مراحل تولید ویفر سیلیکون (سیلیسیم): از ماسه سیلیس تا درون رایانه و گوشی!

پردازنده‌ها مغز محاسبه‌گر رایانه‌ها و تلفن‌های همراه هستند. هر کاری که از رایانه یا گوشی‌تان انتظار دارید، به‌شکل درخواست‌ به پردازنده ارسال و در آنجا اجرا می‌شود. پردازنده مرکزی (سی‌پی‌یو) پیچیده‌ترین جزء دستگاه‌های دیجیتال است؛ در پردازنده‌های امروزی میلیاردها ترانزیستور در مقیاس نانومتر همراه سایر اجزا و اتصالات داخلی‌ روی ویفرهای سیلیکونی به مساحت تنها چند سانتی‌متر مربع پیاده می‌شوند. سیلیکون یا سیلیسیم سنگ‌بنای پردازنده‌های فعلی و شبه‌فلز است، یعنی آمیزه‌ای از ویژگی‌های فلزها و نافلزها را دارد. از مهم‌ترین ویژگی‌های سیلیکون نیمه‌رسانایی آن است. نیمه‌رساناها در دمای عادی رسانا اما در دمای صفر مطلق نارسانا هستند و لذا می‌توانند هم‌زمان در هر دو نقش ظاهر شوند. مزیت دیگر سیلیکون، فراوانی و سهولت دسترسی به آن است، زیرا بعد از اکسیژن فراوان‌ترین عنصر در پوسته زمین است. نکته مهم: ما در فارسی هر دو واژه silicon و silicone را «سیلیکون» تلفظ می‌کنیم، اما این‌دو با هم تفاوت دارند. منظور از silicon عنصر سیلیکون خالص است که در صنعت نیمه‌رسانا و تراشه‌سازی به‌کار می‌رود و در فرانسوی به آن سیلیسیم می‌گویند. اما منظور از silicone نوعی پلیمر است که در حوزه‌های دیگر مثل ساخت چسب و عایق گرما کاربرد دارد. پس باتوجه به آنچه گفتیم، هرچند امروزه عبارت «تراشه‌های سیلیکونی» برای‌مان آشناتر است، «تراشه‌های سیلیسیمی» نیز عبارت درستی است. در بعضی از متن‌های فارسی برای متمایز کردن silicon از silicone، اولی را «سیلیکن» و دومی را «سیلیکون» می‌نویسند. ویفر سیلیکونی در صنعت پردازنده و ریزتراشه‌ در سال 2020 میلادی بیش از 932 میلیارد تراشه در دنیا تولید شد. ریزتراشه (microchip) که گاهی به آن تراشه هم می‌گویند مجموعه‌ای از مدارهای الکترونیکی است که روی سطح سیلیکونی کوچکی پیاده‌سازی می‌شود. هر کدام از میلیون‌ها یا میلیاردها تراشه موجود در دل تراشه مثل کلید برق عمل می‌کند؛ آن‌ها متناسب با دستورهای دریافتی، جریان برق را قطع و وصل می‌کنند و بدین‌سان دستورهای کاربر یا سامانه را در زیرساختی‌ترین لایه‌ی ماشین اجرا می‌کنند. اجزای پردازنده روی ویفر سیلیکونی پیاده‌سازی می‌شوند و نهایتاً ساختار چندلایه تراشه شکل می‌گیرد. سیلیکون (سیلیسیم) در صنایع امروزی کاربرد زیادی دارد. بعضی از حوزه‌های کاربرد سلیکیون چنین است: رایانه و ابررایانه سلول‌های خورشیدی تجهیزات نوری (اپتیک) تلفن‌های هوشمند حسگرها و تشخیص‌گرها پوشیدنی‌های هوشمند سامانه‌های الکترونیک وسایل نقلیه (خودرو، هواپیما و...) لوازم خانگی برقی ربات‌ها تجهیزات پزشکی سیلیکون (سیلیسیم): طلای دیجیتال! ده‌ها سال است که سیلیکون (سیلیسیم) در صنعت تراشه‌سازی بی‌رقیب است. سیلیکون برخلاف اغلب دیگر فلزهایی که رسانا هستند، خاصیت نیمه‌رسانایی دارد و با افزودن موادی مثل گوگرد یا بور به آن می‌توان خاصیت رساناییش ‌را افزایش داد. به‌همین سبب، ترانزیستورهای سیلیکونی می‌توانند بسته به دستور دریافتی جریان برق را وصل یا قطع کنند. صنعتی در مقیاس نانو ریزتراشه‌ای که ابعادش هم‌اندازه ناخن است، میلیاردها ترانزیستور بسیار ریز در مقیاس نانومتر دارد. هر نانومتر، یک‌میلیاردم متر است. برای پی بردن به میزان کوچکی ابعاد ترانزیستورهای پردازنده، خوب است بدانیم که قطر هر گلبول قرمز خون 7000 نانومتر و میانگین اندازه هر ویروس 14 نانومتر است. اندازه کوچکترین اجزای الکترونیکی ِ تراشه‌های پیشرفته امروزی کمتر از 10 نانومتر است. مراحل تولید ویفر سیلیکون در صنعت نیمه‌رسانا ویفرهای سیلیکونی را از نوعی ماسه موسوم به ماسه سیلیس می‌سازند که همان دی‌اکسیدسیلیسیم (SiO2) است. ماسه سیلیس را ذوب و آن‌را به‌شکل استوانه یا شمشال درمی‌آورند. شمشال سیلیکون سپس به‌شکل ویفرهای نازک برش می‌خورد. در ادامه مراحل تولید ویفر سیلیکون خلاصه‌وار بیان می‌شود. مرحله 1: جمع‌آوری ماسه سیلیس پردازنده‌های سیلیکونی در ماسه‌های زمین و مشخصاً در ماسه سیلیس ریشه دارند! حدود 95 درصد ماسه سیلیس، دی‌اکسیدسیلیسیم (SiO2) است. دی‌اکسیدسیلیسیم در ماسه‌های عادی هم وجود دارد اما خلوصش تنها حدود 80 درصد است که برای صنعت نیمه‌رسانا و ساخت ویفرها و تراشه‌های سیلیکونی کافی نیست. پس از انتقال ماسه سیلیس به کارخانه، به آن کربن اضافه می‌کنند و در کوره حرارتش می‌دهند. اکسیژن موجود در دی‌اکسیدسیلیسیم در اثر گرما با کربن پیوند می‌خورد و دی‌اکسیدکربن تشکیل می‌دهد و بدین‌سان از سیلیسیم جدا می‌شود تا نهایتا سیلیسیم تقریبا خالص (با خلوص بیش از 99 درصد) باقی بماند. مرحله 2: پرورش بلور (کریستال) سیلیکونی که در صنعت الکترونیک به‌کار می‌رود، به‌طور طبیعی ساختارهای بلوری‌ چندوجهی (اصطلاحا پلی‌کریستالین) دارد. نقاط اتصال هر بلور با بلور دیگر، در انتقال علائم الکترونیک اختلال ایجاد می‌کنند و بازده تراشه را می‌کاهند. بنابراین، پیش از ساخت ویفر باید بلورهای چندوجهی را از سیلیکون حذف کرد تا ساختار سیلیکون تماماً تک‌بلوری (مونوکریستالین) شود. برای این منظور دو روش‌ ویژه وجود دارد که یکی روش چوکرالسکی (Czochralski) و دیگری روش منطقه شناور (Float Zone) است. برای مثال در روش چوکرالسکی، سیلیکون مذاب را درون محفظه‌ای از جنس دُرّ کوهی (کوارتز) می‌ریزند و می‌چرخانندش. سپس بذر بلور در خلاف جهت چرخش سیلیکون مذاب درون ظرف ریخته‌گری به چرخش درمی‌آید. با این کار، سیلیکون دورِ بذر بلور انباشته می‌شود و شمشال تشکیل می‌دهد. ضمنا طی فرآیند دیگری موسوم به دوپینگ، عناصر دیگری به سیلیکون اضافه می‌شود تا خاصیت رسانایی آن تقویت شود. آنچه نهایتا به‌دست می‌آید، شمشال یا میله سیلیکونی است. مرحله 3: فرآیند تولید ویفر سیلیکون شمشال یا میله سیلیکون که در مرحله قبل به دست آمد به دستگاه برش منتقل می‌شود و به‌شکل لایه‌های نازکی موسوم به ویفر برش می‌خورد. برای بریدن هر چه دقیق‌تر شمشال‌ها از تیغه الماسی استفاده می‌کنند. ضخامت هر ویفر عموماً حدود 0.5 میلی‌متر است اما بسته به کاربردهای مختلف ممکن است کمتر یا بیشتر نیز باشد. لبه‌ها و سطح ویفر پس از برش، هنوز تیز و ناهموار است، فلذا باید صاف و صیقلی شود. سپس به ویفر صیقل‌خورده اسیدنتیریک، اسیدهیدروفلوریک و اسیداستیک می‌خورانند تا جلایش بیشتر شود. صاف‌‌کاری شاید در