkonné čipy umožňujú spracovanie obrovského množstva údajov pre aplikácie umelej inteligencie a analýzu veľkého množstva dát.

3. Automobilový priemysel
Polovodiče sú vo vozidlách nevyhnutné pre asistenčné systémy vodiča, elektromobily, infotainment a autonómne vozidlá.

4. Medicínska technika
Umožňujú presné zobrazovanie, diagnostické systémy a dokonca aj implantovateľné zariadenia.

5. Priemysel a automatizácia
Polovodiče sú súčasťou senzorov, riadiacich jednotiek a robotiky v priemyselnej výrobe.

Aplikácie umelej inteligencie si vyžadujú obrovský výpočtový výkon. Čím výkonnejšie sú čipy, tým rýchlejšie a efektívnejšie je možné trénovať a využívať modely umelej inteligencie. Pokroky v polovodičovej technológii preto významne podporujú rozvoj umelej inteligencie. Pri výrobe najvýkonnejších čipov sa preto využívajú technológie TRUMPF, napríklad EUV.

AI čipy (čipy umelej inteligencie) sú špeciálne navrhnuté procesory, ktoré priamo na čipe spúšťajú zložité algoritmy pre strojové učenie a umelú inteligenciu. Odlišujú sa od klasických procesorov svojou schopnosťou paralelne spracovávať obrovské množstvá dát.

AI čipy sa vytvárajú vo vysoko zložitom výrobnom procese, v ktorom sa spájajú klasické polovodičové technológie s inovatívnymi metódami vloženia do puzdra (packaging). Najprv sa samotné výpočtové jadrá, zvyčajne na báze kremíka, vyrábajú v nanometrových štruktúrach.

Čipy musia byť mimoriadne výkonné a energeticky úsporné, aby dokázali spracovať obrovské množstvo údajov v reálnom čase. Výrobcovia preto čoraz viac používajú špeciálne zapuzdrenie, tzv. Advanced Packaging. V tomto procese je niekoľko čipov osadených spolu na takzvaných medzivrstvách (interposer), ktoré slúžia ako spojovacia vrstva.

Hoci sú kremíkové medzičlánky už dlho štandardom, dosahujú svoje limity, čo sa týka veľkosti a ceny. Riešenie: Sklenené medzivrstvy. Sklo je lacnejšie, dá sa obrábať vo veľkých paneloch a umožňuje vytváranie zložitých paketov čipov pre AI systémy. Na vytvorenie elektrických spojení medzi vrstvami je potrebné do skla vyvŕtať milióny drobných otvorov, prechodov, takzvaných Through-Glass-Vias (TGV). Aj tu nachádza uplatnenie laserová technika TRUMPF.

Moorov zákon vraví, že počet tranzistorov na mikročipe sa zdvojnásobí približne každé dva roky, zatiaľ čo náklady na jeden výpočet klesajú. To umožňuje neustále zvyšovať výkon čipov bez zväčšovania ich veľkosti. Na pokračovanie miniaturizácie sa používajú technológie ako EUV litografia a nové architektúry čipov (napr. 3D štruktúry). Zákon sformuloval v roku 1965 Gordon Moore, spoluzakladateľ spoločnosti Intel. Nie je to prírodný zákon, ale pozorovanie, ktoré odráža rýchlosť inovácií v tomto odvetví.

1. Miniaturizácia a presnosť
Toto odvetvie je pod obrovským tlakom na výrobu čoraz menších štruktúr, v rozsahu nanometrov. EUV litografia a generátory plazmy musia pracovať s extrémnou presnosťou, aby dokázali vytvoriť 3D štruktúry na kremíkových plátkoch. Aj pri najmenších odchýlkach vznikajú nepodarky a vysoké náklady. Kontrola kvality (metrológia) je čoraz komplexnejšia, pretože tolerancie sú v rozsahu nanometrov.

