نانو لوله‌های کربنی، یک جایگزین مناسب؟!
نانو لوله‌های کربنی بسته به کایرالیتی‌شان، دارای خواص نیمه‌رسانایی یا رسانایی هستند (اگر مفهوم کایرالیتی را نمی‌دانید می‌توانید به مقاله‌ی دوم ساختار نانو لوله‌های کربنی که در سایت قرار دارد، مراجعه کنید). تفاوت در میزان رسانایی الکتریکی نانو لوله‌های کربنی به راحتی از خواص صفحه‌ی گرافنی به دست می‌آید. دانشمندان نشان دادند که هر گاه در نانو لوله‌ی (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، آن گاه نانو لوله دارای خواص فلزی خواهد شد (اگر با مفاهیمی که در این پاراگراف درباره‌ی نانو لوله‌های کربنی مطرح شد آشنا نیستید، می‌توانید به مقالات نانو لوله‌های کربنی که در سایت قرار دارد، مراجعه کنید). میزان مقاومت الکتریکی نانو لوله‌های کربنی هم از طریق قوانین مکانیک کوانتومی به دست می‌آید و مستقل از طول نانو لوله است.
نانو لوله‌های کربنی که خواص رسانایی دارند، جریان الکتریکی را بهتر از فلزات عبور می‌دهند. هنگامی که 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 نانو لوله‌ی کربنی عبور می‌کند، بدون هر گونه برخورد با اتم‌های کانال عبور می‌کنند. این حرکت کوانتومی الکترون‌ها را در نانو لوله‌های کربنی، در اصطلاح انتقال بالستیک می‌گوییم.




شکل 4- از آن جایی که نانو لوله‌های کربنی تک جداره (SWCNTs) و نانو لوله‌های 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

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.

اتصالات میانی مدارهای مجتمع، چالشی دیگر برای نانو الکترونیک!

شرکت در آزمون

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.




شکل1- برای اتصال آجرها در یک ساختمان به مصالح ساختمانی دیگری نظیر شن و ماسه و سیمان نیاز داریم



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 آن جا 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 می‌باشد.

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 آن جایی 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.

چالش‌هایCNTFET ها
با وجود توسعه و گسترش پژوهش‌ها درباره‌ی ترانزیستورهای نانو لوله‌ی کربنی، چالش‌های بسیاری فرا روی پژوهشگران الکترونیک به منظور جایگزینی ترانزیستورهای سیلیسیومی با این نانو ترانزیستورها وجود دارد. اولا هزینه‌ی ساخت نانو لوله‌های کربنی گران است و تولید آن در مقیاس زیاد هم به فناوری پیشرفته و هم به هزینه‌ی بسیار نیاز دارد. ثانیا خواص نانو لوله‌های کربنی بسیار وابسته به فرآیند ساخت است و تغییرات اندکی در فرآیند ساخت موجب تفاوت‌های بسیاری در خواص آن‌ها می‌شود. لذا اگر چه ترانزیستورهای نانو لوله‌ی کربنی به صورت منفرد ساخته شده‌اند، اما قرار گرفتن آن‌ها در مدارات الکترونیکی مستلزم تلاش‌ها و پژوهش‌های بسیاری است.

نتیجه و جمع‌بندی
نانو لوله‌های کربنی به دلیل خواص شگفت‌انگیز الکترونیکی، مکانیکی، نوری و شیمیایی که دارند، بسیار مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. هم اکنون یافتن روش‌های تجاری مقرون به صرفه برای ساخت، تولید و تصفیه‌ی نانو لوله‌های کربنی از ناخالصی‌هایی که هنگام فرآیند ساخت در آن ایجاد می‌شود، در مقیاس بزرگ و صنعتی، تلاش اصلی پژوهشگران است. همچنین بررسی خواص نانو لوله‌های کربنی و بهینه‌سازی فرآیند ساخت و تولید آن‌ها مورد توجه بسیاری از پژوهشگران است. با توجه به موارد ذکر شده، به نظر می‌رسد استفاده از نانو لوله‌های کربنی در صنعت الکترونیک به زودی مورد توجه جدی پژوهشگران و صنعت‌گران قرار خواهد گرفت.

