Allt finns i chipsen

Nuförtiden finns det halvledare i praktiskt taget allting. De senaste mobiltelefonerna har mer datorkraft än stora datorer hade för 10 till 15 år sedan, kanske till och med mer än för fem år sedan. Vi tar allt detta för givet och tänker aldrig på vad som ligger bakom att vi kan ladda upp en högupplöst bild till sociala medier på mindre än en sekund, och att miljontals användare över hela världen gör samma sak samtidigt, säger Murat Gulcur, ansvarig för materialutveckling för halvledare inom Trelleborg.
Och han fortsätter: Tänk på hur mycket data som behöver bearbetas och lagras om bara 10 procent av alla användare av sociala medier laddar upp en bild om dagen. Lägg sedan e- posten till det, en funktion som kräver kontinuerlig lagring och säkerhetskopiering. Mängden data ökar ständigt, och den enorma datamängden bearbetas med hjälp av halvledare.
Processorkraften hos ett mikrochip eller en integrerad krets är direkt relaterad till antalet transistorer på chipet. Processorkraften kan ökas genom att fler transistorer pressas in på varje chip.
— Halvledartekniken har utvecklats avsevärt under åren, och framför allt har den miniatyriserats. I den allra första integrerade kretsen fanns det bara 16 transistorer, med
en funktionsstorlek på 40 mikrometer eller 40 000 nanometer — ungefär hälften så brett som ett mänskligt hårstrå, säger Murat Gulcur.
Han förklarar att termen ”funktionsstorlek” — eller ”feature size”, är ett mått på storleken hos en transistor.
År 1965 förutspådde Gordon Moore, medgrundare av Intel, att antalet transistorer på en given kiselyta skulle fördubblas vartannat år. Några år senare reviderade han sitt uttalande, som nu är känt som Moores lag, och menade att antalet transistorer per integrerad krets skulle fördubblas var 18:e till 24:e månad — en häpnadsväckande förutsägelse som har visat sig stämma.
Dagens integrerade kretsar innehåller miljarder transistorer, och tillverkningsprocessen sker på nanonivå. De mest avancerade halvledarna idag har funktionsstorlekar ner till fem nanometer. Det är fem miljarddels meter.
— Moores lag har gällt fram till nyligen, men snart kan kurvan för antalet transistorer per ytenhet börja plana ut. Det beror på att vi har nått en fysisk gräns — summan av funktionsstorlekarna närmar sig det faktiska utrymmet i en halvledare — det får helt enkelt inte plats fler transistorer på den tvådimensionella chipytan, säger Murat Gulcur.
Processorkraften och dataöverföringshastigheten måste dock öka ytterligare. Det krävs inte bara för de enheter som vi kan se och hantera, utan även för snabbt växande tillämpningar som kräver enorm lagrings- och bearbetningskapacitet, som självkörande bilar, artificiell intelligens, big data, molntjänster och sakernas internet (IoT).
— Halvledaringenjörer ökar processorkraften genom att skapa komplexa tredimensionella arkitekturer för att få plats med fler transistorer i samma komponent Vi går bortom den traditionella fysikens områden, till kvantfysik och kvantmekanik — där konstruktionsprinciperna förändras, förklarar Murat Gulcur.
Mikrochips tillverkas i halvledaranläggningar, som i princip är gigantiska renrum med extremt kostsam och specialiserad utrustning. Mycket av denna utrustning är beroende av tätningar som klarar de mycket krävande förhållandena i halvledarproduktionen.
— Det är viktigt att öka tätningarnas livslängd för att förlänga intervallen för planerat underhåll. Det minskar den totala ägandekostnaden för halvledaranläggningar, men gör också att produktionen av kiselplattor kan optimeras. I produktionslinjer för volymtillverkning av halvledare räknas varje sekund. Oplanerade stopp får inte förekomma och planerade underhållsavställningar måste minimeras, säger Murat Gulcur.
På nanometerskalan är luften extremt smutsig. I produktionen måste allt som är involverat i mikrochipstillverkning, inklusive tätningar, vara extremt rent, så att inga partiklar kommer in i tillverkningsprocessen utifrån.
Murat Gulcur berättar att partiklar som inte syns med blotta ögat kan leda till defekter på kiselplattor.
— Det är av största vikt att tätningarna i tillverkningsutrustningen för halvledare är extremt rena vid leverans för att undvika skador på små elektroniska komponenter, skador som kan ge upphov till mycket större fel. Våra tätningar för halvledartillverkning tillverkas därför i renrum, hela vägen från råvara till slutprodukt. Komponenterna lämnar aldrig renrummet innan de ska skickas till kund, och specialförpackas efter en grundlig rengöringsprocess. Det gör att våra kunder får ut så mycket som möjligt av produkten.
Tätningarna måste också fungera tillförlitligt i alla processteg under halvledartillverkning, och ju längre man kommer i processen desto mer krävande blir förhållandena.
— Antalet processteg för att tillverka en halvledarkomponent ökar. När funktionsstorleken låg runt 28 nanometer krävdes det ungefär 400 processteg. Med en funktionsstorlek på fem nanometer blir det frågan om tusentals processteg, trots avancerad extrem ultraviolett [EUV] litografi som är standard i avancerad halvledartillverkning. Varje processteg måste ske i renrumsmiljö, och våra renrum är mycket rena — vid ISO 5/klass 100 förekommer det högst 100 000 partiklar större än 0,1 μm per kubikmeter luft. Halvledartillverkarnas renrum är dock ISO 1, vilket är 10 000 gånger renare. Våra tätningar befinner sig i en kontinuerlig utvecklingscykel. I takt med att branschen förändras föratt möta allt högre krav på processorkraft och liten volym ökar utmaningarna för både mikrochipstillverkarna och oss, säger han.
Och Murat Gulcur konstaterar avslutningsvis: — Specialframtagna material som tidigare fungerade perfekt börjar nå sina gränser — vi måste utveckla nästa generation av ännu bättre material. För att fortsätta att uppfylla kraven från tillverkare av halvledarutrustning måste vi vara ständigt uppmärksamma. Det räcker inte att hålla jämna steg medtrenderna — vi måste ligga steget före och förutse hur de kommer att påverka våra produkter. Vi måste vara beredda att agera.
Kan du termerna?
Halvledare: En typ av material vars elektriska resistans kan styras mellan isolerande och ledande.
Halvledarfabrik: En anläggning där halvledare tillverkas.
Kiselplatta: Basmaterialet för alla mikrochips eller integrerade kretsar. En kiselplatta är tillverkad av rent kristallint kisel och förses med inbäddade joner för att ge den halvledarkarakteristik.
Mikrochip eller integrerad krets: Dessa är i princip samma sak – ett antal halvledarkomponenter som består av flera kretselement.
Funktionsstorlek: Ett mått på en halvledarkomponents storlek. Ju mindre funktionsstorlek desto mer avancerat mikrochip.
Transistor: En halvledarkomponent som bryter eller förstärker en elektrisk signal. I datorer är transistorer element som kan växla ledningstillstånd mellan etta och nolla. Samverkande transistorer kan användas för att lagra data och utföra binära operationer.
För mer information, besök:
Detta är en artikel från Trelleborgs magasin T-Time, för att se alla språkversioner och tidigare nummer, klicka här.