تولید تجهیزات الکترونیک به اندازه اتم

در گذشته ابزارهای الکترونیکی مانند رادیو و تلویزیون و حتی گوشی‌های تلفن همراه بسیار بزرگ‌تر از امروز بودند؛ تقریبا به اندازه یک جعبه! چه پیشرفتی در فناوری به دست آمده که حالا می‌توانیم رادیو را در گوشی تلفن همراه خود داشته باشیم؟ آن هم گوشی‌ای که ضخامتش در حد چند میلی‌متر است؟

در زمینه میکرو الکترونیک و ساخت قطعات الکترونیک، یکی از مشکلات مهم همیشه این بوده که بتوان آنها را تا حد امکان کوچک‌تر ساخت. قانون معروفی در الکترونیک وجود دارد به نام قانون مور که بر اساس آن پیش‌بینی می‌شود، هر سال که می‌گذرد، تعداد ترانزیستورهایی که در واحد سطح وجود دارد، دو برابر می‌شود؛ یعنی اگر امسال مثلا صدهزار ترانزیستور در یک سانتی‌متر مربع داریم، پیش‌بینی می‌شود سال آینده 200تا 250 هزار ترانزیستور در همان سطح داشته باشیم. به همین علت اگر مثلا تا 10سال پیش فلاپی دیسکتی داشتیم که 10مگابایت حجمش بود، امروز در همان اندازه و حتی کوچک‌تر می‌توانیم چند گیگابایت یا ترابایت اطلاعات ذخیره کنیم.

گیگابایت و ترابایت دقیقا چیست؟

این اعداد گیگا و ترا از تعداد ترانزیستورها و ظرفیتی از حافظه دستگاه خبر می‌دهد که قطعه الکترونیکی مانند پردازنده رایانه یا فلش USB می‌تواند در اختیار ما قرار دهد. برای آنکه این تعداد ترانزیستور روی سطح مورد نظر ساخته شود، از روش‌های پیچیده‌ای مانند فوتولیتوگرافی استفاده می‌کنند. این روش با تاباندن اشعه نور روی سطح مورد نظر قادر است میلیاردها ترانزیستور را در ابعاد کوچک تر از 20 نانومتر و در مدت زمان چند دقیقه تولید کند. از آنجا که تابش نور با کیفیت و انرژی بسیار بالا عامل اصلی این فرآیند است، ما به سطحی کاملا صیقلی و صاف نیاز داریم. در غیر این صورت، کیفیت مطلوب ما را به دست نمی‌دهد. این دقیقا همانند وقتی است که ما از میکروسکوپ برای مشاهده سطوح استفاده می‌کنیم. هرچقدر بزرگ نمایی میکروسکوپ بیشتر باشد، سطح صاف‌تری نیاز است تا تصویری با کیفیت به دست آید.

از طرف دیگر، برای افزایش تعداد ترانزیستورها در واحد سطح، با فناوری‌های جدید می‌توان چند لایه ترانزیستور را روی هم نشاند. درست مثل آپارتمان‌ها که به جای خانه‌های یک طبقه در فضای محدودتری از شهر، افراد بیشتر را ساکن می‌کنند. ما هم در فناوری‌های جدید می‌توانیم ترانزیستورهای بیشتری را در واحد سطح داشته باشیم. در اینجا باید سطح مورد نظر ما کاملا صیقلی باشد تا لایه‌های بعدی با کیفیت مورد نظر روی سطح قبلی بنشینند. اگر این صیقلی شدن اتفاق نیفتد، آن وقت در فضای محدود نمی‌توانیم ترانزیستورهای زیادی داشته باشیم.

صیقلی شدن در سطوح مورد نظر را چگونه انجام می‌دهید؟

با استفاده از فرآیندی به نام صیقل‌سازی مکانیکی شیمیایی یا CMP (سرواژه Chemical Mechanical Polishing) این کار انجام می‌شود. از دهه 1360/ 1980 این فرآیند توسط شرکت آی‌بی‌ام (IBM) به کار آمد تا تلفیقی از خورده شدن سطح با محلولی مخصوص و پدی که در آن محلول مخصوص وظیفه صیقل دادن سطح را انجام می‌دهد، انجام شود. در اینجا ذراتی معلق در محلول وجود دارد که لایه‌های اضافی را بر می‌دارد تا به سطحی صیقلی برسیم. با استفاده از این فرآیند سطح ما در حد اتم‌ها کاملا مسطح و صیقلی می‌شود.