جایگزینی نانو ترانزیستورها با ...؟
با وجود مشکلات و مسائلی که بیان شد، پژوهشگران به دنبال یافتن جایگزینی برای ابزارها و ترانزیستورهای سیلیکونی با ابعاد کوچک‌تر هستند. یک گام اساسی در انجام کوچک سازی مدارهای الکترونیکی، استفاده از مولکول‌های منفرد در ابزارهای الکترونیکی است. بدین منظور بررسی خواص الکترونیکی نانو لوله‌های کربنی، نتایج امیدوار کننده‌ای را به دنبال داشته است.
برای ساخت نانو لوله‌های کربنی نیازی به فرآیند لیتوگرافی نوری نیست. بنابراین مشکلات و مسائل لیتوگرافی نوری در این جا وجود نخواهد داشت. هم‌چنین نانو لوله‌های کربنی می‌توانند چگالی جریان بسیار بالایی را تحمل کنند و عبور دهند بدون آن که دمای آن‌ها به صورت غیر عادی بالا رود. علت این مسئله ساختار مولکولی خاص نانو لوله‌های کربنی است.
در سال 1998 برای اولین بار از نانو لوله‌های کربنی تک جداره و چند جداره که دارای خواص نیمه‌رسانایی بودند برای ساخت نانو ترانزیستور استفاده شد. برای ساخت این نانو ترانزیستورها که آن‌ها را CNTFET (که مخفف واژه‌ی Carbon Nano Tube Field Effect Transistor است و معنای آن ترانزیستور اثر میدانی با نانو لوله‌های کربنی می‌باشد) می‌گویند، نمی‌توان از نانو لوله‌های کربنی که خواص فلزی دارند استفاده کرد، چرا که این نانو لوله‌ها همواره رسانا هستند و ویژگی‌های عملکردی ترانزیستورها را ندارند. (شکل 1)




شکل 1- نمای یک نانوترانزیستور واقعی

همان طور که در مقالات چهارم و پنجم نانو الکترونیک ملاحظه کردیم، ساختار ترانزیستورهای معمولی دارای دو پایانه‌ی سورس و درین است که در فناوری کنونی یک لایه‌ی سیلیسیومی اتصال بین آن را برقرار می‌کند. اما در ترانزیستورهایی که با نانو لوله‌های کربنی ساخته می‌شوند این اتصال توسط یک نانو لوله‌ی کربنی که خواص نیمه رسانایی دارد برقرار می‌شود. این ترانزیستور که با نانو لوله‌های کربنی ساخته شده، می‌تواند همانند همان ترانزیستور سیلیسیومی هم‌چون یک کلید عمل کند و مدارات الکترونیکی را بسازد. (شکل 2)




شکل 2- پایانه های سورس و درین در ترانزیستورهایی که با نانو لوله‌های کربنی ساخته می‌شوند

چالش‌های نانو ترانزیستورها
همان طور که در مقاله‌ی قبل بیان کردیم با کوچک شدن ابعاد ترانزیستورهای سیلیکونی، مسئله‌ی نقص بلوری به یک چالش جدی تبدیل می‌شود. هم‌چنین با افزایش چگالی بار الکتریکی، ظهور پدیده‌های کوانتومی هم‌چون تخلیه‌ی بار الکتریکی و تونل‌زنی الکترونی و در نتیجه ایجاد جریان‌‌های مخرب و نشتی نیز مشکلاتی را می‌آفریند.
علاوه بر این با افزایش چگالی جریان الکتریکی، دمای ترانزیستورها به شدت افزایش می‌یابد و در ابعاد بسیار کوچک (ابعاد نانو متری) ممکن است دمای این نانو ترانزیستورها به چندین هزار درجه‌ی سلسیوس هم برسد! و بدین ترتیب این نانو ترانزیستورها در چند لحظه ذوب می‌شوند.

نانو لوله‌های کربنی، پاسخی برای چالش‌های نانو الکترونیک؟!

شرکت در آزمون

ظهور آثار کوانتومی
با کوچک شدن ابعاد ترانزیستور و ورود به محدوده‌ی زیر 100 نانومتر، رفتار تک تک اتم‌ها به تدریج قابل توجه و مهم می‌شود. با توجه به ابعاد اتم سیلیسیوم که حدود 46/1 آنگستروم (146/0 نانومتر ) است و با در نظر گرفتن فاصله‌ی پیوندهای بین اتمی به این نتیجه می‌رسیم که هنگامی که در ابعاد زیر 100 نانومتر قرار داریم، تنها با چند ده اتم سیلیسیوم سر و کار داریم.
کم شدن تعداد اتم‌های سیلیسیوم در ترانزیستور موجب می‌شود که مسئله‌ی نقص بلوری به یک چالش جدی تبدیل شود. چرا که اندکی نقص بلوری چه ناشی از اتم‌های سیلیسیوم و چه ناشی از اتم‌های ناخالصی که به سیلیسیوم افزوده شده، موجب تغییرات بسیار در رفتار الکتریکی ترانزیستور خواهد شد و ترانزیستور را از کاربری مورد نظر خارج می‌کند. (برای آشنایی با مفهوم نقص بلوری می‌توانید به بخش "مقالات مرتبط" این مقاله مراجعه کنید.)
با کوچک کردن تمامی ابعاد افقی و عمودی ترانزیستور، چگالی بار الکتریکی در نواحی گوناگون ترانزیستور افزایش می‌یابد یا به بیان دیگر تعداد بار الکتریکی در یکای سطح ترانزیستور زیاد می‌شود. این اتفاق دو پیامد منفی دارد: اولا با افزایش چگالی بار الکتریکی امکان تخلیه‌ی بار الکتریکی از نواحی عایق ترانزیستور افزایش می‌یابد و این اتفاق موجب آسیب رسیدن به ترانزیستور و خرابی آن می‌شود. (این اتفاق مشابه تخلیه‌ی بار الکتریکی اضافی بین ابر و زمین در پدیده‌ی آذرخش یا صاعقه است که موجب یونیزه شدن مولکول‌های هوا به یون‌های منفی و مثبت می‌شود.)




تصویر2- تخلیه بار الکتریکی بین ابر و زمین

ثانیا با افزایش چگالی بار الکتریکی، ممکن است الکترون‌ها تحت تاثیر نیروهای رانشی یا ربایشی که هم اکنون مقدار آن افزایش یافته، از محدوده‌ی شعاع یک اتم خارج شوند و به محدوده‌ی شعاع اتم مجاور وارد شوند. این اتفاق را در فیزیک کوانتوم، تونل زدن می‌گویند. تونل زدن الکترون از یک اتم به اتم مجاور، پدیده‌ای است که در ابعاد کوچک بین الکترون‌ها بسیار اتفاق می‌افتد. این پدیده اساس کار بعضی قطعات الکترونیکی و بعضی نانوسکوپ‌ها هم هست.




تصویر3- نوک "میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی" بر اساس پدیده‌ی تونل زدن الکترون‌ها کار می‌کند

اما در ترانزستور این پدیده، پدیده‌ی مفیدی نیست، چرا که تونل زدن الکترون از یک اتم به اتم مجاور ممکن است هم‌چنان ادامه یابد و یک جریان الکتریکی را موجب شود. این جریان الکتریکی اگر چه ممکن است بسیار کوچک باشد اما چون ناخواسته و پیش‌بینی نشده می‌باشد، همچون یک مسیر نشتی برای جریان الکتریکی رفتار می‌کند و موجب تغییر رفتار الکتریکی ترانزیستور می‌شود.
نتیجه
کوچک کردن ترانزیستورها و ورود به ابعاد زیر 100 نانومتر (محدوده‌ی عملکرد فناوری نانو) اگر چه مزایای بسیاری دارد اما با چالش‌های گوناگونی روبرو است. ما در مقاله‌ی یازدهم نانو الکترونیک به برخی چالش‌های مربوط به فناوری ساخت مدارات الکترونیکی در این ابعاد اشاره کردیم و در این مقاله نیز برخی چالش‌های فرا روی دانشمندان و مهندسین الکترونیک را در این امر بیان کردیم. علاوه بر چالش‌های بیان شده، مسائل و دشواری‌های دیگری نیز وجود دارد که درک آن ها مستلزم کنکاش عمیق‌تر این دانش است. این دشواری‌ها و چالش‌ها موضوع پژوهش‌های بسیاری است که دانشمندان و غول‌های صنعت الکترونیک در پی حل آن ها هستند.

