Liivaterast superajuni

Foto:arhiiv

Protsessorid, protsessorid, protsessorid… Neid on kõikjal – seal, kus me neid näeme, ja seal, kus me neid otseselt ei märkagi. Aga kust või kuidas need meie elu dirigendid meieni jõuavad?

Arvutid – ja koos nendega protsessorid, mis on ju arvutite aluseks, – on kaasajal muutunud asendamatuteks. On ju iga auto üks suur protsessorite kuhil, sama on meie nutitelefon, nutiteleviisor, nutikülmik ja mis iganes. Fantaasiale ruumi jagub ja aina enam me elu komputeriseerub.
Aga kuidas me need protsessorid saame, mil moel nad valmivad? See on enamiku jaoks kui mitte müstika, siis vähemalt üks terra incognita. Uurigem tänases loos siis protsessori ehk laiemas mõttes ühe kiibi sünnilugu n-ö ab ovo.
Protsessor (nagu ka paljud muud nutikad kiibid (mälu, kontrollerid jms)) baseerub pooljuhtmaterjalidel. Kui esimesed arvutid kasutasid oma loogikas releesid ja koosnesid tuhandetest klõbisevatest lülititest, siis olid need seadmed esiteks suured kobakad ja teiseks tänu mehaanilistele liikuvatele osistele ka tänapäeva mõistes jubedalt aeglased. Kiiremaks läks asi, kui kasutama hakati lampelektroonikat – ilmusid mitmesugused vidinad, diood- ja trioodlambid jms. Ent ikkagi oli kiirus masendav. Tõeliseks hälliks kaasaegsele arvutimaailmale sai pooljuhtelektroonika ning transistoridel põhineva elektroonika leiutamine. Ehkki nn FET (Field-Effect Transistor) idee patentis J. E. Lilienfeld juba aastal 1925 Kanadas, polnud ei meetodeid nende tootmiseks ega ka huvi nende vastu. Ja nii jäi see soiku aastateks.

Mängu astub transistor
Kuni novembris-detsembris aastal 1947 viisid John Bardeen ja Walter Brattain AT&T Bell Labsis läbi katseid germaaniumil baseeruvate pooljuhtmaterjalidega. Siiani on vastamata küsimused, kust see idee tuli. Nimelt on kõikvõimalikud konspiratsiooniteoreetikud varmad kinnitama, et tegelikult on kogu transistorite ja kompuutrite tehnoloogia maavälist päritolu. Sama aasta, 1947, juulikuus toimus kurikuulus Roswelli intsident, kus väidetavalt kukkus USA territooriumil alla maaväline ruumilaev, mis sattus USA sõjandusspetsialistide ja teadlaste kätte ja kust leiti seadmed, mille uurimine panigi aluse pooljuhtelektroonika plahvatuslikule arengule. Võimud kogu maailmas aga vaikivad ja olgu sellega siis, kuis on.
Germaanium on aga suhteliselt vähelevinud element ning seega ka üsna kallis. Kuid uurimused viisid edasi selle lähedase analoogini – ränini, mis on üks levinumaid elemente maakoores (u 28%). Enamik maakoore mineraale on silikaatset päritolu, liiv ja selle puhtaim vorm – mäekristall – on ränidioksiid. Ning olles õppinud valmistama ülipuhast räni, oli valla ka tee nn odavate pooljuhttransistorite suunas.
Räni on Mendelejevi perioodilisuse tabelis neljanda rühma element (otse tema all elutsebki n-ö pooljuhtide esiisa e germaanium) ja tal on välises elektronkihis neli elektroni. Kui me nüüd puhast räni „solgime” mõne kolme (nt boor) või viit (nt fosfor) elektroni omava elemendiga, saame vastavalt kas auk- või elektronjuhtivusega materjale ja neid kutsutakse n- või p-juhtivusega materjalideks. Transistorites kombineeritaksegi kas NPN või PNP siirdeid. Lähemalt (ehk keerukamalt) võite nende siseelu uurida veebist, aga siin jätkame oma teekonda esmalt räni tootmisega.

