اشاره :

درحالی‌که شرکت‌های پیشگام در صنعت میکروالکترونیک و تولید پردازنده‌ها، به تکنولوژی‌های بسیار پیشرفته‌ای دست یافته‌اند و ما هر روز با دستگاه‌های مجهز به چنین محصولاتی کار می‌کنیم، مناسب است تا یک‌ بار دیگر نگاهی به فرایند تولید پردازنده‌ها بیندازیم

اشاره :

درحالی‌که شرکت‌های پیشگام در صنعت میکروالکترونیک و تولید پردازنده‌ها، به تکنولوژی‌های بسیار پیشرفته‌ای دست یافته‌اند و ما هر روز با دستگاه‌های مجهز به چنین محصولاتی کار می‌کنیم، مناسب است تا یک‌ بار دیگر نگاهی به فرایند تولید پردازنده‌ها بیندازیم، فرایندی که در آن اساساً از ماده اولیه‌ای مانند شن، مدارات مجتمع فوق‌ظریفی مانند پردازنده P4 به‌دست می‌آید.

ماده اولیه:

امروزه همه می دانند که ماده اولیه پردازنده ها همچون دیگر مدارات مجتمع الکترونیکی، سیلیکون است.در واقع سیلیکون همان ماده سازنده شیشه است که از شن استخراج می شود. البته عناصر بسیار دیگری هد در این فرایند به کار برده می شوند و لیکن از نظر درصد وزنی، سهم مجموع این عناصر نسبت به سیلیکون به کار رفته در محصول نهایی بسیار جزئی است.

آلمینیوم یکی از موارد دیگری است که در فرایند تولید پردازنده های مدرن، مس به تدریج جایگزین آلمینیوم می شود. علاوه بر آنکه فلز مس دارای ضریب هدایت الکتریکی بیشتری نسبت به آلمینیوم است،دلیل مهم تری هم برای استفاده از مس در طراحی پردازنده های مدرن امروزی وجود دارد. یکی از بزرگ ترین مسائلی که در طراحی پردازنده ها ی امروزی مطرح است، موضوع نیاز به ساختارهای فیزیکی ظریف تر است. به یاد دارید که اندازه ها در پردازنده های امروزی در حد چند ده نانو متر هستند. پس از آنجایی که با استفاده از فلز مس، می توان اتصالات ظریف تری ایجاد کرد، این فلز جایگزین آلومینوم شده است.

آماده سازی:

فرایندهای تولید قطعات الکترونیکی از یک جهت با بسیاری از فرایندهای تولید دیگر متفاوت است. در فرایندهای تولید قطعات الکترونیک، درجه خلوص مواد اولیه مورد نیاز در حد بسیار بالایی اهمیت بسیار زیادی دارند.

اهمیت این موضوع در حدی است که 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 الکترونیک 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 که توسط واحدهایی مانند ppm به معنی چند اتم نا خالصی در یک میلیون اتم ماده اولیه،بیان می شوند.

آخرین مرحله خالص سازی ماده سیلیکون،به این صورت انجام می شود که یک بلور خالص سیلیکون درون ظرف سیلیکون مذاب خالص شده قرار داده می شود، تا بلور باز هم خالص تری در این ظرف رشد کند ( همان طور که بلورهای نبات در درون محلول اشباع شده به دور یک ریسمان نازک رشد می کنند ) . در واقع به این ترتیب، ماده سیلیکون مورد نیاز به صورت یک شمش تک کریستالی تهیه می شود ( یعنی تمام یک شمش بیست سانتی متری سیلیکون، یک بلور پیوسته و بدون نقض باید باشد!). این روش در صنعت تولید چیپ به روش cz معروف است. تهیه چنین شمس تک بلوری سیلیکون آن قدر اهمیت دارد که یکی از تحقیقات اخیر اینتل و دیگر شرکت های تولید کننده پردازنده، معطوف تولید شمش های سی سانتی متری سیلیکون تک بلوری بوده است. در حالی که خط تولید شمش های بیست سانتی متری سیلیکون هزینه ای معادل 5/1 میلیارد دلار در بر دارد، شرکت های تولید کننده پردازنده ، برای بدست آوردن خط تولید شمش های تک بلوری سیلیکون سی سانتی متری، 5/3 میلیارد دلار هزینه می کنند. موضوع جالب توجه در این مورد ان است که تغییر اندازه شمش های تک بلوری ، تاکنون سریع تر از یک بار در هر ده سال نبوده است. پس از آنکه یک بلور سیلیکونی غول آسا به شکل یک استوانه تهیه گشت، گام بعدی ورقه ورقه بریدن این بلور است. هر ورقه نازک از این سیلیکون، یک ویفر نامیده می شود که اساس ساختار پردازنده ها را تشکیل می دهد. در واقع تمام مدارات یا ترانزیستورهای لازم،بر روی این ویفر تولید می شوند. هر چه این ورقه ها نازک تر باشند،عمل برش بدون آسیب دیدن ویفر مشل تر خواهد شد. از طرف دیگر این موضوع به معنی افزایش تعداد چیپ هایی است که میتوان با یک شمش سیلیکونی تهیه کرد. در هر صورت پس از آنکه ویفرهای سیلیکونی بریده شدند.نوبت به صیقل کاری آنها می رسد. ویفرها آنقدر صیقل داده می شوند که سطوح آنها آیینه ای شود. کوچکترین نقص در این ویفرها موجب عدم کارکرد محصول نهایی خواهد بود. به همین دلیل،یکی دیگر از مراحل بسیار دقیق بازرسی محصول در این مرحله صورت می گیرد. در این گام،علاوه بر نقص های بلوری که ممکن است در فرایند تولید شمش سیلیکون ایجاد شده باشند، نقص های حاصل از فرایند برش کریستال نیز به دقت مورد کنکاش قرار می گیرند.

پس از این مرحله،نوبت به ساخت ترانزیستورها بر روی ویفر سیلیکونی می رسد.

برای این کار لازم است که مقدار بسیار دقیق و مشخصی از ماده دیگری به درون بلور سیلیکون تزریق شود. بدین معنی که بین هر مجموعه اتم سیلیکون در ساختار بلوری دقیقا” یک اتم از ماده دیگر قرار گیرد. در واقع در این مرحله نخستین گام فرایند تولید ماده نیمه هادی محسوب می شود که اساس ساختمان قطعات الکترونیک مانند ترانزیستور را تشکیل می دهد. ترانزیستورهایی که در پردازنده های امروزی به کار گرفته می شوند،توسط تکنولوژی CMOS تولید می شوند.CMOS مخخف عبارتComplementary Metal Oxide Semiconductor است . در اینجا منظور از واژه Complementary آن است که در این تکنولوژی از تعامل نیمه هادی های نوع n و p استفاده می شود.

بدون آنکه بخواهیم وارد جزئیات فنی چگونه تولید ترانزیستور بر روی ویفرهای سیلیکونی بشویم،تنها اشاره می کنیم که در این مرحله، بر اثر تزریق مواد گوناگون و همچنین ایجاد پوشش های فلزی فوق نازک ( در حد ضخامت چند اتم ) در مراحل متعدد، یک ساختار چند لایه ای و ساندویچی بر روی ویفر سیلیکونی اولیه شکل می گیرد. در طول این فرایند ، ویفر ساندویچی سیلیکونی در کوره ای قرار داده می شود تا تحت شرایط کنترل شده و بسیار دقیق ( حتی در اتمسفر مشخص) پخته می شود و لایه ای از sio2 بر روی ویفر ساندویچی تشکیل شود. در جدید ترین فناوری اینتل به تکنولوژی 90 نانو متری معروف است، ضخامت لایه sio2 فقط 5 اتم است! این لایه در مراحل بعدی دروازه یا Gate هر ترانزیستور واقع در چیپ پردازنده خواهد بود که جریان الکتریکی عبوری را در کنترل خود دارد ( ترانزیستورهای تشکیل دهنده تکنولوژی CMOS از نوع ترازیستورهای اثر میدانی field Efect Transistor:FET نامیده می شوند. جریان الکتریکی از اتصالی بنام Source به اتصال دیگری به نام Drain جریان می یابد. وظیفه اتصال سوم به نام Gate در این ترانزیستور، کنترل و مدیریت بر مقدار و چگونگی عبور جریان الکتریکی از یک اتصال به اتصال دیگر است ).

اخرین مرحله آماده سازی ویفر، قرار دادن پوشش ظریف دیگری بر روی ساندویچ سیلیکونی است که photo-resist نام دارد. ویژگی این لایه آخر همان طور که از نام آن مشخص می شود، مقاومت در برابر نور است. در واقع این لایه از مواد شیمیایی ویژه ای ساخته شده است که اگر در معرض تابش نور قرار گرفته شود، می توان آن را در محلول ویژه ای حل کرده 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 کرد.

ماسک کردن:

این مرحله از تولید پردازنده ها، به نوعی از مراحل قبلی کار 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 که بر روی ویفر سیلیکونی، نقشه و الگوی استنسل مشخصی با استفاده از فرایند فتو لیتو گرافی چاپ می شود، تا بتوان در مرحله بعدی با حل کردن و شستن ناحیه های نور دیده به ساختار مورد نظر رسید ( از آنجایی که قرار است نقشه پیچیده ای بر روی مساحت کوچکی چاپ شود، از روش فتو لیتو گرافی کمک گرفته می شود. در این روش نقشه مورد نظر در مقیاس های بزرگتر – یعنی در اندازه هایی که بتوان در عمل آنرا تولید کرد، مثلا” در مربعی به مساحت یک متر مربع – تهیه می شود.سپس با تاباندن نور به الگو و استفاده از روش های اپتیکی، تصویر الگو را بر روی ناحیه بسیار کوچک ویفر می تاباند. مثلا” الگویی که در مساحت یک متر مربع تهیه شده بود به تصویر کوچکی در اندازه های چند میلیمتر مربع تبدیل می شود!) در این موارد چند نکته جالب توجه وجود دارد. نخست آنکه الگوها و نقشه هایی که باید بر وری ویفر چاپ شوند. آنقدر پیچیده هستند که برای توصیف آنها به 10 گیگابایت داده نیاز است. در واقع می توان این موضوع را به حالتی تشبیه کرد که در آن قرار است نقشه ای مانند یک شهر بزرگ با تمام جزئیات شهری و ساختمانی آن بر روی ویفر سیلیکونی به مساحت چند میلی متر مربع چاپ شود. نکته دیگر آنکه در ساختمان چیپ های پردازنده بیش از بیست لایه مختلف وجود دارد که برای هر یک از آنها لازم است چنین نقشه هایی لیتو گرافی شود. موضوع دیگر بد نیست در اینجا ذکر شود آن است که همانطور که از دروس دبیرستانی ممکن است به یاد داشته باشید. نور در لبه های اجسام دچار انحراف از مسیر راست می شود.

پدیده ای که به پراش یا Diffraction معروف است. هر چه لبه های اجسامی که در مسیر تابش واقع شده اند،کوچکتر یا ظریف تر باشند،پدیده پراش شدیدتر خواهد بود . در واقع یکی از بزرگ ترین موانع تولید پردازنده هایی که در آنها از ساختارهای ظریف تری استفاده شده باشد، همین موضوع پراکندگی یا تفریق نور است که باعث مات شدن تصویری می شود که قرار است بر روی ویفر چاپ شود . برای مقابله با این مسئله، یکی از موثرترین روش ها، آن است که از نوری در عمل فتولیتو گرافی استفاده کنیم که دارا ی طول موج کوچکتری است( بر اساس اصول اپتیک،هر چه طول موج نور تابنده شده کوچک تر باشد، شدت پدیده پراکندگی نور در لبه های اجسام کمتر خواهد بود.) برای همین منظور در تولید پردازنده ها، از نور uv ( ماورای بنفش ) استفاده می شود. در واقع برای آنکه بتوان تصویر شفاف و ظریفی در اندازه ها و مقیاس آنچنانی بر روی ویفرها تولید کرد، تنها طول موج ماورای بنفش جوابگو خواهد بود. اما اگر بخواهیم در نسل بعدی پردازنده ها، از الگوها ی پیچیده تری استفاده کنیم تکلیف چه خواهد بود؟ در تئوری می توان از تابشی با طول موج کوتاه تر به معنی استفاده از نوعی اشعه ایکس است. می دانید که چنین اشعه ای بیشتر از آنکه قادر باشد تصویری از نقشه مورد نظر بر روی ویفر ایجاد کند، به علت قابلیت نفوذ زیاد، از تمامی نواحی الگو به طور یکسان عبور خواهد کرد! از موارد فوق بگذریم،پس از آنکه نقشه مورد نظر بر روی ویفر چاپ شود،ویفر در درون محلول شیمیایی ویژه ای قرار داده می شود تا جاهایی که در معرض تابش واقع شده اند، در آن حل شوند. بدین ترتیب شهر مینیاتوری را بروی ویفر سیلیکونی تجسم کنید که در این شهر خانه ها دارای سقفی از جنس sio2 هستند ( مکان هایی که نور ندیده اند و در نتیجه لایه مقاوم در برابر حلال مانع از حل شدن (sio2 بوده است).خیابان های این شهر فرضی نواحی که مورد تابش نور واقع شده اند و لایه مقاوم آن و همچنین لایه sio2 در حلال حل شده اند ) از جنس سیلیکون هستند.

تکرار:

پس از این مرحله، لایه photo-resist باقی مانده از روی ویفر بر داشته می شود. در این مرحله ویفری در اختیار خواهیم داشت که در آن دیواره ای از جنس sio2 در زمینی از جنس سیلیکون واقع شده اند. پس از این گام، یکبار دیگر یک لایه sio2 به همراه پلی سیلیکون (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 سیلیکونی باقی مانده تشکیل شوند. به این وسیله،مواد مشخصی در مقادیر بسیار کم و دقیق به درون بلور سیلیکون نفوذ داده می شوند تا خواص نیمه هادی نوع n و p به دست آیند. تا اینجای کار، یک لایه کامل از نقشه الکترونیکی ترانزیستوری دو بعدی بر روی ویفر سیلیکونی تشکیل شده است. با تکرار مراحل فوق، عملا” ساختار لایه ای سه بعدی از مدارات الکترونیکی درون پردازنده تشکیل می شود. در بین هر چند لایه، از لایه ای فلزی استفاده می شود که با حک کردن 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 64 از 9 لایه فلزی استفاده می کند

نخستین گروه پردازنده‌های پنتیوم چهار اینتل،‌ در مواردی که کاربران این پردازنده‌ها را در شرایط overclock قرار می‌دادند، به‌نوعی از کار می‌افتادند که بعدها به بیماری مرگ ناگهانی مشهور گشت
 (در شرایط overClock پردازنده تحت ولتاژ و درنتیجه جریان الکتریکی بالاتری نسبت به مقدار توصیه شده سازنده قرار داده می‌شود.)

در حقیقت این پردازنده‌ها که به‌نوعی نخستین خروجی خط تولید پردازنده‌های اینتل بود که از فلز مس  در آنها استفاده می‌شد، دچار نقصی بود که پدیده مهاجرت الکترونی در آن نسبتاً به‌راحتی روی می‌داد. نیازی به یادآوری نیست که اینتل این مسئله را به‌سرعت رفع کرد و در پردازنده‌های پنتیوم کنونی به‌هیچ وجه چنین  پدیده‌ای  دیده نمی‌شود.

 غربال کردن:

تولید ساندویچ های پیچیده تشکیل شده از لایه های متعدد سیلیکون، فلز و مواد دیگر،فرایندی است که ممکن است روزها و حتی هفته ها به طول انجامد. در تمامی این مراحل ، آزمایش های بسیار دقیقی بر روی ویفر سیلیکونی انجام می شود تا مشخص شود که آیا در هر مرحله عملیات مربوطه به درستی انجام شده اند یا خیر. علاوه بر آن در این آزمایش ها کیفیت ساختار بلوری و بی نقصی ماندن ویفر نیز مرتبا” آزمایش می شود. پس از این مراحل چیپ هایی که 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 که دارند در حین کار گرم می شود. با توجه به مساحت کوچک ویفر پردازنده ها و ساختمان ظریف آنها، در صورتی که تدابیر ویژه ای برای دفع حرارتی چیپ ها اندیشیده نشود، گرمای حاصل به چیپ ها آسیب خواهد رساند. بدین معنی که تمرکز حرارتی چیپ به حدی است که قبل از جریان یافتن شار حرارتی به رادیاتور خارجی پردازنده، چیپ دچار آسیب خواهد شد. برای حل این مشکل، پردازنده های امروزی در درون خود دارای لایه های توزیع دما هستند تا اولا” تمرکز حرارتی در بخش های کوچک چیپ ایجاد نشود و ثانیا” سرعت انتقال حرارت به سطح چیپ و سپس خنک کننده خارجی، افزایش یابد.

اما چیپ های آزمایش شده باز هم برای تعیین کیفیت و کارایی چندین بار آزمایش می شوند. واقعیت آن است که کیفیت پردازنده ها ی تولید شده حتی در پایان یک خط تولید و د ر یک زمان ، ثابت نیست و پردازنده ها در این مرحله درجه بندی می شوند! ( مثل میوه هایی که در چند درجه از نظر کیفیت طبقه بندی می شوند.) برخی از پردازنده ها در پایان خط تولید واجد خصوصیاتی می شوند که می توانند مثلا” تحت ولتاژ یا فرکانس بالاتری کار کنند. این موضوع یکی از دلایل اصلی تفاوت قیمت پردازنده ها است.

گروه دیگری از پردازنده ها ، دچار نقص در بخش هایی می شوند که همچنان آنها را قابل استفاده نگاه می دارد. به عنوان مثال ، ممکن 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 که مقدار حافظه نهان کمتری دارند.

بدین ترتیب پردازنده هایی مانند celeron در اینتل و sempron در شرکت AMD ، در خط تولید پردازنده های Full cache این شرکت ها نیز تولید می شوند!