ماده اوليه
امروزه همه مي‌دانند كه ماده اوليه پردازنده‌ها همچون ديگر مدارات مجتمع
الكترونيكي، سيليكون است. در واقع سيليكون همان ماده سازنده شيشه است كه از شن
استخراج مي‌شود. البته عناصر بسيار ديگري هم در اين فرايند به‌كار برده مي‌شوند و
ليكن از نظر درصد وزني، سهم مجموع اين عناصر نسبت به سيليكون به‌كار رفته در محصول
نهايي بسيار جزئي است.
آلومينيوم يكي از مواد ديگري است كه در فرايند توليد
پردازنده‌ها اهميت زيادي دارد. هرچند كه در پردازنده‌هاي مدرن، مس به‌تدريج جايگزين
آلومينيوم مي‌شود.
علاوه بر آنكه فلز مس داراي ضريب هدايت الكتريكي بيشتري
نسبت به آلومينيوم است، دليل مهم‌تري هم براي استفاده از مس در طراحي پردازنده‌هاي
مدرن امروزي وجود دارد. يكي از بزرگ‌ترين مسائلي كه در طراحي پردازنده‌هاي امروزي
مطرح است، موضوع نياز به ساختارهاي فيزيكي ظريف‌تر است. به‌ياد داريد كه اندازه‌ها
در پردازنده‌هاي امروزي در حد چند ده نانومتر هستند. پس ازآنجايي‌كه با استفاده از
فلز مس، مي‌توان اتصالات ظريف‌تري ايجاد كرد، اين فلز جايگزين آلومينيوم شده است.
آماده‌سازي
فرايند‌هاي توليد قطعات الكترونيكي از يك جهت با بسياري از
فرايند‌هاي توليد ديگر متفاوت است. در فرايند‌هاي توليد قطعات الكترونيك، درجه خلوص
مواد اوليه مورد نياز در حد بسيار بالايي اهميت بسيار زيادي دارند. اهميت اين موضوع
در حدي است كه از اصطلاح electronic grade براي اشاره به درجه خلوص بسيار بالاي
مواد استفاده مي‌شود.
به همين دليل مرحله مهمي به‌نام آماده‌سازي در تمامي
فرايند‌هاي توليد قطعات الكترونيك وجود دارد. در اين مرحله درجه خلوص موارد اوليه
به روش‌هاي گوناگون و در مراحل متعدد افزايش داده مي‌شود تا در نهايت به مقدار خلوص
مورد نظر برسد. درجه خلوص مواد اوليه مورد نياز در اين صنعت به اندازه‌اي بالا است
كه توسط واحد‌هايي مانند ppm به معني چند اتم ناخالصي در يك ميليون اتم ماده اوليه،
بيان مي‌شوند.
آخرين مرحله خالص‌سازي ماده سيليكون، به‌اين صورت انجام
مي‌شود كه يك بلورِ خالص سيليكون درون ظرف سيليكون مذاب خالص شده قرار داده مي‌شود،
تا بلور بازهم خالص‌تري در اين ظرف رشد كند (همانطور كه بلورهاي نبات در درون
محلول اشباع شده به‌دور يك ريسمان نازك رشد مي‌كنند). در واقع به اين ترتيب، ماده
سيليكون مورد نياز به‌صورت يك شمش تك كريستالي تهيه مي‌شود (يعني تمام يك شمش بيست
سانتي‌متري سيليكون، يك بلور پيوسته و بدون نقص بايد باشد!).
اين روش در
صنعت توليد چيپ به روش CZ معروف است. تهيه چنين شمش تك بلوري سيليكون آنقدر اهميت
دارد كه يكي از تحقيقات اخير اينتل و ديگر شركت‌هاي توليد‌كننده پردازنده، معطوف
توليد شمش‌هاي سي‌سانتي‌متري سيليكون تك‌بلوري بوده است. درحالي‌كه خط توليد
شمش‌هاي بيست سانتي‌متري سيليكون هزينه‌اي معادل 5/1 ميليارد دلار در بر دارد،
شركت‌هاي توليد كننده پردازنده، براي به‌دست آوردن خط توليد شمش‌هاي تك بلوري
سيليكون سي سانتي‌متري، 5/3 ميليارد دلار هزينه مي‌كنند.
موضوع جالب توجه
در اين مورد آن است كه تغيير اندازه شمش‌هاي سيليكون تك‌بلوري، تا كنون سريع‌تر از
يكبار در هر ده سال نبوده است.
