از دانه‌های شن تا مغز کامپیوتر؛ تراشه‌ها چگونه ساخته می‌شوند؟

در دنیای امروز، تراشه‌ها نقشی کلیدی در عملکرد دستگاه‌های هوشمند ایفا می‌کنند. به این فکر کنید که تمامی قابلیت‌های یک گوشی هوشمند، از پردازش تصاویر دوربین تا اجرای بازی‌های سنگین و مدیریت مصرف باتری، با قطعه‌ای کوچک از جنس سیلیکون امکان‌پذیر شده‌اند. این تراشه‌ها، که میلیاردها ترانزیستور را در فضایی به‌اندازه‌ی یک ناخن انگشت جای می‌دهند، مغز پردازشی دستگاه‌های ما را تشکیل می‌دهند و بدون آن‌ها، دنیای مدرن غیرقابل تصور است.

اما این قطعات میکروسکوپی چگونه ساخته می‌شوند؟ فرایند تولید تراشه، از ذوب شن در دماهای بسیار بالا تا حکاکی مدارهایی با دقت نانومتری، یکی از پیچیده‌ترین و دقیق‌ترین شاهکارهای مهندسی است.

در این مقاله، سفری خواهیم داشت به دنیای تراشه‌ها و بررسی خواهیم کرد که چگونه سیلیکون، ماده‌ای فراوان در طبیعت، به قلب تپنده دستگاه‌های الکترونیکی تبدیل می‌شود و صنعت نیمه‌هادی، زیربنای فناوری‌های نوین را شکل می‌دهد.

تراشه‌های الکترونیکی، سفری پرپیچ‌وخم را از ماده‌ای ساده به نام شن آغاز می‌کنند. شن، که عمدتاً از سیلیکا (سیلیکون دی‌اکسید) تشکیل شده، حاوی سیلیکون، دومین عنصر فراوان در پوسته زمین است. سیلیکون در طبیعت به‌صورت خالص یافت نمی‌شود و همواره با اکسیژن ترکیب‌ شده است.

تبدیل سیلیکون به ماده‌ای مناسب برای ساخت تراشه، به طی کردن فرایندهای پیچیده و دقیق نیاز دارد. این فرایندها شامل جداسازی، خالص‌سازی و تولید بلورهای سیلیکون با کیفیت بسیار بالا است. کیفیت بلورها باید به‌اندازه‌ای مطلوب باشد که بتواند استانداردهای دقیق صنعت تولید تراشه را برآورده کند.

تبدیل دی‌اکسید سیلیکون به سیلیکون خالص

برای تبدیل سیلیکا به سیلیکون، شن با کربن در دمای بسیار بالا حرارت داده می‌شود. در این فرایند، اکسیژن از ترکیب جدا شده و سیلیکون خالص به دست می‌آید. بااین‌حال، این تنها آغاز راه است. برای تولید محصول نهایی، سیلیکون باید به یک بلور تک‌کریستالی با خلوص فوق‌العاده بالا تبدیل شود.

مهدیه یوسفی

چرا در ساخت تراشه‌ از سیلیکون استفاده می‌شود؟

مطالعه '12

این بلور که شمش تک‌کریستالی یا بول (گوی بلورین) نامیده می‌شود، دارای چنان خلوصی است که در هر ۱۰ میلیون اتم سیلیکون، تنها یک اتم، ناخالصی وجود دارد. این خلوص استثنایی، زیربنای فناوری‌های پیشرفته در دستگاه‌های الکترونیکی مدرن را تشکیل می‌دهد.

بلورهای سیلیکون در اندازه‌های گوناگون تولید می‌شوند، اما رایج‌ترین آن‌ها قطری برابر ۱۵۰، ۲۰۰ و ۳۰۰ میلی‌متر دارند. هرچه قطر ویفرهای برش‌داده‌شده از این بلورها بیشتر باشد، فضای بیشتری برای قرار دادن تراشه‌های الکترونیکی فراهم می‌شود.

در این روش، پروتون‌ها با انرژی مشخص به ساختار بلوری سیلیکون تزریق می‌شوند و در عمق مشخصی نفوذ می‌کنند. سپس با اعمال حرارت، خط شکستی در محل تجمع پروتون‌ها ایجاد و لایه نازک سیلیکونی جدا می‌شود.

ویفرها نقشی حیاتی در مراحل بعدی تولید تراشه ایفا می‌کنند. به‌عبارت‌دیگر، ویفرها بستری هستند که ساختارهای پیچیده تراشه‌ها روی آن‌ها ساخته می‌شوند. فرایند برش و آماده‌سازی، گامی کلیدی در تولید فناوری‌هایی است که در دستگاه‌های الکترونیکی امروزی شاهد آن هستیم.

سیلیکون ماده‌ای نیمه‌رسانا است، یعنی هم می‌تواند همانند ماده‌ی رسانا، جریان الکتریکی را از خود عبور دهد و هم به‌عنوان ماده‌ای عایق، از عبور جریان الکتریکی جلوگیری کند. ساختار اتمی این عنصر، با چهار الکترون در لایه بیرونی، زمینه را برای ایجاد پیوندهای کووالانسی فراهم می‌کند.

ساختار اتمی سیلیکون

در حالت عادی، ویفرهای سیلیکونی خالص، عایق الکتریکی هستند. اما با افزودن ناخالصی‌های خاص، موسوم به دوپینگ، می‌توان خواص الکتریکی آن‌ها را تغییر داد. عناصر گروه سیزدهم (مانند بور) یا پانزدهم (مانند فسفر) جدول تناوبی، به دلیل داشتن سه یا پنج الکترون در لایه بیرونی، گزینه‌های مناسبی برای دوپینگ سیلیکون هستند.

دوپینگ سیلیکون با فسفر (نوع n)

فسفر با پنج الکترون در لایه بیرونی، پس از قرارگیری در شبکه کریستالی سیلیکون، یک الکترون آزاد ایجاد می‌کند که به هدایت جریان الکتریکی کمک می‌کند. سیلیکون دوپ شده با فسفر، نیمه‌رسانای نوع n نامیده می‌شود.

دوپینگ سیلیکون با بور (نوع p)

بور با سه الکترون در لایه بیرونی، پس از قرارگیری در شبکه کریستالی سیلیکون، یک حفره (جای خالی الکترون) ایجاد می‌کند که به هدایت جریان الکتریکی کمک می‌کند. سیلیکون دوپ شده با بور، نیمه‌رسانای نوع p نامیده می‌شود.

ترانزیستورها؛ واحدهای کنترل جریان

ترانزیستورها بی‌شک یکی از شگفت‌انگیزترین اختراعات دنیای الکترونیک هستند. این قطعات الکترونیکی، بر پایه لایه‌های رسانای p و n ساخته می‌شوند و وظیفه کنترل جریان و ولتاژ الکتریکی را بر عهده دارند. در ادامه، ساختار ترانزیستورها و مراحل ساخت تراشه را بررسی خواهیم کرد.

برای درک عملکرد ترانزیستور، ابتدا به سراغ قطعه‌‌ی ساده‌تری می‌رویم که حکم پله‌ی اول را برای آن دارد: دیود. دیودها، این اجزای به ظاهر ساده، نقش کلیدی در یکسوسازی جریان، حفاظت از مدار و بسیاری کاربردهای دیگر ایفا می‌کنند. اما راز عملکرد آن‌ها در چیست؟

تولد یک دیود؛ پیوند P و N

تصور کنید تکه‌ای سیلیکون را برداریم و بخش‌هایی از آن را با مواد خاصی به نام ناخالصی آغشته کنیم. اگر قسمتی از سیلیکون را با عنصر بور دوپ کنیم، ناحیه‌ای به نام نوع P یا مثبت ایجاد می‌شود که در آن حفره‌ها، جاهای خالی الکترون، حامل‌های بار اصلی هستند. در مقابل، اگر بخش دیگری را با فسفر دوپ کنیم، ناحیه‌ی نوع N یا منفی شکل می‌گیرد که در آن الکترون‌ها حامل‌های بار اصلی به شمار می‌روند.

حال، اگر این دو ناحیه‌ی P و N را به هم متصل کنیم، درست در محل اتصال، پدیده‌ای جالب رخ می‌دهد: تشکیل ناحیه‌ی تخلیه (Depletion layer).

در ناحیه‌ی N، الکترون‌ها تمایل دارند به سمت ناحیه‌ی P که مملؤ از حفره است، حرکت کنند. این مهاجرت باعث می‌شود ناحیه‌ی P کمی منفی و ناحیه‌ی N کمی مثبت شود. این جابه‌جایی بار، یک میدان الکتریکی در ناحیه‌ی تخلیه ایجاد می‌کند که درست مانند یک سد عمل کرده و از حرکت بیشتر الکترون‌ها از N به P جلوگیری می‌کند. به این سد، سد پتانسیل دیود نیز گفته می‌شود.

حالا دیود خود را به یک منبع تغذیه، مثلاً یک باتری، متصل می‌کنیم. قطب مثبت باتری را به ناحیه‌ی N و قطب منفی را به ناحیه‌ی P دیود وصل می‌کنیم، حالتی که به آن بایاس معکوس گفته می‌شود. در این حالت، باتری الکترون‌ها و حفره‌ها را به سمت خود جذب می‌کند و ناحیه‌ی تخلیه بزرگتر می‌شود. در نتیجه، سد پتانسیل قوی‌تر شده و عملاً هیچ جریانی از دیود عبور نمی‌کند.

اما اگر جای قطب‌های باتری را عوض کنیم، یعنی قطب منفی را به ناحیه‌ی N و قطب مثبت را به ناحیه‌ی P متصل کنیم، شرایط کاملاً تغییر می‌کند. این حالت، بایاس مستقیم نام دارد.

در بایاس مستقیم، قطب منفی باتری، الکترون‌ها را از ناحیه‌ی N دفع کرده و به سمت ناحیه‌ی تخلیه می‌راند. اگر ولتاژ باتری به اندازه‌ی کافی زیاد باشد که بتواند بر سد پتانسیل غلبه کند، الکترون‌ها با انرژی کافی از این سد عبور می‌کنند. به محض عبور از سد، انرژی الکترون‌ها تخلیه شده و به راحتی وارد حفره‌های ناحیه‌ی P می‌شوند.

اما داستان به اینجا ختم نمی‌شود. قطب مثبت باتری، الکترون‌ها را از ناحیه‌ی P جذب می‌کند. این کشش باعث می‌شود الکترون‌ها از حفره‌ای به حفره‌ی دیگر در ناحیه‌ی P جهش کرده و در نهایت به قطب مثبت باتری برسند. این حرکت پیوسته‌ی الکترون‌ها، جریان الکتریکی را در مدار خارجی برقرار می‌کند.

نکته‌ی مهم در دیودها این است که لایه‌ی P معمولاً بسیار نازک بوده و مقدار ماده‌ی خارجی دوپ شده در آن بسیار کم است. این ویژگی به عملکرد خاص دیود کمک می‌کند.

حالا به سراغ سوال اصلی برمی‌گردیم: ترانزیستور چه ارتباطی با دیود دارد؟ در نگاه ساده، می‌توان گفت ترانزیستور چیزی نیست جز دو دیود که پشت به پشت به هم متصل شده‌اند. به همین دلیل، هر طور که منبع تغذیه را به یک ترانزیستور ساده وصل کنید، همیشه یکی از این دیودها در حالت بایاس معکوس قرار می‌گیرد. بایاس معکوس، همانطور که دیدیم، مسیر جریان الکتریکی را مسدود می‌کند.

پیش‌تر گفتیم که ترانزیستور را می‌توان به صورت دو دیود پشت به پشت در نظر گرفت. همچنین گفتیم که با یک منبع تغذیه، همواره یکی از این دیودها در بایاس معکوس قرار می‌گیرد و جریان را مسدود می‌کند. اما چه می‌شود اگر یک منبع تغذیه‌ی دوم به مدار اضافه کنیم؟

تصور کنید منبع تغذیه‌ی دوم را به گونه‌ای به ترانزیستور وصل کرده‌ایم که ولتاژ کافی برای غلبه بر سد پتانسیل یکی از دیودها را داشته باشد. در این حالت، عملاً با یک دیود در حالت بایاس مستقیم روبه‌رو هستیم.

وقتی منبع تغذیه‌ی دوم با ولتاژ کافی به مدار اضافه می‌شود، اتفاق جالبی رخ می‌دهد. تعداد زیادی الکترون در ناحیه‌ی N آزاد می‌شوند. همانند دیود، بخشی از این الکترون‌ها با حفره‌ها در ناحیه‌ی P ترکیب می‌شوند و از حفره‌ای به حفره‌ی دیگر می‌پرند تا به پایه (Base) برسند. این حرکت، یک جریان کوچک در پایه‌ی ترانزیستور ایجاد می‌کند.

وقتی منبع تغذیه‌ی دوم با ولتاژ کافی به مدار اضافه می‌شود، اتفاق جالبی رخ می‌دهد. تعداد زیادی الکترون در ناحیه‌ی N (که در اینجا به آن امیتر یا E می‌گوییم) آزاد می‌شوند. همانند دیود، بخشی از این الکترون‌ها با حفره‌ها در ناحیه‌ی P (که به آن پایه یا بیس - B می‌گوییم) ترکیب می‌شوند و از حفره‌ای به حفره‌ی دیگر می‌پرند تا به پایه برسند. این حرکت، یک جریان کوچک در پایه‌ی ترانزیستور ایجاد می‌کند.

اما همه‌ی الکترون‌های آزادشده وارد پایه نمی‌شوند. به دلیل نازک بودن ناحیه‌ی P (پایه)، اکثر الکترون‌ها از آن عبور می‌کنند و به ناحیه‌ی N دیگر (که به آن کلکتور - C می‌گوییم) می‌رسند. اگر به نام‌گذاری پایه‌های ترانزیستور دقت کنید، متوجه می‌شوید که این نام‌ها دقیقاً با جریان الکترون‌ها همخوانی دارند:

ازآنجاکه ناحیه‌ی p بسیار باریک است، تقریباً هیچ الکترونی به سمت قطب مثبت منبع تغذیه‌ی دوم نمی‌رود. بنابراین، جریان کوچک در پایه (Base) تقویت و به جریان بزرگ در کلکتور (Collector) تبدیل می‌شود. اگر به نام‌گذاری پایه‌های ترانزیستور دقت کنید، متوجه می‌شوید که این نام‌ها دقیقاً با جریان الکترون‌ها همخوانی دارند:

• بیس (پایه - B): جریان کمی دریافت می‌کند (جریان ورودی کنترلی).
• امیتر (E): به زمین متصل است (منبع الکترون‌ها).
• کلکتور (C): جریان بزرگ را جمع‌آوری می‌کند و به بار (مثلاً یک لامپ، یک مدار دیگر و غیره) منتقل می‌کند.

تا اینجا فهمیدیم که چرا برای ساخت ترانزیستور از لایه‌های رسانای P و N استفاده می‌کنیم. اما ساختار ترانزیستور از این هم پیچیده‌تر است. علاوه‌بر این دو لایه، یک لایه‌ی اضافی از سیلیکون اکسید به عنوان عایق نیز در ساختار ترانزیستورها وجود دارد. روی این لایه‌ی عایق، یک لایه‌ی نازک از پلی‌سیلیکون رسانا قرار می‌گیرد که جریان الکتریکی را هدایت می‌کند و نقش مهمی در عملکرد دقیق‌تر ترانزیستور ایفا می‌کند.

شاید بپرسید این لایه‌های پیچیده و ظریف که اساس کار تراشه‌ها هستند، چگونه روی ویفرهای سیلیکونی ایجاد می‌شوند؟ برای پاسخ به این سوال، باید قدم به دنیای شگفت‌انگیز و پیچیده فرایند طراحی تراشه بگذاریم. سفری که با طراحی دقیق مدارها آغاز می‌شود و در نهایت به تولید تراشه‌هایی ختم می‌گردد که زندگی روزمره ما را متحول کرده‌اند.

نقشه‌کشی برای دنیای الکترونیک؛ آغاز طراحی مدارها

تصور کنید می‌خواهید یک شهر بزرگ بسازید. قبل از هر چیز، به یک نقشه‌ی دقیق نیاز دارید تا خیابان‌ها، ساختمان‌ها، لوله‌کشی‌ها و سایر زیرساخت‌ها را به درستی جانمایی کنید. در دنیای تراشه‌ها نیز، اولین قدم، طراحی و چیدمان مدارها است. مهندسان در این مرحله، دقیقاً مانند شهرسازان، نقشه‌ی مدارهای الکترونیکی را با جزئیات کامل روی تراشه ترسیم می‌کنند.

نکته‌ی حیرت‌انگیز در مورد تراشه‌ها، تراکم بی‌نظیر قطعات در آن‌ها است. تصور کنید میلیاردها ترانزیستور و اجزای الکترونیکی پیچیده، روی سطحی به اندازه‌ی تنها چند میلی‌متر مربع جای گرفته‌اند! این حجم باورنکردنی از قطعات، نیازمند طراحی بسیار دقیق و مهندسی‌شده‌ای است تا تمام اجزا به درستی با یکدیگر کار کنند و تراشه عملکرد مورد انتظار را ارائه می‌دهد.

در نخستین گام، مهندسان، عملکرد تراشه را مشخص می‌کنند: آیا این تراشه برای پردازش داده در یک گوشی هوشمند طراحی شده یا وظیفه‌ی آن ذخیره‌سازی اطلاعات در یک حافظه‌ی SSD است؟ هر تراشه کاربرد خاصی دارد و این مرحله، پایه‌ی اصلی طراحی آن محسوب می‌شود.

درادامه، با شبیه‌سازی‌های پیشرفته، ویژگی‌های فنی و فیزیکی تراشه مورد بررسی قرار می‌گیرد. مهندسان با استفاده از نرم‌افزارهای تخصصی، اتصالات میلیاردها ترانزیستور را مشخص و عملکرد نهایی تراشه را آزمایش می‌کنند. برای این کار، از ابزارهای طراحی ویژه برای ترسیم نقشه‌ی دقیق مدارات مجتمع (ICs) استفاده می‌شود.

معماری سه‌بعدی، یکی از جالب‌ترین بخش‌های طراحی تراشه است. برخلاف تصور رایج، تراشه‌ها فقط یک لایه‌ی نازک از مدارها نیستند؛ بلکه از چندین لایه‌ی روی هم قرار گرفته، ساخته شده‌اند. در این معماری، هر لایه نقش خاصی دارد؛ برخی از آن‌ها مسیرهای جریان الکتریکی را تشکیل می‌دهند، برخی دیگر عایق الکتریکی هستند و برخی هم به‌عنوان محل ذخیره و پردازش داده‌ها عمل می‌کنند.

یکی از مهم‌ترین چالش‌های طراحی تراشه، بهینه‌سازی مصرف انرژی است. طراحی تراشه باید به‌گونه‌ای باشد که با کمترین مصرف انرژی، بیشترین عملکرد را ارائه دهد. این موضوع در گوشی‌های هوشمند و لپ‌تاپ‌ها اهمیت ویژه‌ای دارد، زیرا هرچه تراشه کم‌مصرف‌تر باشد، باتری دستگاه، مدت بیشتری دوام می‌آورد.

فوتوماسک؛ شابلون‌های نوری برای ساخت تراشه‌ها

پس از طراحی مدارها، نقشه‌ی رسم شده به فوتوماسک‌ها (Photomasks) منتقل می‌شود. فوتوماسک، صفحه‌‌ای مربعی از جنس سیلیس ذوب‌شده (کوارتز خالص) با اندازه‌ا‌ی در حدود ۱۵۲ میلی‌متر است. این صفحه، الگوهایی دارد که یا کدر هستند و نور را مسدود می‌کنند، یا شفاف هستند و نور را عبور می‌دهند و یا تغییر‌دهنده‌ی فاز نور هستند و سبب تغییر مسیر یا ویژگی‌های نور می‌شوند. در فرایند لیتوگرافی، این الگو روی ویفر سیلیکونی تابیده می‌شود تا شکل دقیق مدارهای الکترونیکی را ایجاد کند.

در این فرایند، فوتوماسک مانند یک شابلون نوری عمل و کمک می‌کند تا چیدمان دقیق یک لایه از مدار مجتمع (IC) روی ویفر شکل بگیرد. با هر فوتوماسک، تنها یک لایه از مدار ایجاد می‌شود و برای ساخت یک تراشه‌ی کامل، به چند فوتوماسک نیاز داریم.

این مرحله، نیازمند دقتی خارق‌العاده است. کوچک‌ترین ذره گرد و غبار یا تغییرات دمایی می‌تواند به نقص‌های جبران‌ناپذیری در ساختار تراشه منجر شود. به همین دلیل، فوتوماسک‌ها باید در محیطی کاملاً کنترل‌شده و عاری از هرگونه آلودگی، موسوم به اتاق تمیز (Cleanroom)، ساخته شوند.

اتاق تمیز؛ پناهگاه تراشه‌ها در برابر آلودگی

اتاق تمیز جایی است که سطح آلودگی آن حتی از یک اتاق عمل هم کمتر است. در این فضا، در هر ۱۰ لیتر هوا، فقط یک ذره‌ی غبار با اندازه‌ی حدود ۰٫۵ میکرومتر مجاز است. این شرایط ویژه، تضمین می‌کند که تراشه‌های مدرن، بدون کوچک‌ترین نقص، آماده‌ی ورود به دنیای فناوری شوند.

اتاق تمیز، فراتر از یک محیط معمولی، یک اکوسیستم کاملاً مهندسی‌شده است که پاکیزگی هوای آن باید به طور مداوم حفظ شود. برای دستیابی به این هدف، سیستم‌های تهویه و فیلتراسیون بسیار پیشرفته و دقیقی در آن تعبیه شده‌اند. هوا در اتاق تمیز هرگز راکد نمی‌ماند؛ بلکه در هر ساعت، میلیون‌ها متر مکعب هوا به گردش درمی‌آید تا ذرات معلق و آلاینده‌های احتمالی، به طور کامل حذف شوند. با این حال، این حجم عظیم هوا نباید بدون کنترل جریان داشته باشد. صدها تنظیم‌کننده حجم هوا با دقت بالا، جریان هوا را به شکلی ثابت و یکنواخت حفظ می‌کنند.

• سیگار کشیدن قبل از ورود به اتاق تمیز، کاملاً ممنوع است.
• استفاده از لوازم آرایشی یا عطر مجاز نیست.
• همراه داشتن زیورآلات ممنوع است.

همچنین، ورود به اتاق تمیز فقط از طریق یک مسیر ویژه امکان‌پذیر است که در آن افراد باید لباس‌های مخصوص بپوشند تا هیچ ذره‌ی آلاینده‌ای وارد محیط نشود. همه‌ی این سختگیری‌ها برای این است که تراشه‌های پیشرفته، بدون نقص و با بالاترین کیفیت ساخته شوند.

همان‌طور که گفتیم، تمامی تراشه‌های الکترونیکی بر روی صفحه‌ای به نام ویفر سیلیکونی ساخته می‌شوند؛ دیسک نازکی که از بلوک خالص سیلیکون برش داده می‌شود. بسته به اندازه تراشه‌ها، ده‌ها تا هزاران تراشه را می‌توان روی هر ویفر در کنار هم قرار داد. در ادامه مراحل ساخت تراشه را بررسی می‌کنیم:

مرحله اول: تشکیل لایه‌ SiO2

برای شروع ساخت تراشه، ابتدا ویفر سیلیکونی در کوره‌ای مخصوص با دمای تقریبی ۱۰۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد قرار می‌گیرد. در این شرایط، سطح سیلیکون با اکسیژن واکنش می‌دهد و یک لایه‌ی بسیار نازک و غیررسانا از دی‌اکسید سیلیکون (SiO2) روی آن تشکیل می‌شود. این لایه، مشابه یک سطح محافظ عمل و بخش‌هایی از مدار را از اتصال‌های ناخواسته حفظ می‌کند. این مرحله، پایه‌ی اصلی برای ساخت مدارهای پیچیده‌ی الکترونیکی است.

مرحله دوم: لایه‌نشانی فوتورزیست

بعد از ایجاد لایه‌ی غیررسانا روی ویفر، نوبت به فوتورزیست (Photoresist) می‌رسد؛ ماده‌ای حساس به نور که نقشی کلیدی در شکل‌گیری مدارهای میکروسکوپی دارد. برای پخشِ یکنواخت فوتورزیست روی سطح ویفر، از نیروی گریز از مرکز استفاده می‌شود. ویفر روی صفحه‌‌ای چرخان قرار می‌گیرد و با سرعت بالا می‌چرخد. این چرخش باعث می‌شود که فوتورزیست به‌صورت کاملاً یکدست و نازک روی کل سطح پخش شود، دقیقاً مشابه وقتی که قطره‌ای رنگ را روی یک سطح صاف بریزید و آن را بچرخانید تا رنگ در همه‌جا پخش شود.

نتیجه‌ی این مرحله، لایه‌‌ای صاف، یکنواخت و آماده برای فرآیند لیتوگرافی است که در مراحل بعدی، نقشی حیاتی در شکل‌گیری طرح‌های پیچیده‌ی مدار ایفا می‌کند.

مرحله سوم: تاباندن نور از طریق فوتوماسک

بعد از آماده‌سازی ویفر و پوشاندن آن با فوتورزیست، نوبت به یکی از مهم‌ترین مراحل در ساخت تراشه می‌رسد: تاباندن نور از طریق فوتوماسک. برای این کار، ویفر درون دستگاه‌های مخصوصی به نام استپر (Stepper) قرار می‌گیرد. این دستگاه‌ها با دقتی بی‌نظیر، نور فرابنفش را از فوتوماسک عبور می‌دهند و طرح‌های پیچیده‌ی مدار را روی فوتورزیست چاپ می‌کنند. اما این کار یک‌باره روی کل ویفر انجام نمی‌شود.

هوشیار ذوالفقارنسب

مهندسی بی‌نهایت؛ دستگاه تراشه‌سازی فوق‌پیشرفته EUV

مطالعه '20

هر بار فقط بخش‌هایی از ویفر، در معرض نور قرار می‌گیرد. سپس استپر، ویفر را مرحله‌به‌مرحله حرکت می‌دهد تا الگوی مدار به‌طور کامل روی آن نقش ببندد. نتیجه‌ی این فرآیند، نقشه‌ای بسیار دقیق از مدارهای الکترونیکی است که پایه‌ی اصلی پردازنده‌ها و تراشه‌های مدرن را تشکیل می‌دهد.

بعد از نوردهی، وارد مرحله‌ی توسعه می‌شویم. در این مرحله، قسمت‌هایی از فوتورزیست که در معرض نور بوده‌اند، حل می‌شوند و از بین می‌روند (مثبت) و لایه‌ی اکسید زیرِ فوتورزیست، آشکار می‌شود. قسمت‌هایی از فوتورزیست که نور به آن‌ها نمی‌تابد، بدون تغییر باقی می‌مانند (منفی) و از لایه‌ی اکسید محافظت می‌کنند.

مرحله چهارم: زدایش و اکسیداسیون

پس از مرحله‌ی توسعه، فرایند زدایش یا اچینگ (Etching) آغاز می‌شود. در این مرحله، لایه‌ی اکسیدِ آشکار شده، با استفاده از روش‌های زدایش مرطوب (Wet Etching) یا زدایش پلاسما (Plasma Etching) برداشته می‌شود.

• در زدایش مرطوب، از مواد شیمیایی مایع برای حل کردن لایه‌ی اکسید استفاده می‌شود.
• در زدایش پلاسما، گازهای یونیزه‌شده (پلاسما) در یک محفظه‌ی واکنش با لایه‌ی اکسید واکنش می‌دهند و آن را به آرامی از بین می‌برند. این روش بسیار دقیق و برای ساخت تراشه‌های مدرن ضروری است.

پس از حذف باقی‌مانده‌های فوتورزیست و تمیز کردن ویفر، مرحله‌ی اکسیداسیون تکمیلی انجام می‌شود. در این فرآیند، یک لایه از پلی‌سیلیکون رسانا روی لایه‌ی عایق نشانده می‌شود. پلی‌سیلیکون ماده‌‌ای نیمه‌رسانا است که از آن برای ساخت اجزای رسانا در مدارهای الکترونیکی استفاده می‌کنیم.

مرحله پنجم: الگوسازی لایه‌ای

در مرحله‌ی بعد، مجدداً لایه‌ی فوتورزیست روی ویفر و در معرض تابش نور از طریق ماسک قرار می‌گیرد. این ماسک همانند یک شابلون عمل می‌کند و بخش‌هایی از فوتورزیست را که باید حذف شوند، تعیین می‌کند. پس از نوردهی، قسمت‌هایی از فوتورزیست که در معرض نور بود‌ه‌اند، در فرآیند شست‌وشو حذف می‌شوند.

پس از حذف فوتورزیست اضافی، لایه‌های پلی‌سیلیکون و اکسید سیلیکون با استفاده از فرآیند اچینگ حذف خواهند شد. در این مرحله، فقط قسمت‌هایی از پلی‌سیلیکون و اکسید سیلیکون که زیر فوتورزیست محافظت شده‌اند، باقی می‌مانند. این مراحل از فرآیند تولید تراشه، بخش مهمی از فناوری لیتوگرافی نوری محسوب می‌شوند که امکان ایجاد ساختارهای بسیار دقیق در مقیاس نانومتری را فراهم می‌کند.

مرحله ششم: دوپینگ

حالا نوبت به مرحله‌ی دوپینگ می‌رسد. در این مرحله، اتم‌های ناخالصی برای تغییر ویژگی‌های الکتریکی سیلیکون، به بخش‌های مشخصی از آن اضافه می‌شوند. برای انجام این کار، از دستگاهی به نام کاشت یونی (Ion Implanter) استفاده می‌شود که اتم‌های ناخالصی مانند بور یا فسفر را با سرعت بالا به داخل سیلیکون شلیک می‌کند. پس از انجام این کار، سیلیکون، همانند ماده‌ای رسانا رفتار می‌کند.

ٌWaferworld

پس از پاک شدنِ کاملِ باقی‌مانده‌ی فوتورزیست، یک لایه‌ی اکسید جدید روی ویفر نشانده می‌شود. در ادامه، ویفر وارد چرخه‌ی تکراری زیر می‌شود:

• اعمال فوتورزیست
• تابش نور از طریق ماسک برای ایجاد الگوی جدید
• حذف فوتورزیست اضافی

این فرآیند بارها تکرار می‌شود تا ساختارهای پیچیده‌ی موردنظر روی تراشه شکل بگیرند. این حالت، مشابه نقاشی است که در هر مرحله، جزئیات تازه‌ای را به تصویر نهایی اضافه می‌کند.

مرحله هفتم: لایه‌نشانی فلزی با اسپاترینگ

درادامه، حفره‌های تماس برای دسترسی به لایه‌های رسانا، روی سطح ویفر ایجاد می‌شوند. این حفره‌ها، مانند دروازه‌هایی هستند که امکان اتصال بخش‌های مختلف مدار را فراهم می‌کنند. سپس، برای برقراری این اتصالات، آلیاژهای فلزی روی ویفر نشانده می‌شوند. این کار درون دستگاه‌ اسپاترینگ انجام می‌شود که با استفاده از یک روش پیشرفته، لایه‌های فلزی را به‌دقت روی سطح ویفر می‌نشاند.

اسپاترینگ، روشی پیشرفته برای پوشش‌دهی سطح مواد با لایه‌های نازک فلزی یا سایر مواد است. از این روش در ساخت تراشه‌های کامپیوتری، نمایشگرها، پنل‌های خورشیدی و حتی برخی از محصولات تزئینی استفاده می‌کنیم. هدف اصلی آن است که لایه‌ای بسیار نازک، یکنواخت و با کیفیت بالا روی سطح ماده اصلی نشانده شود.

فرآیند اسپاترینگ مشابهِ بازی پین‌بال در مقیاس اتمی است:

• محیط خلا: لایه‌نشانی فلزی در محیط خلا، با دقت بالا و با کمترین آلودگی انجام می‌شود.
• هدف: داخل دستگاه، قطعه‌ی فلزی یا ماده دیگر‌ی به نام هدف (Target) قرار دارد. این همان ماده‌ای است که به‌صورت لایه‌ی نازک روی سطح ویفر یا ماده اصلی نشانده می‌شود.
• پلاسما: گازهای بی‌اثر (مانند آرگون) به داخل محفظه تزریق می‌شوند و با استفاده از یک میدان الکتریکی، به حالت پلاسما درمی‌آیند. پلاسما، گاز یونیزه‌شده، شامل یون‌های مثبت و الکترون‌های آزاد است.
• برخورد یون‌ها: یون‌های مثبت گاز آرگون با انرژی بالا به سمت هدف شلیک می‌شوند و اتم‌های سطح هدف را به بیرون پرتاب می‌کنند. به این فرآیند اسپاترینگ یا کندوپاش می‌گوییم.
• تشکیل لایه: اتم‌های جدا شده از ماده‌ی هدف، در فضای محفظه پخش می‌شوند و روی سطح ویفر یا ماده‌ی اصلی می‌نشینند.

در این مرحله، فرآیند لیتوگرافی با اعمال مجدد لایه‌ای از فوتورزیست و استفاده از ماسک‌های جدید، تکرار می‌شود. پس از فرآیند اچینگ، نقاطی که در معرض نور قرار نگرفته‌اند، دست‌نخورده باقی می‌مانند و به عنوان نقاط تماس برای اتصال به لایه‌های زیرین عمل می‌کنند.

برای ایجاد سطحی صاف و هموار بر روی لایه عایق و اتصالات، از فرآیند ترکیبی شیمیایی-مکانیکی استفاده می‌شود. این فرآیند، با دقت میکرومتری، مواد اضافی را صیقل داده و حذف می‌کند، در نتیجه سطحی صاف و یکنواخت حاصل می‌شود. این مراحل، به صورت مکرر در طول فرآیند ساخت تراشه تکرار می‌شوند تا مدار مجتمع به طور کامل شکل بگیرد.

مرحله هشتم: مونتاژ ویفر

در مرحله مونتاژ، بسته به نوع و اندازه تراشه‌ها، ویفر می‌تواند از چند ده تا چند هزار تراشه مجزا را در خود جای دهد. برای جداسازی تراشه‌ها، ویفر به دقت برش داده می‌شود. ازآنجاکه هنگام برش، ذرات ریزی از سطح ویفر جدا می‌شوند، تراشه‌ها کاملاً چسبیده به یکدیگر قرار نمی‌گیرند. به‌همین‌دلیل، بین هر تراشه، فضای کوچکی به نام خط برش (Scribe Line) در نظر گرفته می‌شود تا برش دقیق‌تری انجام و از آسیب دیدن تراشه‌های مجاور جلوگیری شود.

در این فواصل، ساختارهای آزمایشی نیز تعبیه شده‌اند که بلافاصله پس از تولید، برای انجام اندازه‌گیری‌ها و بررسی کیفیت تراشه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. این ساختارها هنگام برش از بین می‌روند. تراشه‌های نهایی که از ویفر جدا می‌شوند، بسته به نوع و کاربردشان، ابعادی بین یک میلی‌متر مربع تا چند سانتی‌متر مربع دارند.

