مراحل ساخت تراشه
اولین قدم برای ساخت تراشه یک کامپیوتر چیست؟
نتیجه ی پاک سازی ماده این است که فقط ممکن است 1 اتم از میان بیلیون ها اتم، غیر سیلیکونی باشد. از آنجا که سیلیکون الکتریسیته را به خوبی هدایت نمی کند آن را نیمه رسانا می نامند.
با افزودن موادی با فرآیندهای شیمیایی خاص به سیلیکون می توان نواحی نازکی به وجود آورد که به یکی از سه قطعه زیر تبدیل می شود:
1- رسانای بسیار خوب الکتریسیته (با استفاده از سیم آلومینیومی یا مسی بسیار ریز)
2- نارسانای بسیار عالی!
3- نواحی که می توانند تحت شرایط خاص رسانا یا نارسنا باشند (مثل یک کلید!)
ترانزیستورها در گروه سوم هستند. یک مدار VLSI میلیاردها ترکیب از رساناها، نارساناها و کلیدهاست که در یک بسته بندی کوچک و واحد ساخته می شوند.
فرآیند ساخت مدارهای مجتمع در هزینه ی تراشه، نقشی اساسی دارد و به همین دلیل برای طراحان کامپیوتر مهم است. آغاز آن با یک شمش کریستال سیلیکون است که شبیه یک سوسیس بسیار بزرگ می باشد. قطر این شمش حدود 8 تا 12 اینچ و طول آن بین 12 تا 24 اینچ است. شمش را به دقت به ویفرهای (wafer) به قطر 0.1 اینچ برش می زنند.
وقتی که برش انجام شد، Wafer ها براق می شوند تا هیچ خدشه ای نماند. سطح آن آینه ای و صیقلی است. Intel برای فرایند 45mm High-K\Metal از Wafer هایی با قطر 300 میلیمتر (12 اینچی) استفاده می کند. امروزه Intel از Wafer های 300 میلیمتری که که نتیجه ی آن کمتر شدن قیمت است استفاده می کند.
سپس این ویفرها مراحل مختلفی را طی می کنند که در آن ها طرح های شیمیایی روی هر ویفر انجام می گیرد، و ترانزیستورها و رساناها و نارساناها ساخته می شوند. امروزه مدارهای مجتمع فقط یک لایه ترازیستور دارند اما ممکن است دارای دو تا هشت لایه رسانای فلزی باشند که با لایه های نارسانا از هم جدا شده باشند.
مایع آبی که در بالا می بینید.یک Photo Resist (بعدا در مورد این کلمه توضیح داده می شود) مشابه آن هایی که در فیلم های عکاسی استفاده می شود. در این مرحله Wafer شروع به چرخیدن می کند که باعث می شود که لایه ی آغشته شده خیلی باریک و صیقلی بشود.
در این مرحله Photo Resist در معرض اشعه ی ماورا بنفش قرار می گیرد UV. واکنش شیمیایی که با UV رخ می دهد مشابه همان اتفاقی است که به هنگام فشار دادن دکمه برروی فیلم خام در دوربین می افتد.
چیپ های کامپیوتر حدودا 20 لایه از اجزای مختلف ترکیب کننده ی برق دارند.
اگر با یک ذره بین به چیپ نگاه کنید یک شبکه ی پیچیده از مدار ها و ترانزیستور ها که مثل وسیله ای که از آینده آمده است می ماند، می بینید
قسمت های مقاوم برروی Wafer بعد از اینکه در معرض UV قرار گرفتند به صورت محلول در می آیند.مرحله ی تاباندن پرتو با استفاده از پوشش هایی که مثل نقش و نگار هستند تمام شده . وقتی از اشعه ی UV استفاده می شود, پوششی با طرح های مختلف بروی آن بوجود می آید.ساخت یک CPU نیازمند تکرار این فرایند است تا اینکه چند لایه بروی هم بوجود آید.
