آیا تا به حال به نحوه تولید و ساخت چیپ‌ها دقت کرده‌اید؟
فکر می‌کنید چیپ‌هایی نظیر پردازنده‌ها , هسته‌های گرافیکی , چیپ‌های حافظه , چیپست و .. چگونه ساخته می‌شوند؟
شاید برای شما نیز جالب باشد که بدانید این چیپ‌ها چگونه تولید و ساخته می‌شوند. در این مطلب به بررسی این موضوع پرداخته و یکی از اصلی‌ترین مراحل ساخت چیپ را مورد بررسی قرار می‌دهیم.
ذکر این نکته ضروری است که در طول مطلب سعی کرده‌ایم اصطلاحات خاص این پروسه را بصورت عبارات اصلی و در صورت نیاز همراه با معنی مطرح کنیم تا در صورت نیاز جستجو برای مطالب بیشتر ساده تر باشد.
مراحل کلی ساخت
پروسه ساخت نیمه رسانا‌ها بطور خلاصه در مراحل زیر معرفی می‌شود :
طراحی چیپ : در این مرحله ، طراحان و مهندسین ، چیپ را طراحی می‌کنند.پس از طراحی کامل چیپ، از آن Maskهایی تولید می‌شود. از این ماسکها در مراحل بعدی و در تولید Wafer ( ویفر ) استفاده می‌شود.
ساخت ویفر : این مرحله اصلی‌ترین قدم در ساخت چیپ محسوب می‌شود.
آماده سازی Die : این مرحله نیز به جداسازی چیپ‌ها از روی ویفر اختصاص می‌یابد.
بسته بندی : این مرحله نیز همانطور که از نامش پیداست بسته بندی نهایی چیپ خواهد بود.
تست : چیپ ساخته شده مورد آزمایش قرار گرفته و پس از موفقیت به فروش می‌رسد.
هر کدام از مراحل فوق به خودی خود مراحل بیشتری را در دل خود جای داده‌اند. اما بطور معمول هنگامیکه عبارت ” ساخت وتولید چیپ ” را مطرح می‌کنیم معمولا مرحله ساخت ویفر به فکر ما می‌رسد. همانطور که اشاره کردیم این مرحله اصلی‌ترین قدم در ساخت و تولید چیپ است که موضوع اصلی این مطلب را نیز شامل می‌شود.
نکته : Mask در حقیقت چیزی شبیه فیلم عکاسی است .
پروسه ساخت ویفر خام
ویفر در واقع زیر لایه اصلی است که چیپ‌ها بر روی آن تولید می‌شوند. ویفر خام از عنصری به نام سیلیکون ساخته می‌شود. پروسه‌ای که در آن ویفر خام ساخته می‌شود با نام Czochralski شناخته می‌شود. در طی این پروسه یک دانه کریستال ( قطعه ای از کریستال سیلیکونی ) بر روی یک میله نصب شده و این میله در سیلیکون مذاب غوطه‌ور می‌گردد.
در فواصل زمانی مناسب این میله بالا آورده شده و پس چرخاندن مجددا در سیلیکون مذاب قرار می‌گیرد.
در انتهای این پروسه استوانه‌ای بزرگ از سیلیکون تشکیل می‌شود که به آن قالب یا شمش نیز می‌گویند. قالبی که از این پروسه بدست می‌آید اندازه‌ای برابر با ۱ تا ۲ متر طول داشته و نیز می‌تواند تا ۳۰۰ میلیمتر قطر داشته باشد.
مفهوم ویفر‌های ۳۰۰ میلیمتری نیز از این جریان بوجود آمده است. این شمش یا قالب سپس به تعداد زیادی ویفر بریده می‌شود( شکل ۱ ). در مرحله بعدی این ویفر‌ها صیقل داده شده و برای ساخت چیپ برای سازندگان ارسال می‌گردد. همانطور که بررسی شد این ویفر‌های خام دقیقا همان محصولی است که چیپ‌ها بر روی آن تولید می‌شوند.
شکل ۱: شمش و یا قالب ویفر
سوالی که شاید برای شما نیز پیش آید این است که چرا ویفر‌ها بصورت دایره‌ای ( و نه مربع ) تولید می‌شوند ؟
پاسخ ساده است. در مرحله تهیه ویر خام یا همان شمش , میله قرار گرفته شده در سیلیکون مذاب در فواصل زمانی معین بالا آورده شده و پس از چرخش ، مجددا در سیلیکون مذاب قرار می‌گیرد. دقیقا به همین دلیل است که شکل طبیعی حاصل از این پروسه بصورت دایره‌ای خواهد بود.
