برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۶/۳۱ تا ۱۳۹۷/۰۷/۰۶

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۲,۰۲۵
  • بازدید این ماه ۱۱۵
  • بازدید امروز ۳
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۰
  • قبول شدگان ۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۰
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۰
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

ویژه المپیاد دانش‌آموزی

طرح درس

منابع پیشنهادی نهمین المپیاد دانش آموزی نانو

امتیاز کاربران

ساخت مدارهای مجتمع1

دانشمندان فیزیک الکترونیک از زمان ساخت اولین ترانزیستور به دنبال کوچک‌تر کردن ابعاد ترانزیستور، یا به بیان دیگر افزودن تعداد ترانزیستور در فضای ثابت بوده‌اند. اما با وجود مزایایی که در کوچک‌تر کردن ابعاد ترانزیستور است،‌ چرا از ابتدا ترانزیستورها در ابعاد بسیار کوچک تولید نشد؟ یعنی چرا به تدریج به سمت فناوری‌های کوچک‌تر حرکت می‌‌کنیم؟ در پاسخ به این پرسش بیان کردیم که حرکت به سمت فناوری‌های کوچک‌مقیاس نظیر فناوری نانو محدودیت‌هایی دارد. برای اینکه با محدودیت‌های ساخت ترانزیستورها در مقیاس نانو بیش‌تر آشنا شویم، ‌ابتدا باید با فناوری ساخت ترانزیستورها در مدارهای مجتمع آشنا شویم.
مقدمه:
دانشمندان فیزیک الکترونیک از زمان ساخت اولین ترانزیستور به دنبال کوچک‌تر کردن ابعاد ترانزیستور، یا به بیان دیگر افزودن تعداد ترانزیستور در فضای ثابت بوده‌اند. اما با وجود مزایایی که در کوچک‌تر کردن ابعاد ترانزیستور است،‌ چرا از ابتدا ترانزیستورها در ابعاد بسیار کوچک تولید نشد؟ یعنی چرا به تدریج به سمت فناوری‌های کوچک‌تر حرکت می‌‌کنیم؟ در پاسخ به این پرسش بیان کردیم که حرکت به سمت فناوری‌های کوچک‌مقیاس نظیر فناوری نانو محدودیت‌هایی دارد. برای اینکه با محدودیت‌های ساخت ترانزیستورها در مقیاس نانو بیش‌تر آشنا شویم، ‌ابتدا باید با فناوری ساخت ترانزیستورها در مدارهای مجتمع آشنا شویم.

1- مدار مجتمع
تراشه، مدار یکپارچه، مدار مجتمع (IC) به مجموعه‌ای از مدارات الکترونیکی اطلاق می‌گردد که با استفاده از مواد نیمه‌رسانا (عموما سیلیکون همراه با میزان کنترل شده‌ای ناخالصی) در ابعادی کوچک (معمولا کم‌تر از یک سانتی متر مربع) ساخته می‌شود. این مدارها معمولا شامل دو یا سه نوع دستگاه الکترونیکی هستند: مقاومت، خازن و ترانزیستور (مهم‌ترین آنها ترانزیستور است). هر تراشه معمولا حاوی تعداد بسیار زیادی ترانزیستور می‌باشد که با استفاده از فناوری پیچیده‌ای در داخل یک لایه از سیلیکون همگون و با ضخامتی یکنواخت و بدون ترک تزریق شده‌اند. امروزه تراشه‌ها در اکثر دستگاه‌های الکترونیکی و به ویژه رایانه‌ها در ابعادی گسترده بکار می‌روند. وجود تراشه‌ها مرهون کشفیات بشر درباره نیمه رساناها و پیشرفت های سریع پیرامون آنها در میانه‌های سده بیستم است.
مدارهای الکترونیکی که از ترانزیستورهای NMOS و PMOS به صورت مکمل استفاده می‌کنند، مدارهای CMOS نامیده می‌شوند. امروزه اغلب مدارهای الکترونیک مجتمع با فناوریCMOS ساخته می‌شوند.

2- ملاحظات کلی فرآیند ساخت
قبل از آنکه به صورت جزئی و دقیق،‌ فرآیند ساخت مدارهای مجتمع را بررسی کنیم، خوب است که ساختمان ساده‌ی ترانزیستورهای NMOS و PMOS را در نظر بگیریم و گام‌های لازم برای ساخت را پیش‌بینی کنیم. در شکل 1 نمای کناری و بالایی یک ترانزیستور NMOS و یک ترانزیستور PMOS نشان داده شده است.



filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل1: نمای بالایی و کناری یک ترانزیستور NMOSو یک ترانزیستور PMOS

