میکروالکترونیک زیر شاخه ای از مهندسی الکترونیک است. همانطور که از نام آن پیداست، میکروالکترونیک به مطالعه و ساخت طرح‌ها و قطعات الکترونیکی بسیار کوچک مربوط می‌شود.مثلا در حدود میکرومتر یا حتی نانو تر . این دستگاه ها از مواد نیمه هادی ساخته می شوند. بسیاری از اجزای یک طراحی الکترونیکی معمولی در یک معادل میکروالکترونیک موجود است. مثلا ترانزیستورها، خازن‌ها، سلف‌ها، مقاومت‌ها، دیودها و (به طور طبیعی) عایق‌ها و هادی‌ها همگی در دستگاه‌های میکروالکترونیکی یافت می‌شوند. اتصالات بین قطعات نیز بدلیل اندازه کوچک آنان ، به تجهیزات تخصصی نیاز دارد و گران است.

۱)مقدمه

دستگاه های میکروالکترونیکی برای زندگی ما بسیار مهم هستند. آنها برای راه اندازی کسب و کار ها، کمک به ردیابی شیوع بیماری، رساندن برق به خانه ها از طریق شبکه برق و انجام تحقیقات علمی برای مبارزه با چالش های بزرگ مانند بحران آب و هوا ضروری هستند. در جهان امروز تولید انواع رایانه ها، تجهیزات مخابراتی، تلفن های همراه، خودروها، لوازم خانگی، سامانه های دفاعی، محصولات حوزه هوافضا و رباتیک به شکل فزایند های به ریزتراشه ها و به تعبیر دیگر صنعت میکروالکترونیک و نیمه هادیها وابسته است. به همین دلیل نقش آفرینی در این صنعت برای بسیاری از کشورها از جمله ایران اهمیتی راهبردی دارد.

بلوک سازنده هر دستگاه میکروالکترونیکی ترانزیستور است که در دهه 1940 اختراع شد. ترانزیستورها می توانند تقریباً به صورت آنی جریان الکتریکی را روشن و خاموش کنند. (صفر و یک).

۲) تاریخچه میکرو الکترونیک

با اختراع و توسعه ترانزیستور در امپراطوری پروس و آلمان نازی و سپس انتقال دانش آن به ایالات متحده آمریکا پس از جنگ جهانی دوم گام ابتدایی صنعت میکروالکترونیک برداشته شد.

دولت آمریکا فیزیکدان برجسته ای به نام ویلیام شاکلی را مأمور توسعه ترانزیستور در  آزمایشگا ه بل نمود. شاکلی و گروه تحقیقاتی او به نتایج موفقیت آمیزی دست پیدا

کردند که نوبل فیزیک سال 1956 را برای او و جان باردین و والتر برتن به همراه داشت. سپس برخی از محققان و متخصصان این گروه از آزمایشگاه جدا شدند و شرکت فرچایلد را تأسیس نمودند. اولین مشتریان این شرکت سازمان ناسا و نیروی هوایی ارتش ایالات متحده آمریکا بودند. ناسا برای سامانه هدایت سفینه آپولو که قرار بود به ماه سفر کند، به ریزتراشه نیاز داشت و نیروی هوایی آمریکا نیز از ریزتراشه برای هدایت موشک بالستیک قاره پیمای مینتمن 2 استفاده کرد.
با تزریق حجم زیادی از پول توسط صنعت هوافضای آمریکا به شرکت فرچایلد، صنعت میکروالکترونیک و تولید ریزتراشه در آمریکا به بلوغ رسید و شاید بتوان گفت امروزه مهمترین صنعت این کشور است.

دولت آمریکا به دلایل مختلفی از جمله آلودگی های زیست محیطی، بهداشتی و تلاش برای استفاده از نیروی کار ارزان و سود اقتصادی بیشتر، تصمیم به برونسپاری بخشی از زنجیره ارزش صنعت میکروالکترونیک که اهمیت راهبردی کمتری دارد، مانند بخش بسته بندی گرفت. آمریکا گزینه هایی مانند هند، هنگ کنگ، تایوان، سنگاپور و مالزی را برای تعیین کشور مقصد در نظر داشت. مشکلات ساختار حکومتی و دولتی هند بسیار زیاد بود و همچنین با توجه به الحاق هنگ کنگ به چین، سرمایه گذاری خارجی در صنایع پیشرفته این کشور کاهش یافت و مالزی نیز به دلیل مسلمان بودن و سنگاپور به دلیل کمبود زمین کنار گذاشته شدند. مجموع این دلایل باعث شد در نهایت تایوان به عنوان گزینه مناسب توسط دولت آمریکا انتخاب شود. امروزه TSMC بزر گترین تولیدکننده ریزتراشه در دنیا، در تایوان قرار دارد و صنعت میکروالکترونیک
بزر گترین صنعت این جزیره است.

