● ماده اوليه امروزه همه مي دانند که ماده اوليه پردازنده ها همچون ديگر مدارات مجتمع الکترونيکي ، سيليکون است. در واقع سيليکون همان ماده سازنده شيشه است که از شن استخراج مي شود. البته عناصر بسيار ديگري هم در اين فرايند به کار برده مي شوند و ليکن از نظر درصد وزني، سهم مجموع اين عناصر نسبت به سيليکون به کار رفته در محصول نهايي بسيار جزئي است. آلومينيوم يکي از مواد ديگري است که در فرايند توليد پردازنده ها اهميت زيادي دارد. هرچند که در پردازنده هاي مدرن، مس به تدريج جايگزين آلومينيوم مي شود. علاوه بر آنکه فلز مس داراي ضريب هدايت الکتريکي بيشتري نسبت به آلومينيوم است، دليل مهم تري هم براي استفاده از مس در طراحي پردازنده هاي مدرن امروزي وجود دارد. يکي از بزرگ ترين مسائلي که در طراحي پردازنده هاي امروزي مطرح است، موضوع نياز به ساختارهاي فيزيکي ظريف تر است. به ياد داريد که اندازه ها در پردازنده هاي امروزي در حد چند ده نانومتر هستند. پس ازآنجايي که با استفاده از فلز مس، مي توان اتصالات ظريف تري ايجاد کرد، اين فلز جايگزين آلومينيوم شده است. ● آماده سازي فرايند هاي توليد قطعات الکترونيکي از يک جهت با بسياري از فرايند هاي توليد ديگر متفاوت است. در فرايند هاي توليد قطعات الکترونيک، درجه خلوص مواد اوليه مورد نياز در حد بسيار بالايي اهميت بسيار زيادي دارند. اهميت اين موضوع در حدي است که از اصطلاح electronic grade براي اشاره به درجه خلوص بسيار بالاي مواد استفاده مي شود. به همين دليل مرحله مهمي به نام آماده سازي در تمامي فرايند هاي توليد قطعات الکترونيک وجود دارد. در اين مرحله درجه خلوص موارد اوليه به روش هاي گوناگون و در مراحل متعدد افزايش داده مي شود تا در نهايت به مقدار خلوص مورد نظر برسد. درجه خلوص مواد اوليه مورد نياز در اين صنعت به اندازه اي بالا است که توسط واحد هايي مانند ppm به معني چند اتم ناخالصي در يک ميليون اتم ماده اوليه، بيان مي شوند. آخرين مرحله خالص سازي ماده سيليکون، به اين صورت انجام مي شود که يک بلورِ خالص سيليکون درون ظرف سيليکون مذاب خالص شده قرار داده مي شود، تا بلور بازهم خالص تري در اين ظرف رشد کند (همان طور که بلورهاي نبات در درون محلول اشباع شده به دور يک ريسمان نازک رشد مي کنند). در واقع به اين ترتيب، ماده سيليکون مورد نياز به صورت يک شمش تک کريستالي تهيه مي شود (يعني تمام يک شمش بيست سانتي متري سيليکون، يک بلور پيوسته و بدون نقص بايد باشد!). اين روش در صنعت توليد چيپ به روش CZ معروف است. تهيه چنين شمش تک بلوري سيليکون آن قدر اهميت دارد که يکي از تحقيقات اخير اينتل و ديگر شرکت هاي توليد کننده پردازنده، معطوف توليد شمش هاي سي سانتي متري سيليکون تک بلوري بوده است. درحالي که خط توليد شمش هاي بيست سانتي متري سيليکون هزينه اي معادل ۵/۱ ميليارد دلار در بر دارد، شرکت هاي توليد کننده پردازنده، براي به دست آوردن خط توليد شمش هاي تک بلوري سيليکون سي سانتي متري، ۵/۳ ميليارد دلار هزينه مي کنند. موضوع جالب توجه در اين مورد آن است که تغيير اندازه شمش هاي سيليکون تک بلوري، تا کنون سريع تر از يک بار در هر ده سال نبوده است. پس از آنکه يک بلور سيليکوني غول آسا به شکل يک استوانه تهيه گشت، گام بعدي ورقه ورقه بريدن اين بلور است. هر ورقه نازک از اين سيليکون، يک ويفر ناميده مي شود که اساس ساختار پردازنده ها را تشکيل مي دهد. در واقع تمام مدارات يا ترانزيستورهاي لازم، بر روي اين ويفر توليد مي شوند. هر چه اين ورقه ها نازک تر باشند، عمل برش بدون آسيب ديدن ويفر مشکل تر خواهد شد. از طرف ديگر اين موضوع به معني افزايش تعداد چيپ هايي است که مي توان با يک شمش سيليکوني تهيه کرد. در هر صورت پس از آنکه ويفر هاي سيليکوني بريده شدند، نوبت به صيقل کاري آنها مي رسد. ويفر ها آنقدر صيقل داده مي شوند که سطوح آنها آيينه اي شود. کوچکترين نقصي در اين ويفر ها موجب عدم کارکرد محصول نهايي خواهد بود. به همين دليل، يکي ديگر از مراحل بسيار دقيق بازرسي محصول در اين مرحله صورت مي گيرد. در اين گام، علاوه بر نقص هاي بلوري که ممکن است در فرايند توليد شمش سيليکون ايجاد شده باشند، نقص هاي حاصل از فرايند برش کريستال نيز به دقت مورد کنکاش قرار مي گيرند. از اين مرحله، نوبت به ساخت ترانزيستور ها بر روي ويفر سيليکوني مي رسد. براي اين کار لازم است که مقدار بسيار دقيق و مشخصي از ماده ديگري به درون بلور سيليکون تزريق شود. بدين معني که بين هر مجموعه اتم سيليکون در ساختار بلوري، دقيقاً يک اتم از ماده ديگر قرار گيرد. در واقع اين مرحله نخستين گام فرايند توليد ماده نيمه هادي محسوب مي شود که اساس ساختمان قطعات الکترونيک مانند ترانزيستور را تشکيل مي دهد. ترانزيستورهايي که در پردازنده هاي امروزي به کار گرفته مي شوند، توسط تکنولوژي CMOS توليد مي شوند. CMOS مخفف عبارت Complementary Metal Oxide Semiconductor است. در اينجا منظور از واژه Complementary آن است که در اين تکنولوژي، از تعامل نيمه هادي هاي نوع n و p استفاده مي شود. بدون آنکه بخواهيم وارد جزئيات فني چگونگي توليد ترانزيستور بر روي ويفر هاي سيليکوني بشويم، تنها اشاره مي کنيم که در اين مرحله، بر اثر تزريق مواد گوناگون و همچنين ايجاد پوشش هاي فلزي فوق نازک (در حد ضخامت چند اتم) در مراحل متعدد، يک ساختار چند لايه و ساندويچي بر روي ويفر سيليکوني اوليه شکل مي گيرد. در طول اين فرايند، ويفر ساندويچي سيليکوني در کوره اي قرار داده مي شود تا تحت شرايط کنترل شده و بسيار دقيق (حتي در اتمسفر مشخص)، پخته مي شود و لايه اي از ۲SiO بر روي ويفر ساندويچي تشکيل شود. در جديدترين فناوري اينتل که به تکنولوژي ۹۰ نانومتري معروف است، ضخامت لايه ۲SiO فقط ۵ اتم است. اين لايه در مراحل بعدي دروازه يا gate هر ترانزيستور واقع در چيپ پردازنده خواهد بود که جريان الکتريکي عبوري را در کنترل خود دارد (ترانزيستورهاي تشکيل دهنده تکنولوژي CMOS از نوع ترانزيستورهاي اثر ميداني يا Field Effect Transistor :FET ناميده مي شوند. در اين ترانزيستورها، جريان الکتريکي از اتصالي به نام Source به اتصال ديگري به نام Drain جريان مي يابد. وظيفه اتصال سوم به نام Gate در اين ترانزيستور، کنترل و مديريت بر مقدار و چگونگي عبور جريان الکتريکي از يک اتصال