TESLA 3: Křemíková Mystery Cache

Česky

Historie

Národní podnik TESLA Rožnov byla prvním a po dobu své existence jediným producentem křemíkových monokrystalů v Československu. Křemíkové monokrystaly, desky a čipy se zde díky společnosti ON Semiconductor vyrábí i dnes. Téměř bez nadsázky lze říci, že podoba průmyslového areálu je silně podřízena právě výrobě těchto produktů. Ale pěkně po pořádku…

Produkce germania

Výroba monokrystalického křemíku se do rožnovské Tesly dostala díky (jemně řečeno) neúspěchu řešení komplexního státního úkolu zajištění tuzemské výroby germania počátkem 50. let 20. století. Úkol řešila Československá Akademie věd spolu s řadou dalších institucí a podniků.
Záměrem bylo chemickou cestou oddělit germanium z popílku elektrárny, ve které by se topilo vhodným germanionosným uhlím. První potíž nastala už s nedostatečným obsahem germania v popílku, kdy ho většina končila ve škváře. Problém řešili odborníci z Akademie věd přidáváním síry, což ovšem mělo za následek rychlou oxidaci kotlů. Vše skončilo na příkaz ředitele elektrárny zákazem vstupu a vyvedením akademiků před bránu elektrárny ozbrojenou závodní hlídkou. Ředitel se nechal slyšet, že se raději nechá zavřít, ale kotle že si zničit nenechá.
Ani proces čištění germania se nepodařilo zvládnout a výsledný produkt nedosahoval požadované kvality (kterou stanovovala právě TESLA Rožnov). Na tzv. "Liblické konferenci" bylo tedy předneseno, že úkol se vyřešit nepodařilo, což bylo počátkem 50. let něco naprosto nevídaného.
Inženýr Gajda, který měl záležitost na starosti duchaplně zachránil situaci konstatováním, že to je vlastně dobře, protože jinde ve světě se stejně uvažuje spíše o použití křemíku a aspoň se nebude prošlapávat neperspektivní cesta. Výsledkem bylo zadání úkolu státnímu podniku TESLA Rožnov v podobě výzkumu a zavedení produkce polovodičového křemíku. Tím se dostal závod z role kontrolní do role vývojové a produkční. Byl pro to vhodný, neboť před tím zde již byla zvládnuta například technologie výroby a zpracování wolframu. Germanium pro polovodičový průmysl bylo nadále tajně pašováno z kapitalistického zahraničí.

Výzkum produkce křemíku

Ani produkce křemíku nebyla jednoduchým úkolem, protože vyrobit křemík v požadované kvalitě 99,9999% není snadný úkol. Metod rafinace je několik, nicméně asi nejlepší metodou je výroba z trichlorsilanu. Československo nemaje zdroje trichlorsilanu, dováželo jej z NDR (což byl jediný dlouhodobý zahraniční kontrakt, který TESLA kdy uzavřela). Tento dovoz poměrně důkladně sledovala Stasi a pravidelně pak podávala hlášení o četnosti a druzích styků řidičů cisteren s místními obyvateli. Odstavené prázdné cisterny trichlorsilanu stávaly po rožnovských čtvrtích podle toho, kde zrovna měli řidiči kamionů domluvený "nocleh" (i přes to, že měli od podniku zaplacený hotelový pokoj). Sledování Stasi bylo tak důkladné, že byl dokonce znám i způsob dorozumívání lidí, kteří neovládali cizí jazyk: lidé si zkrátka kreslili a mnohé z těchto kresbiček pak sloužily k obveselení vedoucích pracovníků při pravidelných potvrzeních prodloužení kontraktu každý rok na jaře.