همان‌طور که در شکل 1 مشخص است، هر دو ترانزیستور بر روی یک بدنه‌ی P- ساخته می‌شوند. بر روی این بدنه‌ی اصلی، چاه‌های n- ، نواحی سورس و درین، عایق گیت، پلی‌سیلیکون، زیر بنا و اتصالات فلزی ساخته می‌شود. (علامت - در P- و n- یعنی غلظت ناخالصی درون سیلیسیوم کم است). فناوری‌های پیشرفته‌ی ساخت CMOS دارای بیش از 200 مرحله است، اما برای منظور ما،‌ می‌توانیم نگاهی به زنجیره‌ی ترکیبی از عملیات به صورت زیر بیندازیم:
1- پردازش ویفر برای تولید یک زیربنا از نوع مناسب. ویفر همان ماده‌ی آغازین فرآیند ساخت است. همان زیربنایی که همه‌ی ترانزیستورها بر روی آن ساخته می‌شوند. جنس ویفر از عنصر سیلیسیوم به همراه مقداری ناخالصی است.
2- لیتوگرافی نوری برای تعریف دقیق هر ناحیه.
3- اکسیداسیون، لایه‌نشانی و کاشت یونی برای افزدون مواد لازم به ویفر.
4- زدایش جهت زدودن مواد زائد از ویفر.

بسیاری از این گام‌ها نیاز به عملیات حرارتی دارند. یعنی ویفر باید یک چرخه‌ی حرارتی را در یک کوره بگذراند.

گام اول:‌ پردازش ویفر
در فناوریCMOS، ویفر اولیه باید با کیفیت بسیار بالایی تولید شود. به این منظور، سیلیسیوم یا همان سیلیکون، به صورت جامد بلورین رشد داده می‌‌شود. بلور باید به گونه‌ای رشد یابد که دارای کم‌ترین نقص بلوری باشد و نیز از درجه‌ی خلوص بسیار بالایی نیز برخوردار باشد. یعنی اتم‌های ناخالصی در آن بسیار کم باشد.
جامدات بلورین دسته‌ای از جامدات هستند که در آنها اتم‌ها یا مولکول به صورت شبکه‌های منظم و تکراری در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند.


filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 2: سمت راست: سیلیکون نوع p و سمت چپ: سیلیکون نوعn

پس از ساخت ویفر باید به آن ناخالصی مورد نظر با مقدار و نوع مناسب اضافه شود تا زیربنای P- با ویژگی‌های موردنظر تولید شود (شکل 2). برای ساخت ویفر با چنین وی‍ژگی‌هایی از روشی که به روش چوکرالسکی موسوم است،‌ استفاده می‌شود. در این روش، یک دانه‌ی بلور در سیلیکون مذاب رو برده می‌شود و سپس به تدریج در حالیکه می‌چرخد بیرون کشیده می‌شود. در نتیجه‌ی این عملیات، شمش بزرگ استوانه‌ای و بلوری از سیلیکون درست می‌شود که می‌توان آن را به قرص‌های نازک سیلیکون برش داد. قطر ویفر سیلیکون بین 10 تا 30 سانتی‌متر و طول آن 1 متر است و رنگ آن نیز خاکستری فولادی است.
پس از برش، ضخامت هر قرص سیلیکون بین 400 میکرومتر تا 600 میکرومتر می‌شود. سپس ویفرها ساییده و به صورت شیمیایی پاک می‌شوند تا بدین ترتیب خرابی‌های سطحی که در هنگام برش به وجود آمده بر طرف شود. اکنون ویفر برای انجام مراحل بعدی آماده است.

گام دوم: لیتوگرافی نوری
لیتوگرافی نوری اولین قدم در انتقال اطلاعات مربوط به الگوی مدار بر روی ویفر است. همان‌طور که در نمای بالایی در شکل 1‌ می‌بینید،‌ ترانزیستور شامل چند ضلعی‌هایی است که نمایان‌گر لایه‌های مختلف هستند نظیر چاه n، نواحی سورس و درین، پلی‌زسیلیکون، اتصالات و لایه‌های فلزی.
برای ساخت، ترانزیستورها را به این لایه‌های مختلف تجزیه می‌کنیم. برای مثال چینش شکل 1‌ را می‌توان به صورت 5 لایه‌ی مختلف که در شکل 3‌ نشان داده شده است در نظر گرفت. هر کدام از آنها باید با دقت بسیار بالا روی ویفر ایجاد شوند.
در شکل 3 منظور از ناحیه‌یn-، ناحیه‌ای است که ترانزیستور PMOS قرار است روی آن ساخته شود. همچنین، منظور از ناحیه‌ی فعال،‌ نواحی سورس و درین و سوراخ‌های n+ وP+ هستند.

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2

شکل 3: 5 لایه‌ی مختلف ترانزیستورهای شکل 1

برای این‌که دریابیم چگونه یک لایه از چینش به ویفر منتقل می‌شود،‌ الگوی چاه n در شکل 3- الف را به عنوان مثال در نظر بگیرید. این الگو ابتدا بر روی یک ماسک شیشه‌ای شفاف به وسیله‌ی یک پرتوی الکترونی که دقیقا کنترل شده است،‌ نوشته می‌شود (شکل 4- الف را ببینید).
همین‌طور مطابق شکل 4- ب، قبل از انتقال الگو از شیشه یه سطح ویفر، سطح ویفر نیز با یک لایه‌ی نازک از ماده‌ای به نام فوتورزیست پوشانده می‌شود. فوتورزیست2 ماده‌ای است که میزان حلالیت آن با تابش نور تغییر می‌کند (یعنی با تابش نور نرم یا سخت می‌شود). بعد از آن، ماسک بالای ویفر قرار می‌گیرد و الگو با تابش پرتوی فرابنفش روی ویفر منتقل می‌شود (شکل 4- ج را ببینید). فوتورزیست در نواحی‌ای که تحت تابش پرتوی فرابنفش قرار گرفته سِفت شده در زیر مستطیل سیاه نرم باقی می‌ماند (یعنی ناحیه‌ی مستطیلی روی شیشه چون تحت تاثیر نور قرار نمی‌گیرد بر روی ویفر ایجاد می‌شود). سپس ویفر در یک زُداینده قرار می‌گیرد که نواحی نرم فوتورزیست را حل می‌کند و سطح سیلیکون را بدون پوشش می‌سازد. حال می‌توان یک چاه n- را در این ناحیه درست کرد (دقت کنید ما هنوز چاه n را درست نکرده‌ایم، بلکه جای آن را آماده کرده‌ایم. در بخش‌های بعدی نحوه‌ی درست کردن چاه n را بیان خواهیم کرد). به مجموعه‌ی این فرآیندها، زنجیره‌ی لیتوگرافی نوری می‌گوییم.

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل 4: زنجیره لیتوگرافی نوری

به طور خلاصه، زنجیره‌ی مربوط به لیتوگرافی در هر لایه شامل یک ماسک و سه مرحله پردازش است که عبارت است از:
1- پوشاندن ویفر با فوتورزیست
2- تنظیم ماسک روی ویفر و تابش نور
3- زدودن فوتورزیست ظاهر شده
بنابراین، مثال شکل 3 ‌حداقل به 5 ماسک و در نتیجه 15 زنجیره‌ی لیتوگرافی نیاز دارد. باید خاطر نشان کرد که دو نوع فوتورزیست در فرآیند لیتوگرافی به کار می‌رود: فوتورزیست منفی3 در نواحی که نور به آن تابیده می‌شود،‌ سفت می‌شود. در حالیکه فوتورزیست مثبت 4 در نواحی که نور به آن نخورده، سفت می‌شود. در فرآیند ساخت مدارهای مجتمع از هر دو نوع فوتورزیست استفاده می‌شود.
تعداد ماسک‌های یک فرآیند تاثیر چشم‌گیری بر هزینه‌ی کلی ساخت دارد، که در نهایت بر قیمت تراشه هم تاثیر می‌گذارد. دو دلیل بر این امر وجود دارد: هر ماسک چند هزار دلار قیمت دارد و به دلیل دقت لازم،‌ لیتوگرافی فرآیند کُند و گرانی است. در حقیقت فناوری CMOS به دلیل تعداد نسبتا پایین ماسک‌ها،‌ در حدود 7، در ابتدا مورد توجه واقع شد. اگر چه در فرآیندهای جدید CMOS این تعداد به 25 می‌رسد و کل هزینه‌ی ماسک‌ها بالاتر از 200 هزار دلار است،‌ قیمت هر IC باز هم پایین است. زیرا هم تعداد ترانزیستورها بر واحد سطح و هم اندازه‌ی ویفر به طور پیوسته افزایش یافته است.
فرآیند لیتوگرافی نوری مشابه فرآیندی است که در عکاسی بر روی فیلم عکاسی اتفاق می‌افتد. برای آن که با لیتوگرافی نوری بیش‌تر آشنا شوید، آزمایش ساده‌ی زیر را انجام دهید.

 یک آزمایش ساده
مواد و وسایل مورد نیاز
یک کاغذ سفید A4 یا یک قطعه پارچه‌ی سفید تقریبا در همین ابعاد، یک بخاری روشن، مقداری فویل آلومینیومی، یک عدد قیچی.


شرح آزمایش
ابتدا شعله‌ی بخاری را کم کنید، سپس کاغذ سفید یا پارچه‌ی سفید را بر روی بخاری قرار دهید. به گونه‌ای که شیارهای روی بخاری را بپوشاند. مراقب باشید که کاغذ یا پارچه آتش نگیرد. پس از حدود یک دقیقه کاغذ را بردارید و با دقت نگاه کنید. مشاهده می‌شود که تصویر شیارهای بخاری بر روی کاغذ منتقل شده است. اگر بخواهید،‌ می‌توانید تصاویر دلخواه خود را با استفاده از قیچی بر روی فویل آلومینیومی ببرید. سپس این تصاویر را با همین روش بر روی صفحه‌ی کاغذی منتقل کنید.


پس از انجام مرحله‌ی لیتوگرافی، قرص سیلیسیومی آماده‌ی انجام گام‌های بعدی است. مراحل بعدی اکسیداسیون، کاشت یونی، ‌لایه‌نشانی و زُدایش مواد زائد است که توضیح آنها در بخش بعدی آمده است.

منابـــع و مراجــــع

کتاب مجموعه مقالات سایت باشگاه نانو