قطر موی انسان ۷۰،۰۰۰ نانومتر و محیط آن ۲۲۰،۰۰۰ نانومتر است. تولید تراشه‌ها با استفاده از فرآیند ۵ نانومتری مانند ساختن ۴۴،۰۰۰ جاده در امتداد یک تار مو است.

نویسنده: لیو ژیرونگ منبع: Headline@Iron Tower-Liu Zhirong

در ۱۵ مه ۲۰۲۰، ایالات متحده ممنوعیتی برای تراشه‌های هواوی وضع کرد. از آن زمان، تراشه‌ها توجه گسترده مردم چین را به خود جلب کرده‌اند. این ممنوعیت از ۱۵ سپتامبر به اجرا درآمد. تولیدکنندگان تراشه مشهور جهانی مانند TSMC، مدیاتک، کوالکام، سونی، سامسونگ، SK Hynix و میکرون دیگر نمی‌توانند تراشه به هواوی عرضه کنند. در ۱۶ سپتامبر، کمیسیون مرکزی بازرسی انضباطی مقاله‌ای در وب‌سایت رسمی خود منتشر کرد که در آن آمده بود: «قطع عرضه تراشه به هواوی ممکن است آغاز دوران اوج صنعت تراشه چین باشد.»

ما هر روز در مورد چیپس صحبت می‌کنیم، اما آیا می‌دانید چیپس چیست؟

۱. اختراع تراشه چه تغییری در زندگی بشر ایجاد کرده است؟؟

در ۲۳ دسامبر ۱۹۴۷، سه دانشمند از آزمایشگاه‌های بل در ایالات متحده، جان بادن، ویلیام شاکلی و والتر براتون، ترانزیستور کریستالی ژرمانیوم را اختراع کردند و دنیای الکترونیک را وارد عصر نیمه‌رساناها کردند. سه مخترع ترانزیستور در سال ۱۹۵۶ جایزه نوبل فیزیک را از آن خود کردند.

دهه ۱۹۵۰ عصر طلایی نیمه‌رساناها بود. تقریباً تمام مواد نیمه‌رسانا و فرآیندهای اساسی در این دوره توسعه یافتند.

در ۱۸ اکتبر ۱۹۵۴، شرکت تگزاس اینسترومنتس رادیو ترانزیستوری را اختراع کرد. این رادیو با چهار ترانزیستور به اندازه‌ای کوچک بود که در جیب جا می‌شد.

در ۱۲ سپتامبر ۱۹۵۸، جک کیلبی (۱۹۲۳-۲۰۰۵)، مهندس الکترونیک شرکت تگزاس اینسترومنتس، مدار مجتمع را اختراع کرد و در سال ۱۹۵۹ با موفقیت اولین مدار مجتمع جهان، یک تراشه، را تولید کرد. این مدار مجتمع قرار است ترانزیستورهای PNP (ترانزیستورها)، مقاومت‌ها و خازن‌ها را روی یک تراشه ژرمانیوم حکاکی کند و از سیم‌های خارجی برای اتصال آنها به یکدیگر برای تشکیل یک مدار استفاده کند. این مدار مجتمع ساده، صنعت تراشه را آغاز کرد، علم و فناوری بشر را به اوج جدیدی رساند و شیوه زندگی انسان را کاملاً تغییر داد.

پیشرفت مداوم فناوری تولید تراشه، قیمت یک ترانزیستور را به میزان زیادی کاهش داده است. در سال ۱۹۵۹، ۶ ترانزیستور روی یک تراشه وجود داشت که معادل ۱۰ دلار برای هر ترانزیستور بود؛ در سال ۱۹۷۱، ۲۰۰۰ ترانزیستور روی یک تراشه وجود داشت که معادل ۰.۳ دلار برای هر ترانزیستور بود؛ در سال ۲۰۰۴، ده‌ها میلیارد ترانزیستور روی یک تراشه وجود داشت و قیمت یک ترانزیستور به یک میلیاردم دلار کاهش یافت. بهبود عملکرد هزینه تراشه‌ها، ورود تراشه‌ها به خانه‌های مردم عادی را ممکن ساخته است.

می‌توان گفت تراشه بزرگترین اختراع قرن بیستم است و بسیاری از اختراعات دیگر نیز بر اساس تراشه‌ها شکل گرفته‌اند. امروزه ما در دنیایی زندگی می‌کنیم که اطرافمان را تراشه‌ها احاطه کرده‌اند و بدون تراشه‌ها حرکت کردن دشوار خواهد بود.

زندگی روزمره مردم از تراشه‌ها جدایی‌ناپذیر است. دستگاه‌های هوشمند مانند تلفن‌های همراه، رایانه‌ها و ساعت‌های هوشمند دارای تراشه هستند. تجهیزات شبکه مانند مودم‌های نوری، روترها، فلش درایوهای USB، کارت‌های حافظه و هارد دیسک‌های موبایل دارای تراشه هستند. در تجهیزات شبکه و لوازم جانبی کامپیوتر نیز تراشه وجود دارد. کارت‌های شناسایی، گذرنامه‌ها، کارت‌های بانکی، کارت‌های خرید، کارت‌های مصرفی و سایر کارت‌های شناسایی شخصی دارای تراشه هستند. تلویزیون‌ها، بلندگوها، پروژکتورها، شارژرها، چراغ‌های LED، ترازوهای الکترونیکی، تهویه مطبوع، یخچال‌ها، اجاق‌های مایکروویو، اجاق‌های القایی، آبگرمکن‌ها و سایر لوازم خانگی نیز دارای تراشه هستند. کنترل دسترسی، نظارت، سلول‌های خورشیدی و غیره نیز به تراشه نیاز دارند. اگر کسی کدی اختراع کند که تمام تراشه‌های جهان را غیرفعال کند، زندگی بشر متوقف می‌شود.

جک کیلبی به خاطر اختراع تراشه، جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۰۰ را از آن خود کرد. او همچنین مخترع ماشین حساب دستی و چاپگر حرارتی بود. وقتی کیلبی دانشمند نامیده شد، با فروتنی گفت: «دانشمند کسی است که چیزها را توضیح می‌دهد و باید ایده‌های بزرگی داشته باشد؛ و من یک حل‌کننده مسئله، یک مهندس هستم. وظیفه من اختراع فرآیندهای جدید، تولید محصولات جدید و کسب درآمد از اختراعات و خلاقیت‌ها است.»

۲. برای درک تراشه، ابتدا باید «اتصال PN» را درک کنید.

همانطور که از مطالب بالا مشخص است، قطعات الکترونیکی مانند دیودها، ترانزیستورها، مقاومت‌ها و خازن‌ها بر روی مواد نیمه‌هادی ساخته می‌شوند و سپس با سیم به هم متصل می‌شوند. این یک مدار مجتمع است که به آن تراشه نیز گفته می‌شود. برای درک تراشه‌ها، ابتدا باید "اتصال PN" را که هسته فناوری نیمه‌هادی است، درک کنید.

وقتی یک ماده نیمه‌رسانا با یک عنصر پنج ظرفیتی آلاییده می‌شود، غلظت الکترون افزایش می‌یابد و یک نیمه‌رسانای نوع N تشکیل می‌شود؛ وقتی یک ماده نیمه‌رسانا با یک عنصر سه ظرفیتی آلاییده می‌شود، غلظت حفره افزایش می‌یابد و یک نیمه‌رسانای نوع P تشکیل می‌شود. «حفره» به جای خالی باقی مانده روی پیوند کووالانسی پس از کسب انرژی توسط الکترون‌های روی پیوند کووالانسی و جدا شدن از قیدهای پیوند کووالانسی و تبدیل شدن به الکترون‌های آزاد اشاره دارد.

پس از اینکه نیمه‌رسانای نوع P و نیمه‌رسانای نوع N در تماس نزدیک با هم قرار گرفتند، الکترون‌های با بار منفی و حفره‌های با بار مثبت به سمت یکدیگر پخش می‌شوند. پخش الکترون‌ها و حفره‌ها باعث تشکیل یک میدان الکتریکی داخلی در سطح تماس می‌شود و میدان الکتریکی داخلی از این پخش جلوگیری می‌کند و به الکترون‌ها و حفره‌ها اجازه می‌دهد به عقب رانده شوند. هنگامی که سرعت پخش و سرعت رانش الکترون‌ها و حفره‌ها به یک تعادل دینامیکی می‌رسد، یک "پیوند PN" در سطح تماس بین نیمه‌رسانای نوع P و نیمه‌رسانای نوع N تشکیل می‌شود.

عملکرد اصلی "پیوند PN" "رسانایی تکی" است. اگر از انتهای نیمه‌رسانای نوع P به عنوان الکترود مثبت و از انتهای نیمه‌رسانای نوع N به عنوان الکترود منفی استفاده شود، جریان می‌تواند از پیوند PN عبور کند؛ اگر از انتهای نیمه‌رسانای نوع N به عنوان الکترود مثبت و از انتهای نیمه‌رسانای نوع P به عنوان الکترود منفی استفاده شود، جریان نمی‌تواند از پیوند PN عبور کند. استفاده از بیت‌های دودویی در رایانه‌ها با عملکرد "پیوند PN" تعیین می‌شود. جریان عبوری از "پیوند PN" نشان دهنده "1" است و جریانی که از "پیوند PN" عبور نمی‌کند نشان دهنده "0" است.

«پیوند PN» یک دیود است. اگر دو نیمه‌رسانای نوع P یک نیمه‌رسانای نوع N را در میان خود قرار دهند، یک تریود تشکیل می‌شود که همان تریود نوع PNP است که در بالا ذکر شد. البته، اگر یک نیمه‌رسانای نوع P بین دو نیمه‌رسانای نوع N قرار گیرد، به یک ترانزیستور نوع NPN تبدیل می‌شود.

افراد عادی نمی‌توانند «بدنه واقعی» تراشه را ببینند. تراشه به کوچکی شوره سر انسان و به بزرگی ناخن انسان است. از آنجا که خیلی نازک است، قبل از اتصال به یک مدار خارجی، باید در یک پوسته مهر و موم شده بسته‌بندی شود. وقتی کامپیوتر، تلویزیون یا سایر وسایل برقی را باز می‌کنید، می‌توانید یک برد مدار بزرگ را ببینید. قطعات الکترونیکی زیادی روی برد مدار وجود دارد. آن قطعات الکترونیکی با پین‌های متعدد، تراشه هستند. این پین‌ها به ترمینال‌های ورودی و خروجی تراشه متصل هستند. برخی در دو طرف بسته تراشه، برخی در چهار طرف و برخی در یک ماتریس در پایین چیده شده‌اند که به طور متراکم با بیش از ۱۰۰۰ پین پر شده‌اند.

۳. چیپس درست کردن مثل اینه که زمین و تمام ساخت و سازهای جاده‌ای رو روی یه دانه برنج حکاکی کنی؟؟

در اینجا باید به مفهومی اشاره کرد و آن «قانون مور» است. در سال ۱۹۶۵، گوردون مور، یکی از بنیانگذاران شرکت اینتل، تولیدکننده‌ی مشهور تراشه در جهان، پیشنهاد داد که تعداد ترانزیستورهای روی یک تراشه هر سال دو برابر می‌شود. او بعداً این قانون را اصلاح کرد و آن را به دو برابر شدن هر دو سال رساند. این حکم عملاً تأیید شده است که اساساً درست است. در سال ۲۰۱۱، ۲.۲۷ میلیارد ترانزیستور روی یک تراشه‌ی Intel Core i7 وجود داشت. در حال حاضر، تعداد ترانزیستورهای روی برخی از تراشه‌های رده بالا از ده‌ها میلیارد فراتر می‌رود. چند سال پیش، تراشه‌ی هوش مصنوعی WSE که توسط تولیدکننده‌ی نیمه‌هادی Cerebras Systems با استفاده از فناوری پردازش ۱۶ نانومتری TSMC تولید شده بود، ۱.۲ تریلیون ترانزیستور را در خود جای داده بود!

«پردازش» به عرض گیت ترانزیستور روی تراشه اشاره دارد که می‌توانیم آن را به طور کلی به عنوان اندازه ترانزیستور درک کنیم. هرچه فرآیند کوچکتر باشد، ترانزیستورهای بیشتری را می‌توان روی یک تراشه ساخت و مدار مجتمع بزرگتر می‌شود.

