از شن تا پردازنده

امروزه همه می دانند كه ماده اولیه پردازنده ها همچون دیگر مدارات مجتمع الكترونیكی, سیلیكون است

ماده اولیه:

امروزه همه می دانند كه ماده اولیه پردازنده ها همچون دیگر مدارات مجتمع الكترونیكی، سیلیكون است.در واقع سیلیكون همان ماده سازنده شیشه است كه از شن استخراج می شود. البته عناصر بسیار دیگری هد در این فرایند به كار برده می شوند و لیكن از نظر درصد وزنی، سهم مجموع این عناصر نسبت به سیلیكون به كار رفته در محصول نهایی بسیار جزئی است. آلمینیوم یكی از موارد دیگری است كه در فرایند تولید پردازنده های مدرن، مس به تدریج جایگزین آلمینیوم می شود. علاوه بر آنكه فلز مس دارای ضریب هدایت الكتریكی بیشتری نسبت به آلمینیوم است،دلیل مهم تری هم برای استفاده از مس در طراحی پردازنده های مدرن امروزی وجود دارد. یكی از بزرگ ترین مسائلی كه در طراحی پردازنده ها ی امروزی مطرح است، موضوع نیاز به ساختارهای فیزیكی ظریف تر است. به یاد دارید كه اندازه ها در پردازنده های امروزی در حد چند ده نانو متر هستند. پس از آنجایی كه با استفاده از فلز مس، می توان اتصالات ظریف تری ایجاد كرد، این فلز جایگزین آلومینوم شده است.

آماده سازی:

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 بالایی مواد استفاده می شود. به همین دلیل مرحله مهمی به نام آماده سازی در تمامی فرایندهای تولید قطعات الكترونیك وجود دارد. در این مرحله درجه خلوص موارد اولیه به روش های گوناگون و در مراحل متعدد افزایش داده می شود تا در نهایت به مقدار خلوص مورد نظر برسد. درجه خلوص مواد اولیه مورد نیاز در این صنعت به اندازه ای بالاست كه توسط واحدهایی مانند ppm به معنی چند اتم نا خالصی در یك میلیون اتم ماده اولیه،بیان می شوند. آخرین مرحله خالص سازی ماده سیلیكون،به این صورت انجام می شود كه یك بلور خالص سیلیكون درون ظرف سیلیكون مذاب خالص شده قرار داده می شود، تا بلور باز هم خالص تری در این ظرف رشد كند ( همان طور كه بلورهای نبات در درون محلول اشباع شده به دور یك ریسمان نازك رشد می كنند ) . در واقع به این ترتیب، ماده سیلیكون مورد نیاز به صورت یك شمش تك كریستالی تهیه می شود ( یعنی تمام یك شمش بیست سانتی متری سیلیكون، یك بلور پیوسته و بدون نقض باید باشد!). این روش در صنعت تولید چیپ به روش cz معروف است. تهیه چنین شمس تك بلوری سیلیكون آن قدر اهمیت دارد كه یكی از تحقیقات اخیر اینتل و دیگر شركت های تولید كننده پردازنده، معطوف تولید شمش های سی سانتی متری سیلیكون تك بلوری بوده است. در حالی كه خط تولید شمش های بیست سانتی متری سیلیكون هزینه ای معادل ۵/۱ میلیارد دلار در بر دارد، شركت های تولید كننده پردازنده ، برای بدست آوردن خط تولید شمش های تك بلوری سیلیكون سی سانتی متری، ۵/۳ میلیارد دلار هزینه می كنند. موضوع جالب توجه در این مورد ان است كه تغییر اندازه شمش های تك بلوری ، تاكنون سریع تر از یك بار در هر ده سال نبوده است. پس از آنكه یك بلور سیلیكونی غول آسا به شكل یك استوانه تهیه گشت، گام بعدی ورقه ورقه بریدن این بلور است. هر ورقه نازك از این سیلیكون، یك ویفر نامیده می شود كه اساس ساختار پردازنده ها را تشكیل می دهد. در واقع تمام مدارات یا ترانزیستورهای لازم،بر روی این ویفر تولید می شوند. هر چه این ورقه ها نازك تر باشند،عمل برش بدون آسیب دیدن ویفر مشل تر خواهد شد. از طرف دیگر این موضوع به معنی افزایش تعداد چیپ هایی است كه میتوان با یك شمش سیلیكونی تهیه كرد. در هر صورت پس از آنكه ویفرهای سیلیكونی بریده شدند.نوبت به صیقل كاری آنها می رسد. ویفرها آنقدر صیقل داده می شوند كه سطوح آنها آیینه ای شود. كوچكترین نقص 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 می گیرد. در این گام،علاوه بر نقص های بلوری كه ممكن است در فرایند تولید شمش سیلیكون ایجاد شده باشند، نقص های حاصل از فرایند برش كریستال نیز به دقت مورد كنكاش قرار می گیرند. پس از این مرحله،نوبت به ساخت ترانزیستورها بر روی ویفر سیلیكونی می رسد. برای این كار 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 دقیقا” یك اتم از ماده دیگر قرار گیرد. در واقع در این مرحله نخستین گام فرایند تولید ماده نیمه هادی محسوب می شود كه اساس ساختمان قطعات الكترونیك مانند ترانزیستور را تشكیل می دهد. ترانزیستورهایی كه در پردازنده های امروزی به كار گرفته می شوند،توسط تكنولوژی CMOS تولید می شوند.CMOS مخخف عبارتComplementary Metal Oxide Semiconductor است . در اینجا منظور از واژه Complementary آن است كه در این تكنولوژی از تعامل نیمه هادی های نوع n و p استفاده می شود.

بدون آنكه بخواهیم وارد جزئیات فنی چگونه تولید ترانزیستور بر روی ویفرهای سیلیكونی بشویم،تنها اشاره می كنیم كه در این مرحله، بر اثر تزریق مواد گوناگون و همچنین ایجاد پوشش های فلزی فوق نازك ( در حد ضخامت چند اتم ) در مراحل متعدد، یك ساختار چند لایه ای و ساندویچی بر روی ویفر سیلیكونی اولیه شكل می گیرد. در طول این فرایند ، ویفر ساندویچی سیلیكونی در كوره ای قرار داده می شود تا تحت شرایط كنترل شده و بسیار دقیق ( حتی در اتمسفر مشخص) پخته می شود و لایه ای از sio۲ بر روی ویفر ساندویچی تشكیل شود. در جدید ترین فناوری اینتل به تكنولوژی ۹۰ نانو متری 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 ترازیستورهای اثر میدانی field Efect Transistor:FET نامیده می شوند. جریان الكتریكی از اتصالی بنام Source به اتصال دیگری به نام Drain جریان می یابد. وظیفه اتصال سوم به نام Gate در این ترانزیستور، كنترل و مدیریت بر مقدار و چگونگی عبور جریان الكتریكی از یك اتصال به اتصال دیگر است ).

اخرین مرحله آماده سازی ویفر، قرار دادن پوشش ظریف دیگری بر روی ساندویچ سیلیكونی است كه photo-resist نام دارد. ویژگی این لایه آخر همان طور كه از نام آن مشخص می شود، مقاومت در برابر نور است. در واقع این لایه از مواد شیمیایی ویژه ای ساخته شده است كه اگر در معرض تابش نور قرار گرفته شود، می توان آن را در محلول ویژه ای 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 ماده ای را در بخش بعدی مطالعه خواهید كرد.

---