Mask چیست ؟
Photomask ویا به عبارت ساده‌تر Mask ، صفحه غیر شفاف و یا تیره رنگی است که طرح و نقشی خاص بر روی آن شکل گرفته است به همین دلیل نور قابلیت عبور از میان این طرح را دارد. در واقع مجموعه‌ای از چند ماسک که بر روی هر یک طرح و الگویی خاص شکل گرفته , در کنار هم , قالب کاملی را تعریف می‌کنند( شکل ۲).
آنچه که در این مطلب مورد نظر ماست کاربرد ماسک در عملیات Photolithography و در واقع بخشی از پروسه ساخت مدارهای مجتمع و یا چیپ‌ها خواهد بود.
شکل ۲: Mask ، صفحه غیر شفافی است که طرح بر روی آن شکل گرفته
در پروسه photolithography و به منظور تولید انبوه چیپ‌ها مهمترین نکته، اجرای مرحله به مرحله طرح‌های ایجاد شده توسط مهندسین طراح بر روی تعداد بسیار زیادی ماسک است. در این پروسه که در ادامه بطور دقیق‌تر آن را مورد بررسی قرار می‌دهیم تعداد زیادی ماسک در مراحل متفاوت ولی پشت سر هم قالب کلی را بر روی محل مورد نظر ایجاد می کنند.
در شکل ۳ نمایی از قاعده کلی Photolithography و استفاده از ماسک را ملاحظه می‌کنید. در ادامه به بررسی جزئی‌تر پروسه Photolithography می‌پردازیم .
شکل ۳: قاعده کلی Photolithography و استفاده از ماسک
پروسه فتولیتوگرافی
در مرحله بعدی و در پروسه‌ای با نام Photolithography ، طرح مدارات چیپ بر روی ویفر قرار می‌گیرند.
در این پروسه مواد شیمیایی حساس به نور ماورا بنفش استفاده می‌شود. این نوع مواد شیمیایی هنگامیکه در معرض نور ماورا بنفش قرار می‌گیرند می‌توانند تغییر حالت داده و ” نرم ” یا ” سخت ” شوند. بنابراین اساس این پروسه شامل متمرکز کردن نور ماورا بنفش بر روی مواد شیمیایی پوشانده شده بر روی ویفر از روی ماسکهایی است که قبلا توسط طراحان و منهدسین ایجاد شده است( شکل ۴ ).
در ادمه این پروسه قسمت‌های نرم حذف می‌شود و مجددا ماسک بعدی بر روی ویفر اعمال می‌گردد. این عمل به همین منوال ادامه پیدا می‌کند تا در نهایت طراحی چیپ به پایان برسد.
شکل ۴: در مرحله فتولیتوگرافی ، طرح مدارات چیپ بر روی ویفر قرار می‌گیرند.
البته باید دانست که هر ماسک طرحی متفاوت را دارد و مجموعه این طرح‌ها در نهایت نحوه ساخت و ارتباط داخلی ترانزیستور‌های داخلی چیپ را بیان می‌کند. بر اساس هر پروژه تعداد ماسکهایی که مورد استفاده قرار می‌گیرد متفاوت خواهد بود. به عنوان مثال در پردازنده Pentium 4 تعداد ۲۶ ماسک برای طراحی چیپ استفاده می‌گردد.
نگاهی دقیق‌تر بر پروسه Photolithography
اولین عملی که بر روی ویفر‌های خام انجام می‌گیرد رویاندن دی اکسید سیلیکون ( SiO2 ) بر روی آن است. این عمل با قرار دادن ویفر خام در معرض گاز و حرارت بسیار زیاد عملی می‌شود. نحوه این رویاندن مشابه ایجاد زنگ بر روی آهن است( هنگامیکه آهن در معرض رطوبت قرار می‌گیرد) البته سرعت بسیار بالاتر از سرعت ایجاد زنگ آهن خواهد بود.
در قدم بعدی ویفر با استفاده از ماده‌ای با نام Photoresist پوشانده می‌شود. این ماده هنگامیکه در معرض نور ماورا بنفش قرار می‌گیرد خاصیت انحلال پذیری از خود نشان می‌دهد.
در ادامه اولین ماسک آماده شده و آنگاه ویفر در معرض نور ماورا بنفش قرار می‌گیرد. پس از آن، قسمت‌های نرم Photoresist با استفاده از یک حلال حذف شده و بخش‌هایی از لایه دی اکسید سیلیکون که آشکار شده است در پروسه‌ای با نام Etching حذف خواهد شد. باقیمانده Photoresist نیز حذف می‌شود و در نهایت ویفری بدست می‌آید با لایه‌ای از دی اکسید سیلیکون که طرحی مشابه طرح ماسک اول به خود گرفته است.
سپس لایه‌ای دیگر از دی اکسید سیلیکون بر روی ویفر اعمال می‌شود. همچنین یک لایه پلی سیلیکون نیز بر روی آن قرار گرفته و بر روی این دو، لایه‌ای از Photoresist اعمال می‌شود. ماسک دوم نیز آماده شده و پس از آن ویفر در معرض نور ماورا بنفش قرار می‌گیرد.