پس از آنكه يك بلور سيليكوني غول‌آسا به
شكل يك استوانه تهيه گشت، گام بعدي ورقه ورقه بريدن اين بلور است. هر ورقه نازك از
اين سيليكون، يك ويفر ناميده مي‌شود كه اساس ساختار پردازنده‌ها را تشكيل مي‌دهد.
در واقع تمام مدارات يا ترانزيستورهاي لازم، بر روي اين ويفر توليد مي‌شوند. هر چه
اين ورقه‌ها نازك‌تر باشند، عمل برش بدون آسيب ديدن ويفر مشكل‌تر خواهد شد.
از طرف ديگر اين موضوع به معني افزايش تعداد چيپ‌هايي است كه مي‌توان با يك
شمش سيليكوني تهيه كرد. در هر صورت پس از آنكه ويفر‌هاي سيليكوني بريده شدند، نوبت
به صيقل‌كاري آنها مي‌رسد. ويفر‌ها آنقدر صيقل داده مي‌شوند كه سطوح آنها آيينه‌اي
شود. كوچكترين نقصي در اين ويفر‌ها موجب عدم كاركرد محصول نهايي خواهد بود. به همين
دليل، يكي ديگر از مراحل بسيار دقيق بازرسي محصول در اين مرحله صورت مي‌گيرد. در
اين گام، علاوه بر نقص‌هاي بلوري كه ممكن است در فرايند توليد شمش سيليكون ايجاد
شده باشند، نقص‌هاي حاصل از فرايند برش كريستال نيز به‌دقت مورد كنكاش قرار
مي‌گيرند.
پس از اين مرحله، نوبت به ساخت ترانزيستورها بر روي ويفر
سيليكوني مي‌رسد. براي اين‌كار لازم است كه مقدار بسيار دقيق و مشخصي از ماده ديگري
به درون بلور سيليكون تزريق شود. بدين معني كه بين هر مجموعه اتم سيليكون در ساختار
بلوري، دقيقاً يك اتم از ماده ديگر قرار گيرد. در واقع اين مرحله نخستين گام فرايند
توليد ماده نيمه‌هادي محسوب مي‌شود كه اساس ساختمان قطعات الكترونيك مانند
ترانزيستور را تشكيل مي‌دهد. ترانزيستورهايي كه در پردازنده‌هاي امروزي به‌كار
گرفته مي‌شوند، توسط تكنولوژي CMOS توليد مي‌شوند.
CMOS مخفف عبارت
Complementary Metal Oxide Semiconductor است. در اينجا منظور از واژه
Complementaryآن است كه در اين تكنولوژي، از تعامل نيمه‌هادي‌هاي نوع n و p استفاده
مي‌شود.
بدون آنكه بخواهيم وارد جزئيات فني چگونگي توليد ترانزيستور بر روي
ويفر‌هاي سيليكوني بشويم، تنها اشاره مي‌كنيم كه در اين مرحله، بر اثر تزريق مواد
گوناگون و همچنين ايجاد پوشش‌هاي فلزي فوق نازك (در حد ضخامت چند اتم) در مراحل
متعدد، يك ساختار چند لايه و ساندويچي بر روي ويفر سيليكوني اوليه شكل مي‌گيرد. در
طول اين فرايند، ويفر ساندويچي سيليكوني در كوره‌اي قرار داده مي‌شود تا تحت شرايط
كنترل‌شده و بسيار دقيق (حتي در اتمسفر مشخص)، پخته مي‌شود و لايه‌اي از SiO2 بر
روي ويفر ساندويچي تشكيل شود.
در جديدترين فناوري اينتل كه به تكنولوژي 90
نانومتري معروف است، ضخامت لايه SiO2 فقط 5 اتم است! اين لايه در مراحل بعدي دروازه
يا gate هر ترانزيستور واقع در چيپ پردازنده خواهد بود كه جريان الكتريكي عبوري را
در كنترل خود دارد (ترانزيستورهاي تشكيل دهنده تكنولوژي CMOS از نوع ترانزيستورهاي
اثر ميداني يا Field Effect Transistor :FET ناميده مي‌شوند. در اين ترانزيستورها،
جريان الكتريكي از اتصالي به‌نام Source به اتصال ديگري به‌نام Drain جريان
مي‌يابد. وظيفه اتصال سوم به‌نام Gate در اين ترانزيستور، كنترل و مديريت بر مقدار
و چگونگي عبور جريان الكتريكي از يك اتصال به اتصال ديگر است).
آخرين مرحله
آماده‌سازي ويفر، قرار دادن پوشش ظريف ديگري بر روي ساندويچ سيليكوني است كه
photo-resist نام دارد. ويژگي اين لايه آخر، همانطور كه از نام آن مشخص مي شود،
مقاومت در برابر نور است. در واقع اين لايه از مواد شيميايي ويژه‌اي ساخته شده است
كه اگر در معرض تابش نور قرار گرفته شود، مي‌توان آنرا در محلول ويژه‌اي حل كرده و
شست و در غير اين صورت (يعني اگر نور به اين پوشش تابانده نشده باشد)، اين پوشش در
حلال حل نخواهد شد. فلسفه استفاده از چنين ماده‌اي را در بخش بعدي مطالعه خواهيد
كرد.
ماسك كردن
اين مرحله از توليد پردازنده‌ها، به‌نوعي از مراحل قبلي كار
نيز مهم‌تر است. در اين مرحله عمل فتوليتوگرافي
(Photolithography) بر روي ويفر
ساندويچي انجام مي‌شود. در واقع آنچه در اين مرحله انجام مي‌شود آن است كه بر روي
ويفر سيليكوني، نقشه و الگوي استنسيل مشخصي با استفاده از فرايند فتوليتوگرافي چاپ
مي‌شود، تا بتوان در مرحله بعدي با حل‌كردن و شستن ناحيه‌هاي نور ديده به ساختار
مورد نظر رسيد (ازآنجايي كه قرار است نقشه پيچيده‌اي بر روي مساحت كوچكي چاپ شود،
از روش فتوليتوگرافي كمك گرفته مي‌شود.
در اين روش نقشه مورد نظر در
مقياس‌هاي بزرگتر- يعني در اندازه‌هايي كه بتوان در عمل آنرا توليد كرد، مثلاً در
مربعي به مساحت يك متر مربع - تهيه مي‌شود. سپس با تاباندن نور به الگو و استفاده
از روش‌هاي اپتيكي، تصوير الگو را بر روي ناحيه بسيار كوچك ويفر مي‌تابانند. مثلاً
الگويي كه در مساحت يك متر مربع تهيه شده بود، به تصوير كوچكي در اندازه‌هاي چند
ميليمتر مربع تبديل مي‌شود!). در اين موارد چند نكته جالب توجه وجود دارد. نخست
آنكه الگوها و نقشه‌هايي كه بايد بر روي ويفر چاپ شوند، آنقدر پيچيده هستند كه براي
توصيف آنها به 10 گيگابايت داده نياز است.
در‌واقع مي‌توان اين موضوع را به
حالتي تشبيه كرد كه در آن قرار است نقشه‌اي مانند نقشه يك شهر بزرگ با تمام جزئيات
شهري و ساختماني آن بر روي ويفر سيليكوني به مساحت چند ميليمتر مربع، چاپ شود.
نكته ديگر آنكه در ساختمان چيپ‌هاي پردازنده، بيش از بيست لايه مختلف وجود دارد كه
براي هر يك از آنها لازم است چنين نقشه‌هايي ليتوگرافي شود.
موضوع ديگري كه
بد نيست در اينجا ذكر‌شود، آن است كه همانطور كه از دروس دبيرستاني ممكن است به‌ياد
داشته باشيد، نور در لبه‌هاي اجسام دچار انحراف از مسير راست مي‌شود. پديده‌اي كه
به پراش يا Diffraction معروف است. هرچه لبه‌هاي اجسامي كه در مسير تابش واقع
شده‌اند، كوچك‌تر يا ظريف‌تر باشند، پديده پراش شديد‌تر خواهد بود.
در واقع
يكي از بزرگ‌ترين موانع توليد پردازنده‌هايي كه در آنها از ساختارهاي ظريف‌تري
استفاده شده باشد، همين موضوع پراكندگي يا تفريق نور است كه باعث مات‌شدن تصويري
مي‌شود كه قرار است بر روي ويفر چاپ شود. براي مقابله با اين مسئله، يكي از
موثرترين روش‌ها، آن است كه از نوري در عمل فتوليتوگرافي استفاده كنيم كه داراي طول
موج كوچك‌تري است (بر اساس اصول اپتيك، هرچه طول موج نور تابانده شده كوچك‌تر باشد،
شدت پديده پراكندگي نور در لبه‌هاي اجسام كمتر خواهد بود). براي همين منظور در
توليد پردازنده‌ها، از نور UV (ماوراي بنفش) استفاده مي‌شود.
در واقع براي
آنكه بتوان تصوير شفاف و ظريفي در اندازه‌ها و مقياس آنچناني بر روي ويفر‌ها توليد
كرد، تنها طول موج ماوراي بنفش جوابگو خواهد بود. اما اگر بخواهيم در نسل بعدي
پردازنده‌ها، از الگوهاي پيچيده‌تري استفاده كنيم، تكليف چه خواهد بود؟ در تئوري
مي‌توان از تابشي با طول موج بازهم كوتاه‌تري استفاده كرد. اما مشكل در اينجا است
كه تابش با طول موج كوتاه‌تر به معني استفاده از نوعي اشعه ايكس است. مي‌دانيد كه
چنين اشعه‌اي بيشتر از آنكه قادر باشد تصويري از نقشه مورد نظر بر روي ويفر ايجاد
كند، به‌علت قابليت نفوذ زياد، از تمامي نواحي الگو به‌طور يكسان عبور خواهد كرد!
از موارد فوق كه بگذريم، پس از آنكه نقشه مورد‌نظر بر روي ويفر چاپ شد،
ويفر درون محلول شيميايي ويژه‌اي قرار داده مي‌شود تا جاهايي كه در معرض تابش واقع
شده‌اند، در آن حل شوند. بدين ترتيب شهر مينياتوري را بر روي ويفر سيليكوني تجسم
كنيد كه در اين شهر خانه‌ها داراي سقفي از جنس SiO2 هستند (مكان‌هايي كه نور
نديده‌اند و درنتيجه لايه مقاوم در برابر حلال مانع از حل شدن ( SiO2 بوده است).
خيابان‌هاي اين شهر فرضي نواحي كه مورد تابش نور واقع شده‌اند و لايه مقاوم آن و
همچنين لايه SiO2 در حلال حل شده‌اند) از جنس سيليكون هستند.
تكرار
پس از
اين مرحله، لايه photo-resist باقي مانده از روي ويفر برداشته مي‌شود. در اين مرحله
ويفري در اختيار خواهيم داشت كه در آن ديواره‌اي از جنس SiO2 در زميني از جنس
سيليكون واقع شده‌اند. پس از اين گام، يكبار ديگر يك لايه SiO2 به همراه
پلي‌سيليكون (Polysilicon) بر روي ويفر ايجاد شده و بار ديگر لايه photo-resist
جديدي بر روي ويفر پوشانده مي‌شود.
همانند مرحله قبلي، چندين بار ديگر مراحل
تابش نور و در حلال قرار دادن ويفر انجام مي‌شوند. بدين ترتيب پس از دست يافتن به
ساختار مناسب، ويفر در معرض بمباران يوني مواد مختلف واقع مي‌شود تا نيمه‌هادي نوع
n و p بر روي نواحي سيليكوني باقي‌مانده تشكيل شوند. به اين وسيله، مواد مشخصي در
مقادير بسيار كم و دقيق به‌درون بلور سيليكون نفوذ داده مي‌شوند تا خواص نيمه‌هادي
نوع n و p به‌دست آيند. تا اينجاي كار، يك لايه كامل از نقشه الكترونيكي
ترانزيستوري دوبعدي بر روي ويفر سيليكوني تشكيل شده است.
با تكرار مراحل
فوق، عملاً ساختار لايه‌اي سه بعدي از مدارات الكترونيكي درون پردازنده تشكيل
مي‌شود. در بين هر چند لايه، از لايه‌اي فلزي استفاده مي‌شود كه با حك كردن
الگوهاي مشخص بر روي آنها به همان روش‌هاي قبلي، لايه‌هاي سيم‌بندي بين المان‌ها
ساخته شوند. پردازنده‌هاي امروزي اينتل، مثلاً پردازنده پنتيوم چهار، از هفت لايه
فلزي در ساختار خود بهره مي‌گيرد. پردازنده AMD Athlon 64 از 9 لايه فلزي استفاده
مي‌كند.