ژاپنی ها که از ابتدا در توسعه ترانزیستور نقش داشتند و اهمیت میکروالکترونیک را درک کرده بودند و همچنین با توجه به تمرکز بخشی از زنجیره ارزش صنعت ریزتراشه در شرق آسیا، سرمایه گذاری برای پیشرفت این صنعت را طی این سالیان ادامه دادند. صنعت ریزتراشه در ژاپن به مرحله ای از شکوفایی رسید که باعث شد در سالهای واپسین دهه هشتاد میلادی، سهم این کشور از تولید ریزتراشه جهانی به بیش از 50 درصد برسد و شرک تهای ژاپنی مانند فوجیتسو ، هیتاچی ، میتسوبیشی  و توشیبا  دوران طلایی خود را سپری کنند. این دوران طلایی پایدار نبود و ژاپن بخش بزرگی از قدرت خود در این صنعت را از دست داد.

همزمان با افول ژاپن، کره جنوبی در کنار تایوان با توجه به انتقال فناوری از ایالات متحده به این کشور توانست رشد چشمگیری را در صنعت ریزتراشه تجربه کند.سامسونگ، غول فناوری این کشور، در حال حاضر از بزر گترین طراحان و تولیدکنندگان ریزتراشه است و کارخان ههای ساخت ریزتراشه بسیاری در کره جنوبی و آمریکا احداث کرده است.

دولت چین نیز با توجه به اهمیت میکروالکترونیک در صنایع مختلف سرمای هگذاری بسیار زیادی را در این زمینه انجام داد و در طی بیست سال چین را به صف اول تولیدکنندگان و طراحان ریزتراشه رساند. شرکت چینی SMIC که در سال 2000 میلادی تأسیس شد و از سال 2008 به طور جدی توسط دولت چین حمایت می‌شود، اکنون ریزتراشه هایی با فناوری روز دنیا تولید می‌کند که در پیشرفته ترین تلفن های همراه شرکت هوآوی به کار برده می‌شوند. چین بزرگترین تولیدکننده انواع سامانه های الکترونیکی است و به همین دلیل حدود 50 درصد از ریزتراشه های جهان را مصرف می‌کند؛ اما حدود 20 درصد از ریزتراش ههای جهانی را تولید می‌کند و بقیه از طریق واردات تأمین می‌شوند.

۳)زنجیره ارزش صنعت میکروالکترونیک

می‌دانیم زنجیره ی ارزش یک صنعت مجموعه ای از فرایندها را توصیف می‌کند که به منظور تبدیل ورود یهای اقتصادی به خروج یهای مدنظر در آن صنعت انجام می‌شوند. زنجیره ی ارزش صنعت نیمه هادی بسیار پیچیده است. برخی شرکتهای فعال در این زنجیره نق شهای متنوعی را ایفا م یکنند و برخی دیگر بسیار تخصصی هستند؛ اما هیچ شرکت و حتی هیچ کشور واحدی به تنهایی قادر به ایفای تمام نقش های مورد نیاز برای تولید نیمه هادیها نیست.

امروزه فرآیند ساخت نیمه هادی ها عموماًً با طراحی مدارها در دفاتر طراحی آغاز می‌شود. به دفاتر طراحی اصطلاحاًً «فب لس» نیز گفته می‌شود. در این مرحله، طرحی از معماری یک تراشه به منظور بهینه سازی 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 تراشه ها از نرم افزارهای خودکارسازی طراحی الکترونیکی (EDA) استفاده می‌شود که به کمک آنها برهمکنشهای اجزای یک تراشه مدیریت می‌شود. طراحی تراشه ها به صورت بلوک بلوک انجام می‌شود. پس از اتمام مرحله ی ابتدایی، طرح آماده شده تراشه برای کارخانه ی تولید نیمه هادیها ارسال می‌شود که به آن اصطلاحاًً «فب» نیز گفته می‌شود. این نوع کارخانه ها با استفاده از تعداد بسیار زیاد و متنوعی از تجهیزات صنعتی و مواد شیمیایی تراشه ها را با لایه نشانی قطعات مختلفی همچون ترانزیستورها، خازنها، مقاومت ها و غیره روی ویفر، تولید می‌کنند. انجام این کار مستلزم کنترل گسترده و دقیقی بر روی فرآیند تولید با استفاده از نرم افزارهای تولید و تجهیزات بسیار پیشرفته و حساس است. فرآیندهای تولیدی انجام شده در این کارخانه ها به دو دسته ی مرحله ی پیشین خط (FEOL) و مرحله ی پسین خط (BEOL) تقسیم می‌شوند.
مرحله ی پیشین خط (FEOL) قسمت ابتدایی تولید است که ایجاد زیرساخت و لایه نشانی اجزا بر روی ویفر انجام می‌شود؛ سپس در مرحله ی پسین خط (BEOL) اتصالات فلزی بین اجزای مختلف مدار برقرار می‌شود.

ادامه دارد...

منابع :

https://www.anl.gov/

https://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page

پژوهشکده سیاست گذاری دانشگاه صنعتی شریف

https://scitechdaily.com/