قسمت‌های نرم Photoresist با استفاده از حلال حذف شده و آن بخش‌هایی از پلی سیلیکون و دی اکسید سیلیکون که ظاهر گشته‌اند در پروسه Etching حذف می‌شوند. در ادامه باقیمانده Photoresist نیز حذف شده و در نهایت ویفری بدست می‌آید با لایه‌ای از دی اکسید سیلیکون که طرح ماسک اول را دارد و همچنین بر روی آن لایه‌ای از پلی سیلیکون و دی اکسید سیلیکون که طرحی مشابه ماسک دوم را به خود گرفته‌اند.
بعد از این دو مرحله ، پروسه‌ای با نام دوپینگ ( و یا یونیزاسیون ) اتفاق می‌افتد. دراینجا بخش‌های بدون پوشش ( ظاهر شده ) ویفر بوسیله یون‌های مختلف بمباران می‌شود. این مرحله برای تغییر وضعیت بخش‌های آشکار شده صورت گرفته تا خاصیت هدایت الکتریکی را بدست آورند. بخش‌های بمباران شده به یکی از دو حالت نیمه رسانایی نوع P و یا نیمه رسانایی نوع N تغییر حالت می‌دهند. این تغییر وضعیت به نوع ماده شیمیایی مورد استفاده بستگی خواهد داشت.
فسفر, آنتیموان و آرسنیک بطور معمول برای ایجاد لایه نیمه رسانای نوع N و همچنین بور, ایندیوم و گالیم بطور معمول برای ایجاد لایه نیمه رسانای نوع P مورد استفاده قرار می‌گیرند. انباشته کردن لایه‌های نیمه رسانا ترانزیستور‌ها را خواهد ساخت( شکل ۵ ).
شکل ۵ : ساخت ترانزیستور و بر قراری ارتباطات الکتریکی
مراحل لایه سازی و Masking با استفاده از طرح ماسک بعدی تکرار می‌گردد. سپس یک فلز بر روی ویفر می‌افتد و سوراخ‌هایی که برای ساخت ارتباطات الکتریکی مابین لایه‌ها ایجاد شده است را پر خواهد کرد. پروسه دیگری از Masking و Etching برای اضافه نمودن ارتباطات الکتریکی انجام می‌شود.
کل این پروسه تا رسیدن به طرح نهایی چیپ تکرار می‌گردد. به عبارتی دیگر تا زمانی که کلیه ماسکها مورد استفاده قرار گیرند این پروسه ادامه خواهد یافت. میزان دقیق پروسه‌های ساخت و نیز تعداد لایه‌ها که در تهیه و ساخت چیپ مورد استفاده قرار می‌گیرند بر حسب نوع پروژه متفاوت خواهد بود. برای مثال در پروژه Pentium 4 تعداد ۲۶ ماسک و ۷ لایه فلزی استفاده می‌شود.
در نهایت چیپ‌های روی ویفر تحت آزمایش قرار می‌گیرند و ویفر به پروسه بعدی ساخت چیپ فرستاده می‌شود. دراین مرحله چیپ‌ها از روی ویفر بریده شده و اتصالات و بسته بندی نهایی بر روی آن‌ها اعمال می‌شود(شکل ۶ ). بعد از آن تست نهایی انجام گرفته و در صورت تایید، بسته‌بندی شده و بفروش می‌رسند.
شکل ۶: ایجاد صدها چیپ بر روی ویفر
اتاق پاک
تمام مراحلی که تشریح شد در یک اتاق کاملا پاک و خالی از گردوغبار صورت می‌گیرد. شاید شما هم تصاویری از اشخاصی را دیده باشید که با لباس‌های مخصوصی با نام لباس‌های خرگوشی داخل اتاق‌های پاک مشغول به کار هستند.
از آنجا که سخن از ترانزیستور‌های میکروسکوپی است حتی کوچکترین ذره از گردوغبار می‌تواند سبب خرابی چیپ گردد. مثال‌هایی از این موارد در شکل ۸ مشاهده می‌شود.
شکل ۷ :تمامی مراحل در یک اتاق کاملا پاک و خالی از گردوغبار صورت می‌گیرد.
شکل ۸:خرابی ناشی از گردوغبار
سخن پایانی
پروسه ساخت و تولید چیپ چیزی فراتر از اطلاعاتی است که در این مطلب تشریح شد. هدف از این مطلب نگاهی کوتاه بر پروسه‌ای جالب در ساخت چیپ‌هاست. البته می‌توانید با کمی جستجو مطالب کامل‌تری را در این زمینه بدست آورید. در نهایت امیدواریم اطلاعات ارایه شده در این مطلب مورد استفاده قرار گرفته باشد.
لینک کوتاه: