از شن تا پردازنده

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.ماسك كردن:
این مرحله از تولید پردازنده ها، به نوعی از مراحل قبلی كار نیز مهم تر است. در این مرحله عمل فتولیتو گرافی ( photolithography ) بر وروی ویفر ساندویچی انجام می شود. در واقع آنچه در این مرحله انجام می شود آن است كه بر روی ویفر سیلیكونی، نقشه و الگوی استنسل مشخصی با استفاده از فرایند فتو لیتو گرافی چاپ می شود، تا بتوان در مرحله بعدی با حل كردن و شستن ناحیه های نور دیده به ساختار مورد نظر رسید ( از آنجایی كه قرار است نقشه پیچیده ای بر روی مساحت كوچكی چاپ شود، از روش فتو لیتو گرافی كمك گرفته می شود. در این روش نقشه مورد نظر در مقیاس های بزرگتر – یعنی در اندازه هایی كه بتوان در عمل آنرا تولید كرد، مثلا” در مربعی به مساحت یك متر مربع – تهیه می شود.سپس با تاباندن نور به الگو و استفاده از روش های اپتیكی، تصویر الگو را بر روی ناحیه بسیار كوچك ویفر می تاباند. مثلا” الگویی كه در مساحت یك متر مربع تهیه شده بود به تصویر كوچكی در اندازه های چند میلیمتر مربع تبدیل می شود!) در این موارد چند نكته جالب توجه وجود دارد. نخست آنكه الگوها و نقشه هایی كه باید بر وری ویفر چاپ شوند. آنقدر پیچیده هستند كه برای توصیف آنها به ۱۰ گیگابایت داده نیاز است. در واقع می توان این موضوع را به حالتی تشبیه كرد كه در آن قرار است نقشه ای مانند یك شهر بزرگ با تمام جزئیات شهری و ساختمانی آن بر روی ویفر سیلیكونی به مساحت چند میلی متر مربع چاپ شود. نكته دیگر آنكه در ساختمان چیپ های پردازنده بیش از بیست لایه مختلف وجود دارد كه برای هر یك از آنها لازم است چنین نقشه هایی لیتو گرافی شود. موضوع دیگر بد نیست در اینجا ذكر شود آن است كه همانطور كه از دروس دبیرستانی ممكن است به یاد داشته باشید. نور در لبه های اجسام دچار انحراف از مسیر راست می شود. پدیده ای كه به پراش یا Diffraction معروف است. هر چه لبه های اجسامی كه در مسیر تابش واقع شده اند،كوچكتر یا ظریف تر باشند،پدیده پراش شدیدتر خواهد بود . در واقع یكی از بزرگ ترین موانع تولید پردازنده هایی كه در آنها از ساختارهای ظریف تری استفاده شده باشد، همین موضوع پراكندگی یا تفریق نور است كه باعث مات شدن تصویری می شود كه قرار است بر روی ویفر چاپ شود . برای مقابله با این مسئله، یكی از موثرترین روش ها، آن است كه از نوری در عمل فتولیتو گرافی استفاده كنیم كه دارا ی طول موج كوچكتری است( بر اساس اصول اپتیك،هر چه طول موج نور تابنده شده كوچك تر باشد، شدت پدیده پراكندگی نور در لبه های اجسام كمتر خواهد بود.) برای همین منظور در تولید پردازنده ها، از نور uv ( ماورای بنفش ) استفاده می شود. در واقع برای آنكه بتوان تصویر شفاف و ظریفی در اندازه ها و مقیاس آنچنانی بر روی ویفرها تولید كرد، تنها طول موج ماورای بنفش جوابگو خواهد بود. اما اگر بخواهیم در نسل بعدی پردازنده ها، از الگوها ی پیچیده تری استفاده كنیم تكلیف چه خواهد بود؟ در تئوری می توان از تابشی با طول موج كوتاه تر به معنی استفاده از نوعی اشعه ایكس است. می دانید كه چنین اشعه ای بیشتر از آنكه قادر باشد تصویری از نقشه مورد نظر بر روی ویفر ایجاد كند، به علت قابلیت نفوذ زیاد، از تمامی نواحی الگو به طور یكسان عبور خواهد كرد! از موارد فوق بگذریم،پس از آنكه نقشه مورد نظر بر روی ویفر چاپ شود،ویفر در درون محلول شیمیایی ویژه ای قرار داده می شود تا جاهایی كه در معرض تابش واقع شده اند، در آن حل شوند. بدین ترتیب شهر مینیاتوری را بروی ویفر سیلیكونی تجسم كنید كه در این شهر خانه ها دارای سقفی از جنس sio۲ هستند ( مكان هایی كه نور ندیده اند و در نتیجه لایه مقاوم در برابر حلال مانع از حل شدن (sio۲ بوده است).خیابان های این شهر فرضی نواحی كه مورد تابش نور واقع شده اند و لایه مقاوم آن و همچنین لایه sio۲ در حلال حل شده اند ) از جنس سیلیكون هستند.