در سطح اتم؟ میزان دقتی که شما در صیقلی کردن قطعات الکترونیکی به کار می‌برید، در چه حد است؟

دقت سطوحی که ما آن را صیقلی می‌کنیم، پستی و بلندی سطح آن در حد دوآنگستروم است که سایز یک اتم است اما در یک صیقلی‌کردن عادی، شاید در پستی و بلندی ایجاد شده در سطح به اندازه پنج تا 10نانومتر برسیم. در ساخت آینه تلسکوپ‌های بسیار پیشرفته جهان هم تا حدودی از این فناوری صیقلی‌کردن استفاده می‌شود. در آشکارسازهای گاما و ایکس نیز به سطوح بسیار صاف نیاز است و در اینجا از این فناوری استفاده می‌شود.

با این حساب می‌شود گفت به نهایت پیشرفت در این فناوری رسیده‌ایم؟ این فناوری تا کجا پیشرفت می‌کند؟

نه لزوما، زیرا ما موادی داریم که هر روز به فرآیند ساخت این قطعات، افزوده و مواد جدیدتر و پیچیده‌تری اضافه می‌شود؛ موادی مثل مس و سیلیکون که در همه آنها از نظر اندازه به سطح ایده‌آل رسیده‌ایم، اما مشکل بزرگی که وجود دارد این است که این فرآیند بسیار زمانبر و هزینه‌بر است. می‌توان تخمینی گفت که 20 تا 30 درصد فرآیند ساخت این ترانزیستورها به این موضوع ربط دارد. فرآیند لیتوگرافی نیز بسیار هزینه‌بر است. پیشرفت‌های زیادی در حال انجام است تا فرآیند سریع‌تر و با هزینه کمتری انجام شود. یکی از مسائل بسیار هزینه‌بر، محلول Slurry است که ما استفاده می‌کنیم و ماده‌ای شیمیایی و گران‌قیمت است. همین‌طور پودری که در محلول وجود دارد و برای سایش استفاده می‌شود، بسیار مهم است که ابعاد ذراتش ریز و در حد چند نانومتر باشد. این محلول باید بتواند ذرات را به صورت معلق و کلوئیدی در خود نگه دارد. ما سطح معلقی نیاز داریم که ذرات در آن به هم نچسبند و خراش در سطح صیقلی مورد نیاز ما ایجاد نکنند. هر کشوری فناوری ساخت این محلول را ندارد. ممکن است کشوری بتواند این ترانزیستورها را تولید کند، اما از عهده تولید این محلول برنیاید.

این مطالعات پیشرفته در دنیا در دانشگاه‌ها انجام می‌شود یا شرکت‌های خصوصی؟

به خاطر این‌که این فرآیند بسیار کاربردی است، خیلی کمتر تحت پوشش دانشگاه‌ها انجام می‌شود. اگر هم انجام بشود، هزینه آن را شرکت‌های خصوصی تأمین می‌کنند. معمولا خود شرکت‌ها در زمینه تحقیقات این فناوری مطالعه می‌کنند و نوع آن بسته به ماده‌ای است که قرار است تولید کنند. فرآیند کارها بر اساس نوع محصول متفاوت است. ماده‌ای که در حال صیقل آن هستیم بسته به این‌که سرامیک باشد یا نیمه رسانا مثل سیلیکون و سیلیکون اکساید یا این‌که فلزی باشد مثل مس و آلومینیوم و تنگستن، فرآیند آماده‌سازی متفاوتی را طی می‌کند.