به اتصال ديگر است). آخرين مرحله آماده سازي ويفر، قرار دادن پوشش ظريف ديگري بر روي ساندويچ سيليکوني است که photo-resist نام دارد. ويژگي اين لايه آخر، همان طور که از نام آن مشخص مي شود، مقاومت در برابر نور است. در واقع اين لايه از مواد شيميايي ويژه اي ساخته شده است که اگر در معرض تابش نور قرار گرفته شود، مي توان آن را در محلول ويژه اي حل کرده و شست و در غير اين صورت (يعني اگر نور به اين پوشش تابانده نشده باشد)، اين پوشش در حلال حل نخواهد شد. ● ماسک کردن اين مرحله از توليد پردازنده ها، به نوعي از مراحل قبلي کار نيز مهم تر است. در اين مرحله عمل فتوليتوگرافي(Photolithography) بر روي ويفر ساندويچي انجام مي شود. در واقع آنچه در اين مرحله انجام مي شود آن است که بر روي ويفر سيليکوني، نقشه و الگوي استنسيل مشخصي با استفاده از فرايند فتوليتوگرافي چاپ مي شود، تا بتوان در مرحله بعدي با حل کردن و شستن ناحيه هاي نور ديده به ساختار مورد نظر رسيد (ازآنجايي که قرار است نقشه پيچيده اي بر روي مساحت کوچکي چاپ شود، از روش فتوليتوگرافي کمک گرفته مي شود. در اين روش نقشه مورد نظر در مقياس هاي بزرگتر- يعني در اندازه هايي که بتوان در عمل آنرا توليد کرد، مثلاً در مربعي به مساحت يک متر مربع - تهيه مي شود. سپس با تاباندن نور به الگو و استفاده از روش هاي اپتيکي، تصوير الگو را بر روي ناحيه بسيار کوچک ويفر مي تابانند. (مثلاً الگويي که در مساحت يک متر مربع تهيه شده بود، به تصوير کوچکي در اندازه هاي چند ميليمتر مربع تبديل مي شود.). در اين موارد چند نکته جالب توجه وجود دارد. نخست آنکه الگوها و نقشه هايي که بايد بر روي ويفر چاپ شوند، آنقدر پيچيده هستند که براي توصيف آنها به ۱۰ گيگابايت داده نياز است. در واقع مي توان اين موضوع را به حالتي تشبيه کرد که در آن قرار است نقشه اي مانند نقشه يک شهر بزرگ با تمام جزئيات شهري و ساختماني آن بر روي ويفر سيليکوني به مساحت چند ميلي متر مربع، چاپ شود. نکته ديگر آنکه در ساختمان چيپ هاي پردازنده، بيش از بيست لايه مختلف وجود دارد که براي هر يک از آنها لازم است چنين نقشه هايي ليتوگرافي شود. موضوع ديگري که بد نيست در اينجا ذکر شود، آن است که همانطور که از دروس دبيرستاني ممکن است به ياد داشته باشيد، نور در لبه هاي اجسام دچار انحراف از مسير راست مي شود. پديده اي که به پراش يا Diffraction معروف است. هرچه لبه هاي اجسامي که در مسير تابش واقع شده اند، کوچک تر يا ظريف تر باشند، پديده پراش شديد تر خواهد بود. در واقع يکي از بزرگ ترين موانع توليد پردازنده هايي که در آنها از ساختار هاي ظريف تري استفاده شده باشد، همين موضوع پراکندگي يا تفريق نور است که باعث مات شدن تصويري مي شود که قرار است بر روي ويفر چاپ شود. براي مقابله با اين مسئله، يکي از موثرترين روش ها، آن است که از نوري در عمل فتوليتوگرافي استفاده کنيم که داراي طول موج کوچک تري است (بر اساس اصول اپتيک، هرچه طول موج نور تابانده شده کوچک تر باشد، شدت پديده پراکندگي نور در لبه هاي اجسام کمتر خواهد بود). براي همين منظور در توليد پردازنده ها، از نور UV (ماوراي بنفش) استفاده مي شود. در واقع براي آنکه بتوان تصوير شفاف و ظريفي در اندازه ها و مقياس آنچناني بر روي ويفر ها توليد کرد، تنها طول موج ماوراي بنفش جوابگو خواهد بود. اما اگر بخواهيم در نسل بعدي پردازنده ها، از الگوهاي پيچيده تري استفاده کنيم، تکليف چه خواهد بود؟ در تئوري مي توان از تابشي با طول موج بازهم کوتاه تري استفاده کرد. اما مشکل در اينجا است که تابش با طول موج کوتاه تر به معني استفاده از نوعي اشعه ايکس است. مي دانيد که چنين اشعه اي بيشتر از آنکه قادر باشد تصويري از نقشه مورد نظر بر روي ويفر ايجاد کند، به علت قابليت نفوذ زياد، از تمامي نواحي الگو به طور يکسان عبور خواهد کرد. از موارد فوق که بگذريم، پس از آنکه نقشه مورد نظر بر روي ويفر چاپ شد، ويفر درون محلول شيميايي ويژه اي قرار داده مي شود تا جاهايي که در معرض تابش واقع شده اند، در آن حل شوند. بدين ترتيب شهر مينياتوري را بر روي ويفر سيليکوني تجسم کنيد که در اين شهر خانه ها داراي سقفي از جنس ۲SiO هستند (مکان هايي که نور نديده اند و در نتيجه لايه مقاوم در برابر حلال مانع از حل شدن (۲SiO بوده است). خيابان هاي اين شهر فرضي نواحي که مورد تابش نور واقع شده اند و لايه مقاوم آن و همچنين لايه ۲SiO در حلال حل شده اند) از جنس سيليکون هستند. ● تکرار پس از اين مرحله، لايه photo-resist باقي مانده از روي ويفر برداشته مي شود. در اين مرحله ويفري در اختيار خواهيم داشت که در آن ديواره اي از جنس SiO۲ در زميني از جنس سيليکون واقع شده اند. پس از اين گام، يکبار ديگر يک لايه SiO۲ به همراه پلي سيليکون (Polysilicon) بر روي ويفر ايجاد شده و بار ديگر لايه photo-resist جديدي بر روي ويفر پوشانده مي شود. همانند مرحله قبلي، چندين بار ديگر مراحل تابش نور و در حلال قرار دادن ويفر انجام مي شوند. بدين ترتيب پس از دست يافتن به ساختار مناسب، ويفر در معرض بمباران يوني مواد مختلف واقع مي شود تا نيمه هادي نوع n و p بر روي نواحي سيليکوني باقي مانده تشکيل شوند. به اين وسيله، مواد مشخصي در مقادير بسيار کم و دقيق به درون بلور سيليکون نفوذ داده مي شوند تا خواص نيمه هادي نوع n و p به دست آيند. تا اينجاي کار، يک لايه کامل از نقشه الکترونيکي ترانزيستوري دوبعدي بر روي ويفر سيليکوني تشکيل شده است. با تکرار مراحل فوق، عملاً ساختار لايه اي سه بعدي از مدارات الکترونيکي درون پردازنده تشکيل مي شود. در بين هر چند لايه، از لايه اي فلزي استفاده مي شود که با حک کردن الگو هاي مشخص بر روي آنها به همان روش هاي قبلي، لايه هاي سيم بندي بين المان ها ساخته شوند. پردازنده هاي امروزي اينتل، مثلاً پردازنده پنتيوم چهار، از هفت لايه فلزي در ساختار خود بهره مي گيرد. پردازنده AMD Athlon ۶۴ از ۹ لايه فلزي استفاده مي کند. منابع : ---------------------- aftab.ir دانش ما ( www.daneshema.com ) ---------------------- کلمات کليدي : ---------------------- قطعات الکترونیکی- بلور سیلیکون- پلی سیلیکون- مدارات الکترونیکی- شمش سیلیکونی- ترانزیستور ---------------------- نام ثبت کننده مقاله : niazemarkazi1

نظرات شما عزیزان: