Silicon Chips. Steps in Manufaturing (II). சிலிக்கன் சில்லு. தயாரிப்பு முறைகள் (II)
இதற்கு முந்திய பதிவில், டிரான்ஸிஸ்டர் செய்வது வரை உள்ள ஃபியோல் (FEOL) என்ற பகுதியைப் பார்த்தோம். இங்கு, அந்த டிரான்ஸிஸ்டர்களை இணைக்கும் மின்கம்பிகளை செய்யும் பகுதியைப் பார்ப்போம். இது பியோல் (BEOL) எனப்படும்.
வாசகர்கள் கவனத்திற்கு. நீங்கள் இப்படி புதிய கருத்துக்களை மற்றும் சொற்களை பார்க்கும் பொழுது, தமிழில் படித்த பின்னர், கூகிளில் அல்லது விக்கிபிடியாவில் சென்று, (எடுத்துக்காட்டாக) "BEOL transistor manufacturing" அல்லது "FEOL transistor manufacturing" என்று தேடி, அவற்றை படித்து விட்டு மீண்டும் தமிழில் இருப்பதைப் படித்தால் உங்களுக்கு இந்த கருத்துக்கள் புரிதல் கூடும். இவற்றை இன்னொரு கோணத்தில் காண இந்த முறை (method) உதவும். தவிர, இங்கு எழுதி இருப்பதில் தவறு இருந்தாலும் சுட்டிக் காட்ட உதவும்.
ஒரு சில்லு (chip) என்பது பல டிரான்ஸிஸ்டர்களையும், அவற்றை இணைக்கும் மின் கம்பிகளையும் கொண்டது என்பதைப் பார்த்தோம். டிரான்ஸிஸ்டருக்கு மின் அழுத்தத்தை (வோல்டேஜைக்) கொடுக்க மின்சாரத்தைக் கடத்தும் கம்பிகளால் இணைக்க வேண்டும். டிரான்ஸிஸ்டரானது மிகச் சிறியது, சுமார் 100 அல்லது 200 நே.மீ. அளவுடையது என்பதை அறிவோம். இவற்றை இணைக்கும் கம்பிகள், இன்னும் சிறியதாக இருக்க வேண்டும். இல்லாவிட்டால் ஒரே கம்பி இரண்டு டிரான்ஸிஸ்டர்களை குறுக்கு (ஷார்ட் சர்க்யூட் - short circuit) செய்துவிடும்; சில்லும் வேலை செய்யாது.
இரண்டு அல்லது மூன்று டிரான்ஸிஸ்டர்களை இணைக்கவே நல்ல கவனம் தேவை. பல கோடி டிரான்ஸிஸ்டர்களை இவ்வாறு ஒரே தளத்தில் (level) கம்பிகளைக் கொண்டு இணைக்க முடியாது. பல இடங்களில் குறுக்கு (ஷார்ட் சர்க்யூட் - short circuit) ஏற்படும். அதனால், இக்கம்பிகளை பல தளங்களில் கொண்டு சென்று டிரான்ஸிஸ்டர்களை சரியாக இணைக்க வேண்டும். கீழே இரண்டு தளங்களில் இருப்பது போல வரைபடம் கொடுக்கப்பட்டுள்ளது.
தற்சமயம் (2008ல்) பல ஐ.சி.க்களில் 6 அல்லது 7 தளங்களில் இணைப்புக் கம்பிகள் செல்கின்றன. ஒரு சில்லில் கோடிக்கணக்கான இக்கம்பிகளில் ஏதேனும் ஓரிடத்தில் கம்பி உடைந்தாலோ அல்லது குறுக்கு (ஷார்ட் சர்க்யூட் - short circuit) ஏற்பட்டாலோ கூட ஐ.சி. வேலை செய்யாது.
இத்தளங்களிலும் கீழிருந்து மேலே செல்லும் தூண்களை ‘வியா’ (via) என்றும், ஒரு தளத்தில் குறுக்கிலும் நெடுக்கிலும் செல்லும் கம்பிகளை ”உலோகக் கோடு” அல்லது ‘மெட்டல் லைன்ஸ்’ (metal lines) என்றும் இந்தத் தொழில்நுட்ப வழக்கில் (jargon) கூறுவார்கள்.
இந்த இணைப்பிற்கு தாமிரக் கம்பிகள் தற்போது (2007ல்) உபயோகத்தில் உள்ளன. தாமிரம் ஒரு சிறந்த மின்கடத்தி (electrical conductor) . இது கடந்த பத்து, பன்னிரண்டு வருடங்ளாகத்தான் இருக்கிறது. அதற்கு முன் அலுமினியக் கம்பிகள் இருந்தன. இன்னும் இந்தியாவில் அலுமினியக் கம்பி செய்யும் தொழில் நுட்பம் மட்டுமே உள்ளது; தாமிரக் கம்பியை (இந்த சிறிய அளவில்) செய்யும் தொழில்நுட்பம் இல்லை. (வெள்ளி உலோகம், தாமிரத்தை விட சிறந்த மின் கடத்தி. ஆனால் அதன் விலை மிக அதிகம்).
மின்சாரம் கம்பி வழியே சில்லும் போது அதன் ஆற்றலின் (energy) ஒரு பகுதி வெப்பமாக மாறுகிறது. இது ஒரு இழப்பே. நல்ல மின் கடத்தில்யில் இழப்பு குறைவாக இருக்கும். தாமிரத்தில் இந்த இழப்பு குறைவு. அலுமினியத்தில் இந்த இழப்பு சற்று அதிகம்.
நீங்கள் செல்போனில் நிறைய நேரம் பேசினால் அது சூடாவதை உணரலாம். இதற்குக் காரணாம் இந்த மின் கம்பிகளில் மின்சாரம் வெப்பமாக மாறுவது தான். நல்ல மின் கடத்தியினால் செய்யப்பட்ட கருவிகளில் இந்த இழப்பு குறைவாக இருப்பதால், பேட்டரி (battery) நிறைய நேரம் வரும்
(குறிப்பு: செல்போன் பரவலாக வருவதற்கு இதுவும் ஒரு காரணம். பல வருடங்களுக்கு முன்பே செல்போன் தயாரிக்கும் சர்க்யூட்கள் இருந்தன. ஆனால் நல்ல மின் கடத்தியில் ஐ.சி. செய்ய முடியாததால் சாதாரண பேட்டரி சில நிமிடங்களிலேயே காலியாகிவிடும். அதனால் ராணுவம் போன்ற சில நிறுவனங்கள் மட்டும், பெரிய பேட்டரியுடன் கனமான, வாக்கி-டாக்கி (walkie talkie) எனப்படும் கருவிகளை உபயோகித்து வந்தனர். தற்போது வாக்கி-டாக்கியின் உபயோகம் குறைந்து வருகிறது)
எனவே நல்ல முறையில் ஐ.சி. செய்ய பல கோடிக்கணக்கிலான மிகச்சிறிய இணைப்புக் கம்பிகளை உருவாக்கும் தொழில்நுட்பம் தேவை. இக்கம்பிகள் பல தளங்களில் செல்லும் என்பதும், இவற்றை தாமிரத்தில் செய்வது முக்கியம் என்பதும் விளங்குகிறது. இதில் ஒரு விதிவிலக்கு (exception) உண்டு. நேரடியாக டிரான்ஸிஸ்டரைத் தொடும் உலோகக் கம்பிகள் தாமிரத்தால் இருக்காது; டங்க்ஸ்டன் என்ற உலோகத்தால் செய்யப் படும். அதற்குக் காரணம், டிரான்ஸிஸ்டர் மேல் தாமிரம் பட்டால், அது ஊடுருவிச் சென்று (diffusion) டிரான்ஸிஸ்டரின் செயலுக்கு இடையூறு செய்யும். டங்க்ஸ்டன் அவ்வாறு செய்யாது. டங்க்ஸ்டன் கொஞ்சம் சுமாரான மின்கடத்திதான். அதனால் ஓரளவு மின்சார இழப்பு ஏற்படும். இருந்தாலும் வேறு வழி இல்லாததால் கொஞ்சம் ‘விட்டுக்கொடுத்து’ இந்த உடன்பாடு அல்லது ‘காம்ப்ரமைஸ்’ (compromise) நடைமுறையில் உள்ளது.
இந்த உலோகக் கம்பிகளை செய்ய கீழே வரும் முறை பின்பற்றப்படுகிறது.
இந்த வழிமுறையைப் பின்பற்றி பல தளங்களை அமைக்கலாம்.