2. Spotreba energie a udržateľnosť
Energetická efektivita je kľúčová pre zníženie prevádzkových nákladov a dosiahnutie cieľov udržateľnosti. Generátory plazmy a laserové zariadenia musia preto pracovať energeticky čo najúspornejšie.

3. Dodávateľské reťazce a zabezpečenie kvality
Celý dodávateľský reťazec musí zaručovať kvalitu s nulovou chybovosťou. Slabé miesta u dodávateľov môžu ohroziť výrobu. TRUMPF vyžaduje od svojich partnerov a dodávateľov prísne štandardy kvality.

4. Pohotovosť výrobných zariadení
Výroba polovodičov je výrazne sústredená v Ázii. Dodávatelia zariadení musia výrobcom čipov po celom svete poskytovať služby najvyššej kvality, aby sa predišlo prestojom. TRUMPF preto investuje do regionálnych servisných stredísk a technologických centier, napríklad na Taiwane.

Litografia je kľúčový proces vo výrobe polovodičov, pri ktorom sa štruktúry pre elektronické obvody prenášajú na kremíkové plátky. Špeciálne povlakovacie zariadenie v tomto procese nanesie na plátok vrstvu citlivú na svetlo (fotorezist). Litografický systém následne exponuje požadované vzory pomocou svetla a chemicky ich vyvolá. Tieto štruktúry tvoria základ pre tranzistory a ďalšie komponenty na čipe. Najpokročilejšou technológiou v tejto oblasti je EUV litografia. Využíva svetlo s extrémne krátkou vlnovou dĺžkou na vytváranie štruktúr s veľkosťou nanometrov. Bez EUV litografie nie je možné vyrobiť tieto najvýkonnejšie mikročipy. Je kľúčová pre implementáciu Moorovho zákona, ktorý predpovedá zdvojnásobenie počtu tranzistorov každé dva roky.

Doštička/plátok (angl.: wafer) je základom pri výrobe mikročipov. Pozostáva z vysoko čisteného kremíka, z ktorého sa najprv vypestuje monokryštál a potom sa nareže na tenké plátky. Plátky sa následne leštia, aby sa dosiahol absolútne hladký povrch. Na plátku sa vytvárajú štruktúry obvodov litografiou, expozíciou, leptaním a dopovaním. Po stovkách krokoch procesov sa doštička otestuje a nareže na jednotlivé čipy (angl.: die).

Delením plátkov (angl.: wafer dicing) sa označuje proces oddeľovania polovodičových čipov od doštičky. Toto je kľúčový krok v závere reťazca procesu výroby polovodičov.

Mechanické pílenie, skryté delenie, ablatívne delenie laserom a delenie plazmou.

Leptanie plazmou je proces, pri ktorom dochádza pomocou ionizovaného plynu (plazmy) k úberu materiálu alebo k vytváraniu štruktúr na povrchu plátkov. Tento proces je nevyhnutný pri vytváraní presných štruktúr čipov.

Zariadenie, ktoré dodáva vysokofrekvenčnú elektrickú energiu na vytváranie a ovládanie plazmy na výrobu čipov.

Prechody cez sklo (Through-Glass-Vias / TGV) sú miniatúrne vodivé prechody vytvorené v skle, ktoré umožňujú elektrické spojenie medzi rôznymi vrstvami puzdra čipu. Sú nevyhnutné pre vysokovýkonné aplikácie, pretože skracujú cesty signálov a minimalizujú energetické straty.

Výroba polovodičov spotrebuje množstvo energie. Spoločnosti vyrábajúce polovodiče môžu výrazne znížiť svoju uhlíkovú stopu využívaním energeticky úsporných technológií a obehového hospodárstva, technológia TRUMPF v tomto zohráva kľúčovú úlohu. Udržateľnosť je súčasťou DNA spoločnosti TRUMPF ako rodinného podniku. Preto kladieme najväčší dôraz na efektívne a šetrné využívanie energie a materiálov pri progresívnych technológiách, ako je EUV litografia.