سرعت محاسبات تراشه‌ها به لطف افزایش ادغام تراشه‌ها، همچنان در حال افزایش است. هرچه سطح ادغام تراشه بالاتر باشد، قطعات الکترونیکی روی آن کوچکتر و سیم‌های بین قطعات الکترونیکی کوتاه‌تر می‌شوند. زمان عبور جریان کوتاه‌تر، مصرف انرژی کاهش و سرعت پردازش افزایش می‌یابد.

سه راه برای ساخت یک تراشه با ترانزیستورهای بیشتر وجود دارد. یکی افزایش مساحت تراشه، دیگری کاهش اندازه ترانزیستورها و سوم ساخت مدار مجتمع سه‌بعدی است. افزایش مساحت تراشه عموماً در نظر گرفته نمی‌شود زیرا باعث افزایش مصرف انرژی و کاهش راندمان تراشه می‌شود. امروزه، مردم عمدتاً از دو روش اخیر برای افزایش تعداد ترانزیستورها روی یک تراشه استفاده می‌کنند.

تولید تراشه به دنیای میکروسکوپی تعلق دارد و اجزای الکترونیکی روی آن به کوچکی تنها چند اتم یا مولکول هستند و با واحدهای اندازه‌گیری کوچک‌تر، نانومتر و آنگستروم، اندازه‌گیری می‌شوند. کوچکترین مقیاس روی یک خط‌کش عمومی میلی‌متر است، ۱ میلی‌متر برابر با ۱۰۰۰ میکرون، ۱ میکرون برابر با ۱۰۰۰ نانومتر و ۱ نانومتر برابر با ۱۰ آنگستروم است. قطر موی انسان ۷۰۰۰۰ نانومتر و محیط آن ۲۲۰۰۰۰ نانومتر است. تولید تراشه با استفاده از فرآیند ۵ نانومتری مانند ساختن ۴۴۰۰۰ جاده در امتداد یک تار مو است.

محدودیتی در کاهش اندازه قطعات الکترونیکی وجود دارد، بنابراین افراد برای افزایش تعداد ترانزیستورها، ساخت مدارهای مجتمع چند لایه روی یک تراشه را در نظر می‌گیرند. این مانند ساختن ساختمان‌های مسکونی است. یک خانه یک طبقه می‌تواند تعداد کمی از ساکنان را در خود جای دهد، در حالی که یک ساختمان با ده‌ها طبقه می‌تواند تعداد زیادی از ساکنان را در خود جای دهد. چیدمان مدارهای مجتمع بسیار پیچیده‌تر از ساخت یک ساختمان است. طرح هر طبقه ساختمان یکسان است، اما مدارهای هر لایه تراشه متفاوت هستند و اتصالات بین لایه‌ها بسیار پیچیده است.

بیایید این استعاره را یک قدم جلوتر ببریم: تولید تراشه مانند کندن یک کره زمین کامل روی یک دانه برنج است و تمام جاده‌ها و ساختمان‌های روی زمین باید کنده شوند. جاده‌ها سیم‌های روی تراشه هستند و ساختمان‌ها قطعات الکترونیکی روی تراشه. از طریق این استعاره، خوانندگان می‌توانند تصور کنند که تولید تراشه چقدر پیچیده و دشوار است.

۴. خالص‌سازی سیلیکون، اساس صنعت تراشه است

مواد نیمه‌هادی زیادی وجود دارند، اما در کاربردهای عملی، بیش از ۹۰٪ آنها از سیلیکون استفاده می‌کنند زیرا نقطه ذوب سیلیکون ۱۴۱۵ درجه سانتیگراد است که امکان فرآیندهای دمای بالا را در پردازش تراشه فراهم می‌کند.

