فناوري ساخت مدارهاي مجتمع-قسمت اول

در پايان مقاله‌ي هفتم اين پرسش مطرح شد كه با وجود چنين مزايايي كه در كوچك‌تر كردن ابعاد ترانزيستور است،‌ چرا از ابتدا ترانزيستورها در ابعاد بسيار كوچك توليد نشد؟ يعني چرا به تدريج به سمت فناوري‌هاي كوچك‌تر حركت مي‌‌کنيم؟ در پاسخ به اين پرسش بيان كرديم كه حركت به سمت فناوري‌هاي كوچك‌مقياس نظير فناوري نانو محدوديت‌هايي دارد. براي اين كه با محدوديت‌هاي ساخت ترانزيستورها در مقياس نانو بيش‌تر آشنا شويم، ‌ابتدا بايد با فناوري ساخت ترانزيستورها در مدارهاي مجتمع آشنا شويم. در اين مقاله و چند مقاله‌ي بعد راجع به فناوري ساخت مدارهاي مجتمع سخن خواهیم گفت.
دقت كنيد كه منظور ما از مدار مجتمع،‌ يك مدار الكترونيكي است كه حداقل از ده‌ها ترانزيستور تشكيل شده است. پردازشگر مركزي رايانه (CPU)، انواع حافظه‌ها (نظير RAM, ROM, FLASH MEMORY و ...) مدارهاي كوچك الكترونيكي كه در انواع وسايل الكترونيكي نظير تلويزيون،‌ يخچال،‌كنترل از راه دور خودروها،‌گوشي تلفن همراه، مايكروويو، پخش‌كننده‌هاي فيلم و موسيقي و ... وجود دارد، همگي نمونه‌هايي از مدار مجتمع يا به اختصار 1IC است. 
از آن جايي كه در اين مقاله قرار است راجع به فناوري ساخت ترانزيستورهاي NMOS و 2PMOS صحبت كنيم،‌ پیشنهاد می‌کنم چنانچه ساختار اين ترانزيستورها را فراموش كرده‌ايد، مقاله‌هاي سوم و چهارم نانوالكترونيك را مرور كنيد. مدارهاي الكترونيكي را كه از ترانزيستورهاي NMOS و PMOS به صورت مكمل استفاده مي‌كنند، مدارهاي CMOS مي‌‌گوييم. امروزه اغلب مدارهاي الكترونيك مجتمع با فناوري 3CMOS ساخته مي‌شوند.

 2- ملاحظات كلي فرآيند ساخت
قبل از آن كه به صورت جزئي و دقيق،‌ فرآيند ساخت مدارهاي مجتمع را بررسي كنيم، خوب است كه ساختمان ساده‌ي ترانزيستورهاي NMOS و PMOS را در نظر بگيريم و گام‌هاي لازم براي ساخت را پيش‌بيني كنيم. در شكل (1) نماي كناري و بالايي يك ترانزيستور NMOS و يك ترانزيستور PMOS نشان داده شده است.
قبل از آن كه به صورت جزئي و دقيق،‌ فرآيند ساخت مدارهاي مجتمع را بررسي كنيم، خوب است كه ساختمان ساده‌ي ترانزيستورهاي NMOS و PMOS را در نظر بگيريم و گام‌هاي لازم براي ساخت را پيش‌بيني كنيم. در شكل (1) نماي كناري و بالايي يك ترانزيستور NMOS و يك ترانزيستور PMOS نشان داده شده است.

شکل(1) نمای بالایی و کناری یک ترانزیستور NMOS و یک ترانزیستور PMOS

همان‌طور كه در شکل (1) مشخص است، هر دو ترانزيستور بر روي يك بدنه‌ي P- ساخته مي‌شوند. بر روي اين بدنه‌ي اصلي، چاه‌های n- ، نواحی سورس و درین ، عایق گیت ، پلی‌سیلیکون ، زیر بنا ، اتصالات فلزی ساخته مي‌شود. (علامت –  در P- و n- يعني غلظت ناخالصي درون سيليسيوم كم است. در واقع؛ همان‌طور كه در مقاله‌ي اول و دوم نانوالكترونيك گفتيم به منظور ساخت نيمه‌رساناي نوع n و P، مقداری ناخالصی به نيمه‌رساناي سيليسيوم اضافه مي‌كنيم.)
فناوری‌های پیشرفته‌ی ساخت CMOS دارای بیش از 200 مرحله است، اما براي منظور ما،‌ مي‌توانيم نگاهي به زنجيره‌ي تركيبي از عمليات زير بيندازيم:
1. پردازش ویفر براي توليد يك زيربنا از نوع مناسب. ويفر همان ماده‌ي آغازين فرآيند ساخت است. همان زيربنايي كه همه‌ي ترانزيستورها بر روي آن ساخته مي‌شوند. جنس ويفر از عنصر سيليسيوم به همراه مقداري ناخالصي است.
2. ليتوگرافي نوري براي تعريف دقيق هر ناحيه.
3. اكسيداسيون، لايه‌نشانی و كاشت يوني براي افزدون مواد لازم به ويفر.
4. زدايش جهت زدودن مواد زائد از ويفر.
بسياري از اين گام‌ها نياز به عمليات حرارتي دارند. يعني ويفر بايد يك چرخه‌ي حرارتي را در يك كوره بگذراند.

2-1- گام اول:‌ پردازش ويفر
در فناوري CMOS، ويفر اوليه بايد با كيفيت بسيار بالايي توليد شود. به این منظور، سيليسيوم يا همان سيليكون، به صورت جامد بلورين رشد داده می‌‌شود. بلور باید به گونه‌ای رشد يابد که دارای کمترین نقص بلوري باشد و نيز از درجه‌ي خلوص بسيار بالايي نیز برخوردار باشد. يعني اتم‌هاي ناخالصي در آن بسيار كم باشد. (براي آشنايي با مفهوم نقص بلوري،‌ مقاله‌اي با همين نام بر روي سايت وجود دارد كه مي‌توانيد به آن مراجعه كنيد.)

شکل 2. سمت راست: سیلیکون نوع p و سمت چپ: سیلیکون نوع n

پس از ساخت ویفر بايد به آن ناخالصي موردنظر با مقدار و نوع مناسب اضافه شود تا زيربناي P- با ويژگي‌هاي موردنظر توليد شود (شکل 2). براي ساخت ويفر با چنين وي‍ژگي‌هايي از روشي كه به روش چوکرالسکی موسوم است،‌ استفاده می‌شود. در اين روش، يك دانه‌ي بلور در سيليكون مذاب رو برده مي‌شود و سپس به تدريج در حالي كه مي‌چرخد بيرون كشيده مي‌شود. در نتيجه‌ی این عملیات، شمش بزرگ استوانه‌اي و بلوري از سيليكون درست مي‌شود كه مي‌توان آن را به قرص‌هاي نازك سيليكون برش داد. قطر ويفر سيليكون بين 10 تا 30 سانتي‌متر و طول آن 1 متر است و رنگ آن نيز خاكستري فولادي است.

پس از برش، ضخامت هر قرص سيليكون بين 400 ميكرومتر تا 600 ميكرومتر مي‌شود. سپس ويفرها ساييده و به صورت شيميايي پاك مي‌شوند تا بدين ترتيب خرابي‌هاي سطحي كه در هنگام برش به وجود آمده بر طرف شود. اكنون ويفر براي انجام مراحل بعدي آماده است.

این مقاله را در سایت باشگاه نانو هم می توانید مطالعه کنید