تكرار:
پس از این مرحله، لایه photo-resist باقی مانده از روی ویفر بر داشته می شود. در این مرحله ویفری در اختیار خواهیم داشت كه در آن دیواره ای از جنس sio۲ در زمینی از جنس سیلیكون واقع شده اند. پس از این گام، یكبار دیگر یك لایه sio۲ به همراه پلی سیلیكون (polysilicon ) بر روی ویفر ایجاد شده و بار دیگر لایه photo-resist جدیدی بر روی ویفر پوشانده می شود. همانند مراحل قبلی، چندین بار دیگر مراحل تابش نور و در حلال قرار دادن ویفر انجام می شوند. بدین ترتیب پس از دست یافتن به ساختار مناسب،ویفر در معرض بمباران یونی مواد مختلف واقع می شود تا نیمه هادی نوع n و p بر روی نواحی سیلیكونی باقی مانده تشكیل شوند. به این وسیله،مواد مشخصی در مقادیر بسیار كم و دقیق به درون بلور سیلیكون نفوذ داده می شوند تا خواص نیمه هادی نوع n و p به دست آیند. تا اینجای كار، یك لایه كامل از نقشه الكترونیكی ترانزیستوری دو بعدی بر روی ویفر سیلیكونی تشكیل شده است. با تكرار مراحل فوق، عملا” ساختار لایه ای سه بعدی از مدارات الكترونیكی درون پردازنده تشكیل می شود. در بین هر چند لایه، از لایه ای فلزی استفاده می شود كه با حك كردن الگوها ی مشخصی بر روی آنها به همان روش های قبلی، لایه های سیم بندی بین المان ها ساخته شوند. پردازنده های امروزی اینتل، مثلا” پردازنده پنتیوم چهار ، از هفت لایه فلزی در ساختار خود بهره می گیرد. پردازنده AMD Athlon ۶۴ از ۹ لایه فلزی استفاده می كند.
غربال كردن:
تولید ساندویچ های پیچیده تشكیل شده از لایه های متعدد سیلیكون، فلز و مواد دیگر،فرایندی است كه ممكن است روزها و حتی هفته ها به طول انجامد. در تمامی این مراحل ، آزمایش های بسیار دقیقی بر روی ویفر سیلیكونی انجام می شود تا مشخص شود كه آیا در هر مرحله عملیات مربوطه به درستی انجام شده اند یا خیر. علاوه بر آن در این آزمایش ها كیفیت ساختار بلوری و بی نقصی ماندن ویفر نیز مرتبا” آزمایش می شود. پس از این مراحل چیپ هایی كه نقص داشته باشند، از ویفر بریده می شوند و برای انجام مراحل بسته بندی و نصب پایه ها ی پردازنده ها به بخش ها ی ویژه ا ی هدایت می شوند. این مراحل واپسین هم دارای پیچیدگی ها ی فنی خاصی است. به عنوان مثال پردازنده های امروزی به علت سرعت بسیار بالایی كه دارند در حین كار گرم می شود. با توجه به مساحت كوچك ویفر پردازنده ها و ساختمان ظریف آنها، در صورتی كه تدابیر ویژه ای برای دفع حرارتی چیپ ها اندیشیده نشود، گرمای حاصل به چیپ ها آسیب خواهد رساند. بدین معنی كه تمركز حرارتی چیپ به حدی است كه قبل از جریان یافتن شار حرارتی به رادیاتور خارجی پردازنده، چیپ دچار آسیب خواهد شد. برای حل این مشكل، پردازنده های امروزی در درون خود دارای لایه های توزیع دما هستند تا اولا” تمركز حرارتی در بخش های كوچك چیپ ایجاد نشود و ثانیا” سرعت انتقال حرارت به سطح چیپ و سپس خنك كننده خارجی، افزایش یابد. اما چیپ های آزمایش شده باز هم برای تعیین كیفیت و كارایی چندین بار آزمایش می شوند. واقعیت آن است كه كیفیت پردازنده ها ی تولید شده حتی در پایان یك خط تولید و د ر یك زمان ، ثابت نیست و پردازنده ها در این مرحله درجه بندی می شوند! ( مثل میوه هایی كه در چند درجه از نظر كیفیت طبقه بندی می شوند.) برخی از پردازنده ها در پایان خط تولید واجد خصوصیاتی می شوند كه می توانند مثلا” تحت ولتاژ یا فركانس بالاتری كار كنند. این موضوع یكی از دلایل اصلی تفاوت قیمت پردازنده ها است. گروه دیگری از پردازنده ها ، دچار نقص در بخش هایی می شوند كه همچنان آنها را قابل استفاده نگاه می دارد. به عنوان مثال ، ممكن است برخی از پردازنده ها در ناحیه حافظه نهان ( cache ) دچار نقص باشند. در این مورد، می توان به روش هایی بخش های آسیب دیده را از مدار داخلی پردازنده خارج ساخت. بدین ترتیب پردازنده هایی به دست می ایند كه مقدار حافظه نهان كمتری دارند.
بدین ترتیب پردازنده هایی مانند celeron در اینتل و sempron در شركت AMD ، در خط تولید پردازنده های Full cache این شركت ها نیز تولید می شوند!
منبع:شبكه شماره: ۵۲

منبع : شبکه فن آوری اطلاعات ایران