نگاه نخست، لبه‌ها و سطح ویفر صاف به نظر برسد، اما در واقع ناهمواری‌های ریزی دارد که همان‌ها نیز باید سابیده و صاف شوند. برای این منظور ویفرها را در محیط خلأ قرار می‌دهند و سپس ناهمواری‌های آن‌را می‌سابند. این‌کار با ظرافت انجام می‌شود تا ویفر آسیب نبیند. صیقل‌کاری پس از سابیدن و صاف‌سازی سطح ویفر باید آن‌را صیقل داد تا مثل آینه براق شود. صیقل‌کاری، ناهمواری‌های ریز سطح ویفر سیلیکونی ‌را رفع می‌کند. برای این کار، هم از مواد شیمیایی و هم از پَدهای مخصوص صیقل‌کاری استفاده می‌کنند. ویفر ثابت می‌ماند و پَدها به‌آرامی روی سطح ویفر مماس می‌شوند و پایین و بالا می‌روند تا سطح ویفر کاملا صاف و براق شود. صیقل‌کاری ویفر مهم است زیرا کوچکترین ناهمواری ممکن است رسانایی ویفر سیلیکونی را مختل کند. صیقل‌کاری از بروز هرگونه تداخلی که ممکن است مانع جریان یافتن برق در مدارها شود، جلوگیری می‌کند. تمیزکاری ویفرها نباید لک و آلودگی داشته باشند. تمیزکاریِ سطح ویفر کاری پرزحمت اما ضروری است تا اجزای تراشه درست کار کنند. تمیزکاری ویفرها درون اتاق‌ها و با کمک تجهیزات بسیار تمیز و محافظت‌شده انجام می‌شود تا حتی‌الامکان هیچ ذره و غباری روی ویفرها ننشیند. حتی ریزترین ذرات گرد و غبار نیز ممکن است به اجزای الکترونیکی تراشه آسیب بزند. مرحله 4: آزمایش ویفر پس از تولید ویفر سیلیکون، باید از صحت کار آن‌ها مطمئن شد. برای آزمایش درستی ویفرها آن‌ها را در شرایط واقعی می‌آزمایند و برای مثال به آن‌ها ولتاژ‌های الکتریکی زیادی اعمال می‌کنند و یا در معرض دمای زیاد قرارشان می‌دهند. مرحله 5: طرح‌نگاری نوری (فوتولیتوگرافی) «طرح‌نگاری نوری» فرآیندی است که طی آن نقشه مدارهای الکترونیک روی سطح ویفر اصطلاحا چاپ می‌شود تا تراشه‌سازها اجزای تراشه را طبق نقشه مذکور روی قطعه سیلیکونی پیاده‌ کنند. نخست، ویفر را با محلول حساس‌به‌نورِ (photoresist) و حساس به پرتو فرابنفش می‌پوشانند. محلول مذکور با تابش نور، سفت می‌شود و نوعی ماسک تشکیل می‌دهد. سپس پرتو فرابنفش را مطابق نقشه‌ی مدار روی لایه‌ (ماسک) می‌تابانند و بدین‌سان نقشه‌ی مدار روی ویفر حک می‌شود. نهایتاً قسمت‌های دست‌نخورده‌ی ماسک را با فرآیندی شیمیایی از روی ویفر پاک می‌کنند. مرحله 6: الصاق ترانزیستورها پس از حک شدن نقشه مدار روی ویفر، مهندسان می‌توانند مهم‌ترین جزء پردازنده یعنی ترازیستورها را طبق نقشه به ویفر الصاق کنند. در اصطلاح فنی به‌این ترانزیستورها «ترازنیستور اثر میدانی نیمه‌رسانای اکسیدفلز» یا در انگلیسی MOSEFT (مخفف Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) می‌گویند. مرحله 7: نصب دروازه‌های منطقی دروازه‌ها یا گیت‌های منطقی (logic gates) عملکرد ترانزیستورها را کنترل می‌کنند. آن‌ها ورودی را دریافت و پردازش می‌کنند و خروجی می‌دهند. ترانزیستورهای سنتی فقط دو دروازه منطقی دارند، اما با توجه به پیشرفت‌های فناوری، اکنون ساخت ترانزیستورهایی با گیت‌های منطقیِ سه‌بعدی نیز ممکن است. ضمنا تراشه‌ها برای انجام دستورهای محوله، ترکیبی از چند نوع دروازه منطقی را به‌کار می‌گیرند. مرحله 8: نصب اتصال‌های مسی پس از آنکه سوئیچ‌ها (ترانزیستورها) و دروازه‌های منطقی روی ویفر نصب شدند، باید آن‌ها را با اتصال‌های مسی با هم مرتبط کرد. ابتدا مدارها را با اکسیدسیلیسیم عایق‌بندی می‌کنند. تراشه‌سازها سپس لایه‌ی حساس‌به‌نور به‌آن می‌‌افزایند تا بخش‌هایی از عایق را که باید با اسیدهیدروفلوریک سوزانده و سوراخ شود، مشخص کند. آن‌ها برای ایجاد مسیرهای ارتباطی بین اجزای مختلف تراشه، لایه حساس‌به‌نورِ دیگری نیز به‌کار می‌برند. گام نهایی، آبکاریِ الکترولیتی مدارها با مس است که بین سوئیچ‌ها و گیت‌ها اتصال‌های رسانا ایجاد می‌کند. در پایان، خرده‌مس‌های باقی مانده روی ویفر را پاک می‌کنند. مرحله 9: نهایی‌سازیِ مدار پس از آنکه همه سوئیچ‌ها و گیت‌ها طبق نقشه به هم متصل شدند، باید مدار، نهایی یا به‌تعبیری تثبیت شود. مرحله‌ی نهایی‌سازی مهم است چون از ایجاد اتصال کوتاه بین اجزای تراشه که ممکن است آن‌را بسوزاند یا به آن آسیب بزند، جلوگیری می‌کند. برای این منظور، روی هر ترانزیستور چند لایه‌ی فلزی کشیده می‌شود تا از کامل بودن تمام مدارها اطمینان حاصل شود. در عین حال، عایق اکسیدسیلیسیم نیز جلوی تلاقی مسیرها را می‌گیرد. مرحله 10: بررسی کیفیت کیفیت محصول را بررسی می‌کنند تا محصول معیوب دست مشتری نرسد. مثل هر کسب‌وکار دیگری در صنعت تراشه‌سازی نیز کیفیت خوب و درنتیجه رضایت مشتری، ضروری است. یکی از مراحل فرآیند بررسی کیفیت پردازنده، بازبینی چشمی اجزای موجود روی تراشه است. برای وارسی نوری (اپتیکال) کیفیت پردازنده نیز چند روش وجود دارد که یکی از آن‌ها تصویربرداری با بسامد تراهرتز است که خروجی بسیار واضحی دارد و می‌تواند نقص‌های احتمالی را نشان دهد. تراشه‌هایی که نواقص جزئی دارند را می‌توان بازیابی کرد و برای محصولات دیگری به کار گرفت. مرحله 11: جای‌دهی درون حفاظ سرانجام، شرکت تراشه‌ساز پردازنده را در درون چارچوب یا حفاظ مخصوص و ایمنی جای می‌دهد. تراشه اگر حفاظ نداشته باشد، اتصالاتش در اثر تماس با الکتریسیته ساکن ممکن است آسیب ببیند. حفاظ تراشه از خوردگی یا فرسایش اجزا نیز که ممکن است به قسمت‌های فلزی تراشه آسیب بزنند و همچنین از نفوذ گرد و غبار جلوگیری می‌کند. ضمنا ارتباط پردازنده‌ی نیمه‌رسانا با بوردهای دستگاه از جمله بورد اصلی، بوسیله همین حفاظ مخصوص برقرار می‌شود. سخن پایانی درباره تولید ویفر سیلیکون برخلاف بسیاری دیگر از نیمه‌رساناها، سیلیکون وضعیت رسانایی/نارسانایی خود را بسیار آسان تغییر می‌دهد. شرکت‌های تراشه‌سازی می‌توانند با کمک عناصر خاصی رسانایی سیلیکون را افزایش یا کاهش دهند یا حتی آن‌را نارسانا کنند. ضمنا سیلیکون به‌سبب فراوانی و سهل‌الوصول بودنش در مقایسه با سایر نیمه‌رساناها عنصر کم‌هزینه‌ای است. برای مثال کربن و ژرمانیوم نیز ویژگی‌های مشابهی دارند اما کربن برای استفاده در تراشه‌ها عنصر بسیار شکننده‌ای است. در رایانه‌های ابتدایی از تراشه‌های ژرمانیومی استفاده می‌شد و هنوز هم گاهی به‌کار می‌رود اما سیلیکون در مقایسه با ژرمانیوم، گرمای بسیار بیشتری را تاب می‌آورد. مقاومت بیشتر در برابر گرما به‌ویژه در رایانه‌ها که در آن‌ها تراشه با اجزای الکترونیک گرمازای دیگری مجاورت دارد، مزیت مهمی است.