சுருக்கம்/summary: இதுவரை டிரான்ஸிஸ்டரை செய்வது எப்படி, பல டிரான்ஸிஸ்டர்களை இணைப்பது எப்படி என்பதை நாம் பார்த்தோம். இவற்றிற்கு வரையறுக்கும் அல்லது குறிக்கும் முறையும், பொருள்களைப் படிய வைக்கும் முறையும், தேவையற்ற பொருள்களை நீக்கும் முறையும், மாசுக்களை சேர்க்கும் முறையும் தேவை. இணைப்புக் கம்பிகள் தாமிரத்திலேயே பெரும்பாலும் செய்யப்படுகின்றன. டிரான்ஸிஸ்டரைத்தொடும் கம்பிகள் மட்டும் டங்க்ஸ்டனால் செய்யப்படுகின்றன.
அடுத்து இடங்களை ‘வரையறுப்பதற்கு’ லித்தோகிராபி என்ற முறை உபயோகத்தில் இருக்கிறது. அதன் விவரங்களை நான்காவது பகுதியில் பார்க்கலாம். நமக்கு தேவையான பொருளை எப்படி படிய வைப்பது, அதற்கு என்ன வழிமுறைகள் இருக்கின்றன என்பதை ஐந்தாவது பகுதியில் காண்போம். அதிகமான பொருளை நீக்கும் வழிமுறைகளை ஆறாவது பகுதியிலும், மாசுக்களை சேர்க்கும் ‘அயனி பதித்தல்’ என்ற முறையை எட்டாவது பகுதியிலும் விவரமாகப் பார்க்கலாம்.
வாசகர்கள் கவனத்திற்கு. நீங்கள் இப்படி புதிய கருத்துக்களை மற்றும் சொற்களை பார்க்கும் பொழுது, தமிழில் படித்த பின்னர், கூகிளில் அல்லது விக்கிபிடியாவில் சென்று, (எடுத்துக்காட்டாக) "BEOL transistor manufacturing" அல்லது "FEOL transistor manufacturing" என்று தேடி, அவற்றை படித்து விட்டு மீண்டும் தமிழில் இருப்பதைப் படித்தால் உங்களுக்கு இந்த கருத்துக்கள் புரிதல் கூடும். இவற்றை இன்னொரு கோணத்தில் காண இந்த முறை (method) உதவும். தவிர, இங்கு எழுதி இருப்பதில் தவறு இருந்தாலும் சுட்டிக் காட்ட உதவும்.
ஒரு சில்லு (chip) என்பது பல டிரான்ஸிஸ்டர்களையும், அவற்றை இணைக்கும் மின் கம்பிகளையும் கொண்டது என்பதைப் பார்த்தோம். டிரான்ஸிஸ்டருக்கு மின் அழுத்தத்தை (வோல்டேஜைக்) கொடுக்க மின்சாரத்தைக் கடத்தும் கம்பிகளால் இணைக்க வேண்டும். டிரான்ஸிஸ்டரானது மிகச் சிறியது, சுமார் 100 அல்லது 200 நே.மீ. அளவுடையது என்பதை அறிவோம். இவற்றை இணைக்கும் கம்பிகள், இன்னும் சிறியதாக இருக்க வேண்டும். இல்லாவிட்டால் ஒரே கம்பி இரண்டு டிரான்ஸிஸ்டர்களை குறுக்கு (ஷார்ட் சர்க்யூட் - short circuit) செய்துவிடும்; சில்லும் வேலை செய்யாது.
இரண்டு அல்லது மூன்று டிரான்ஸிஸ்டர்களை இணைக்கவே நல்ல கவனம் தேவை. பல கோடி டிரான்ஸிஸ்டர்களை இவ்வாறு ஒரே தளத்தில் (level) கம்பிகளைக் கொண்டு இணைக்க முடியாது. பல இடங்களில் குறுக்கு (ஷார்ட் சர்க்யூட் - short circuit) ஏற்படும். அதனால், இக்கம்பிகளை பல தளங்களில் கொண்டு சென்று டிரான்ஸிஸ்டர்களை சரியாக இணைக்க வேண்டும். கீழே இரண்டு தளங்களில் இருப்பது போல வரைபடம் கொடுக்கப்பட்டுள்ளது.
