كيف تتم صناعة المعالجات؟

يمكن تعريف المعالج (processor) او وحدة المعالجة المركزية (cpu), على انها رقاقة مدمجة موجودة في الحاسبات الآلية ، عملها الاساسي تحويل البيانات من لغات البرمجة إلى لغة الـ01 وهي لغة الالكترونيك الرقمي حيث تتحول المعلومات الى ارقام وهي اما 0 او 1، ليقوم الحاسب بقرائتها ، لذلك فالمعالج يعتبر وحدة إدخال و إخراج ، وصنعت المعالجات في الماضي على اساس التوافق مع تطبيق واحد او اثنين ، بمعنى ان كل معالج مسؤول على تحويل لغة برمجة بطريقة معينة للغة الـ01 ، لكن طبعاً كان هذا في الماضي ، و الآن اصبحت المعالجات يمكنها تحويل اي لغة برمجة و بسرعة هائلة جداً تقاس بالجيجا هرتز ,ويمكن تلخيص خطوات صناعة المعالج بالترتيب التالي :

1-تواجد مادة السليكون :
وتعتبر المادة الاساسية في صناعة المعالجات وفي جميع تقنيات اشباه الموصلات ويتم استخراجها من الرمال كما هو معروف ويتم تنقية السيليكون قبل ادخاله الى مرحلة الانتاج.

2-مرحلة الإنتاج :
بعد الانتهاء من مرحلة التنقية , يتم انتاج قضبان السليكون وتكون عبارة عن كريستالات بعد ان يتم بنائها بطريقة تسمى (cz) وهنا يتم وضع كرستاله صغيرة من المادة تسمى البذرة ويتم تلامسها مع صهارة السليكون السائل وبالتدوير والتحريك للاعلى ببطئ شديد يستغرق عدة ساعات ينتج الانماء البلوري وبالتالي قضيب السليكون المنتظم ,, وهناك طريقة اخرى تسمى (fz) ويتم في هذه الطريقة تلامس البذرة مع قضيب غير منتظم في ترتيب ذراته وبادخالهم في فرن وتسخين المناطق بالتتابع ينتج قضيب مرتب الذرات .
ملاحظة : يتم قطع نهايات القضيب لضمان الحصول على المنطقة النقية فقط والتي تتركز في الوسط .
هنا تبدأ عملية صنع الرقائق بتقطيع القضيب الى شرائح او رقائق ,و فى صناعة الرقائق توضع طبقات رفيعة جدا عبارة عن قوالب مصنعة من مواد مصممة تصميم محسوب بدقة متناهية وعناية فى شريحة سليكون فارغة و هذه القوالب متناهية فى الصغر حتى يمكن وضعمئات من المعالجات على رقاقة واحدة و نظرا غلى ان هذه القوالب صغيرة جدافإنه عادة من الصعب إيداع المادة فى المكان المطلوب بالضبط على الرقائق وبناء على ذلك فإن طبقات المادة تودع عبر كامل سطح الرقاقة فبالتالى المواد الغير مرغوب فيها يتم إزالتها و يترك القالب المنشود من تلك الطبقات , ويتم انماء او ترسيب طبقة رقيقة علة سطوح الرقاقات من السيليكون النقي لضمان نقاوة الشريحة بعد عملية القطع وتسمى هذه العملية بالانماء الطبقي.

3-مرحلة تحديد خصائص الموصل :
وهي عبارة عن تغطية السليكون بطبقة من ثنائي اوكسيد السيليكون sio2 وهذه الطبقة تحدد خواص الشريحة اما تمرر او تمنع مرور التيار الكهربائي .

4-مرحلة صنع القوالب وطباعتها على سطح الرقاقة وتتم بثلاث طرق :

أ-الطريقة الضوئية او uv lithography) Photolithography )
و فى هذه المرحلة يتم طباعة دائرة من قوالب مكونة من مادة مؤقته حساسة للضوء على سطح الرقاقة تسمىphoto resistو يتخللها شعاع من الأشعة الفوق البنفسجية عبر النقاط الخالية فى هذه الطبقة و تسمى photo mask اى القناع الضوئى او mask القناع و هو يقوم بكشف المساحات الخالية من المقاومة الضوئية و حجبها لان التعرض للضوء يؤدى إلى تغير المركب الكميائى للمقومة الضوئية و تحللها فى الأمكن الغير محمية بهذا القناع و يتم إزالة المناطق المعرضة للضوء من المقاومةالضوئية عن طريق عملية تسمى الحفر ثم يتم إزالة الجزء المتبقى من المقاومةالضوئية تراكة قالب من السليكون على الشريحة و طبعا إحنا ذكرنا فى بدايةالعملية إن هذا القلب الحساس للضوء هو قالب مؤقت فى عملية اللتصنيع
ثم بعد ذلك توضع طبقات من موادإضافية ، مثل البولي سيليكون الموصل الكهرباء ، وتودع على رقاقة إضافية عنطريق الطباعة الحجرية والحفر و كل طبقة من المواد لها قالب فريد من نوعهفإنها معا تشكل شريحة من الدوائر في هيكل ثلاثى الابعاد.

ب- طريقة استخدام حزمة الالكترونات(electron beam photolithography) لتحقيق نفس النتيجة وتعتبر غير مثالية للمصانع لانها بطيئة جدا .

