فرایند‌های تولید قطعات الكترونیكی
فرایند‌های تولید قطعات الكترونیكی
● ماده اولیه
امروزه همه می‌دانند كه ماده اولیه پردازنده‌ها همچون دیگر مدارات مجتمع الكترونیكی، سیلیكون است. در واقع سیلیكون همان ماده سازنده شیشه است كه از شن استخراج می‌شود. البته عناصر بسیار دیگری هم در این فرایند به‌كار برده می‌شوند و لیكن از نظر درصد وزنی، سهم مجموع این عناصر نسبت به سیلیكون به‌كار رفته در محصول نهایی بسیار جزئی است.
آلومینیوم یكی از مواد دیگری است كه در فرایند تولید پردازنده‌ها اهمیت زیادی دارد. هرچند كه در پردازنده‌های مدرن، مس به‌تدریج جایگزین آلومینیوم می‌شود.
علاوه بر آنكه فلز مس دارای ضریب هدایت الكتریكی بیشتری نسبت به آلومینیوم است، دلیل مهم‌تری هم برای استفاده از مس در طراحی پردازنده‌های مدرن امروزی وجود دارد. یكی از بزرگ‌ترین مسائلی كه در طراحی پردازنده‌های امروزی مطرح است، موضوع نیاز به ساختارهای فیزیكی ظریف‌تر است. به‌یاد دارید كه اندازه‌ها در پردازنده‌های امروزی در حد چند ده نانومتر هستند. پس ازآنجایی‌كه با استفاده از فلز مس، می‌توان اتصالات ظریف‌تری ایجاد كرد، این فلز جایگزین آلومینیوم شده است.
● آماده‌سازی
فرایند‌های تولید قطعات الكترونیكی از یك جهت با بسیاری از فرایند‌های تولید دیگر متفاوت است. در فرایند‌های تولید قطعات الكترونیك، درجه خلوص مواد اولیه مورد نیاز در حد بسیار بالایی اهمیت بسیار زیادی دارند. اهمیت این موضوع در حدی است كه از اصطلاح electronic grade برای اشاره به درجه خلوص بسیار بالای مواد استفاده می‌شود.
به همین دلیل مرحله مهمی به‌نام آماده‌سازی در تمامی فرایند‌های تولید قطعات الكترونیك وجود دارد. در این مرحله درجه خلوص موارد اولیه به روش‌های گوناگون و در مراحل متعدد افزایش داده می‌شود تا در نهایت به مقدار خلوص مورد نظر برسد. درجه خلوص مواد اولیه مورد نیاز در این صنعت به اندازه‌ای بالا است كه توسط واحد‌هایی مانند ppm به معنی چند اتم ناخالصی در یك میلیون اتم ماده اولیه، بیان می‌شوند.
آخرین مرحله خالص‌سازی ماده سیلیكون، به‌این صورت انجام می‌شود كه یك بلورِ خالص سیلیكون درون ظرف سیلیكون مذاب خالص شده قرار داده می‌شود، تا بلور بازهم خالص‌تری در این ظرف رشد كند (همانطور كه بلورهای نبات در درون محلول اشباع شده به‌دور یك ریسمان نازك رشد می‌كنند). در واقع به این ترتیب، ماده سیلیكون مورد نیاز به‌صورت یك شمش تك كریستالی تهیه می‌شود (یعنی تمام یك شمش بیست سانتی‌متری سیلیكون، یك بلور پیوسته و بدون نقص باید باشد!).
این روش در صنعت تولید چیپ به روش CZ معروف است. تهیه چنین شمش تك بلوری سیلیكون آنقدر اهمیت دارد كه یكی از تحقیقات اخیر اینتل و دیگر شركت‌های تولید‌كننده پردازنده، معطوف تولید شمش‌های سی‌سانتی‌متری سیلیكون تك‌بلوری بوده است. درحالی‌كه خط تولید شمش‌های بیست سانتی‌متری سیلیكون هزینه‌ای معادل ۵/۱ میلیارد دلار در بر دارد، شركت‌های تولید كننده پردازنده، برای به‌دست آوردن خط تولید شمش‌های تك بلوری سیلیكون سی سانتی‌متری، ۵/۳ میلیارد دلار هزینه می‌كنند.
موضوع جالب توجه در این مورد آن است كه تغییر اندازه شمش‌های سیلیكون تك‌بلوری، تا كنون سریع‌تر از یكبار در هر ده سال نبوده است.
پس از آنكه یك بلور سیلیكونی غول‌آسا به شكل یك استوانه تهیه گشت، گام بعدی ورقه ورقه بریدن این بلور است. هر ورقه نازك از این سیلیكون، یك ویفر نامیده می‌شود كه اساس ساختار پردازنده‌ها را تشكیل می‌دهد. در واقع تمام مدارات یا ترانزیستورهای لازم، بر روی این ویفر تولید می‌شوند. هر چه این ورقه‌ها نازك‌تر باشند، عمل برش بدون آسیب دیدن ویفر مشكل‌تر خواهد شد.
از طرف دیگر این موضوع به معنی افزایش تعداد چیپ‌هایی است كه می‌توان با یك شمش سیلیكونی تهیه كرد. در هر صورت پس از آنكه ویفر‌های سیلیكونی بریده شدند، نوبت به صیقل‌كاری آنها می‌رسد. ویفر‌ها آنقدر صیقل داده می‌شوند كه سطوح آنها آیینه‌ای شود. كوچكترین نقصی در این ویفر‌ها موجب عدم كاركرد محصول نهایی خواهد بود. به همین دلیل، یكی دیگر از مراحل بسیار دقیق بازرسی محصول در این مرحله صورت می‌گیرد. در این گام، علاوه بر نقص‌های بلوری كه ممكن است در فرایند تولید شمش سیلیكون ایجاد شده باشند، نقص‌های حاصل از فرایند برش كریستال نیز به‌دقت مورد كنكاش قرار می‌گیرند.
پس از این مرحله، نوبت به ساخت ترانزیستورها بر روی ویفر سیلیكونی می‌رسد. برای این‌كار لازم است كه مقدار بسیار دقیق و مشخصی از ماده دیگری به درون بلور سیلیكون تزریق شود. بدین معنی كه بین هر مجموعه اتم سیلیكون در ساختار بلوری، دقیقاً یك اتم از ماده دیگر قرار گیرد. در واقع این مرحله نخستین گام فرایند تولید ماده نیمه‌هادی محسوب می‌شود كه اساس ساختمان قطعات الكترونیك مانند ترانزیستور را تشكیل می‌دهد. ترانزیستورهایی كه در پردازنده‌های امروزی به‌كار گرفته می‌شوند، توسط تكنولوژی CMOS تولید می‌شوند.
CMOS مخفف عبارت Complementary Metal Oxide Semiconductor است. در اینجا منظور از واژه Complementaryآن است كه در این تكنولوژی، از تعامل نیمه‌هادی‌های نوع n و p استفاده می‌شود.
بدون آنكه بخواهیم وارد جزئیات فنی چگونگی تولید ترانزیستور بر روی ویفر‌های سیلیكونی بشویم، تنها اشاره می‌كنیم كه در این مرحله، بر اثر تزریق مواد گوناگون و همچنین ایجاد پوشش‌های فلزی فوق نازك (در حد ضخامت چند اتم) در مراحل متعدد، یك ساختار چند لایه و ساندویچی بر روی ویفر سیلیكونی اولیه شكل می‌گیرد. در طول این فرایند، ویفر ساندویچی سیلیكونی در كوره‌ای قرار داده می‌شود تا تحت شرایط كنترل‌شده و بسیار دقیق (حتی در اتمسفر مشخص)، پخته می‌شود و لایه‌ای از SiO۲ بر روی ویفر ساندویچی تشكیل شود.
در جدیدترین فناوری اینتل كه به تكنولوژی ۹۰ نانومتری معروف است، ضخامت لایه SiO۲ فقط ۵ اتم است! این لایه در مراحل بعدی دروازه یا gate هر ترانزیستور واقع در چیپ پردازنده خواهد بود كه جریان الكتریكی عبوری را در كنترل خود دارد (ترانزیستورهای تشكیل دهنده تكنولوژی CMOS از نوع ترانزیستورهای اثر میدانی یا Field Effect Transistor :FET نامیده می‌شوند. در این ترانزیستورها، جریان الكتریكی از اتصالی به‌نام Source به اتصال دیگری به‌نام Drain جریان می‌یابد. وظیفه اتصال سوم به‌نام Gate در این ترانزیستور، كنترل و مدیریت بر مقدار و چگونگی عبور جریان الكتریكی از یك اتصال به اتصال دیگر است).
آخرین مرحله آماده‌سازی ویفر، قرار دادن پوشش ظریف دیگری بر روی ساندویچ سیلیكونی است كه photo-resist نام دارد. ویژگی این لایه آخر، همانطور كه از نام آن مشخص می شود، مقاومت در برابر نور است. در واقع این لایه از مواد شیمیایی ویژه‌ای ساخته شده است كه اگر در معرض تابش نور قرار گرفته شود، می‌توان آنرا در محلول ویژه‌ای حل كرده و شست و در غیر این صورت (یعنی اگر نور به این پوشش تابانده نشده باشد)، این پوشش در حلال حل نخواهد شد. فلسفه استفاده از چنین ماده‌ای را در بخش بعدی مطالعه خواهید كرد.
● ماسك كردن
این مرحله از تولید پردازنده‌ها، به‌نوعی از مراحل قبلی كار نیز مهم‌تر است. در این مرحله عمل فتولیتوگرافی(Photolithography) بر روی ویفر ساندویچی انجام می‌شود. در واقع آنچه در این مرحله انجام می‌شود آن است كه بر روی ویفر سیلیكونی، نقشه و الگوی استنسیل مشخصی با استفاده از فرایند فتولیتوگرافی چاپ می‌شود، تا بتوان در مرحله بعدی با حل‌كردن و شستن ناحیه‌های نور دیده به ساختار مورد نظر رسید (ازآنجایی كه قرار است نقشه پیچیده‌ای بر روی مساحت كوچكی چاپ شود، از روش فتولیتوگرافی كمك گرفته می‌شود.
در این روش نقشه مورد نظر در مقیاس‌های بزرگتر- یعنی در اندازه‌هایی كه بتوان در عمل آنرا تولید كرد، مثلاً در مربعی به مساحت یك متر مربع - تهیه می‌شود. سپس با تاباندن نور به الگو و استفاده از روش‌های اپتیكی، تصویر الگو را بر روی ناحیه بسیار كوچك ویفر می‌تابانند. مثلاً الگویی كه در مساحت یك متر مربع تهیه شده بود، به تصویر كوچكی در اندازه‌های چند میلیمتر مربع تبدیل می‌شود!). در این موارد چند نكته جالب توجه وجود دارد. نخست آنكه الگوها و نقشه‌هایی كه باید بر روی ویفر چاپ شوند، آنقدر پیچیده هستند كه برای توصیف آنها به ۱۰ گیگابایت داده نیاز است.
در‌واقع می‌توان این موضوع را به حالتی تشبیه كرد كه در آن قرار است نقشه‌ای مانند نقشه یك شهر بزرگ با تمام جزئیات شهری و ساختمانی آن بر روی ویفر سیلیكونی به مساحت چند میلیمتر مربع، چاپ شود. نكته دیگر آنكه در ساختمان چیپ‌های پردازنده، بیش از بیست لایه مختلف وجود دارد كه برای هر یك از آنها لازم است چنین نقشه‌هایی لیتوگرافی شود.
موضوع دیگری كه بد نیست در اینجا ذكر‌شود، آن است كه همانطور كه از دروس دبیرستانی ممكن است به‌یاد داشته باشید، نور در لبه‌های اجسام دچار انحراف از مسیر راست می‌شود. پدیده‌ای كه به پراش یا Diffraction معروف است. هرچه لبه‌های اجسامی كه در مسیر تابش واقع شده‌اند، كوچك‌تر یا ظریف‌تر باشند، پدیده پراش شدید‌تر خواهد بود.
در واقع یكی از بزرگ‌ترین موانع تولید پردازنده‌هایی كه در آنها از ساختارهای ظریف‌تری استفاده شده باشد، همین موضوع پراكندگی یا تفریق نور است كه باعث مات‌شدن تصویری می‌شود كه قرار است بر روی ویفر چاپ شود. برای مقابله با این مسئله، یكی از موثرترین روش‌ها، آن است كه از نوری در عمل فتولیتوگرافی استفاده كنیم كه دارای طول موج كوچك‌تری است (بر اساس اصول اپتیك، هرچه طول موج نور تابانده شده كوچك‌تر باشد، شدت پدیده پراكندگی نور در لبه‌های اجسام كمتر خواهد بود). برای همین منظور در تولید پردازنده‌ها، از نور UV (ماورای بنفش) استفاده می‌شود.
در واقع برای آنكه بتوان تصویر شفاف و ظریفی در اندازه‌ها و مقیاس آنچنانی بر روی ویفر‌ها تولید كرد، تنها طول موج ماورای بنفش جوابگو خواهد بود. اما اگر بخواهیم در نسل بعدی پردازنده‌ها، از الگوهای پیچیده‌تری استفاده كنیم، تكلیف چه خواهد بود؟ در تئوری می‌توان از تابشی با طول موج بازهم كوتاه‌تری استفاده كرد. اما مشكل در اینجا است كه تابش با طول موج كوتاه‌تر به معنی استفاده از نوعی اشعه ایكس است. می‌دانید كه چنین اشعه‌ای بیشتر از آنكه قادر باشد تصویری از نقشه مورد نظر بر روی ویفر ایجاد كند، به‌علت قابلیت نفوذ زیاد، از تمامی نواحی الگو به‌طور یكسان عبور خواهد كرد!
از موارد فوق كه بگذریم، پس از آنكه نقشه مورد‌نظر بر روی ویفر چاپ شد، ویفر درون محلول شیمیایی ویژه‌ای قرار داده می‌شود تا جاهایی كه در معرض تابش واقع شده‌اند، در آن حل شوند. بدین ترتیب شهر مینیاتوری را بر روی ویفر سیلیكونی تجسم كنید كه در این شهر خانه‌ها دارای سقفی از جنس SiO۲ هستند (مكان‌هایی كه نور ندیده‌اند و در‌نتیجه لایه مقاوم در برابر حلال مانع از حل شدن ( SiO۲ بوده است). خیابان‌های این شهر فرضی نواحی كه مورد تابش نور واقع شده‌اند و لایه مقاوم آن و همچنین لایه SiO۲ در حلال حل شده‌اند) از جنس سیلیكون هستند.
● تكرار
پس از این مرحله، لایه photo-resist باقی مانده از روی ویفر برداشته می‌شود. در این مرحله ویفری در اختیار خواهیم داشت كه در آن دیواره‌ای از جنس SiO۲ در زمینی از جنس سیلیكون واقع شده‌اند. پس از این گام، یكبار دیگر یك لایه SiO۲ به همراه پلی‌سیلیكون (Polysilicon) بر روی ویفر ایجاد شده و بار دیگر لایه photo-resist جدیدی بر روی ویفر پوشانده می‌شود.
همانند مرحله قبلی، چندین بار دیگر مراحل تابش نور و در حلال قرار دادن ویفر انجام می‌شوند. بدین ترتیب پس از دست یافتن به ساختار مناسب، ویفر در معرض بمباران یونی مواد مختلف واقع می‌شود تا نیمه‌هادی نوع n و p بر روی نواحی سیلیكونی باقی‌مانده تشكیل شوند. به این وسیله، مواد مشخصی در مقادیر بسیار كم و دقیق به‌درون بلور سیلیكون نفوذ داده می‌شوند تا خواص نیمه‌هادی نوع n و p به‌دست آیند. تا اینجای كار، یك لایه كامل از نقشه الكترونیكی ترانزیستوری دوبعدی بر روی ویفر سیلیكونی تشكیل شده است.
با تكرار مراحل فوق، عملاً ساختار لایه‌ای سه بعدی از مدارات الكترونیكی درون پردازنده تشكیل می‌شود. در بین هر چند لایه، از لایه‌ای فلزی استفاده می‌شود كه با حك كردن الگوهای مشخص بر روی آنها به همان روش‌های قبلی، لایه‌های سیم‌بندی بین المان‌ها ساخته شوند. پردازنده‌های امروزی اینتل، مثلاً پردازنده پنتیوم چهار، از هفت لایه فلزی در ساختار خود بهره می‌گیرد. پردازنده AMD Athlon ۶۴ از ۹ لایه فلزی استفاده می‌كند.
