מוליכים למחצה

ראשית המיקרואלקטרוניקה בהמצאת הטרנזיסטור, שהחליף את שפופרות הריק ששמשו בתעשיית האלקטרוניקה, ואפשר את תחילתו של מרוץ המיזעור. הטרנזיסטור התבסס על קיומם של חומרים מוליכים למחצה, בעלי תכונות הולכה הנעות בין חומרים מוליכים לבין מבודדים. ניתן לשלוט על תכונות אלו בזמן תהליך הייצור, וכן עד למידה מסוימת בזמן הפעלת המעגל החשמלי. מידותיו המזעריות של הטרנזיסטור איפשרו הקטנה ניכרת בגודלם של מעגלים חשמליים. כמו כן, שיטות הייצור של טרנזיסטורים התפתחו לשיטות של ייצור המוני בעלות נמוכה. כתוצאה מכך, הפך הטרנזיסטור לרכיב זול, זעיר ונפוץ מאד, מה שאפשר את תכנונם וייצורם של מעגלים אלקטרוניים מורכבים ומסובכים יותר, הבנויים ממספר הולך וגדל של טרנזיסטורים. במהלך הזמן החלו תהליכי הייצור להשתכלל לכדי תהליכים המאפשרים לחבר מספר רב של טרנזיסטורים, דיודות, קבלים ונגדים, לחצירת מעגל אלקטרוני מזערי על גבי פרוסת סיליקון מוליך למחצה חד-גבישי, תוך שליטה על כיווניות הגביש ועל ריכוז הפגמים בו (ועל ידי כך שליטה על התכונות החשמליות). מעגלים אלה נקראו מעגלים משולבים (Integrated Circuits) או בקיצור IC. המעגלים המשולבים הראשונים שיוצרו בתעשיית המיקרואלקטרוניקה היו מעגלים פשוטים, המונים עשרות עד מאות טרנזיסטורים. מעגלים אלה נקראים כיום Small Scale Integrated Circuits או בקיצור SSI. גודלם של הטרנזיסטורים הלך וקטןבמהלך השנים ואילו הרכיבים (מעגלים המודפסים) הלכו והתרחבו לידי מספר רב של טרנזיסטורים. כיום, רכיב מיקרואלקטרוניקה יחיד, כדוגמת מעבד, מכיל מאות מיליוני טרנזיסטורים, ולכן רכיב כזה קרוי Very Large Scale Integrated Circuit או בקיצור VLSI. התפתחותם של כלי תכנון ממוחשבים (Computer Aided Design או בקיצור CAD), מאפשרת כיום שילוב של מספר מעבדים (CPU) עם התקני מולטימדיה (כרטיסי קול וכרטיסי מסך) והתקנים נוספים על אותו רכיב VLSI.

הידעת! - צורן (סיליקון) - הסיליקון הוא יסוד שמספרו האטומי 14. יסוד זה זוהה לראשונה על ידי הכימאי אנטואן לבואזיה בשנת 1787. הסיליקון הוא מרכיב עיקרי בזכוכית, מלט, קרמיקה, שבבים האלקטרוניים, ופולימרים על בסיס צורן. זהו אחד החומרים היחידים אשר כיסוד יכול גם להוליך וגם לבודד חשמל. ניתן להפוך את הסיליקון למוליך על-ידי העלאת הטמפרטורה או על-ידי קרינה, ולכן הוא מכונה מוליך למחצה. דרך נוספת לשנות את מוליכות הסיליקון היא על-ידי זיהומו ביסודות אחרים. תכונה זאת של הסיליקון הופכת אותו לחיוני בייצור טרנזיסטורים בתעשיית המיקרואלקטרוניקה - הבסיס לכל סוגי האלקטרוניקה המודרנית.

הסיליקון מתאפיין בכך שבאטום שלו יש 4 אלקטרוני ערכיות. במצב טהור משתף כל אטום סיליקון את 4 אטומי הסיליקון הסובבים אותו באלקטרונים שלו (קשר קוולנטי/שיתופי). כך "מרגיש" כל אטום סיליקון שיש לו 8 אלקטרונים ברמה האלקטרונית החיצונית ביותר, ולכן הוא יציב מבחינה כימית. למעשה, בגלל השיתופיות עם אטומי סיליקון אחרים, כל ארבעת אלקטרוני הערכיות באטום תפוסים ולא יכולים לשמש להולכת זרם חשמלי, מבנה אטומי זה נקרא "קשרים קוולנטיים מושלמים". אנרגיה תרמית יכולה לגרום לניתוק אלקטרון ממקומו, ואז אותו אלקטרון יכול לנוע בחומר ולשמש כמוליך חשמלי. זיהום הסיליקון הטהור ביסודות בעלי 5 אלקטרוני ערכיות יגרום לנוכחות של אלקטרונים חופשיים בחומר. אלו אינם קשורים בקשר קוולנטי חזק, ולכן הם יכולים לנוע בחומר ולהוליך חשמל. שליטה מדויקת בריכוז האטומים הזרים (מזהמים) קובעת את כמות האלקטרונים החופשיים בחומר, וכך את מידת המוליכות החשמלית שלו. חומר כזה שיש לו עקב זיהום עודף אלקטרונים נקרא מוליך למחצה מסוג N (נגטיב), עקב המטען השלילי של האלקטרונים.

מנגד, זיהום הסיליקון הטהור ביסודות בעלי 3 אלקטרוני ערכיות יגרום לחוסר של אלקטרונים בחומר. המקומות בהם חסר אלקטרון נקראים חורים, והם משמשים מקום עבור אלקטרונים אחרים לנוע אליו ובכך מאפשרים הולכה חשמלית. שליטה מדויקת בריכוז המזהמים קובעת את כמות החורים, וכך את מידת המוליכות של החומר. חומר כזה שיש לו חוסר אלקטרונים נקרא מוליך למחצה מסוג P (פוזיטיב, מאחר ועקב המחסור באלקטרונים, מטען החומר הוא כעת חיובי).

מוליכים למחצה

מוליכים למחצה הם חומרים שתכונותיהם החשמליות נעות בין בידוד חשמלי להולכה חשמלית. הניסוי הראשון שנערך בחומר מוליך למחצה בוצע על ידי מייקל פאראדיי בשנת 1833. פאראדיי גילה כי כאשר מחממים כסף גופרתי, התנגדותו החשמלית של חומר זה יורדת בצורה ניכרת. התכונות החשמליות (הולכה חשמלית) של חומר מוליך למחצה משתנות במידה ניכרת כתלות בגורמים כגון טמפרטורה וחשיפה לאור הנראה. מוליך למחצה טהור יהיה מבודד באפס מעלות קלווין (האפס המוחלט) ומוליכותו תגבר ככל שהטמפרטורה שלו תעלה (התנהגות הפוכה למתכות). התכונות החשמליות של חומר מוליך למחצה ניתנות לשינוי כתוצאה מנוכחות כמויות מזעריות של אטומים זרים (מזהמים). תהליך הזיהום של מוליכים למחצה באי-ניקיונות הוא תהליך דיפווזיוני הקרוי "אילוח". בתעשיית המיקרו-אלקטרוניקה מייצרים חד-גביש ענק של צורן (סיליקון - Si), שאותו חותכים לפרוסות דקות (wafers). פרוסת הגביש יחיד של סיליקון מלוטשת מצידה האחד באיכות גבוהה ומצידה האחר באופן גס. הצד המבריק של הפרוסה משמש ליצירת ההתקנים האלקטרונים. על מנת שיהיה ניתן לייצר התקנים איכותיים, חייבת הפרוסה להיות בעלת דרגת ניקיון גבוהה במיוחד, כלומר ריכוז אטומים זרים מזערי (נמוך מחלק אחד למיליון). בנוסף לסיליקון קיימים מוליכים למחצה נוספים, ביניהם הגרמניום, גליום-ארסנייד, אינדיום-פוספט, גליום-ארסנייד-פוספט ועוד.