ج- طريقة ( x-ray photolithography) لصناعة الاجهزة وتعد تقنية الاشعة السينية هي الادق لان الطول الموجي القصير للاشعة السينية يجنبنا اعراض الحيود التي تحصل عند حواف هذه القوالب وبذلك نحصل على حواف غاية في الدقة والحدة
بعد اتمام احدى هذه الطرق تتم غسل العينة لازالة البقايا الغير مرغوب فيها ,, ثم تنمش الشريحة وتتحول للعملية التالية.

5-مرحلة التشويب :
وهي عملية خلق شبه موصل عن طريق إضافة شوائب الى الشريحة في سبيل إنشاء فجوة إلكترونية أو لإيجاد إلكترون حر فعند إضافة كمية قليلة من مادة مانحة تحتوي 5 إلكترونات مثل الأنتيمون أو الفوسفور أو الزرنيخ أو غيرها من من عناصر المجموعة الخامسة بالجدول الدوري وبهذه الطريقة تصبح بلورة المادة المشوبة حينها بلورة شبه موصل سالب أما إذا أضيف للبلورة النقية مادة متقبلة من عناصر المجموعة الثالثة تحتوي ذراتها على ثلاثة الكترونات فعندها ستشكل الالكترونات الثلاث رابطة تساهمية مع الكترونات الذرات المجاورة وتبقى الرابطة الرابعة غير مكتملة مما يؤدي إلى تكون فجوة إلكترونية وتسمى البلورة من هذا النوع بلورة شبه موصل موجب . تدخل الشوائب بشكل عشوائي ولكنها تاخذ شكلا منتظما عند درجات الحرارة العالية ,ولبلوغ عملية التوصيل يجب التغلب على فجوة الطاقة الموجودة بين حزمة التكافؤ وحزمة التوصيل ,, يوجد بين هاتين الحزمتين مستوي يسمى مستوى فيرمي ويعتمد في موقعه على نوع الشوائب المضافة ,, ويمكن حساب موقع مستوي فيرمي من خلال معادلات خاصة بهذا الشأن .

6-عملية زرع الايونات (ion implantation ) :
و فى هذه العملية يتم قصف الأماكن المكشوفة من المقاومة الضوئية بوابل من المطر الايونى و المكون من عدد من الشوائب الكمياءيةالختلفة و لكن قبل زرع تلك الأيونات فى سطح الشريحة يجب اولا حماية المناطق الغير مراد تنشيطها بواستط المقاومة الضوئية و عملية زراعة هذهالأيونات السبب فيها انها تقوم بإمداد الشرائح بشحنات سالبة و موجبة لذاتقوم بتغيير الطريقة التى يوصل بها السليكون الشحنات الكهربية فى هذهالمناطق و هذه الشحنات الكهربية تعمل على مساعدة الترانزيستور فى عمليةالتشغيل و الإيقاف وبالتالي يمر تيار كهربائي من خلال بوابة الترانزستور والغرض من هذه العملية هو خلق عملية تنشيط .

7-مرحلة الإتصال :
و لكى يتم خلق إتصال بين الطبقات الإضافية الموضوعة على الرقائق شكلت نوافذ بإعادة وضع القناع و الحفر لوضع المعدن الموصل و هو من النحاس لانه يعد من افضل المواد الموصلة ويوضع النحاس فى تلك النوافذ لخلق إتصال بين طبقات الرقائق و الترانزيستورات

8-مرحلة الإختبار :
بمجرد إتمام عملية زرع الطبقات يتم إعداد الرقائق للاختبارمن أجل الصمود في وجه العمليات والمعدات المستخدمة في عملية التصفيف و الرقائق يجب ان تكون سميكة نسبيا و سمكها لابد ان يخفض او يصغر بنسبة 33 % قبلتقطيعها إلى معالجات منفردة لذا فإن الرقائق تمر بعدد من المراحل الجاديةو التى تقوم يتصغير ثمك الرقائق و ايضا لازالة الشوائب العالقة على سطحهاالخلفى بعد إتمام تلك العملية يتم وضع طبقة من من مواد أخرى على السطحالخلفى الغير موصل حتى يمكن خلق إتصال كهربى بين السطح الخلفى للرقاقة والرقاقة التى تليها فى أثناء عملية التجميع
بإنتهاء هذه العملية يتم إختبارالجودة لكل خطوة فى عملية التجميع و إختبار المكونات المنفصلة مثل الترانزستورات و المقاومات و المكثفات ما إذا كانت تعمل بشكل جيد او انهحدثت مشكلة اثناء عملية التجهيز و يتم تحليل النتائج لكشف المشكلة و العمل على تخطيها

9-المرحلة الاخيرة :
حيث يتم تصميم شكل المعالج عن طريق تقطيع الشرائح بشكل مربعات ويتم تغليفة وتعبئته حسب تصنيفاته , بالنتيجة نحصل على الاف الترانزسترات النانوية على الشريحة, ويتم بعدها معالجة البيانات من خلال تمرير الاشارات وكلما كانت عملية الصنع دقيقة وخالية من العيوب كلما زادت سرعة المعالج وكفائته .

ملاحظة : تتم المراحل في بيئة نظيفة جدا وفي غرف ومصانع خاصة ويتم ارتداء ملابس خاصة عند العمل على صنع المعالجات , اضافة الى عمليات التنقية المذكورة اعلاه .

كتابة : Jamal Novelty

فيديو توضيحي :
https://www.youtube.com/watch?v=qm67wbB5GmI&feature=youtube_gdata_player