سیلیکون از شن و ماسه ذوب می‌شود، اما ذوب کردن شن و ماسه و تبدیل آن به سیلیکونی که بتوان از آن برای ساخت تراشه استفاده کرد، به خلوص بسیار بالایی نیاز دارد. ما طلایی با خلوص ۹۹.۹۹٪ را طلای خالص (۴ نه) می‌نامیم، اما خلوص سیلیکون مورد استفاده برای ساخت تراشه‌ها باید حداقل به ۱۱ نه برسد، یعنی نباید بیش از ۱ اتم ناخالصی به ازای هر ۱ میلیارد اتم سیلیکون وجود داشته باشد. سیلیکون با این خلوص در سال ۱۹۵۵ توسط آزمایشگاه‌های بل در ایالات متحده تصفیه شد. در حال حاضر صدها میلیارد قطعه الکترونیکی روی یک تراشه وجود دارد و الزامات خلوص برای سیلیکون بالاتر است، حداقل ۱۳ نه. این اساس ساخت تراشه است. بدون تسلط بر فناوری خالص‌سازی سیلیکون، ساخت تراشه غیرممکن است!

خوانندگان ممکن است بپرسند، چرا سیلیکون مورد نیاز برای ساخت تراشه‌ها تا این حد خالص است؟ قطعات الکترونیکی روی تراشه بسیار کوچک هستند. اگر تراشه با استفاده از فرآیند ۵ نانومتری تولید شود، ناخالصی‌های ۱ نانومتری کل تراشه را از بین می‌برد. بیایید یک قیاس انجام دهیم. اگر جاده‌ای ۴۰ متر عرض داشته باشد و یک سنگ بزرگ به عرض ۱ متر در وسط جاده باشد، ماشین‌ها می‌توانند بدون ایجاد ترافیک از سنگ اجتناب کنند. با این حال، اگر جاده‌ای فقط ۵ متر عرض داشته باشد و یک سنگ بزرگ به عرض ۱ متر در وسط جاده باشد، ماشین‌ها نمی‌توانند از سنگ اجتناب کنند و جاده مسدود خواهد شد.

بنابراین، تولید تراشه‌ها نه تنها به خلوص بالای سیلیکون نیاز دارد، بلکه مستلزم آن است که تمام جنبه‌های فرآیند تولید عاری از گرد و غبار باشد. خلوص آن ۱۰۰۰۰۰ برابر اتاق عمل جراحی بیمارستان است و حتی نیمی از فرآیند در محیط خلاء انجام می‌شود. به همین دلیل، کارخانه‌های تولید تراشه نیازی به تعطیلی در طول اپیدمی کووید-۱۹ برای مبارزه با این بیماری همه‌گیر ندارند، زیرا کارگران از سر تا پا محافظت می‌شوند و برخی از لباس‌های محافظ حتی با سیستم تنفسی مخصوص خود ارائه می‌شوند تا از آلوده شدن تراشه‌ها توسط دفع سوخت و ساز بدن انسان و گازهای بازدم جلوگیری شود.

۵. آیا دستگاه لیتوگرافی در واقع یک پروژکتور مدار مجتمع است؟?

نام «ماشین لیتوگرافی» به طور نادرست ترجمه شده و بسیار گمراه کننده است. بسیاری از مردم به اشتباه معتقدند که ماشین لیتوگرافی، مدارهای مجتمع را از طریق تماس فیزیکی، درست مانند حکاکی کامپیوتری، روی سطح سیلیکون کریستالی «حکاکی» می‌کند. در واقع، تراشه «حکاکی» نمی‌شود، بلکه «عکس‌برداری» می‌شود. بنابراین، مناسب‌تر است که ماشین لیتوگرافی را «پروژکتور مدار مجتمع» بنامیم.

وقتی ویفر مورد نیاز برای ساخت تراشه وارد مرحله فرآیند فوتولیتوگرافی می‌شود، دستگاه فوتولیتوگرافی الگوی مدار مجتمع را از طریق ماسک روی فتورزیست روی سطح ویفر می‌تاباند. پس از قرار گرفتن فتورزیست در معرض نور، ناحیه در معرض نور با مایع شیمیایی حکاکی و سپس تمیز می‌شود. به این ترتیب، الگوی مدار مجتمع نمایان می‌شود. فرآیند فوتولیتوگرافی مشابه عکاسی سنتی است. نور از نگاتیو عبور می‌کند تا کاغذ عکاسی را حساس کند و سپس کاغذ عکاسی حساس شده، ظاهر شده و در یک محلول شیمیایی تثبیت می‌شود.

یک تراشه باید ده‌ها یا حتی صدها لیتوگرافی نوری را پشت سر بگذارد و چندین فرآیند پس از لیتوگرافی نوری، قبل از ورود به مرحله بسته‌بندی، چندین هفته طول خواهد کشید.

فناوری تولید تراشه با گذشت هر روز در حال تغییر است، اما بیشتر فناوری‌های اصلی تولید تراشه از آزمایشگاه‌های بل آمده است. سهم آزمایشگاه‌های بل در انقلاب فناوری اطلاعات برای همیشه در تاریخ ثبت خواهد شد.

۷. اگر دستگاه فوتولیتوگرافی داشته باشم، می‌توانم تراشه بسازم؟

بسیاری از خوانندگان به دستگاه‌های فتولیتوگرافی علاقه زیادی دارند و فکر می‌کنند که می‌توان تراشه‌ها را با دستگاه‌های فتولیتوگرافی ساخت. در واقع، اینطور نیست. اگرچه دستگاه فتولیتوگرافی نقش مهمی در ساخت تراشه ایفا می‌کند، اما تنها یکی از بیش از ۱۰۰۰ فرآیند در ساخت تراشه است. با دستگاه فتولیتوگرافی، اگر در تسلط بر سایر فرآیندها شکست بخورید، هنوز نمی‌توانید تراشه بسازید.

در سال ۱۹۶۱، شرکت آمریکایی GCA اولین دستگاه لیتوگرافی نوری جهان را تولید کرد. در حال حاضر، ۷ شرکت در ۴ کشور جهان وجود دارند که می‌توانند دستگاه‌های لیتوگرافی تولید کنند، یعنی Asmaier در هلند، Intel، Super Technology Semiconductor، Rudolf در ایالات متحده، Nikon و Canon در ژاپن و SusiMicro در آلمان.

همانطور که در بالا ذکر شد، اساس صنعت تراشه، مواد است، یعنی خالص‌سازی سیلیکون. بدون تسلط بر فناوری خالص‌سازی سیلیکون، تولید سیلیکون کریستالی با خلوص در سطح تراشه غیرممکن است و ساخت تراشه غیرممکن است.

علاوه بر این، صدها میلیارد قطعه الکترونیکی روی تراشه وجود دارد. چنین مدار عظیمی را نمی‌توان به صورت دستی ترسیم کرد. باید از نرم‌افزار اتوماسیون طراحی الکترونیکی EDA استفاده شود. EDA یک کاربرد جامع از بسیاری از رشته‌های طبیعی است و در انحصار سه شرکت آمریکایی است: Kadant، Synopsys و Mentor Graphics.

EDA نقش تعیین‌کننده‌ای در فرآیند تولید تراشه ایفا می‌کند. عملکرد و ادغام تراشه کاملاً به قابلیت‌های طراحی EDA بستگی دارد. با وجود سیلیکون با خلوص بالا و دستگاه‌های فوتولیتوگرافی، اما بدون EDA یا عدم آشنایی با نحوه استفاده از EDA، هنوز نمی‌توانید تراشه بسازید.

سلب مسئولیت: این مقاله از "IoT IQ" کپی شده است. این مقاله فقط بیانگر دیدگاه‌های شخصی نویسنده است و بیانگر دیدگاه‌های Sacco Micro و صنعت نیست. این مقاله فقط برای چاپ مجدد و اشتراک‌گذاری است و از حفاظت از حقوق مالکیت معنوی پشتیبانی می‌کند. لطفاً منبع اصلی و نویسنده را برای چاپ مجدد ذکر کنید. در صورت وجود هرگونه نقض، لطفاً برای حذف آن با ما تماس بگیرید.

شماره تلفن شرکت: +86-0755-83044319
فکس/فکس: +86-0755-83975897
ایمیل: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 مدیر لی

QQ: 332496225 مدیر کیو

آدرس: اتاق ۸۰۹، ساختمان C، ساختمان فناوری ژانتائو، پلاک ۱۰۷۹ خیابان مینزی، منطقه جدید لونگهوا، شنژن