در ایران هم کارهای تحقیقاتی در این زمینه انجام می‌شود؟

در ایران به‌طور مستقیم در این زمینه کاری نمی‌شود، اما چیزی که می‌تواند در ایران کاربرد داشته باشد، تولید محصولات جانبی مورد نیاز در این فرآیند است. سه تا چهار کشور در دنیا محلول‌های بسیار مهمی را که در فرآیند CMP به کار می‌رود،تولید می‌کنند. نکته مهم دیگر این است که ماده‌ای که باید عملیات صیقل‌دهی آن انجام شود، روی یک پد یا صفحه‌ای می‌نشیند و این محلول بین این ماده و آن صفحه قرار می‌گیرد. ماده در حالی که محلول روی آن قرار می‌گیرد، صیقلی می‌شود. این صفحه یا پد و فناوری مورد نیاز ساخت آن که بسیار گران قیمت‌، حساس و کاربردی است، فرآیند ساخت پیچیده‌ای دارد و در ساخت آن از مواد پلیمری خاصی استفاده می‌شود که به صورت جداگانه مطالعات خوبی در باره ساخت آن در ایران انجام شده و می‌توان اینها را به هم مربوط کرد. همچنین می‌توانیم محلول‌های عمومی‌‌تری را که می‌دانیم در دنیا بسیار مورد نیاز است، در ایران تولید کنیم.

این یعنی ما نمی‌توانیم چنین فناوری پیشرفته‌ای در ایران داشته باشیم؟

رسیدن به چنین فناوری‌هایی نیاز به طراحی و تولید هزاران فناوری پیش از خود دارد. اگر قرار باشد این فناوری را در ایران بومی کنیم، اول باید ببینیم آیا نیاز به آن در کشور ما وجود دارد یا خیر. من فکر می‌کنم با تولید مواد جانبی مورد نیاز این فناوری در ایران ـ که در حال حاضر در انحصار کشورهایی مانند ژاپن، کره جنوبی و تایوان و آمریکا قرار دارد ـ و فروش این محصولات به کشورها و شرکت‌هایی که به این محصولات نیاز دارند، می‌توان به تولید ثروت‌ از طریق صادرات محصولی دانش‌بنیان اقدام کرد. شرکت‌های عظیمی مثل گوگل‌، اپل، آی‌بی‌ام و اینتل مشتری چنین محصولاتی هستند و قطعا برای محصول باکیفیتی که ما می‌توانیم در ایران تولید کنیم، مشتری‌های اینچنینی وجود خواهد داشت. این شرکت‌ها ترجیح می‌دهند، این گونه محصولات را از کشور و کمپانی‌های دیگر بخرند و لزومی نمی‌بینند، همه محصولات مورد نیازشان را خودشان تولید کنند. ما هم می‌توانیم به این استراتژی فکر کنیم و من معتقدم در اقتصاد دانش‌بنیان جهانی، نقش مهمی می‌توانیم ایفا کنیم. همین الان هم ما در ایران فولاد تولید و صادر می‌کنیم و کشورهای دیگر با فولاد تولیدی ما محصولات دیگری تولید می‌کنند. اقتصاد جهان این‌گونه کار می‌کند.

محصولی که فکر می‌کنید ما الان می‌توانیم در ایران تولید کنیم و در فرآیند فناورانه CMP مورد نیاز است، دقیقا چیست؟

محلول‌های جانبی مورد نیاز در فرایند CMP مثل دی‌اکسید سیلیسیم با pH بالا و اکسید آلومینیوم با pH کم که باید ذرات ریز و پایدار در جریان آن ساخته شود، چیزی است که در هر کشوری تولید نمی‌شود، اما تحقیقات خوبی درباره آن در ایران انجام شده و می‌شود این محلول‌های زمانبر و پیچیده را در کشور تولید کرد. برای شروع می‌توان سراغ محلول‌های پرکاربرد رفت. هر گالن از این نوع محلول‌های خیلی ساده مثل اکسید آلومینیوم در مقیاس ذرات 60 نانومتر در دنیا حدود 250 تا 300 دلار قیمت دارد و به میزان زیاد مورد استفاده است. مهم این است که این ذرات در یک دامنه اندازه مشخص تولید شود و ما دستگاه‌های لازم برای تولید و کنترل کیفیت چنین محلول‌هایی را در ایران داریم.

