Akt I
Abstieg
Neun Ebenen, jede zehnmal bis tausendmal kleiner als die davor. Beim Scrollen geht es durch das Gehäuse hindurch in den Chip, durch den Chip in den Transistor, durch den Transistor in den Kristall, bis ein einzelnes Siliziumatom übrig bleibt.
Ebene 1 von 9
Mainboard
Silizium ist nicht allein
Unten im Kristall ist fast alles Silizium. Darüber sitzen Isolatoren, Metalle für die Gates und kilometerlange Leitungen. Für die Herstellung braucht es noch einmal ein Dutzend weiterer Stoffe, die am Ende nicht im Chip bleiben. Ein Element antippen, um zu sehen, was es tut.
Akt II
Aufstieg
Wie aus dem Atom ganz unten wieder eine Maschine wird, die rechnet. Der Weg führt durch Temperaturen über 2000 °C, durch Chlorchemie, durch eine Reinheit von elf Neunen und durch Licht, das es auf der Erde sonst nicht gibt.
Warum diese Seite jetzt gelb ist: Reinräume, in denen Wafer belichtet werden, sind in dieses Licht getaucht. Fotolack reagiert auf blaues und ultraviolettes Licht, auf Gelb reagiert er nicht.
1 · Stein
Das zweithäufigste Element der Erdkruste
Von 100 Gramm Erdkruste sind 28 Gramm Silizium. Nur Sauerstoff kommt häufiger vor, und fast immer stecken die beiden zusammen: im Quarz, in Feldspat, Glimmer und Ton. Silizium gibt es auf der Erde praktisch nur als Gestein.
Massenanteile der kontinentalen Erdkruste nach CRC Handbook of Chemistry and Physics, gerundet. Jedes Feld ist ein Gramm.
2 · Läuterung
Von 98 Prozent zu elf Neunen
Zuerst muss der Sauerstoff aus dem Stein heraus, dann alles andere außer Silizium. Sechs Stationen, von der Kohle im Lichtbogen bis zur polierten Scheibe.
3 · Kristall
Ein Kristall, zwei Meter lang, ein einziges Gitter
Im Czochralski-Verfahren taucht ein daumendicker Impfkristall in die Schmelze bei 1414 °C und wird langsam gedreht und hochgezogen. Die Atome der Schmelze lagern sich genau in der Ordnung des Impflings an. Heraus kommt ein Zylinder, in dem jedes der rund 1028 Atome im selben Gitter sitzt.
Wer schneller zieht, bekommt einen dünneren Kristall, weil die Schmelze weniger Zeit hat, seitlich anzuwachsen. Die Anlage regelt deshalb Geschwindigkeit und Temperatur nach, bis der Durchmesser genau 300 mm beträgt.
- Durchmesser
- 300 mm
- Länge
- 0 mm
- Masse
- 0 kg
- Wafer daraus
- 0
Jan Czochralski entdeckte das Verfahren 1916 durch einen Zufall: Statt ins Tintenfass tauchte er die Feder in geschmolzenes Zinn. Wafer: 775 µm dick, dazu kommt der Sägeverlust. Das Modell ist vereinfacht.
4 · Licht
Licht mit 13,5 Nanometern Wellenlänge
Strukturen, die kleiner sind als die Wellenlänge sichtbaren Lichts, werden mit extremem Ultraviolett belichtet. Dieses Licht gibt es auf der Erde nicht von allein. Eine EUV-Anlage erzeugt es, indem sie 50 000 Mal pro Sekunde einen Zinntropfen mit einem Laser zu Plasma verdampft.
- Tropfen Zinn, etwa 27 µm, fliegt mit rund 70 m/s
- Vorpuls ein schwacher Laserpuls drückt ihn zu einer Scheibe
- Hauptpuls ein CO2-Laser verdampft die Scheibe
- Plasma rund 220 000 °C, es strahlt bei 13,5 nm
Jeder Spiegel frisst 30 Prozent
EUV-Licht wird von jedem Material geschluckt, auch von Luft und Glas. Linsen sind deshalb unmöglich, die Anlage arbeitet im Vakuum und nur mit Spiegeln. Diese bestehen aus rund 50 abwechselnden Schichten Molybdän und Silizium und reflektieren jeweils nur etwa 70 %. Hier lässt sich einstellen, wie viele Spiegel das Licht passiert.
Am Wafer kommen an.
Hundert Belichtungen übereinander
Ein Chip ist kein flaches Bild. Über den Transistoren liegen bis zu zwanzig Ebenen Verdrahtung, unten so fein wie ein paar Dutzend Atome, oben dick wie ein Haar. Jede Ebene heißt: beschichten, belichten, entwickeln, ätzen, füllen, polieren. Für den ganzen Stapel sind es über tausend Prozessschritte und etwa drei Monate. Eine Schicht antippen, um sie zu sehen.
5 · Schalter
Absichtlich verunreinigt
Reines Silizium leitet kaum. Jedes Atom hat vier Außenelektronen und teilt sie mit seinen vier Nachbarn, kein Elektron bleibt übrig. Nach all der Reinigung werden jetzt absichtlich Fremdatome eingebaut. Phosphor bringt ein fünftes Elektron mit, Bor lässt eine Lücke. Ein Atom antippen, um es auszutauschen.
Schema. In echt ist das Gitter dreidimensional (Diamantstruktur), und Dotierungen liegen bei 1015 bis 1020 Fremdatomen pro cm³, also ein Fremdatom auf 50 Millionen bis eines auf 500 Siliziumatome.
Ein Tor aus Feld
Ein Transistor legt zwei n-dotierte Inseln, Source und Drain, in p-dotiertes Silizium. Dazwischen können keine Elektronen fließen. Über dem Spalt liegt, getrennt durch eine isolierende Schicht von wenigen Atomlagen, das Gate. Bekommt es Spannung, zieht es Elektronen an die Oberfläche. Es bildet sich ein Kanal, und der Transistor leitet.
- Strom
- 1 pA
- Zustand
- 0
Strom je Mikrometer Kanalbreite, Schwellspannung 0,3 V, unterhalb davon fällt der Strom um eine Zehnerpotenz je 70 mV. Heutige Transistoren umschließen den Kanal von allen vier Seiten (Gate-all-around), die Idee bleibt dieselbe.
6 · Logik
Vier Schalter, ein Gedanke
Aus vier Transistoren entsteht ein NAND-Gatter. Sein Ausgang ist nur dann 0, wenn beide Eingänge 1 sind. Das klingt bescheiden, aber aus NAND allein lässt sich jede andere Logik bauen. Die Eingänge umschalten und zusehen, welche Transistoren leiten.
| A | B | Y |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
7 · Rechnung
Die erste Addition
Neun NAND-Gatter ergeben einen Volladdierer. Er addiert zwei Bits und einen Übertrag. Acht davon in einer Reihe addieren zwei Zahlen von 0 bis 255. Das ist die Stelle, an der aus Stein Rechnen wird. Die Bits antippen oder Zahlen eintippen.
Ein Takt
Ein Prozessorkern mit 5 GHz schlägt fünf Milliarden Mal pro Sekunde. Jeder Schlag dauert 0,2 Nanosekunden. In dieser Zeit kommt Licht nur so weit:
Auf dem Bildschirm etwa in echter Größe. In den Leitungen des Chips ist das Signal noch deutlich langsamer.
Seit diese Seite offen ist, hätte ein einziger Kern so oft geschlagen:
In jedem dieser Takte schalten Milliarden Transistoren, jeder davon ein paar Dutzend Atomlagen dick, jeder aus Silizium, das vorher Stein war.