בתום תהליך הייצור בפאב (חדר נקי ענק המשמש לייצור הרכיבים, תוך שימוש בשיטות כימיות ופיזיקליות שונות, המבוססות על הסרה והוספה של שכבות), מכילה כעת כל פרוסה של סיליקון אלפי רכיבים, שצורתם בדרך-כלל מרובעת, המשמשים בתעשיית המיקרו-אלקטרוניקה לבניית מחשבים. בתום תהליך הייצור בחדר הנקי מופרדים רכיבים אלה על ידי חיתוך הפרוסה במסור יהלום לאורך ולרוחב. כל מרובע כזה מכיל כעת רכיב אחד נקרא פיסת סיליקון (באנגלית die). הרכיבים שהופרדו מהפרוסה עוברים כעת תהליך שנקרא זיווד, שבסופו הם נארזים בתוך אריזה מחומר פלסטי או קרמי, כעת ניתן לחבר את הרכיב לתוך המעגל האלקטרוני. הרכיב הארוז נקרא שבב (Chip) והוא משמש להרכבת מעגלים מודפסים.

הידעת! - אילוח (Doping) - פעולה דיפוזיונית (מעבר חומר), זיהום מכוון של גביש נקי על ידי יסוד אחר. על ידי הוספה של חומרים מהעמודה החמישית בטבלה המחזורית, נוספים אלקטרונים לחומר, ונוצר מצב של עודף אלקטרונים. קשרם של אלקטרונים אלה לאטומים חלש יותר ולכן לאחר עירור תרמי הם מסוגלים להשתחרר, לנוע בחומר ולהעביר זרם חשמלי, חומרים אלו נקראים תורמים (donors). מאידך, על ידי הוספה של יסודות מהעמודה השלישית בטבלה המחזורית, נוצרים קשרים קוולנטיים בהם חסר אלקטרון, חומרים אלו נקראים אקספטורים (acceptors). מחסור בקשר הקוולנטי באלקטרון נקרא חור והוא מתנהג כמו נושא מטען חיובי.

הידעת! - חדר נקי - אזור במפעל למיקרואלקטרוניקה, המשמש לייצור של רכיבים בתעשיית המיקראלקטרוניקה, בו נשמרת רמת ניקיון מאוד גבוהה, זאת מאחר שנוכחות של גרגר אבק בודד עשויה לשנות את תכונות החומר, ובכך לשבש את תהליך יצור השבבים. בחדר נקי קיימת בקרת אקלים הכוללת: מערכות סינון אוויר, בקרת טמפרטורה (^oC 20) ובקרת לחות (45%). תהליכי ייצור של הרכיבי המיוצרים בחדר הנקי מתבסס על מגוון רחב של טכנולוגיות ותהליכים, כולל פוטוליתוגרפיה ותהליכים כימיים ופיזירליים אחרים, ביניהם נידוף, השתלות יונים ואיכול כימי המקנים לחומר תכונות שונות באזורים שונים.

צומת PN הוא חיבור של חומר מסוג N עם חומר מסוג P (למעשה מדובר באותו גביש המזוהם בצורות שונות ולא בשני חומרים שונים המחוברים ביניהם). בצד P של הצומת נושאי המטען החופשיים הם חורים, וריכוזם גבוה הרבה יותר מאשר בצד השני של הצומת. בצד N נושאי המטען החופשיים הם אלקטרונים, וריכוזם גבוה הרבה יותר מאשר בצד השני של הצומת. כאשר נצמיד את החומרים, תתבצע דיפוזיה של אלקטרונים מצד N לצד P ודיפוזיה של חורים מצד P לצד N. בקרבת הצמת, משני צדדיו, מתרחשת רקומבינציה ונשארים רק סיגים מיוננים, כלומר אטומים לא ניטראליים מבחינה חשמלית.

בצד P נותרים סיגים נוטלים הטעונים במטען שלילי ואילו בצד N נותרים סיגים תורמים הטעונים במטען חיובי. אזור זה נקרא אזור המחסור (depletion zone), שכן בגלל תהליכי הגנרציה והרקומבינציה החוזרים ונשנים, נראה שאין בו נושאי מטען. סיגים טעונים אלו יוצרים שדה חשמלי היוצר סחיפה המנוגדת לתהליך הדיפוזיה וכעבור כמה זמן, שני התהליכים מאזנים אחד את השני ונמצאים בשיווי משקל תרמודינאמי.