غربال
كردن
توليد ساندويچ‌هاي پيچيده تشكيل شده از لايه‌هاي متعدد
سيليكون، فلز و مواد ديگر، فرايندي است كه ممكن است روزها و حتي هفته‌ها به‌طول
انجامد. در تمامي اين مراحل، آزمايش‌هاي بسيار دقيقي بر روي ويفر سيليكوني انجام
مي‌شود تا مشخص شود كه آيا در هر مرحله عمليات مربوطه به‌درستي انجام شده‌اند يا
خير. علاوه بر آن در اين آزمايش‌ها كيفيت ساختار بلوري و بي‌نقص ماندن ويفر نيز
مرتباً آزمايش مي‌شود. پس از اين مراحل، چيپ‌هايي كه نقص نداشته باشند، از ويفر
بريده مي‌شوند و براي انجام مراحل بسته‌بندي و نصب پايه‌هاي پردازنده‌ها به بخش‌هاي
ويژه‌اي هدايت مي‌شوند.
اين مراحل واپسين هم داراي پيچيدگي‌هاي فني خاصي
است. به عنوان مثال، پردازنده‌هاي امروزي به علت سرعت بسيار بالايي كه دارند، در
حين كار گرم مي‌شود. با توجه با مساحت كوچك ويفر پردازنده‌ها و ساختمان ظريف آنها،
درصورتي‌كه تدابير ويژه‌اي براي دفع حرارتي چيپ‌ها انديشيده نشود، گرماي حاصل به
چيپ‌ها آسيب خواهد رساند. بدين معني كه تمركز حرارتي چيپ به حدي است كه قبل از
جريان يافتن شار حرارتي به رادياتور خارجي پردازنده، چيپ دچار آسيب خواهد شد. براي
حل اين مشكل، پردازنده‌هاي امروزي در درون خود داراي لايه‌هاي توزيع دما هستند تا
اولاً تمركز حرارتي در بخش‌هاي كوچك چيپ ايجاد نشود و ثانياً سرعت انتقال حرارت به
سطح چيپ و سپس خنك كننده خارجي، افزايش يابد.
اما چيپ‌هاي آزمايش شده باز
هم براي تعيين كيفيت و كارايي چندين‌بار آزمايش مي‌شوند. واقعيت آن است كه كيفيت
پردازنده‌هاي توليد شده حتي در پايان يك خط توليد و در يك زمان، ثابت نيست و
پردازنده‌ها در اين مرحله درجه‌بندي مي‌شوند! (مثل ميوه‌ها كه در چند درجه از نظر
كيفيت طبقه‌بندي مي‌شوند). برخي از پردازنده‌ها در پايان خط توليد واجد خصوصياتي
مي‌شوند كه مي‌توانند مثلاً تحت ولتاژ يا فركانس بالاتري كار كنند. اين موضوع يكي
از دلايل اصلي تفاوت قيمت پردازنده‌ها است.
گروه ديگري از پردازنده‌ها،
دچار نقص در بخش‌هايي مي‌شوند كه همچنان آنها را قابل استفاده نگاه مي‌دارد. به
عنوان مثال، ممكن است برخي از پردازنده‌ها در ناحيه حافظه نهان (Cache) دچار نقص
باشند. در اين موارد، مي‌توان به‌روش‌هايي بخش‌هاي آسيب ديده را از مدار داخلي
پردازنده خارج ساخت. بدين‌ترتيب پردازنده‌هايي به‌دست مي‌آيند كه مقدار حافظه نهان
كمتري دارند.
بدين ترتيب پردازنده‌هايي مانند Celeron در اينتل و Sempron
در شركت AMD، در خط توليد پردازنده‌هاي Full cache اين شركت‌ها نيز توليد
مي‌شوند
نخستين گروه پردازنده‌هاي
پنتيوم چهار اينتل، در مواردي كه كاربران اين پردازنده‌ها را در شرايط overclock
قرار مي‌دادند، به‌نوعي از كار مي‌افتادند كه بعدها به بيماري مرگ ناگهاني مشهور
گشت
(در شرايط overClock پردازنده تحت ولتاژ و درنتيجه جريان الكتريكي بالاتري
نسبت به مقدار توصيه شده سازنده قرار داده مي‌شود.)
در حقيقت اين
پردازنده‌ها كه به‌نوعي نخستين خروجي خط توليد پردازنده‌هاي اينتل بود كه از فلز مس
در آنها استفاده مي‌شد، دچار نقصي بود كه پديده مهاجرت الكتروني در آن نسبتاً
به‌راحتي روي مي‌داد. نيازي به يادآوري نيست كه اينتل اين مسئله را به‌سرعت رفع كرد
و در پردازنده‌هاي پنتيوم كنوني به‌هيچ وجه چنين پديده‌اي ديده نمي‌شود.
