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.

Gå nu vidare med del 2 och se hur etsning går till.

Sida 2 / 4

Innehållsförteckning