مرحله آخر: بسته‌بندی، اتصال و کنترل کیفیت

در مرحله‌ی پایانی تولید، تراشه‌های مجزا درون بسته‌بندی محافظ قرار می‌گیرند و قطب‌ها به آن‌ها متصل می‌شوند. نتیجه‌ی این فرآیند، یک دستگاه نیمه‌هادی آماده است که می‌تواند روی بردهای الکترونیکی نصب شود. بسته به نوع و کاربرد، هر تراشه می‌تواند صدها یا حتی بیش از هزار نقطه‌ی اتصال داشته باشد.

برای کاربردهای صنعتی مانند قطارهای برقی، خودروهای الکتریکی، پنل‌های خورشیدی و توربین‌های بادی، از بسته‌بندی‌های بزرگ‌تر و مخصوصی برای نیمه‌هادی‌های استفاده می‌شود. این نیمه‌هادی‌ها، توانایی کنترل جریان‌هایی تا چند صد آمپر و ولتاژهایی در حد هزاران ولت را دارند. اما این سطوح بالای انرژی، گرمای زیادی تولید می‌کند که باید از طریق سیستم‌های خنک‌کننده‌ی تعبیه‌شده در بسته‌بندی دفع شود.

در هر مرحله از تولید، مهندسان از فناوری‌های پیشرفته‌ای مانند میکروسکوپ‌های الکترونی روبشی (Scanning Electron Microscope یا SEM) برای بررسی و تحلیل دقیق تراشه‌ها در مراحل مختلف فرآیند استفاده می‌کنند. این میکروسکوپ، یکی از ابزارهای پیشرفته‌ی تصویربرداری در مقیاس نانومتری است که به جای نور مرئی، از باریکه‌ی الکترونی برای بررسی سطوح مواد استفاده می‌کند.

در این روش، الکترون‌های پرانرژی به سطح نمونه برخورد می‌کنند و باعث برانگیختگی و گسیل الکترون‌های ثانویه می‌شوند. آشکارسازهای ویژه، الکترون‌های برگشتی از سطح را دریافت و آن‌ها را به تصویر تبدیل می‌کنند، که اطلاعات دقیقی درباره‌ی توپوگرافی، ترکیب شیمیایی و ساختار سطحی نمونه ارائه می‌دهد.

یکی از مزیت‌های اصلی SEM در مقایسه با میکروسکوپ‌های نوری، بزرگنمایی بسیار بالا (تا چند صد هزار برابر) و عمق میدان بیشتر آن است که امکان مشاهده‌ی جزئیات دقیق سطوح را فراهم می‌کند. این میکروسکوپ به طور گسترده در صنایع نیمه‌هادی، نانوفناوری، پزشکی، علم مواد و زیست‌شناسی برای بررسی ساختارهای نانومتری، تشخیص عیوب، و تحلیل ترکیب مواد استفاده می‌شود.

با مقایسه‌ی اندازه‌ی میکروالکترونیک‌های امروزی با ضخامت یک تار موی انسان، متوجه می‌شویم که چقدر این قطعات کوچک و ظریف هستند. به‌همین‌دلیل، ابزارهای بررسی و تحلیل این قطعات باید دقتی فوق‌العاده بالا داشته باشند. این سطح از دقت و کنترل کیفی، در تمامی مراحل تولید، از شمش‌های سیلیکونی تا فرآیندهای ساخت در اتاق‌های تمیز و آزمایش‌های نهایی، رعایت می‌شود.

در دنیای امروز، تراشه‌ها به‌عنوان قلب تپنده تکنولوژی، نقشی حیاتی در زندگی ما ایفا می‌کنند. از گوشی‌های هوشمند و کامپیوترها گرفته تا خودروها و تجهیزات پزشکی، همگی به این قطعات کوچک و پیچیده وابسته‌ هستند. تراشه‌ها از میلیاردها ترانزیستور ساخته می‌شوند که با دقت و ظرافت خاصی روی یک سطح کوچک قرار گرفته‌اند. ساخت تراشه‌ها فرآیندی پیچیده و چند مرحله‌ای است که از طراحی مدارها تا بسته‌بندی نهایی را شامل می‌شود. در هر مرحله، از فناوری‌های پیشرفته و تجهیزات دقیق استفاده می‌شود تا تراشه‌ها با بالاترین کیفیت و کارایی تولید شوند.

ساخت تراشه از دل طبیعت و عنصر سیلیکون آغاز می‌شود. سیلیکون پس از خالص‌سازی و پردازش‌های پیچیده به ویفرهای نازک تبدیل می‌شود. سپس با استفاده از فرآیندهای گوناگون مانند لیتوگرافی، اچینگ، دوپینگ و لایه‌نشانی، مدارهای الکترونیکی روی ویفر شکل می‌گیرند. در این مراحل، از ماسک‌های نوری برای ایجاد الگوهای دقیق روی ویفر استفاده می‌شود و لایه‌های مختلف مواد با دقت بالا روی آن قرار می‌گیرند. درنهایت، ویفر برش داده می‌شود و تراشه‌های مجزا بسته‌بندی و آماده استفاده می‌شوند.

ساخت تراشه، ترکیبی هنرمندانه از ظرافت و پیچیدگی علمی است که نیازمند دانش و تخصص فراوان است. مهندسان و متخصصان این صنعت، با بهره‌گیری از آخرین دستاوردها و فناوری‌ها، همواره در تلاش هستند تا تراشه‌های کوچک‌تر، سریع‌تر و کارآمدتری تولید کنند.