برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۴/۲۳ تا ۱۳۹۷/۰۴/۲۹

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۱,۳۱۱
  • بازدید این ماه ۴۸
  • 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

اتصالات میانی مدارهای مجتمع

مقدمه

     همان طور که می‌دانیم مدارهای مجتمع امروزی از تعداد بسیار زیادی ترانزیستور تشکیل می‌شوند. نقش ترانزیستور در ساخت مدارهای مجتمع همانند نقش آجر در بنای یک ساختمان است. یعنی همان گونه که بنای یک ساختمان با کنار هم قرار گرفتن تعداد بسیار زیادی آجر انجام می‌پذیرد، ساخت یک مدار مجتمع نیز با اتصال تعداد بسیار زیادی ( مثلا چند میلیون! ) ترانزیستور انجام می‌گیرد. به همان ترتیب که برای اتصال آجرها در یک ساختمان به مصالح ساختمانی دیگری نظیر شن و ماسه و سیمان نیاز داریم، برای برقراری اتصالات ترانزیستورها هم به سیم‌های فلزی که خواص رسانایی الکتریکی دارند، احتیاج است. سیم‌های فلزی که اتصالات داخلی ترانزیستورها را برقرار می‌کنند، اتصالات میانی یا interconnects می‌نامیم.

filereader.php?p1=main_6512bd43d9caa6e02
شکل1: برای اتصال آجرها در یک ساختمان به مصالح ساختمانی دیگری نظیر شن و ماسه و سیمان نیاز داریم

filereader.php?p1=main_c20ad4d76fe97759a
شکل2: برای برقراری اتصالات ترانزیستورها هم به سیم‌های فلزی که خواص رسانایی الکتریکی دارند، احتیاج است
     در اولین نسل‌های مدارهای مجتمع به دلیل بزرگی ابعاد ترانزیستورها و تبعا تعداد کم ترانزیستورها در مدار مجتمع، اتصالات میانی از پیچیدگی بسیاری برخوردار نبودند. اما به تدریج با کوچک‌تر شدن ابعاد ترانزیستورها و افزایش تعداد آنها در مدارهای مجتمع، اتصالات میانی آنها نیز بیش‌تر شد و نقش آنها در طراحی مدارهای مجتمع بیش از گذشته با اهمیت گردید. پیچیدگی، گستردگی و افزایش تعداد اتصالات میانی به تدریج تا آنجا پیش رفت که پژوهشگران را با چالش جدی در طراحی و ساخت مدارهای مجتمع روبرو ساخت. پژوهشگران راه حل کاهش پیچیدگی اتصالات میانی را در فرآیند طراحی و سپس فرآیند ساخت، در چند لایه کردن اتصالات میانی یافتند. یعنی آنها سعی می‌کردند همه‌ی اتصالات میانی را در یک لایه قرار ندهند، بلکه در بیش از یک لایه طراحی کنند و بسازند. بدین ترتیب در حالی که مدارهای مجتمع در سال 1985 فقط شامل یک لایه اتصالات میانی بودند، در سال 2000 تعداد لایه‌های اتصالات میانی فلزی به عدد 5 رسید و هم اکنون در فناوری‌های جدید تعداد لایه‌های اتصالات میانی بیش از 8 است.

filereader.php?p1=main_c51ce410c124a10e0
filereader.php?p1=main_aab3238922bcc25a6
شکل3: پژوهشگران راه حل کاهش پیچیدگی اتصالات میانی را در فرآیند طراحی و سپس فرآیند ساخت، در چند لایه کردن اتصالات میانی یافتند الف- تصویر شماتیک و ب- تصویر واقعی

لذا از آنجایی که عملکرد مدارهای مجتمع پیشرفته‌ی امروزی به کیفیت اتصالات میانی بسیار وابسته است، فرآیند طراحی و ساخت اتصالات میانی جایگاه مهم و خاصی را در صنعت ساخت مدارهای الکتریکی مجتمع پیدا کرد.

1- اتصالات میانی فلزی

     در فناوری امروزی، اتصالات میانی معمولا از فلز مس (Cu) ساخته می‌شود. طول این اتصالات در یک مدار مجتمع به دلیل زیاد بودن تعداد ترانزیستورها، به کیلومترها می‌رسد! در گذشته اتصالات میانی را از فلز آلومینیوم (Al) می‌ساختند اما آلومینیوم در فناوری‌های امروزی در دمای بالای فرآیند ساخت، ذوب می‌شود. بنابراین امروزه استفاده از مس جایگزین استفاده از آلومینیوم شده است. به منظور پرهیز از افزایش مقاومت الکتریکی اتصالات میانی و نیز رعایت مسائل دیگر، قطر این اتصالات را نمی‌توان از حد معینی کوچک‌تر کرد. کوچک کردن قطر اتصالات میانی موجب افزایش مقاومت الکتریکی اتصالات میانی فلزی و بنابراین افزایش دمای مدار مجتمع می‌شود که اتفاق خوبی نیست. چرا که این افزایش دما، موجب ذوب شدن یا حتی تبخیر شدن اتصالات میانی می‌شود. البته در شرایط فعلی هم مقاومت الکتریکی اتصالات میانی موجب مصرف توان الکتریکی زیادی در مدار مجتمع می‌شود که این هم اتفاق خوبی نیست. مشکلات و مسائل اتصالات میانی فلزی با حرکت به سمت فناوری‌های کوچک‌تر، مخصوصا فناوری نانو، بیش‌تر می‌شود و پژوهشگران الکترونیک را برای حل این مسائل به فکر فرو می‌برد.

