Tajomstvo čipu v telefóne: Neuveriteľná cesta od piesku na pláži až po čip v laboratóriu

Mobilný telefón je jeden z najkomplexnejších objektov, aké kedy ľudstvo vytvorilo. Čip v telefóne obsahuje miliardy mikroskopických súčiastok a jeho základom je kremík, druhý najrozšírenejší prvok v zemskej kôre, ktorý nájdeme aj v úplne bežnom piesku na pláži.

Zemská kôra obsahuje približne 28 % kremíka, takže je ho relatívne dostatok. Lenže kremík z pláže má čistotu iba asi 33 %, čo na výrobu čipov naozaj nestačí. V mikroelektronike by to bola katastrofa, pretože potrebujeme čistotu rádovo 99,999 999 999 % (až deväť deviatok za desatinnou čiarkou).

Najčistejší materiál na svete

Aby sme dosiahli požadovanú čistotu, prvým krokom je redukcia, teda zbavenie sa kyslíka. Surový kremík sa taví v obrovských peciach spolu s uhlíkom, ktorý z neho vytiahne kyslík. Vznikne tzv. metalurgický kremík s čistotou asi 98 %. Na výrobu fotovoltických panelov by to stačilo, no pre čipy rozhodne nie.

Preto nasleduje ďalší krok. Chemické rafinérie menia kremík na plynný trichlórsilán, ktorý sa potom destiláciou očisťuje na úroveň deviatich deviatok percent. A to ešte nie je všetko. V poslednom kroku sa plyn znova premení na pevný kremík v špeciálnej peci, kde pomaly rastie monokryštál, teda jediný obrovský kryštál kremíka bez akýchkoľvek nečistôt alebo defektov v štruktúre. Výsledná tyč má priemer až 300 milimetrov a váži desiatky kilogramov. Tá sa následne nareže na tenké plátky – kremíkové dosky – hrubé ako niekoľko vlasov. Zaujímavé je, že jedna takáto kremíková doska v súčasnosti stojí niekoľko stoviek eur. Pritom je to iba základná surovina pre čip.

Kreslenie svetlom

Ako sa však na kremíkovú dosku nakreslia miliardy mikroskopických tranzistorov? Proces, ktorý sa používa, má názov fotolitografia. Ide v podstate o kreslenie svetlom. Princíp je podobný ako pri starých fotografiách: na svetlocitlivú vrstvu (v tomto prípade špeciálny lak nanesený na kremík) sa cez masku zasvieti a miesta, kam dopadne svetlo, sa zmenia.

Rozdiel je v tom, že zatiaľ čo pri fotografovaní sa pracuje s rozlíšením milimetrov, v tomto prípade hovoríme o rozmeroch, ktoré sú menšie ako vlnová dĺžka viditeľného svetla. Moderné čipy sa vyrábajú s procesmi 5 nanometrov alebo 3 nanometre. Nanometer je miliardtina metra – to je taká vzdialenosť, že keby sme vzali do ruky jednoeurovú mincu a túto mincu by sme zväčšili tak, aby zakryla celé Slovensko od Bratislavy až po Košice, tak jeden nanometer na tej minci by mal veľkosť čerešne.

Najpresnejší stroj

Problém je, že s bežným svetlom (vlnová dĺžka v rozsahu 400 až 700 nm) by sme také detaily nikdy nenakreslili, pretože svetlo sa nedá zaostriť na stotinu svojej vlnovej dĺžky. Preto sa dnes používa extrémne ultrafialové svetlo (extreme ultraviolet, EUV) s vlnovou dĺžkou len 13,5 nanometra. To je svetlo takej vysokej energie, že ho absorbuje dokonca aj vzduch, takže celý proces musí prebiehať vo vysokom vákuu.

Jeden EUV litograf od holandskej firmy ASML váži 180 ton, stojí viac ako 150 miliónov eur a je taký zložitý, že ho dokáže vyrobiť jediná firma na svete. Využíva lasery, ktoré 50 000-krát za sekundu vystreľujú mikroskopické kvapky cínu, do ktorých naráža ešte silnejší laser a vytvorí plazmové svetlo. Celý stroj má viac ako stotisíc súčiastok a je presnejší než akékoľvek iné zariadenie, aké kedy ľudstvo postavilo. Presnosť je porovnateľná s tým, ako keby sme z Bratislavy trafili do terčíka veľkosti mince na Mesiaci.

Autor článku: prof. Ing. Martin Weis, DrSc.
Fakulta elektrotechniky a informatiky STU v Bratislave