Maakoore üks levinumaid elemente – räni
Esimesed märkmed ränist kui elemendist tegi Lavoisier juba aastal 1787, kuid elemendina said räni esmakordselt kätte aastal 1811 Gay-Lussac ja Thenard üsna keerulise kemismiga. Alles 1854. aastal saadi räni üsna puhtas olekus Deville’i poolt. Ent need meetodid olid räigelt kallid. Kaasajal toodetakse n-ö metallurgilise taseme räni lihtsa protsessiga. Elekterkaarahjudes kuumutatakse ränidioksiidi (loe: puhta liiva) ja söe segu umbes 1900 °C ja toimub reaktsioon: SiO2 + 2C = Si + 2CO. Vedel räni (sulamistemperatuur 1414 °C) koguneb põhja ja valatakse välja. Kuid selle räniga pole elektroonikas midagi peale hakata – liialt palju on temas saasta.

Kiip nõuab ülimat puhtust
Vaja on puhtaimat materjali. Näiteks on monokristalne räni – puhtusega 99,9999% ehk kuus üheksat – huvitav materjal infrapunaoptika jaoks, sellisest ränist saab nagu optilisest klaasist valmistada läätsesid infrapunase spektri jaoks. Mul on endalgi ajaloos olnud juhus, kus püüdsin Saksamaal Merckile müüa 5 kilogrammi kuue üheksaga räni, mida kogu juhtkond vaatama tõttas – sellist kogust polnud nad veel näinud, kuid laborikemikaalide jaoks oli see overkill ja äri jäi katki . Ent kuus üheksat pole veel piisav kiibitööstuse jaoks, siin vajatakse juba vähemalt 99,9999999% puhtusega ehk üheksa üheksaga (9N, 9 Nines) räni. Seda saab valmistada keerulise tehnoloogiaga, mida nimetatakse tsoonsulatuseks. Lihtsaimaks ettekujutuseks sellest protsessist on omaaegne küünla valmistamise tehnoloogia. Sulanud parafiini või steariini lasti küünlataht, mida siis hakati aegamööda sealt välja tirima. Küünlamaterjal hangus tahi külge ja sõltuvalt kiirusest ja kordustest sikutati välja erineva paksusega küünlad. Analoogselt asetatakse sula räni pinnale pisike puhta räni monokristall, mille külge kasvab jahtudes sularänist täiendav lisa. Ülitäpse aegreleega nihutatakse seda ülespoole ja nii venitatakse sealt välja räni monokristall. Samal meetodil valmistatakse kaasajal ka sünteetilisi rubiine ja safiire. Lisandid kipuvad jääma sulamaterjali ja välja tiritakse aina puhtamat materjali. Nüüd võetakse saadud „küünal” ja viiakse see tsoonsulatusahju. Seal kuumutatakse sulamistemperatuurini vaid väga kitsas osa ning taas püüavad lisandid jõuda sulanud osasse. Kui nüüd see kuumutatav osa liigub üliaeglaselt allapoole, siis liiguvad ka lisandid alla ja ülemine osa saab aina puhtamaks. Pärast n+1 korda tsoonsulatust saame me siis lõpuks oma üheksa üheksaga materjali.

Vahvleid leiame ka kiibitööstusest
Nüüd on meil oma küünal käes ja edasi lõikame me selle nn vahvliteks (wafer ingl), kuna hiljem sinna loodud kiipidega paistab ta nagu vahvlipressi alt tulnud maiustus. Need lõigatakse sellest tsoonsulatusest tulnud ränisilindrist õhukeste ketastena, mille paksus on 275–925 µm. Sõltuvalt eesmärgist on kasutusel vahvlid läbimõõduga alates tollist (25,4 mm) kuni suurimate 450 mm-ni välja. Loomulikult annab suurema pindalaga vahvlile luua korraga rohkem kiipe ja see alandab tootmise omahinda. Ent suurendab taas keerukust. Kuni viimase ajani oligi keskprotsessorite (CPU) tootmiseks tavasuurus 300 mm ja alles viimasel ajal rajab Intel tehaseid, mis kasutavad juba pea poolemeetrise läbimõõduga (450 mm) vahvleid. Loomulikult sõltub materjali paksus ainest – peab ta ju vastu pidama omaenese kaalule.