2- نانولوله‌های کربنی، یک جایگزین مناسب؟!

     نانولوله‌های کربنی بسته به کایرالیتی‌شان، دارای خواص نیمه‌رسانایی یا رسانایی هستند (اگر مفهوم کایرالیتی را نمی‌دانید می‌توانید به فصل نانولوله‌های کربنی مراجعه کنید). تفاوت در میزان رسانایی الکتریکی نانولوله‌های کربنی به راحتی از خواص صفحه‌ی گرافنی به دست می‌آید. دانشمندان نشان دادند که هرگاه در نانولوله‌ی (n,m)، رابطه ی n=m یا n-m=3i برقرار باشد، به طوری که در آن i یک عدد صحیح و (n,m) بردار تعریف کننده‌ی نانو لوله است، آنگاه نانولوله دارای خواص فلزی خواهد شد (اگر با مفاهیمی که در این پاراگراف درباره‌ی نانولوله‌های کربنی مطرح شد آشنا نیستید، می‌توانید به فصل نانولوله‌های کربنی مراجعه کنید). میزان مقاومت الکتریکی نانولوله‌های کربنی هم از طریق قوانین مکانیک کوانتومی به دست می‌آید و مستقل از طول نانولوله است.

     نانولوله‌های کربنی که خواص رسانایی دارند، جریان الکتریکی را بهتر از فلزات عبور می‌دهند. هنگامیکه الکترون‌ها در فلز حرکت می‌کنند مقداری مقاومت الکتریکی در برابر حرکت آنها وجود دارد. این مقاومت هنگامی اتفاق می‌افتد که الکترون‌ها به طور تصادفی با اتم‌های فلزی برخورد می‌کنند. اما هنگامی که الکترون‌ها از یک نانولوله‌ی کربنی عبور می‌کند، بدون هر گونه برخورد با اتم‌های کانال عبور می‌کنند. این حرکت کوانتومی الکترون‌ها را در نانولوله‌های کربنی، در اصطلاح انتقال بالستیک می‌گوییم.
filereader.php?p1=main_9bf31c7ff062936a9

شکل 4: از آن جایی که نانولوله‌های کربنی تک جداره (SWCNTs) و نانولوله‌های کربنی چند جداره (MWCNTs) توانایی رسانایی جریان الکتریکی با چگالی زیاد را دارند، به صورت خاص می‌توانند به عنوان اتصالات میانی مدارات الکتریکی مجتمع مورد استفاده قرار بگیرند

از آنجایی که نانولوله‌های کربنی تک جداره (SWCNTs) و نانولوله‌های کربنی چند جداره (MWCNTs) توانایی رسانایی جریان الکتریکی با چگالی زیاد را دارند، به صورت خاص می‌توانند به عنوان اتصالات میانی مدارات الکتریکی مجتمع مورد استفاده قرار بگیرند. هم اکنون پژوهش‌های بسیاری برای این منظور انجام شده است و در حال انجام است که به نتایج مورد پذیرشی نیز رسیده‌اند. مخصوصا استفاده از نانولوله‌های کربنی در اتصالات میانی کوتاه بسیار مورد توجه قرار گرفته است. با توجه به این که حدود 70 درصد توان الکتریکی مدارهای مجتمع در اتصالات میانی مصرف می‌شود و بخش قابل توجهی از این توان در اتصالات میانی کوتاه مورد مصرف قرار می‌گیرد، با جایگزین کردن اتصالات میانی فلزی با نانولوله‌های کربنی می‌توان مصرف توان الکتریکی را نیز در مدارهای الکتریکی مجتمع کاهش داد.

3- نتیجه

     هم اکنون پژوهشگران الکترونیک، پژوهش‌های بسیاری را برای بررسی جایگزینی اتصالات میانی فلزی با نانولوله‌های کربنی انجام می‌دهند. در همین راستا بررسی خواص الکتریکی نانولوله‌های کربنی تک جداره و چند جداره نیز با سرعت بسیاری در حال انجام است. شاید بتوان گفت مهم‌ترین چالش در این جایگزینی، ساخت نانولوله‌های کربنی استاندارد است. خواص نانولوله‌های کربنی بسیار متاثر از فرآیند ساخت است و آنچه اندیشه‌ی پژوهشگران را مشغول و تلاش آنان را معطوف به خود کرده، تلاش به منظور کنترل بهینه‌ی خواص نانولوله‌های کربنی در فرآیند ساخت است. همچنین تصفیه‌ی نانولوله‌های کربنی از ناخالصی‌هایی که هنگام فرآیند ساخت، در آن رشد می‌کند، نیز بسیار مورد توجه قرار دارد.

منابـــع و مراجــــع

کتاب مجموعه مقالات سایت باشگاه نانو