علوم مکاترونیک، خلا و پلاسما: مشارکت در تولیدی ریزالکترونیک

نیمه‌هادی‌ها اجزای حیاتی دنیای مدرن ما هستند و به همین دلیل زنجیره‌ارزش تولیدی نیمه‌هادی اهمیت ویژه‌ای دارد. این زنجیره بسیار پیچیده است و شرکت‌های مختلف نقش‌های متفاوتی در آن ایفا می‌کنند. طراحی تراشه‌ها در دفاتر طراحی آغاز می‌شود و سپس به کارخانه‌های ساخت و ساز نیمه‌هادی‌ها ارسال می‌شود. در این کارخانه‌ها تجهیزات صنعتی و مواد شیمیایی برای ساخت و ساز تراشه‌ها استفاده می‌شود. فرآیندهای تولیدی به دو دسته‌ FEOL و BEOL تقسیم می‌شوند و برای ساخت و ساز تجهیزات صنعتی نیز از علوم و فناوری‌های پشتیبان استفاده می‌شود. کارخانه‌های OSAT تست و بسته‌بندی تراشه‌ها را انجام می‌دهند و سپس تراشه‌های آماده در سامانه‌های مختلف مانند تلفن‌های همراه و لوازم خانگی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

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

زنجیره‌ ارزش تولیدی 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 ساخت و ساز 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 آن‌جایی 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 سازماندهی 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 ساخت و ساز 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 ساخت و ساز می‌کنند. انجام این کار مستلزم کنترل گسترده و دقیقی بر روی فرآیند ساخت و ساز با استفاده از نرم‌افزارهای ساخت و ساز 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 ساخت و ساز 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 ساخت و ساز در کارخانه‌های ساخت و ساز نیمه‌هادی‌ها، تعداد زیادی تجهیزات صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. ساخت این تجهیزات و استفاده از آن ها در خط ساخت و ساز نیازمند طیف وسیعی از علوم و فناوری‌های پشتیبان همچون مکانیک دقیق، علم ماده حالت جامد، مکاترونیک، اندازه‌گیری الکتریکی، خلأ، پلاسما و … است.

کارخانه‌های ساخت و ساز 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 ساخت و ساز نیمه‌هادی‌ها استفاده می‌شوند. یکی از مواد اولیه‌ مهم، ویفر سیلیکانی است. برای ساخت و ساز ویفر سیلیکانی ابتدا سنگ استخراج معدنی سیلیکا استخراج می‌شود، سپس سیلیکان درجه متالورژیک ساخت و ساز شده و از آن سیلیکان درجه الکترونیک بدست می‌آید. در نهایت شمش تک‌کریستال ساخت و ساز 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 ساخت و ساز 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 ساخت و ساز 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، وسایل نقلیه، تجهیزات امنیتی و … استفاده می‌شوند. در حقیقت تولیدکنندگان سامانه‌ها مشتریان تولیدی نیمه‌هادی (به خصوص ریزتراشه) هستند.

بدین ترتیب، نتیجه‌گیری از این متن می‌تواند با این شکل باشد: زنجیره ارزش تولیدی نیمه‌هادی باعث پیشرفت فناوری در جهان مدرن می‌شود و ساخت و ساز نیمه‌هادی‌ها نیازمند مشارکت و همکاری بسیاری از شرکت‌ها و کشورها است. طراحی تراشه‌ها از طریق دفاتر طراحی و نرم‌افزارهای خودکارسازی طراحی الکترونیکی صورت می‌گیرد و سپس مرحله ساخت و ساز در کارخانه‌های ساخت و ساز نیمه‌هادی صورت می‌پذیرد. در این کارخانه‌ها با استفاده از تجهیزات صنعتی و مواد شیمیایی تراشه‌ها را با لایه‌نشانی قطعات مختلفی ساخت و ساز می‌کنند. علاوه بر این، کارخانه‌های مونتاژ و تست نیمه‌هادی‌ها نیز نقش مهمی در زنجیره ارزش دارند و تراشه‌های تولیدشده را تحویل می‌گیرند و پس از تست، به شکل‌های مختلف بسته‌بندی می‌کنند و در سامانه‌ها و محصولات مختلف استفاده می‌شوند. به طور خلاصه، زنجیره ارزش تولیدی نیمه‌هادی از فرآیندهای طراحی، ساخت و ساز و مونتاژ تراشه‌ها تشکیل شده است.