علوم رباتیک، خلا و پلاسما در خدمت صنعت ریزالکترونیک

به گزارش خبرنگار مهر، نیمه‌هادی‌ها اجزای حیاتی سازنده دنیای مدرن ما هستند، به همین دلیل پرداختن به زنجیره ارزش صنعت نیمه‌هادی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. می‌دانیم زنجیره‌ ارزش یک صنعت مجموعه‌ای از فرآیندها را توصیف می‌کند که به منظور تبدیل ورودی‌های اقتصادی به خروجی‌های مدنظر در آن صنعت انجام می‌شوند.

زنجیره ارزش صنعت نیمه‌هادی که پیشرفت فناوری را در جهان امروز میسر می‌کند، بسیار پیچیده است. برخی شرکت‌های فعال در این زنجیره نقش‌های متنوعی را ایفا می‌کنند و برخی دیگر بسیار تخصصی هستند، اما هیچ شرکت و حتی هیچ کشور واحدی به تنهایی قادر به ایفای تمام نقش‌های مورد نیاز برای تولید نیمه‌هادی‌ها نیست.

امروزه فرآیند ساخت نیمه‌هادی‌ها عموماً با طراحی مدارها در دفاتر طراحی آغاز می‌شود. به دفاتر طراحی اصطلاحاً «فب‌لس» نیز گفته می‌شود. در این مرحله، طرحی از معماری یک تراشه به منظور بهینه‌سازی پارامترهای خاص از جمله هزینه، مصرف انرژی و ظرفیت بر اساس نیازهای تراشه موردنظر ترسیم می‌شود. از آن ‌جایی که در هر تراشه میلیاردها ترانزیستور وجود دارد، برای طراحی تراشه‌ها از نرم‌افزارهای خودکارسازی طراحی الکترونیکی (EDA) استفاده می‌شود که به کمک آن‌ها برهمکنش‌های اجزای یک تراشه مدیریت می‌شود.

طراحی تراشه‌ها به صورت بلوک‌بلوک انجام می‌شود و هر شرکتی که یکی از این بلوک‌ها را طراحی کند می‌تواند مالکیت فکری (IP) آن را بدست آورده و به سایر شرکت‌ها بفروشد. پس از اتمام مرحله ابتدایی، طرح آماده‌شده تراشه برای کارخانه تولید نیمه‌هادی‌ها ارسال می‌شود که به آن اصطلاحاً«فب»نیز گفته می‌شود.

این نوع کارخانه‌ها با استفاده از تعداد بسیار زیاد و متنوعی از تجهیزات صنعتی و مواد شیمیایی تراشه‌ها را با لایه‌نشانی قطعات مختلفی همچون ترانزیستورها، خازن‌ها، مقاومت‌ها و … روی ویفر تولید می‌کنند. انجام این کار مستلزم کنترل گسترده و دقیقی بر روی فرآیند تولید با استفاده از نرم‌افزارهای تولید و تجهیزات بسیار پیشرفته و حساس است.

فرآیندهای تولیدی انجام‌شده در این کارخانه‌ها به دو دسته مرحله پیشین خط (FEOL) و مرحله‌ پسین خط (BEOL) تقسیم می‌شوند. مرحله‌ پیشین خط (FEOL) قسمت ابتدایی تولید است که ایجاد زیرساخت و لایه‌نشانی اجزا بر روی ویفر انجام می‌شود؛ سپس در مرحله‌ پسین خط (BEOL) اتصالات فلزی بین اجزای مختلف مدار برقرار می‌شود.

به منظور انجام تولید در کارخانه‌های تولید نیمه‌هادی‌ها، تعداد زیادی تجهیزات صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. ساخت این تجهیزات و استفاده از آنها در خط تولید نیازمند طیف وسیعی از علوم و فناوری‌های پشتیبان همچون مکانیک دقیق، فیزیک حالت جامد، رباتیک، اندازه‌گیری الکتریکی، خلأ، پلاسما و … است.

کارخانه‌های تولید نیمه‌هادی‌ها همچنین برای فعالیت خود به نزدیک به ۴۰۰ نوع ماده‌ی اولیه نیاز دارند. تقریباً تمام عناصر موجود در جدول مندلیف (به جز عناصر پرتوزا) در فرآیند تولید نیمه‌هادی‌ها استفاده می‌شوند. یکی از مواد اولیه مهم، ویفر سیلیکانی است. برای تولید ویفر سیلیکانی ابتدا سنگ معدن سیلیکا استخراج می‌شود، سپس سیلیکان درجه متالورژیک تولید شده و از آن سیلیکان درجه الکترونیک بدست می‌آید. در نهایت شمش تک‌کریستال تولید می‌شود که ویفر سیلیکانی با استفاده از آن ساخته می‌شود.

در گذشته شرکت‌هایی همچون Intel و Fairchild هم کار طراحی ریزتراشه‌ها را انجام می‌دادند و هم آن‌ها را می‌ساختند و در نهایت آن‌ها را می‌فروختند. به این شرکت‌ها، شرکت‌های طراحی و تولید یکپارچه (IDM) گفته می‌شد. به تدریج در طول زمان شرکت‌های فب‌لس و فب پدید آمدند که تنها به طراحی یا ساخت ریزتراشه‌ها می‌پرداختند و نوعی تقسیم کار در طول زنجیره شکل گرفت.

حلقه دیگر زنجیره‌ی ارزش نیمه‌هادی‌ها کارخانه‌های مونتاژ و تست نیمه‌هادی‌ها (OSAT) هستند که ریزتراشه‌های تولیدشده بر ویفر در کارخانه‌های تولید نیمه‌هادی‌ها را تحویل گرفته، تست می‌کنند و آن‌هایی که سالم هستند را به شکل‌های مختلف بسته‌بندی می‌کنند. در نهایت تراشه‌های آماده‌شده در انواع سامانه‌ها همچون تلفن‌های همراه، لوازم خانگی، خودرو، تجهیزات نظامی و … استفاده می‌شوند. در حقیقت تولیدکنندگان سامانه‌ها مشتریان صنعت نیمه‌هادی (به خصوص ریزتراشه) هستند.