چيپها چگونه ساخته ميشوند ؟
ارسال شده: دوشنبه ۱۴ دی ۱۳۸۸, ۲:۴۱ ق.ظ
شايدبراي شما نيز جالب باشد که بدانيد اين چيپها چگونه توليد و ساختهميشوند. در اين مطلب به بررسي اين موضوع پرداخته و يکي از اصليترينمراحل ساخت چيپ را مورد بررسي قرار ميدهيم.
ذکر اين نکته ضروري است کهدر طول مطلب سعي کردهايم اصطلاحات خاص اين پروسه را بصورت عبارات اصلي ودر صورت نياز همراه با معني مطرح کنيم تا در صورت نياز جستجو براي مطالببيشتر ساده تر باشد.
کلي ساخت
پروسه ساخت نيمه رساناها بطور خلاصه در مراحل زير معرفي ميشود :
• طراحيچيپ : در اين مرحله ، طراحان و مهندسين ، چيپ را طراحي ميکنند.پس ازطراحي کامل چيپ، از آن Maskهايي توليد ميشود. از اين ماسکها در مراحلبعدي 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.
کداماز مراحل فوق به خودي خود مراحل بيشتري را در دل خود جاي دادهاند. امابطور معمول هنگاميکه عبارت " ساخت وتوليد چيپ " را مطرح ميکنيم معمولامرحله ساخت ويفر به فکر ما ميرسد. همانطور که اشاره کرديم اين مرحلهاصليترين قدم در ساخت و توليد چيپ است که موضوع اصلي اين مطلب را نيزشامل ميشود.
: Mask در حقيقت چيزي شبيه فيلم عکاسي است .
ساخت ويفر خام
ويفردر واقع زير لايه اصلي است که چيپها بر روي آن توليد ميشوند. ويفر خاماز عنصري به نام سيليکون ساخته ميشود. پروسهاي که در آن ويفر خام ساختهميشود با نام Czochralski شناخته ميشود. در طي اين پروسه يک دانهکريستال ( قطعه اي از کريستال سيليکوني ) بر روي يک ميله نصب شده و اينميله در سيليکون مذاب غوطهور ميگردد. در فواصل زماني مناسب اين ميلهبالا آورده شده و پس چرخاندن مجددا در سيليکون مذاب قرار ميگيرد. درانتهاي اين پروسه استوانهاي بزرگ از سيليکون تشکيل ميشود که به آن قالبيا شمش نيز ميگويند. قالبي که از اين پروسه بدست ميآيد اندازهاي برابربا 1 تا 2 متر طول داشته و نيز ميتواند تا 300 ميليمتر قطر داشته باشد.
مفهومويفرهاي 300 ميليمتري نيز از اين جريان بوجود آمده است. اين شمش يا قالبسپس به تعداد زيادي ويفر بريده ميشود( شکل 1 ). در مرحله بعدي اينويفرها صيقل داده شده و براي ساخت چيپ براي سازندگان ارسال ميگردد.همانطور که بررسي شد اين ويفرهاي خام دقيقا همان محصولي است که چيپها برروي آن توليد ميشوند.
[COLOR=#808080]شکل 1: شمش و يا قالب ويفر
که شايد براي شما نيز پيش آيد اين است که چرا ويفرها بصورت دايرهاي
( و نه مربع ) توليد ميشوند ؟
پاسخساده است. در مرحله تهيه وير خام يا همان شمش , ميله قرار گرفته شده درسيليکون مذاب در فواصل زماني معين بالا آورده شده و پس از چرخش ، مجددادر سيليکون مذاب قرار ميگيرد. دقيقا به همين دليل است که شکل طبيعي حاصلاز اين پروسه بصورت دايرهاي خواهد بود.
چيست ؟
Photomaskويا به عبارت سادهتر Mask ، صفحه غير شفاف و يا تيره رنگي است که طرح ونقشي خاص بر روي آن شکل گرفته است به همين دليل نور قابليت عبور از مياناين طرح را دارد. در واقع مجموعهاي از چند ماسک که بر روي هر يک طرح والگويي خاص شکل گرفته , در کنار هم , قالب کاملي را تعريف ميکنند( شکل2). آنچه که در اين مطلب مورد نظر ماست کاربرد ماسک در عملياتPhotolithography و در واقع بخشي از پروسه ساخت مدارهاي مجتمع و يا چيپهاخواهد بود.
[COLOR=#808080]شکل 2: Mask ، صفحه غير شفافي است که طرح بر روي آن شکل گرفته
photolithography و به منظور توليد انبوه چيپها مهمترين نکته،اجراي مرحله به مرحله طرحهاي ايجاد شده توسط مهندسين طراح بر روي تعدادبسيار زيادي ماسک است. در اين پروسه که در ادامه بطور دقيقتر آن را موردبررسي قرار ميدهيم تعداد زيادي ماسک در مراحل متفاوت ولي پشت سر هم قالبکلي را بر روي محل مورد نظر ايجاد مي کنند.
در شکل 3 نمايي از قاعدهکلي Photolithography و استفاده از ماسک را ملاحظه ميکنيد. در ادامه بهبررسي جزئيتر پروسه Photolithography ميپردازيم .
[COLOR=#808080]شکل 3: قاعده کلي Photolithography و استفاده از ماسک
فتوليتوگرافي
در مرحله بعدي و در پروسهاي با نام Photolithography ، طرح مدارات چيپ بر روي ويفر قرار ميگيرند.
دراين پروسه مواد شيميايي حساس به نور ماورا بنفش استفاده ميشود. اين نوعمواد شيميايي هنگاميکه در معرض نور ماورا بنفش قرار ميگيرند ميتوانندتغيير حالت داده و " نرم " يا " سخت " شوند. بنابراين اساس اين پروسه شاملمتمرکز کردن نور ماورا بنفش بر روي مواد شيميايي پوشانده شده بر روي ويفراز روي ماسکهايي است که قبلا توسط طراحان و منهدسين ايجاد شده است( شکل4 ). در ادمه اين پروسه قسمتهاي نرم حذف ميشود و مجددا ماسک بعدي بر رويويفر اعمال ميگردد. اين عمل به همين منوال ادامه پيدا ميکند تا در نهايتطراحي چيپ به پايان برسد.
[COLOR=#808080]شکل 4: در مرحله فتوليتوگرافي ، طرح مدارات چيپ بر روي ويفر قرار ميگيرند.
دانست که هر ماسک طرحي متفاوت را دارد و مجموعه اين طرحها در نهايتنحوه ساخت و ارتباط داخلي ترانزيستورهاي داخلي چيپ را بيان ميکند. براساس هر پروژه تعداد ماسکهايي که مورد استفاده قرار ميگيرد متفاوت خواهدبود. به عنوان مثال در پردازنده Pentium 4 تعداد 26 ماسک براي طراحي چيپاستفاده 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 حرارتبسيار زياد عملي ميشود. نحوه اين روياندن مشابه ايجاد زنگ بر روي آهناست( هنگاميکه آهن در معرض رطوبت قرار ميگيرد) البته سرعت بسيار بالاتراز سرعت ايجاد زنگ آهن خواهد بود.
در قدم بعدي ويفر با استفاده ازمادهاي با نام Photoresist پوشانده ميشود. اين ماده هنگاميکه در معرضنور ماورا بنفش قرار ميگيرد خاصيت انحلال پذيري از خود نشان ميدهد.
درادامه اولين ماسک آماده شده و آنگاه ويفر در معرض نور ماورا بنفش قرارميگيرد. پس از آن، قسمتهاي نرم Photoresist با استفاده از يک حلال حذفشده و بخشهايي از لايه دي اکسيد سيليکون که آشکار شده است در پروسهاي بانام Etching حذف خواهد شد. باقيمانده Photoresist نيز حذف ميشود و درنهايت ويفري بدست ميآيد با لايهاي از دي اکسيد سيليکون که طرحي مشابهطرح ماسک اول به خود گرفته است.
سپس لايهاي ديگر از دي اکسيد سيليکونبر روي ويفر اعمال ميشود. همچنين يک لايه پلي سيليکون نيز بر روي آن قرارگرفته و بر روي اين دو، لايهاي از Photoresist اعمال ميشود. ماسک دومنيز 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 ازپلي سيليکون و دي اکسيد سيليکون که ظاهر گشتهاند در پروسه Etching حذفميشوند. در ادامه باقيمانده Photoresist نيز حذف شده و در نهايت ويفريبدست ميآيد با لايهاي از دي اکسيد سيليکون که طرح ماسک اول را دارد وهمچنين بر روي آن لايهاي از پلي سيليکون و دي اکسيد سيليکون که طرحيمشابه ماسک دوم را به خود گرفتهاند.
بعد از اين دو مرحله ،پروسهاي با نام دوپينگ ( و يا يونيزاسيون ) اتفاق ميافتد. دراينجابخشهاي بدون پوشش ( ظاهر شده ) ويفر بوسيله يونهاي مختلف بمبارانميشود. اين مرحله براي تغيير وضعيت بخشهاي آشکار شده صورت گرفته تاخاصيت هدايت الکتريکي را بدست آورند. بخشهاي بمباران شده به يکي از دوحالت نيمه رسانايي نوع P و يا نيمه رسانايي نوع N تغيير حالت ميدهند. اينتغيير وضعيت به نوع ماده شيميايي مورد استفاده بستگي خواهد داشت.
فسفر,آنتيموان و آرسنيک بطور معمول براي ايجاد لايه نيمه رساناي نوع N و همچنينبور, اينديوم و گاليم بطور معمول براي ايجاد لايه نيمه رساناي نوع P مورداستفاده قرار ميگيرند. انباشته کردن لايههاي نيمه رسانا ترانزيستورهارا خواهد ساخت( شکل 5 ).
[COLOR=#808080]شکل 5 : ساخت ترانزيستور و بر قراري ارتباطات الکتريکي
سازي و Masking با استفاده از طرح ماسک بعدي تکرار ميگردد. سپس يکفلز بر روي ويفر ميافتد و سوراخهايي که براي ساخت ارتباطات الکتريکيمابين لايهها ايجاد شده است را پر خواهد کرد. پروسه ديگري از Masking وEtching براي اضافه نمودن ارتباطات الکتريکي انجام ميشود.
پروسه تا رسيدن به طرح نهايي چيپ تکرار ميگردد. به عبارتي ديگر تازماني که کليه ماسکها مورد استفاده قرار گيرند اين پروسه ادامه خواهديافت. ميزان دقيق پروسههاي ساخت و نيز تعداد لايهها که در تهيه و ساختچيپ مورد استفاده قرار ميگيرند بر حسب نوع پروژه متفاوت خواهد بود. برايمثال در پروژه Pentium 4 تعداد 26 ماسک و 7 لايه فلزي استفاده ميشود.
چيپهاي روي ويفر تحت آزمايش قرار ميگيرند و ويفر به پروسه بعديساخت چيپ فرستاده ميشود. دراين مرحله چيپها از روي ويفر بريده شده واتصالات و بسته بندي نهايي بر روي آنها اعمال ميشود(شکل 6 ). بعد از آنتست نهايي انجام گرفته و در صورت تاييد، بستهبندي شده و بفروش ميرسند.
[COLOR=#808080]شکل 6: ايجاد صدها چيپ بر روي ويفر
اتاق پاک
تماممراحلي که تشريح شد در يک اتاق کاملا پاک و خالي از گردوغبار صورتميگيرد. شايد شما هم تصاويري از اشخاصي را ديده باشيد که با لباسهايمخصوصي با نام لباسهاي خرگوشي داخل اتاقهاي پاک مشغول به کار هستند.
ازآنجا که سخن از ترانزيستورهاي ميکروسکوپي است حتي کوچکترين ذره ازگردوغبار ميتواند سبب خرابي چيپ گردد. مثالهايي از اين موارد در شکل 8مشاهده ميشود.
[COLOR=#808080]شکل 7 :تمامي مراحل در يک اتاق کاملا پاک و خالي از گردوغبار صورت ميگيرد.
[COLOR=#808080]
شکل 8:خرابي ناشي از گردوغبار
سخن پاياني
پروسهساخت 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. البتهميتوانيد با کمي جستجو مطالب کاملتري را در اين زمينه بدست آوريد. درنهايت اميدواريم اطلاعات ارايه شده در اين مطلب مورد استفاده قرار گرفتهباشد.
منبع:کامپیوتر نیوز