رفتار اتم‌ها در ابعاد کوچک
مطالعه راجع به چگونگی ساختار اتم پیشینه‌ی طولانی دارد. اما می‌توان گفت تامسون اولین فردی بود که یک نظریه‌ی علمی راجع به ساختار اتم مطرح کرد. پس از او افراد دیگری با رفع اشکالات و تکمیل نواقص نظریه‌ی او دانش ما را راجع به ساختار اتم گسترده‌تر کردند. بور و رادرفورد دو نفر از این افراد هستند که با انجام آزمایش‌هایی نظریات قبلی را تکمیل کردند. اما هر کدام از این نظریات نیز با چالش‌هایی روبرو بودند و در توجیه برخی پدیده‌ها با محدودیت‌هایی روبرو بودند. با ورود نظریات گوناگون به حوزه‌ی ساختار اتم، نظریات قبلی بسیار متحول و دگرگون شد به گونه‌ای که اکنون نظریه‌ی کوانتومی راجع به ساختار اتم از مقبولیت بیش‌تری برخوردار است.
طبق نظریه‌ی کوانتومی، شعاع اتم محدوده‌ای اطراف آن است که احتمال حضور الکترون در آن بسیار زیاد (تقریبا 100 درصد) است. همان طور که ملاحظه می‌کنید، می‌گوییم احتمال حضور الکترون! این عدم اطمینان مطابق اصل عدم قطعیت که از اصول مورد پذیرش نظریه‌ی کوانتوم است، می‌باشد.




تصویر 1- نمایی از یک تفسیر کوانتومی از اتم هیدوروژن

نانوالکترونیک و چالش‌های کوانتومی

شرکت در آزمون

نانو لیتوگرافی نوری
همان‌طور که بیان کردیم، برای ساخت ترانزیستورهای کوچک‌تر باید از ماسک‌های کوچک‌تر هم استفاده شود. اما مشکل اصلی این بود که هنگامی که پرتوهای نور از روزنه‌های این ماسک‌ها عبور می‌کردند تا به ویفر سیلیکونی برخورد کنند و ناحیه‌ی مورد نظر ترانزیستور را بسازند، رفتار موجی نور به شدت ظاهر می‌شد و مانع تشکیل درست نواحی مورد نظر بر روی ویفر می‌شد.
برای کم کردن اثر رفتار موجی نور، شگردهای گوناگونی در صنایع الکترونیک استفاده می‌شود. یک راه استفاده از پرتوهای فرابنفش با طول موج کم‌تر از نور مرئی است (طول موج نور مرئی بین 400 تا 700 نانومتر است و برای ساخت ترانزیستورهای با ابعاد نانومتری به شدت رفتار موجی نشان می‌دهد). البته پرتوهای فرابنفش به دلیل سطح انرژی بالا، هم به سرعت ماسک را از بین می‌برد، و هم نمی‌توان ویفر سیلیکونی را مدت زیادی در معرض تابش آن قرار داد. راه دیگر برای کاهش اثر رفتاری موجی نور، انجام لیتوگرافی نوری در محیط مایع است. این تکنیک نیز تا حدودی رفتار موجی نور را کم اثرتر می‌کند. البته می‌توان به جای استفاده از پرتوهای نور از پرتوهای الکترونی هم استفاده کرد، اما این کار هم بسیار گران است و هم کُندتر از لیتوگرافی نوری است و استفاده از آن در مقیاس صنعتی مقرون به صرفه نیست.
اکنون دانشمندان و مهندسین الکترونیک به دنبال کشف تکنیک‌ها و شگردهایی هستند که با استفاده از آن، بتوانند رفتار موجی نور را در ابعاد کوچک کاهش دهند. بدین ترتیب می‌توانیم منتظر ساخت ترانزیستورهایی در ابعاد کوچک‌تر و در مقیاس صنعتی با استفاده از فناوری نانو باشیم.

رفتار موجی نور
همان‌طور که می‌دانید امروزه دانشمندان معتقدند ماهیت نور از نوع امواج الکترومغناطیس است که دارای طیف وسیعی است که از پرتوهای رادیویی با سطح انرژی کم و طول موج زیاد شروع می‌شود و به پرتوهای گاما با سطح انرژی زیاد و طول موج کم می‌انجامد. نور مرئی بخش کوچکی از طیف امواج الکترومغناطیس را در بر می‌گیرد. در تصویر(1) طیف امواج الکترومغناطیس را مشاهده می‌کنید.




تصویر (1)- طیف امواج الکترومغناطیس که نور مرئی بخش کوچکی از آن است.

اما قبل از این که رفتار موجی نور از سوی دانشمندان پذیرفته شود، نظریه‌ی ذره‌ای بودن نور مورد توجه و پذیرش دانشمندان بود. در قرن هفدهم میلادی، نیوتن نور را متشکل از ذرات ریزی می‌دانست که از منبع نور جدا می‌شوند. یعنی او برای نور خاصیت ذره‌ای قائل بود. اگر چه در همان زمان افرادی هم بودند که نور را موجی تصور می‌کردند، اما نظریه‌ی نیوتن نظریه‌ی غالب بود. تا این که در اوایل قرن نوزدهم یانگ و فرنل هر کدام با انجام آزمایش‌هایی، موجی بودن نور را ثابت کردند.
یانگ مقابل یک منبع نورانی، روزنه‌ای (S) قرار داد که مانند یک چشمه‌ی نور عمل می‌کند. در مقابل این روزنه صفحه‌ای گذاشت که روی آن دو روزنه‌ی S1 و S2 به فاصله‌ی کمی از هم قرار گرفته بودند. فاصله‌ی روزنه‌های S1 و S2 از روزنه‌ی S یکسان بود، یعنی روزنه‌ی S روی محور تقارن دو روزنه‌ی S1 و S2 قرار می‌گرفت. در مقابل این دو روزنه هم پرده‌ای برای تشکیل تصویر جای داده شد. تصویری که روی پرده تشکیل شد مشابه تصویر (2) بود.




تصویر (2)- آزمایش یانگ برای اثبات رفتار موجی نور

آن چه در تصویر (2) مشاهده می‌شود، تشکیل نوارهای روشن و تیره بر روی پرده است که تنها با پذیرفتن رفتار موجی نور قابل توضیح است. چرا که وجود نوارهای روشن و تیره بر روی پرده را به هیچ طریق نمی‌توان با رفتار ذره‌ای نور توضیح داد. اگر رفتار نور ذره‌ای می‌بود، باید شدت نور در فضای روبروی دو روزنه‌ی S1 و S2 بیشینه بود و با دور شدن از آن، شدت نور کاهش می‌یافت (و نه به صورت نوارهای روشن و تیره)
اکنون دانشمندان معتقدند نور در مواردی رفتار ذره‌ای و در مواردی رفتار موجی دارد. یکی از مواردی که نور رفتار موجی نشان می‌دهد، هنگام عبور از دو روزنه‌ی بسیار کوچک که در مجاورت یکدیگر قرار دارند، است.

چالش اصلی
همان‌طور که در مقالات ساخت مدار مجتمع (مقالات هشتم تا دهم نانوالکترونیک) ملاحظه شد، شگرد اصلی در ساخت مدارهای الکترونیکی استفاده از روش لیتوگرافی نوری است. در واقع علت رشد سریع صنعت الکترونیک نیز همین شیوه‌ی ساده، اما بسیار پرکاربرد بود که امکان ساخت تعداد بی‌شماری ترانزیستور را در مدت زمان کم، ممکن می‌سازد.
برای کوچک‌تر کردن ابعاد ترانزیستورها لازم بود ماسک‌هایی با ابعاد کوچک‌تر تهیه شود تا با تابانیدن پرتوهای نور بر این ماسک‌ها، قسمت‌های گوناگون مدارهای الکترونیکی بر روی ویفر سیلیکونی ساخته شود. ساخت ماسک‌های کوچک‌تر با استفاده از پرتوهای الکترونی اگر چه بسیار گران و پرهزینه بود اما امکان‌پذیر می‌نمود؛ لیکن چالش اصلی رفتار پرتوهای نور در ابعاد کوچک بود. در واقع پرتوهای نور در ابعاد کوچک، رفتار دیگری در مقایسه با ابعاد بزرگ از خود نشان می‌دادند و این مسئله کار ساختن مدارهای نانو مقیاس را دشوار می‌کرد.

چالش‌های فناوری نانو برای ساخت مدارهای مجتمع

شرکت در آزمون

فرآیندهای انتهایی
همین که ترانزیستورهای پایه ساخته شدند، ویفرها باید بعد از آن یک فرآیند انتهایی بگذرانند. زنجیره‌ای که عمدتا ارتباطات الکتریکی مختلف روی تراشه را از طریق سیم و اتصال فلزی برقرار می‌کند.

یکی از این فرآیندهای نهایی، ایجاد اتصال روی پلی‌سیلیکون و نواحی فعال (منظور سورس، درین و نواحی n+ و P+ است) می‌باشد. این کار ابتدا با پوشاندن ویفر با یک لایه‌ی نسبتا ضخیم (3/0 تا 5/0 میکرومتر) از اکسید و پس از آن اجرای زنجیره‌ی لیتوگرافی انجام می‌شود. سپس سوراخ‌های اتصال با زدایش پلاسما به وجود می‌آیند. (شکل 4-الف را ببینید) بعد از ایجاد پنجره‌های اتصال، اولین لایه از ارتباط فلزی که فلز 1 نامیده می‌شود روی کل ویفر نشانده می‌شود. لایه‌ی فلزی از جنس آلومینیوم یا مس است. یک رشته عملیات لیتوگرافی بعد از آن انجام می‌شود و لایه‌ی فلزی به طور انتخابی زدوده می‌شود. از آن جایی که تعداد ترانزیستورها در فناوری‌های جدید بسیار زیادتر شده، برای اتصالات میانی مدارات مجتمع بیش از یک لایه‌ی فلز لازم است. در واقع پیچیدگی اتصالات این قدر زیاد است که با یک لایه نمی‌توان اتصالات را انجام داد. در حال حاضر اتصالات میانی فلزی در هفت لایه انجام می‌شود. سطوح بالاتر اتصال فلزی نیز با استفاده از همین روند ساخته می‌شوند. برای هر لایه‌ی اضافی فلزی، دو ماسک لازم است. یکی برای سوراخ‌های اتصال و دیگری برای خود اتصالات فلزی.
آخرین مرحله در فرآیند انتهایی، پوشاندن ویفر با یک لایه‌ی شیشه یا غیر فعال است که سطح را از خطرات ناشی از حمل و نقل مکانیکی و برش مصون می‌دارد. بعد از یک رشته عملیات لیتوگرافی، شیشه فقط از قسمت‌هایی که روی پایه‌ی اتصال قرار دارد، باز شده و امکان اتصال با دنیای بیرون را فراهم می‌کند.
در مقاله‌ی بعدی راجع به چالش‌های فرآیند ساخت مدار مجتمع در مقیاس نانو سخن می‌گوییم. همچنین خلاقیت‌ها و ابتکاراتی که به منظور حل این چالش‌ها انجام شده را بیان می‌کنیم.

برای دریافت فایل پاورپوینت مراحل ساخت CMSO، اینجا (حجم حدود kb 400 ) را کلیک کنید.