یک لنز هم باعث کاهش نقش های رو پوشش می شود و آنها را به یک نقطه ی کانونی جمع کند.نتیجه ی آن برروی Wafer این است که 4 بار کوچکتر , طولی تر نسبت به نقش و نگار های روی پوشش است.
در تصویر ما بازنمایی از یک ترانزیستور طوری که با چشم غیر مسلح دیده می شود. یک ترانزیستور مثل سویچ عمل می کند، که جریان الکتریکی را در یک چیپ کامپیوتری کنترل می کند.محققان Intel ترانزیستور ها را خیلی کوچک ساخته ایند که ادعا کرده اند حدود 30 میلیون از آنها می توانند در سر یک سوزن جا شوند.
بعد از تاباندن UV تمام Photo Resist ها توسط یک حلال پاک می شوند. این کار باعث آشکار شدن الگوی طرح های Photo Resist که توسط آن پوشش ساخته شده بود می شود. ترانزیستور ها و رابط ها و اتصالات الکتریکی از همین جا شروع می شوند.
لایه ی Photo Resit باعث حفاظت از Wafer می شد که نباید روی آن خطی می افتاد. حالا قسمت هایی که اشعه تابیده شده اند با مواد شیمیایی حکاکی می شوند.
بعد از حکاکی Photo Resist پاک شده و اشکال روی آن نمایان می شوند.
Photo Resist بیشتری بکار گرفته می شود و سپس دوباره اشعه ی UV تابانده می شود. ماده ی اشعه دیده دوباره شسته شده و قبل از مرحله ی بعدی که به آن برامیختن یون ion dropping می گویند. در این مرحله ذرات یونی به Wafer تابانده می شوند که به سیلیکون امکان تغیر خاصیت شیمیایش را می دهد تا CPU بتواند کنترل شارش الکتریکی را داشته باشد.
در طی پروسه ای که به آن القای یونی می گویند(یک حالت از پروسه ی برآمیختن یونی است) محلی که Wafer سیلیکونی دارد با یون بمباران می شود. یون های القا شده در سیلیکون باعث می شود که سیلسکون در آن مناطق رفتار الکتریکی متفاوتی داشته باشد. یون ها به سمت سطح Wafer رانده می شوند تا به ولتاز بالا برسند. در میدان الکتریکی آن سرعت یون ها به 300.000کیلو متر در ساعت هم می رسد.
بعد از القای یونی, photo Resist پاک شده و ماده ای که ریخته می شود(قسمت سبز رنگ) اتم های بیگانه به آن اضافه می کنند.
این ترانزیستور به مرحله اتمام ساخت نزدیک است 3 عدد روزنه (حفره) روی لایه عایق بالایی ترانزیستور ایجاد شده است. این 3 روزنه با مس (Copper) پر می شوند این مسئله امکان برقراری ارتباط با سایر ترانزیستورها را فراهم می کند.
در این مرحله ویفرها در یک محلول سولفات مس قرار می گیرند یون های مس، طی فرایندی به نام Electroplanting (یا همان آب کاری الکتریکی) روی ترانزیستور ته نشین می شوند . یون های مس، از قطب مثبت (Anode) به سمت قطب منفی (Cathode) که توسط ویفر نمایان می شود، حرکت می کنند.
در نهایت یون های مس، به شکل یک لایه نازک بر روی سطح ویفر نشست می کنند.
مواد اضافی از روی لایه ی نازک مس پاک می شود.
لایه های مختلف فلزی برای اتصال بین ترانزیستور های مختلف ساخته شده اند. طرز وصل کردن این لایه ها به هم توسط مهندسان و تیم های طراحی می شود که طرح اصلی پردازنده تولیدی به این قسمت مربوط می شود (مثلا پردازنده ی i7 تولید می شود). درحالی که چیپ های کامپیوتر به نظر صاف می آیند آنها حدودا 20 لایه از اجزای مختلف ترکیب کننده ی برق دارند. اگر با یک ذره بین به چیپ نگاه کنید یک شبکه ی پیچیده از مدار ها و ترانزیستور ها که مثل وسیله ای که از آینده آمده است می ماند، می بینید.
بزودی ...