W świecie półprzewodników (część 1)

Zaryzykowałbym stwierdzenie, że gdybyśmy sporządzili ankietę to słowo, które było najczęściej wyszukiwane w ostatnich kwartałach przez inwestorów – w szczególności inwestorów w spółek technologicznych i tych, które są z nimi powiązane to na pierwszym miejscu znalazłyby się właśnie – półprzewodniki (ang. semiconductors). Dziś urządzenia elektroniczne zawierające półprzewodnik są wszędzie w naszym codziennym życiu i są jego nieodzownym elementem. Każdy z nas bez wątpienia zna kluczowych „graczy” na rynku półprzewodników, takich jak chociaż by Intel, Samsung, TSMC, Texas Instrument, AMD czy Nvidia – ten rynek jest jednak bardzo złożony a jego wartość od 2019 roku przekroczyła 500 miliardów dolarów:

Sam etap produkcji jest bardzo zaawansowany technologicznie i wymaga bardzo sterylnego środowiska, a uczestniczy w nim bardzo wiele podmiotów.

Uproszczony etap gotowego wafla (ang wafer) pokazany jest poniżej:

Do produkcji półprzewodników potrzebny jest krzem monokrystaliczny, którego jedną z możliwych metod uzyskania jest proces Czochralskiego:

Polski chemik opracował metodę w 1916 roku. Po uzyskaniu monokryształu jest on cięty precyzyjnie na cienkie plastry (w przypadku przeznaczenia na procesory) o grubości 775 mikrometrów czyli około 0,8 nm. Dziś w elektronice stosuje się wafle o średnicach od 100 do 300 mm.

Gotowe wafle (99,9999% krzemu) trafiają do fabryk, które zajmują się produkcją konkretnych układów. „Drukowanie” układów na waflu krzemowym uzyskuje się w procesie fotolitografii. Na wafel nanoszona jest emulsja światłoczuła, a następnie precyzyjnie nanoszone są przygotowane wcześniej struktury:

Dotychczas w procesie fotolitografii korzystano z laserów argonowych emitujących promienie elektromagnetyczne o długości 193 nm. Lider i potentat w produkcji sprzętu do litografii wprowadził w ostatnim czasie do produkcji i sprzedaży maszyny wykorzystujące promieniowanie o długości 13,5 nm – EUV – system ten  umożliwia produkcję struktur o wielkości poniżej 10 Nm. Dzięki tej technologii na jednym mikrochipie mieści się 100.000.000 tranzystorów na milimetr kwadratowy.

Dużym wymaganiem litografii EUV jest z pewnością oświetlenie elementów optymalną długością fal o długości 13,5 nanometrów. Rozwiązanie: wytworzona za pomocą promieniowania laserowego świecąca plazma, która dostarcza promieniowanie o ekstremalnie krótkiej długości fali. Jak jednak powstaje plazma? Zasilacz sprawia, że krople cyny spadają do komory próżniowej (3), gdzie krople (2) oświetlane są przez impulsy wysokoenergetycznego lasera (1) – 50 000 razy na sekundę. Atomy cyny ulegają jonizacji i powstaje intensywna plazma. Zwierciadło kolektora zbiera promieniowanie w zakresie EUV, które jest emitowane przez plazmę we wszystkich kierunkach. Światło jest zbierane w wiązkę i przekazywane do systemu litografii (4), gdzie oświetla wafel krzemowy (5). – opis – ŹRÓDŁO

Długości fal oraz technologie fotolitografii na przestrzeni lat:

Po uzyskaniu zaprojektowanych struktur powierzchnia jest domieszkowana i „wytrawiana” – jest to z pewnością bardzo skomplikowana operacja. Po wielokrotnym domieszkowaniu, szlifowaniu i tym podobnej obróbce tranzystory tworzące już finalną strukturę trzeba jeszcze ze sobą połączyć. Spreparowane wafle krzemowe z naniesionymi już elementami elektronicznymi są zanurzane w kąpieli z siarczanu miedzi. Jony miedzi osadzane są na tranzystorze w procesie zwanym galwanizacją.

Dalej powierzchnia jest szlifowana i polerowana aż do momentu, kiedy na jej powierzchni pozostaną odpowiedne styki połączeń. Odpowiednie połączenia tworzy się przez nanoszenie kolejnych warstw metali.

Po bardzo złożonym i zaawansowanym procesie technologicznym uzyskujemy gotowy wafel z naniesionymi strukturami układów. Teraz producenta czeka testowanie, cięcie a następnie pakowanie otrzymanych chipów.

Zobrazowanie procesu produkcyjnego w postaci wideo – dość starego. Myślę jednak, że fajnie w uproszczeniu pokazującego to wszystko, o czym dziś napisałem:

Na koniec podrzucę Wam grafikę pokazują firmy biorące udział w procesie produkcyjnym na poszczególnych etapach wytwarzania chipów. Natomiast w kolejnych wpisach poszukamy ciekawych, dobrze wycenianych spółek do naszego portfela spółek zagranicznych: