اشاره :
آيا تا به حال به نحوه توليد و ساخت چيپ‌ها دقت کرده‌ايد؟ فکر مي‌کنيد چيپ‌هايي نظير پردازنده‌ها , هسته‌هاي گرافيکي , چيپ‌هاي حافظه , چيپست و .. چگونه ساخته مي‌شوند؟



مقدمه
شايد براي شما نيز جالب باشد که بدانيد اين چيپ‌ها چگونه توليد و ساخته مي‌شوند. در اين مطلب به بررسي اين موضوع پرداخته و يکي از اصلي‌ترين مراحل ساخت چيپ را مورد بررسي قرار مي‌دهيم.
ذکر اين نکته ضروري است که در طول مطلب سعي کرده‌ايم اصطلاحات خاص اين پروسه را بصورت عبارات اصلي و در صورت نياز همراه با معني مطرح کنيم تا در صورت نياز جستجو براي مطالب بيشتر ساده تر باشد.
مراحل کلي ساخت
پروسه ساخت نيمه رسانا‌ها بطور خلاصه در مراحل زير معرفي مي‌شود :
• طراحي چيپ : در اين مرحله ، طراحان و مهندسين ، چيپ را طراحي مي‌کنند.پس از طراحي کامل چيپ، از آن Mask‌هايي توليد مي‌شود. از اين ماسک‌ها در مراحل بعدي و در توليد Wafer ( ويفر ) استفاده مي‌شود.
• ساخت ويفر : اين مرحله اصلي‌ترين قدم در ساخت چيپ محسوب مي‌شود.
• آماده سازي Die : اين مرحله نيز به جداسازي چيپ‌ها از روي ويفر اختصاص مي‌يابد.
• بسته بندي : اين مرحله نيز همانطور که از نامش پيداست بسته بندي نهايي چيپ خواهد بود.
• تست : چيپ ساخته شده مورد آزمايش قرار گرفته و پس از موفقيت به فروش مي‌رسد.
هر کدام از مراحل فوق به خودي خود مراحل بيشتري را در دل خود جاي داده‌اند. اما بطور معمول هنگامي‌که عبارت " ساخت وتوليد چيپ " را مطرح مي‌کنيم معمولا مرحله ساخت ويفر به فکر ما مي‌رسد. همانطور که اشاره کرديم اين مرحله اصلي‌ترين قدم در ساخت و توليد چيپ است که موضوع اصلي اين مطلب را نيز شامل مي‌شود.
نکته : Mask در حقيقت چيزي شبيه فيلم عکاسي است .
پروسه ساخت ويفر خام
ويفر در واقع زير لايه اصلي است که چيپ‌ها بر روي آن توليد مي‌شوند. ويفر خام از عنصري به نام سيليکون ساخته مي‌شود. پروسه‌اي که در آن ويفر خام ساخته مي‌شود با نام Czochralski شناخته مي‌شود. در طي اين پروسه يک دانه کريستال ( قطعه اي از کريستال سيليکوني ) بر روي يک ميله نصب شده و اين ميله در سيليکون مذاب غوطه‌ور مي‌گردد. در فواصل زماني مناسب اين ميله بالا آورده شده و پس چرخاندن مجددا در سيليکون مذاب قرار مي‌گيرد. در انتهاي اين پروسه استوانه‌اي بزرگ از سيليکون تشکيل مي‌شود که به آن قالب يا شمش نيز مي‌گويند. قالبي که از اين پروسه بدست مي‌آيد اندازه‌اي برابر با 1 تا 2 متر طول داشته و نيز مي‌تواند تا 300 ميليمتر قطر داشته باشد.
مفهوم ويفر‌هاي 300 ميليمتري نيز از اين جريان بوجود آمده است. اين شمش يا قالب سپس به تعداد زيادي ويفر بريده مي‌شود( شکل 1 ). در مرحله بعدي اين ويفر‌ها صيقل داده شده و براي ساخت چيپ براي سازندگان ارسال مي‌گردد. همانطور که بررسي شد اين ويفر‌هاي خام دقيقا همان محصولي است که چيپ‌ها بر روي آن توليد مي‌شوند.


شکل 1: شمش و يا قالب ويفر
سوالي که شايد براي شما نيز پيش آيد اين است که چرا ويفر‌ها بصورت دايره‌اي
( و نه مربع ) توليد مي‌شوند ؟
پاسخ ساده است. در مرحله تهيه وير خام يا همان شمش , ميله قرار گرفته شده در سيليکون مذاب در فواصل زماني معين بالا آورده شده و پس از چرخش ، مجددا در سيليکون مذاب قرار مي‌گيرد. دقيقا به همين دليل است که شکل طبيعي حاصل از اين پروسه بصورت دايره‌اي خواهد بود.
Mask چيست ؟
Photomask ويا به عبارت ساده‌تر Mask ، صفحه غير شفاف و يا تيره رنگي است که طرح و نقشي خاص بر روي آن شکل گرفته است به همين دليل نور قابليت عبور از ميان اين طرح را دارد. در واقع مجموعه‌اي از چند ماسک که بر روي هر يک طرح و الگويي خاص شکل گرفته , در کنار هم , قالب کاملي را تعريف مي‌کنند( شکل 2). آنچه که در اين مطلب مورد نظر ماست کاربرد ماسک در عمليات Photolithography و در واقع بخشي از پروسه ساخت مدارهاي مجتمع و يا چيپ‌ها خواهد بود.


شکل 2: Mask ، صفحه غير شفافي است که طرح بر روي آن شکل گرفته
در پروسه photolithography و به منظور توليد انبوه چيپ‌ها مهمترين نکته، اجراي مرحله به مرحله طرح‌هاي ايجاد شده توسط مهندسين طراح بر روي تعداد بسيار زيادي ماسک است. در اين پروسه که در ادامه بطور دقيق‌تر آن را مورد بررسي قرار مي‌دهيم تعداد زيادي ماسک در مراحل متفاوت ولي پشت سر هم قالب کلي را بر روي محل مورد نظر ايجاد مي کنند.
در شکل 3 نمايي از قاعده کلي Photolithography و استفاده از ماسک را ملاحظه مي‌کنيد. در ادامه به بررسي جزئي‌تر پروسه Photolithography مي‌پردازيم .


شکل 3: قاعده کلي Photolithography و استفاده از ماسک
پروسه فتوليتوگرافي
در مرحله بعدي و در پروسه‌اي با نام Photolithography ، طرح مدارات چيپ‌ بر روي ويفر قرار مي‌گيرند.
در اين پروسه مواد شيميايي حساس به نور ماورا بنفش استفاده مي‌شود. اين نوع مواد شيميايي هنگاميکه در معرض نور ماورا بنفش قرار مي‌گيرند مي‌توانند تغيير حالت داده و " نرم " يا " سخت " شوند. بنابراين اساس اين پروسه شامل متمرکز کردن نور ماورا بنفش بر روي مواد شيميايي پوشانده شده بر روي ويفر از روي ماسک‌‌هايي است که قبلا توسط طراحان و منهدسين ايجاد شده است( شکل 4 ). در ادمه اين پروسه قسمت‌هاي نرم حذف مي‌شود و مجددا ماسک بعدي بر روي ويفر اعمال مي‌گردد. اين عمل به همين منوال ادامه پيدا مي‌کند تا در نهايت طراحي چيپ به پايان برسد.

شکل 4: در مرحله فتوليتوگرافي ، طرح مدارات چيپ‌ بر روي ويفر قرار مي‌گيرند.
البته بايد دانست که هر ماسک طرحي متفاوت را دارد و مجموعه اين طرح‌ها در نهايت نحوه ساخت و ارتباط داخلي ترانزيستور‌هاي داخلي چيپ را بيان مي‌کند. بر اساس هر پروژه تعداد ماسک‌هايي که مورد استفاده قرار مي‌گيرد متفاوت خواهد بود. به عنوان مثال در پردازنده Pentium 4 تعداد 26 ماسک‌ براي طراحي چيپ استفاده مي‌گردد.
نگاهي دقيق‌تر بر پروسه Photolithography
اولين عملي که بر روي ويفر‌هاي خام انجام مي‌گيرد روياندن دي اکسيد سيليکون
( SiO2 ) بر روي آن است. اين عمل با قرار دادن ويفر خام در معرض گاز و حرارت بسيار زياد عملي مي‌شود. نحوه اين روياندن مشابه ايجاد زنگ بر روي آهن است( هنگامي‌که آهن در معرض رطوبت قرار مي‌گيرد) البته سرعت بسيار بالاتر از سرعت ايجاد زنگ آهن خواهد بود.
در قدم بعدي ويفر با استفاده از ماده‌اي با نام Photoresist پوشانده مي‌شود. اين ماده هنگاميکه در معرض نور ماورا بنفش قرار مي‌گيرد خاصيت انحلال پذيري از خود نشان مي‌دهد.
در ادامه اولين ماسک ‌آماده شده و آنگاه ويفر در معرض نور ماورا بنفش قرار مي‌گيرد. پس از آن، قسمت‌هاي نرم Photoresist با استفاده از يک حلال حذف شده و بخش‌هايي از لايه دي اکسيد سيليکون که آشکار شده است در پروسه‌اي با نام Etching حذف خواهد شد. باقيمانده Photoresist نيز حذف مي‌شود و در نهايت ويفري بدست مي‌آيد با لايه‌اي از دي اکسيد سيليکون که طرحي مشابه طرح ماسک اول به خود گرفته است.
سپس لايه‌اي ديگر از دي اکسيد سيليکون بر روي ويفر اعمال مي‌شود. همچنين يک لايه پلي سيليکون نيز بر روي آن قرار گرفته و بر روي اين دو، لايه‌اي از Photoresist اعمال مي‌شود. ماسک‌ دوم نيز آماده شده و پس از آن ويفر در معرض نور ماورا بنفش قرار مي‌گيرد. قسمت‌هاي نرم Photoresist با استفاده از حلال حذف شده و آن بخش‌هايي از پلي سيليکون و دي اکسيد سيليکون که ظاهر گشته‌اند در پروسه Etching حذف مي‌شوند. در ادامه باقيمانده Photoresist نيز حذف شده و در نهايت ويفري بدست مي‌آيد با لايه‌اي از دي اکسيد سيليکون که طرح ماسک‌ اول را دارد و همچنين بر روي آن لايه‌اي از پلي سيليکون و دي اکسيد سيليکون که طرحي مشابه ماسک‌ دوم را به خود گرفته‌اند.
بعد از اين دو مرحله ، پروسه‌اي با نام دوپينگ ( و يا يونيزاسيون ) اتفاق مي‌افتد. دراينجا بخش‌هاي بدون پوشش ( ظاهر شده ) ويفر بوسيله يون‌هاي مختلف بمباران مي‌شود. اين مرحله براي تغيير وضعيت بخش‌هاي آشکار شده صورت گرفته تا خاصيت هدايت الکتريکي را بدست آورند. بخش‌هاي بمباران شده به يکي از دو حالت نيمه رسانايي نوع P و يا نيمه رسانايي نوع N تغيير حالت مي‌دهند. اين تغيير وضعيت به نوع ماده شيميايي مورد استفاده بستگي خواهد داشت.
فسفر, آنتيموان و آرسنيک بطور معمول براي ايجاد لايه نيمه رساناي نوع N و همچنين بور, اينديوم و گاليم بطور معمول براي ايجاد لايه نيمه رساناي نوع P مورد استفاده قرار مي‌گيرند. انباشته کردن لايه‌هاي نيمه رسانا ترانزيستور‌ها را خواهد ساخت( شکل 5 ).


شکل 5 : ساخت ترانزيستور و بر قراري ارتباطات الکتريکي
مراحل لايه سازي و Masking با استفاده از طرح ماسک‌ بعدي تکرار مي‌گردد. سپس يک فلز بر روي ويفر مي‌افتد و سوراخ‌هايي که براي ساخت ارتباطات الکتريکي مابين لايه‌ها ايجاد شده است را پر خواهد کرد. پروسه ديگري از Masking و Etching براي اضافه نمودن ارتباطات الکتريکي انجام مي‌شود.
کل اين پروسه تا رسيدن به طرح نهايي چيپ تکرار مي‌گردد. به عبارتي ديگر تا زماني که کليه ماسک‌‌‌ها مورد استفاده قرار گيرند اين پروسه ادامه خواهد يافت. ميزان دقيق پروسه‌هاي ساخت و نيز تعداد لايه‌ها که در تهيه و ساخت چيپ مورد استفاده قرار مي‌گيرند بر حسب نوع پروژه متفاوت خواهد بود. براي مثال در پروژه Pentium 4 تعداد 26 ماسک‌ و 7 لايه فلزي استفاده مي‌شود.
در نهايت چيپ‌هاي روي ويفر تحت آزمايش قرار مي‌گيرند و ويفر به پروسه بعدي ساخت چيپ فرستاده مي‌شود. دراين مرحله چيپ‌ها از روي ويفر بريده شده و اتصالات و بسته بندي نهايي بر روي آن‌ها اعمال مي‌شود(شکل 6 ). بعد از آن تست نهايي انجام گرفته و در صورت تاييد، بسته‌بندي شده و بفروش مي‌رسند.


شکل 6: ايجاد صدها چيپ بر روي ويفر
اتاق پاک
تمام مراحلي که تشريح شد در يک اتاق کاملا پاک و خالي از گردوغبار صورت مي‌گيرد. شايد شما هم تصاويري از اشخاصي را ديده باشيد که با لباس‌هاي مخصوصي با نام لباس‌هاي خرگوشي داخل اتاق‌هاي پاک مشغول به کار هستند.
از آنجا که سخن از ترانزيستور‌هاي ميکروسکوپي است حتي کوچکترين ذره از گردوغبار مي‌تواند سبب خرابي چيپ گردد. مثال‌هايي از اين موارد در شکل 8 مشاهده مي‌شود.


شکل 7 :تمامي مراحل در يک اتاق کاملا پاک و خالي از گردوغبار صورت مي‌گيرد.

شکل 8:خرابي ناشي از گردوغبار
سخن پاياني
پروسه ساخت و توليد چيپ چيزي فراتر از اطلاعاتي است که در اين مطلب تشريح شد. هدف از اين مطلب نگاهي کوتاه بر پروسه‌اي جالب در ساخت چيپ‌هاست. البته مي‌توانيد با کمي ‌جستجو مطالب کامل‌تري را در اين زمينه بدست آوريد. در نهايت اميدواريم اطلاعات ارايه شده در اين مطلب مورد استفاده قرار گرفته باشد.