Pro výrobu polovodičových součástek se klasický polykrystalický křemík nehodí, proto je potřeba jej převést do formy monokrystalické. Výzkum této technologie se prováděl v budově M1 v druhé etáži. Do křemíku je potřeba přidat i správné množství dopantů, kterými lze ovlivňovat elektrické parametry krystalu. Přitom ale vznikají problémy s homogenitou rozložení dopantu v materiálu. Z taveniny křemiku a dopantů se pak s pomocí zárodečného monokrystalu tzv. Czochralského procesem vytáhne celý monokrystalický ingot. Většinu těchto problémů se podařilo vyřešit začátkem roku 1959, kdy byl vytažen první monokrystal požadovaných vlastností a kvality.

Produkce křemíku

První monokrystaly byly taženy v malých průměrech kolem 1.5cm, postupně se však průměry zvětšovaly. Zvětšovala se i poptávka po tomto materiálu, takže bylo zanedlouho potřeba postavit budovu V2 (tzv. "stará křemíkárna", postavená v roce 1961, zbořena v roce 1982, stála zhruba v místech dnešní budovy U72 za starým internátem), ve které byla první výroba monokrystalického křemíku v Československu. Postupně byla výroba přesunuta do budovy M8 a nakonec do dnešního umístění v budově V12.

Od tranzistoru k čipům a dál

Jedny z prvních polovodičových součástek, které se vyráběly byly pochopitelně tranzistory. S elektronkami se obvody konstruují jinak, jsou odolnější vůči přepětím a zkratům a snadno se v nich hledají závady (elektronka nesvítí, nebo nesvítí dost). Naproti tomu polovodičové součástky jsou poměrně citlivé na elektricky hrubší zacházení a zjistit zda-li tranzistor funguje lze bez měřícího přístroje jen obtížně. V době kdy se polovodiče začaly vyrábět si s nimi elektrotechnici i kutilové příliš nevěděli rady, neboť byli zvyklí na elektronky. Proto probíhala od počátku 60. let osvěta v odborných i hobby časopisech, jak s pomocí tranzistorů konstruovat různé obvody.

Nezůstalo však pouze u tranzistorů. Brzy se začala vyvíjet tzv. planární technologie, která umožňuje na povrchu křemíku vytvářet přímo celé obvody ať již výkonové (např. operační zesilovače) nebo logické (např. obvod NAND, nebo NOR). Za tímto účelem byla postavena budova M8 s pozdější přístavbou PM8, které jsou k tomuto účelu využívány dodnes. S rostoucím stupněm miniaturizace rostla i složitost obvodů a spolu s tím i množství aplikací.
Výzkum se orientoval na vývoj nových technologií (MIS, MTNS, bipolární IO, TTL, STTL, isoplanární technologie, BIFET technologie, I²L technologie, Superbeta technologie, tenzometry, kardiostimulátory, fotovoltaické články, infračervené kamery, gigahertzová technologie IMPACT X a detektory rychlých elementárních částic) i když výzkumníci řešili nezřídka i problémy související s pájitelností součástek apod. Koncem 80. let už se zde vyráběly řádově desítky různých obvodů v různém provedení o jejichž vysoké kvalitě svědčí to, že mnohé ze zde vyrobených součástek a obvodů jsou i po více než 20 letech od ukončení produkce stále na trhu.

Dnes už probíhá výroba monokrystalického křemíku a křemíkových desek pod hlavičkou společnosti ON Semiconductor v budově V12 a M10. V budově V12 jsou umístěny zařízení pro tažení (tzv. tažičky), opracování ingotů, řezání ingotů na jednotlivé desky, a jejich další zpracování, v budově M10 jsou pak linky na leštění desek. V současnosti se zde vyrábí ingoty o průměru cca 15 cm. Budovy M1 a M8 pak slouží k výrobě čipů na těchto křemíkových deskách.

Křemík

Křemík je světle šedý polokovový prvek hojně se vyskytující v zemské kůře obvykle v podobě oxidů, který je v čisté podobě netoxický, nicméně jeho sloučeniny (s výjimkou oxidu) jsou značně reaktivní a toxické. V čisté podobě se vyskytuje ve formě polykrystalické (vzniká ztuhnutím křemíkové taveniny) a monokrystalické (vyráběné Czochralského procesem). Pro potřeby elektrotechnického průmyslu se křemík s čistotou 99,9999 % dopuje ionty bóru čímž vzniká tzv. p-substrát, nebo ionty fosforu pro tzv. n-substrát. Pomocí nich se pak vyrábějí z fyziky polovodičů známé PN přechody.

Výroba a čištění

Křemík pro elektrotechnický průmysl se zpravidla vyrábí růstem krystalického křemíku z plynu trichlorsilanu na podkladu čistého křemíku. Trichlorsilan se vyrábí redukcí taveniny vysoce čistého křemíku na uhlíkové elektrodě v obloukové peci. Takto vyrobený křemík se pak s pomocí kyseliny fluorovodíkové převede na plyn, který se několikanásobně destiluje.
Existuje i metoda tzv. zonálního tavení, kdy se tyč z křemíku postavená na výšku taví postupně shora dolů přičemž nečistoty zůstávají v místě tavení, takže se dostanou až na konec, který se uřízne. Opakovaným procesem lze dosáhnout vysoké čistoty.

Výroba monokrystalu

Vyčištěný křemík se umístí do tzv. tažičky, ve které je velký kelímek z křemenného skla. Do něj se naskládají kusy křemíku (nebo nasype křemíkový písek). Pomocí indukčního ohřevu se křemík v argonové atmosféře roztaví. Do taveniny je pak ponořen zárodečný monokrystal, kolem kterého se z taveniny začne při správné rychlosti vytahování nabalovat monokrystal. Jak kelímek, tak zárodek rotují proti sobě určitou rychlostí a při vytahování ingotu se musí pomalu zvedat i kelímek, aby hladina zůstávala stále ve stejné výšce. Na hotovém monokrystalu je povrch opracován do tvaru válce a s pomocí lomu rentgenového záření uvnitř ingotu (rentgenová krystalografie) je určena krystalová rovina a podle ní vyfrézována podélná ploška - fazeta.

S pomocí pily s vnitřním ostřím pokrytým diamantovým prachem je pak ingot nakrájen na tenké plátky, které se pak dalším procesem broušení, mytí a leptání zpracují na křemíkové desky. Pro potřeby výroby čipů se zpracování desky obvykle končí tzv. epitaxním růstem, kdy se z plynného trichlorsilanu ukládá na povrch krystalu tenká vrstva čistého křemíku. Kromě metody řezání pilou byla v závodě TESLA Rožnov vyvinuta a zvládnuta i unikátní metoda řezání drátem, kdy se tenkým drátem s brusivem dá rozřezat celý ingot (během několika hodin) najednou. Tato metoda je dnes používána také v budově V12.

Výroba čipů

Samotná výroba čipů je pak velmi složitý proces spočívající (velmi zjednodušeně řečeno) v postupném vytváření objemových struktur různě dopovaného materiálu pod povrchem křemíkové desky, které na styku uvnitř krystalu tvoří P-N přechody.
Fotolitografickým procesem je na povrch desky vytvořen film z světlocitlivého laku, do kterého je světlem přenesena struktura. V osvícených místech lak vytvrdne a v ostatních částech je odleptán. V těch se epitaxní růstem nanese na křemíkový krystal tenká vrstva čistého křemíku, do níž se provede iontová implantace. Tou se s pomocí lineárního urychlovače vstřelí ionty dopantu do epitaxní vrstvy na povrchu desky. Tyto ionty jsou následně pomocí tepelné difuze "rozpity" do potřebné hloubky. Lak na povrchu je následně plazmaticky odleptán a celý proces se může opakovat. Nakonec se povrch zafixuje pasivační nitridovou vrstvou a napráší se kovové kontakty, které propojí jednotlivé polovodičové součástky na čipu. Takto vyrobené čipy se pak změří, rozřežou, nakontaktují a zapouzdří. Celý výrobní proces čipu trvá podle složitosti obvodu zhruba 14 dnů až měsíc.

Výroba probíhá v tzv. čistých prostorech, kde je stabilní teplota, vlhkost, vysoká čistota (průměrně do 100 prachových částic na kubickou stopu, pro srovnání: běžný kancelářský prostor má prašnost 10 000 prachových částic na kubickou stopu). Pracovníci v této výrobě musí být celou dobu oblečeni ve speciálních kombinézách a musí dodržovat přísná pravidla chování a manipulace s deskami.
Čisté prostory jsou přetlakové a nad místy kde se otevřeně manipuluje s deskami jsou speciální ventilační jednotky zajišťující laminární proudění vzduchu shora dolů, díky kterým se dosahuje úrovně tzv. superčistých prostor (průměrně do 10 prachových částic na kubickou stopu).

Ve výrobě je využívána řada plynů (dusík, vodík, chlorovodík, silan), kyselin (sírová, dusičná, chlorovodíková, fluorovodíková), louhů (draselný, sodný), organických látek (fotolaky, vyvolávací a stabilizační činidla, isopropylalkohol, detergenty) a velké množství demineralizované vody. S procesními deskami manipulují pracovníci (operátoři) s pomocí vakuových pinzet. Dnes jsou již všechny procesy automatizovány, takže úkolem operátorů je především zajišťování zpracování desek na jednotlivých zařízeních, zadávání parametrů, kontrola procesů a jejich výstupů, zajišťování provozních médií apod.

O tom jak taková výroba vypadá si můžete udělat představu například z tohoto videa, ve kterém je řada ukázek přímo z výroby čipů v Rožnově.

Keš

Keš není umístěna na výchozích souřadnicích, na těch najdete budovu V12, ve které se dnes vyrábí monokrystalický křemík. Pro zjištění souřadnic keše bude potřeba vyluštit šifru, která s křemíkem a polovodiči určitým způsobem souvisí. Keš samotná je přístupná i pro vozíčkáře, nápověda ovšem nikoliv.

Šifra

V níže uvedené změti znaku se skrývají souřadnice umístění finálky. K jejímu luštění vám sice stačí papír a tužka, nicméně bez použití nějakého polovodičového zařízení ji zvládne vyluštit jen málokdo.

-

F

+

F

+

L

|

F

F

+

L

F

+

F

F

+

F

+

F

+

F

L

F

+

F

+

F

+

F

+

L

L

+

L

-

F

-

F

-

F

+

F

+

F

L

+

L

L

-

F

-

F

F

+

L

.

L

+

L

-

F

-

F

-

F

-

F

F

-

F

L

F

-

F

F

+

L

F

+

F

+

F

-

F

-

F

-

L

L

L

L

L

-

L

L

-

F

F

+

L

F

+

F

+

F

-

F

-

F

L

L

|

F

+

F

F

+

F

+

L

+

F

-

L

-

L

L

.

L

-

F

F

+

F

L

F

+

F

F

+

F

+

F

F

+

L

L

F

+

F

+

F

+

F

+

L

L

F

+

F

F

+

F

+

F

F

|

L

-

F

L

-

L

|

F

F

Nápověda

Že si s tím nevíte rady? Není to jednoduché, ale možná vám pomůžou jako nápověda jistá dvě slova. Která to jsou vám samozřejmě neřeknu, ale dám vám indicie, podle kterých by nemělo být těžké je uhodnout:

Polévka, krunýř, dlouhověkost

Umění, tisk, technika

Stále nic? V tom případě si ještě můžete dojít pro nápovědu (kde se ale opět neobejdete bez nějakého chytrého polovodičového pomocníka :). Nápověda se skrývá na

TiA0OcKwIDI3Ljg4NCBFIDE4wrAgMDcuMzM1IENTOiBabmHEjWthIEVOOiBTaWdu

Kontrola

Než se vydáte pro samotnou kabičku, určitě si ověřte souřadnice. Dozvíte se i konkrétní nápovědu pro hledání. Pokud si nemůžete ověřit souřadnice online, pak ciferace N = 4 a E = 7. Při hledání krabičky buďte opatrní a přemýšlejte.