ترانزیستور چیست؟

ترانزیستور یکی از مهم‌ترین قطعات الکترونیکی و یکی از ادوات حالت جامد است که از مواد نیمه رسانایی مانند سیلیسیم و ژرمانیم ساخته می‌شود. از ترانزیستور به عنوان یکی از بزرگ‌ترین اختراعات قرن گذشته نام برده می‌شود زیرا تمام پیشرفت‌های ما در رایانه و الکترونیک و اینترنت بر مبنای ترانزیستور به دست آمده است. ترانزیستور شبیه کلید برق، دو حالت روشن و خاموش و همین‌طور کم و زیاد دارد و برای ما این امکان را فراهم می‌کند که وقتی جریانی به آن وارد می‌شود، به دلخواه و تنظیم ما جریان از آن گذر کند یا گذر نکند، یا این که به مقدار کم یا زیاد گذر کند. در فلاپی دیسکت یا هارد دیسک و USB که این روزها استفاده می‌کنیم، میلیاردها ترانزیستور داریم که به آن دستور می‌دهیم چه مقدار جریان را در خود به چه صورتی نگه دارد. چند سال پیش چون اندازه ترانزیستورها بزرگ بود، در واحد مشخصی از سطح، تعداد کمتری ترانزیستور را می‌توانستیم بگنجانیم. در نتیجه، ظرفیت کمتری از حافظه را در ابزارهای الکترونیک داشتیم اما با پیشرفت فناوری و کوچک‌تر‌شدن ترانزیستورها و افزایش چگالی آنها در سطح، می‌بینیم هم سرعت دستگاه‌ها افزایش پیدا کرده و هم اندازه‌شان کوچک‌تر شده است.

امروزه ترانزیستورها را دانه به دانه نمی‌سازند، بلکه قالبی که برای ساخت ترانزیستورها استفاده می‌شود در گذشته بزرگ‌تر بود، اما امروزه می‌توانند میلیون‌ها ترانزیستور را در آن جای دهند. ابعاد ترانزیستورها در حد 20 نانومتر است.

به این ترتیب هم هزینه ساخت ابزارهای الکترونیکی پایین آمده و هم چون فاصله ترانزیستورها از هم کم شده، در نتیجه با سرعت بیشتر و در مدت زمان کوتاه‌تری دستگاه‌های الکترونیک امروزی کار می‌کنند.

ابداع راهکاری برای تولید ارزان و سریع‌تر قطعات الکترونیک

دکتر پیرایش درباره نتایج یکی از مطالعات خود در دانشگاه آلبرتا به جام‌جم می‌گوید: یکی از کارهایی که در دوره دکتری انجام دادم، برای شرکتی کانادایی بود که می‌خواست قطعه‌ای الکترونیک تولید کند. آنها باید برای صیقلی کردن ماده مورد نظر بیشتر از 10 لایه را پولیش می‌کردند و برای ساختن هر قطعه و فرآیند صیقلی کردن هر لایه بیشتر از یک ساعت زمان صرف می‌شد. هر ساعتی که فرآیند صیقلی کردن انجام می‌شود، هزینه زیادی می‌برد. در نتیجه این فرآیند بسیار گران است و هر یک ساعت حدود 10 لیتر از آن محلول گران‌قیمت باید استفاده شود‌. از طرفی پد مورد استفاده در دستگاه نیز عمر مشخصی دارد. در نتیجه این کار هزینه بسیار بالایی برای شرکت ایجاد می‌کرد. کاری که من کردم و موفق بود، این بود که با تلفیق این فرآیندها توانستم محلول مورد نظر گران‌قیمتی را که وارداتی از ژاپن بود، خودم تولید کنم که سرعت بالاتری داشت. از طرفی با تلفیق قسمت شیمیایی با فیزیکی این فرآیند توانستم زمان این فرآیند را از یک ساعت به حدود 20 تا 25 دقیقه برسانم تا هزینه کاهش محسوسی پیدا کند. وی در‌خصوص نتیجه این مطالعات و کار برد آن می‌افزاید: ماده‌ای که ما روی آن کار می‌کردیم، نوعی سیلیکون با رسانایی بالا بود. این قطعه در ربات‌هایی مثل مریخ‌نوردهای نسل بعدی ناسا می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد و با این ترفندها قطعات مورد استفاده در ربات‌های ارزان‌تر، کارآمدتر و سریع‌تر شود. در گوگل و اپل واحدهای تحقیقاتی عظیمی برای پیشرفت در این حوزه از فناوری وجود دارد.

کاظم کوکرم