Kiibimaailma kivijoonistajad
Ja nüüd algab protsess, mis on ka minu jaoks üsna puhas mütoloogia. Fotolitograafiaga kantakse neile vahvlitele kiibile vajalikud osised ja teed, olles eelnevalt need puhastanud ja katnud valgustundliku kihiga. Neid nii-öelda läbi maski „ilmutades” kantakse sinna peale vajalikud kiibi osad, siis rikastatakse neid vastavate lisanditega, et luua pooljuhtsiirdeid, seejärel neid taas puhastades, ilmutades, taas kattes ja taas valgustades luuakse lõpuks see miljarditest transistoritest koosnevatest kiipidest vahvel. Kuuekümnendatest kuni kaheksakümnendateni kasutati fotolitograafias elavhõbelampe – alul 436 nm (g-line), siis 405 nm (h-line) ja lõpuks 365 nm (i-line) valguse lainepikkusega. Kuid edasi vajati aina tihedamat transistorite pakkimist ja lamptehnoloogia jäi ajale jalgu. Aasta 1982 kujunes siin teedrajavaks, kui IBMi teadur K. Jain võttis kasutusele tollal uudse leiutisena ilmunud eksimeerlaserid, mis on tänapäeval ainsateks fotolitograafia vahenditeks. See lubas jätkuda Moore’i seadusel ja viia tehnoloogia 1990. aasta 0,5 µm pealt kahekümne aastaga 45 nm peale ja madalamale. Algselt leidsid kasutust krüptoonfluoriid-eksimeerlaserid lainepikkusega 248 nm, mis asendusid hiljem argoonfluoriidlaseritega lainepikkusega 193 nm. Selliste laserite tootjaid on maailmas vähe – alustas Lambda Physic ning tänasel päeval on kaks peamist tootjat Cymer Inc. ja Gigaphoton Inc. Hetkel on arenduses juba F2-eksimeerlaserid lainepikkusega 157 nm ning demonstratsioonidel on näidatud ka 10 nm kiibitehnoloogiat, kuid ilmselt ei saabu see tootmisesse enne aastat 2016.
Ei tohi segi ajada laseri lainepikkust ja nn kiibitehnoloogiat. Tänu nutikale läätsede süsteemile on võimalik ka suurema lainepikkusega laseritega joonistada palju peenemaid kiibistruktuure. Kiipide loomine toimub nn puhasruumides (Cleanroom), mille õhu puhtus on kordades suurem nt torakaalkirurgia opisaalide omast. Näiteks tavaline linnaõhk (ISO 9) sisaldab 35 miljonit 0,5 μm või suurema läbimõõduga saasteosakest ühes õhu kuupmeetris. Puhasruumis ei tohi nii suuri osakesi üldse olla ja 0,3 μm väiksemaid tohib olla puhtamais (ISO 1) ruumis mitte rohkem kui 12 ühes kuupmeetris.

Vahvlist sajajalgseni
Nüüd on meil suurele vahvlile joonistatud ja kujundatud sajad kiibid, neile on lisatud ühendusteed, mida tehakse eranditult puhtast kullast, sest muud materjalid (isegi parema elektrijuhtivuse ja väiksema takistusega hõbe) on liialt varmad nii „õhukestes” tingimustes alluma korrosioonile välise keskkonna toimel. Edasi lähevad need valminud vahvlid, pakendatuna inertsesse keskkonda, tehastesse, kus nad lahti saetakse ja juba koos viikude ja jalgadega n-ö pakenditesse vormindatakse. Kui me vaatame nt Inteli CPUsid, siis näeme paljudel peal kirja Made in Malaysia. Ent Malaisias pole tegelikult ühtegi kiibitehast – seal vaid pakendatakse lõplikku produkti. Protsessoreid fotolitograafia mõttes toodavad vaid vähesed tehased – Intelil on need USAs, üks Iirimaal, üks Iisraelis ja üks Hiinas, AMDil on tehas Saksamaal Dresdenis. Ka graafikaprotsessorid pärinevad sageli ühest kohast. Disainivad neid firmad ise, aga tootvad tehased on mujal. Nii nVidia kui AMD graafikakiibid pärinevad tegelikult Taiwanilt firmast TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company), mis on üks suurimaid kiibitootjaid maailmas.
Seega teekond liivaterast protsessorini on pikk ja täiustub pidevalt igas etapis. Midagi on meile nähtav, midagi on varjus – kuid töö käib, sest siin taga on nii ühiskonna areng kui ka suur raha. Kuid üsna peatselt võib meie liivatera ka pensionile jääda, sest ränipooljuhtide alal on tehnoloogias lihtsalt füüsikalised piirid ette jõudmas – veelgi „peenemaks” minnes hakkavad sekkuma juba kvantefektid ja edasisel teel on tõkkepuu ees. Kuid juba käivad arendused grafeeni, valgu või muul baseeruvate transistorite loomisel ja ega ka kvantarvutid pole enam horisondi taga. Seniks aga vaatame, kuis vana hea räni meid teenindab.

Lisa kommentaar

Turvaküsimus: *