தற்சமயம் (2008ல்) பல ஐ.சி.க்களில் 6 அல்லது 7 தளங்களில் இணைப்புக் கம்பிகள் செல்கின்றன. ஒரு சில்லில் கோடிக்கணக்கான இக்கம்பிகளில் ஏதேனும் ஓரிடத்தில் கம்பி உடைந்தாலோ அல்லது குறுக்கு (ஷார்ட் சர்க்யூட் - short circuit) ஏற்பட்டாலோ கூட ஐ.சி. வேலை செய்யாது.
இத்தளங்களிலும் கீழிருந்து மேலே செல்லும் தூண்களை ‘வியா’ (via) என்றும், ஒரு தளத்தில் குறுக்கிலும் நெடுக்கிலும் செல்லும் கம்பிகளை ”உலோகக் கோடு” அல்லது ‘மெட்டல் லைன்ஸ்’ (metal lines) என்றும் இந்தத் தொழில்நுட்ப வழக்கில் (jargon) கூறுவார்கள்.
இந்த இணைப்பிற்கு தாமிரக் கம்பிகள் தற்போது (2007ல்) உபயோகத்தில் உள்ளன. தாமிரம் ஒரு சிறந்த மின்கடத்தி (electrical conductor) . இது கடந்த பத்து, பன்னிரண்டு வருடங்ளாகத்தான் இருக்கிறது. அதற்கு முன் அலுமினியக் கம்பிகள் இருந்தன. இன்னும் இந்தியாவில் அலுமினியக் கம்பி செய்யும் தொழில் நுட்பம் மட்டுமே உள்ளது; தாமிரக் கம்பியை (இந்த சிறிய அளவில்) செய்யும் தொழில்நுட்பம் இல்லை. (வெள்ளி உலோகம், தாமிரத்தை விட சிறந்த மின் கடத்தி. ஆனால் அதன் விலை மிக அதிகம்).
மின்சாரம் கம்பி வழியே சில்லும் போது அதன் ஆற்றலின் (energy) ஒரு பகுதி வெப்பமாக மாறுகிறது. இது ஒரு இழப்பே. நல்ல மின் கடத்தில்யில் இழப்பு குறைவாக இருக்கும். தாமிரத்தில் இந்த இழப்பு குறைவு. அலுமினியத்தில் இந்த இழப்பு சற்று அதிகம்.
நீங்கள் செல்போனில் நிறைய நேரம் பேசினால் அது சூடாவதை உணரலாம். இதற்குக் காரணாம் இந்த மின் கம்பிகளில் மின்சாரம் வெப்பமாக மாறுவது தான். நல்ல மின் கடத்தியினால் செய்யப்பட்ட கருவிகளில் இந்த இழப்பு குறைவாக இருப்பதால், பேட்டரி (battery) நிறைய நேரம் வரும்
(குறிப்பு: செல்போன் பரவலாக வருவதற்கு இதுவும் ஒரு காரணம். பல வருடங்களுக்கு முன்பே செல்போன் தயாரிக்கும் சர்க்யூட்கள் இருந்தன. ஆனால் நல்ல மின் கடத்தியில் ஐ.சி. செய்ய முடியாததால் சாதாரண பேட்டரி சில நிமிடங்களிலேயே காலியாகிவிடும். அதனால் ராணுவம் போன்ற சில நிறுவனங்கள் மட்டும், பெரிய பேட்டரியுடன் கனமான, வாக்கி-டாக்கி (walkie talkie) எனப்படும் கருவிகளை உபயோகித்து வந்தனர். தற்போது வாக்கி-டாக்கியின் உபயோகம் குறைந்து வருகிறது)
எனவே நல்ல முறையில் ஐ.சி. செய்ய பல கோடிக்கணக்கிலான மிகச்சிறிய இணைப்புக் கம்பிகளை உருவாக்கும் தொழில்நுட்பம் தேவை. இக்கம்பிகள் பல தளங்களில் செல்லும் என்பதும், இவற்றை தாமிரத்தில் செய்வது முக்கியம் என்பதும் விளங்குகிறது. இதில் ஒரு விதிவிலக்கு (exception) உண்டு. நேரடியாக டிரான்ஸிஸ்டரைத் தொடும் உலோகக் கம்பிகள் தாமிரத்தால் இருக்காது; டங்க்ஸ்டன் என்ற உலோகத்தால் செய்யப் படும். அதற்குக் காரணம், டிரான்ஸிஸ்டர் மேல் தாமிரம் பட்டால், அது ஊடுருவிச் சென்று (diffusion) டிரான்ஸிஸ்டரின் செயலுக்கு இடையூறு செய்யும். டங்க்ஸ்டன் அவ்வாறு செய்யாது. டங்க்ஸ்டன் கொஞ்சம் சுமாரான மின்கடத்திதான். அதனால் ஓரளவு மின்சார இழப்பு ஏற்படும். இருந்தாலும் வேறு வழி இல்லாததால் கொஞ்சம் ‘விட்டுக்கொடுத்து’ இந்த உடன்பாடு அல்லது ‘காம்ப்ரமைஸ்’ (compromise) நடைமுறையில் உள்ளது.
இந்த உலோகக் கம்பிகளை செய்ய கீழே வரும் முறை பின்பற்றப்படுகிறது.
- முதலில் எல்லா இடத்திலும் சிலிக்கன்-டை-ஆக்ஸைடு (silicon di oxide) என்ற கண்ணாடி (glass) வேதியியல்/ரசாயன முறையில் படிய வைக்கப் (deposit) படுகிறது.
- அதன் மேல் சரியான இடங்களில் துளை ஏற்படுத்தப் படுகின்றன. இதற்கு, ஒரு முகமூடி (mask) தேவைப் படுகிறது. முகமூடியினால் மறைக்கப் படாத இடங்களில், ரசாயனத்தின் மூலம் அரிக்கப்பட்டு துளை போடப்படும். இந்த நிலையில் வரைபடம் கீழே உள்ளது.
- இதன் மேல் உலோகம் (இங்கே டங்க்ஸ்டன்) படிய வைக்கப்படும். இதை துளைகளில் மட்டும் சரியாகப் படிய வைப்பது இயலாது. எனவே எல்லா இடங்களிலும் படிய வைக்க வேண்டும். இது வரைபடத்தில் கொடுக்கப்பட்டுள்ளது.
- பின்னர் அதிமாக இருக்கும் உலோகத்தை மிச்சமின்றி எடுத்துவிட வேண்டும்.
- இந்த டங்க்ஸ்டனுக்கு மேல் மறுபடியும் கண்ணாடியைப் படிய வைத்து, அதில் பள்ளம் தோண்டி, அங்கே தாமிரத்தைப் படிய வைத்து அதிகமாக இருக்கும் தாமிரத்தை எடுத்து விட்டால், ஒரு தளம் தயாராகிவிடும்.
இந்த வழிமுறையைப் பின்பற்றி பல தளங்களை அமைக்கலாம்.
சுருக்கம்/summary: இதுவரை டிரான்ஸிஸ்டரை செய்வது எப்படி, பல டிரான்ஸிஸ்டர்களை இணைப்பது எப்படி என்பதை நாம் பார்த்தோம். இவற்றிற்கு வரையறுக்கும் அல்லது குறிக்கும் முறையும், பொருள்களைப் படிய வைக்கும் முறையும், தேவையற்ற பொருள்களை நீக்கும் முறையும், மாசுக்களை சேர்க்கும் முறையும் தேவை. இணைப்புக் கம்பிகள் தாமிரத்திலேயே பெரும்பாலும் செய்யப்படுகின்றன. டிரான்ஸிஸ்டரைத்தொடும் கம்பிகள் மட்டும் டங்க்ஸ்டனால் செய்யப்படுகின்றன.
அடுத்து இடங்களை ‘வரையறுப்பதற்கு’ லித்தோகிராபி என்ற முறை உபயோகத்தில் இருக்கிறது. அதன் விவரங்களை நான்காவது பகுதியில் பார்க்கலாம். நமக்கு தேவையான பொருளை எப்படி படிய வைப்பது, அதற்கு என்ன வழிமுறைகள் இருக்கின்றன என்பதை ஐந்தாவது பகுதியில் காண்போம். அதிகமான பொருளை நீக்கும் வழிமுறைகளை ஆறாவது பகுதியிலும், மாசுக்களை சேர்க்கும் ‘அயனி பதித்தல்’ என்ற முறையை எட்டாவது பகுதியிலும் விவரமாகப் பார்க்கலாம்.