הידעת! - דיודה - כאשר מוליכי N-type ו-P-type נפגשים מתקבלת התנהגות מאד מעניינת באיזור ה"צומת" (אזור המפגש). דיודה היא למעשה הצורה היישומית הפשוטה ביותר של מוליך למחצה. הדיודה מאפשרת לזרם חשמלי לזרום בכיוון אחד אבל לא בכיוון המנוגד (הדיודה היא למעשה מעין שסתום אלקטרוני), עבור האלקטרונים רכיב הדיודה הוא כביש חד-סיטרי. לדיודה שימושים רבים במעגלים חשמליים.

איך זה עובד? הדיודה בנויה מצומת מפגש בין חומר מסוג P (חוסר אלקטרונים) וחומר מסוג N (עודף אלקטרונים). באזור הצומת משלימים האלקטרונים את החורים ונוצרת שכבה לא מוליכה (מבודדת מבחינה חשמלית). חיבור הדיודה למקור מתח חשמלי בקוטביות חיובית (חיבור הפלוס של הספק אל ה-P) גורמת לדחיית האלקטרונים מהצד השלילי אל החיובי ולדחיית מטענים חיוביים אל צד ה-N. כתוצאה מכך נהרסת שכבת הבידוד, ומתאפשרת הולכה חשמלית של זרם ישר דרך הדיודה. לעומת זאת, חיבור הדיודה למקור מתח בקוטביות הפוכה (חיבור הפלוס של הספק אל ה-N) גורמת למשיכת האלקטרונים מהצד השלילי והרחקתם מהצומת. גם המטענים החיוביים נמשכים אל הקוטב השלילי של מקור המתח ומתרחקים מהצומת. כתוצאה מכך גדל האזור המבודד במרכז הדיודה ולא מתאפשרת הולכה חשמלית.

בתהליך הייצור של מעגלים משולבים, שכבות דקות של חומרים שונים נאכלות ומשוקעות על גבי מצע הסיליקון (ישנו תהליך של הוספה והסרה של שכבות חומר הבונה את הטופוגרפיה של המעגלים המודפסים). בשכבות הללו פותחים, באמצעות תהליך הקרוי פוטוליטוגרפיה, חורים וחלונות המשמשים על מנת לבנות את האזורים שישמשו לבנית המעגלים המודפסים.

פוטוליטוגרפיה הינו התהליך המכיל את השלבים השונים להעתקת הצורה הדרושה אל פני השכבה הדקה, כך שיתאפשר המשך עיבוד השכבה הדקה בתהליכים נוספים כגון: איכול, נידוף, שיקוע ועוד, כחלק מבניית המעגל. בתהליך זה מעתיקים על פני השטח את הקווים והצורות הדרושות לרכיבים. הדיוק הדרוש בתהליך הפוטוליטוגרפיה מגיע לידי ננומטרים.

פוטורזיסט הינו חומר פולימרי הרגיש לאור. כאשר חומר זה נחשף לאור דרך המסכה, הוא משנה את תכונותיו הכימיות באזורי החשיפה (התהליך מזכיר תהליך פיתוח של תמונות מצולמות בחדר חושך). האמצעות כוחות צנטרפוגלים הפוטורזיסט משוטח על השכבה אותה רוצים להאיר. לאחר שיטוח ואפיית הפוטורזיסט בתנור, חושפים את הפיסה עם שכבת הפוטורזיסט לאור אולטרה סגול (UV) דרך מסכה המכילה את הצורה הרצויה. מסיסותם של פוטורזיסטים בחומר מפתח משתנה באזור החשיפה. בשלב הפיתוח ממיסים את חלקי הפוטורזיסט שנחשפו לאור בחומר הקרוי מפתח, כך שבתום תהליך הפיתוח נשארת מוטבעת תמונת המסכה על פרוסת הסיליקון המצופה בפוטורזיסט, באותם אזורים בהם הפוטורזיסט לא הוסר (פוטורזיסט חיובי).

מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות

מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות (MEMS) הינן מערכות המשלבות אלמנטים מכניים כדוגמת גלגלי שיניים, עם רכיבים אופטיים כדוגמת מערכת מראות, ועם רכיבים אלקטרונים כדוגמת דיודות, הללו מיוצרים כולם על מצעי סיליקון בטכנולוגיות של חדר נקי ובממדים של מיקרונים בודדים (אלפית המילימטר). רכיבי MEMS נבנים בטכנולוגיות "מלמעלה למטה", כלומר בשיטות של הסרת חומר, בתהליכים המבוצעים באמצעים מכנים, כימים ואלקטרוכימיים.

שימושים: מדי תאוצה של כריות אויר במכוניות, רכיבים מכניים זעירים כמו מערך מקבילי של מראות זעירות מתכווננות שמשמש למקרני וידאו, חיישנים שונים הממוקמים במדפסות הזרקת דיו, גלגלי כלי רכב (בהם הם מודדים לחץ אוויר) ובמכשירים למדידת לחץ דם.

כיום מחליף ה-MEMS קידומת ועובר ממיקרו לננו -מערכות ננו-אלקטרו-מכניות (NEMS). ייחודן של מערכות אילו אינה רק בשל היותן זעירות יותר ממערכות ה-MEMS, אלא בשל היותן המכונות הזעירות ביותר שניתן לבנות, זאת מאחר והן בקנה מידה מולקולרי. בחקר הננו מדברים במושגים של בנית מערכות "מלמטה למעלה", כלומר התחלת הבניה מהרמה האטומית והמולקולרית והתקבצותם וסידורם של האטומים יחדיו עד למוצר הסופי.

ננו-טכנולוגיות

המילה ננו מקורה ביוונית, ומשמעותה זעיר או ננס. כאשר אנו מדברים על ממדי אורך, הננו-מטר הינו מיליונית המילימטר, או 10-9 מטר). עולם הננו הוא עולמם של וירוסים ומולקולות הדנ"א.

תחומי ה-MEMS (מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות) והננו כדיסיפלינות מדעיות נולדו באופן רעיוני כאשר פרופ' ריצ'רד פיינמן, הפיסיקאי היהודי הנודע, נתן בשנת 1959 הרצאה במכון CalTech, שכותרתה: "יש עוד שפע מקום בתחתית". במהלך אותה ההרצאה טען פיינמן כי בעתיד ניתן יהיה לבצע מניפולציות באטומים בודדים, וכי חולה לא ינותח עוד בידי אדם, אלא יבלע "רובוט זעיר" שישוטט וינווט בגופו לשם ביצוע המשימה הרפואית.

ייחודה של טכנולוגית הננו בכך שמחד היא קטנה דיה למזער רכיבים באופן משמעותי, אך מאידך גודלה מאפשר עדיין לייצר רכיבים ולאגור אינפורמציה. בעת הנוכחית מדברים בחקר הננו במושגים של בנית מערכות "מלמטה למעלה" - בשונה מטכנולוגית ה-MEMS, כלומר התחלת הבניה מהרמה האטומית והמולקולרית והתקבצותם וסידורם של האטומים יחדיו עד למוצר הסופי. כיום לבצע מניפולציות על מולקולות ואף על אטומים בודדים, לנתקם מפני השטח ולהזיזם ממקומם, באופן שיאפשר להרכיב מערכות זעירות כדוגמת מנועים, זאת באמצעות טכנולוגיות מתקדמות כגון שימוש במיקרוסקופ מנהור סורק (STM). נשמע כמו "מדע בדיוני", אך לעיתים המציאות עולה על כל דמיון.

הידעת! - ריצ'רד פיינמן (1918 - 1988) - פיזיקאי אמריקאי ממוצא יהודי אשר כשותף ב"פרויקט מנהטן" לקח חלק בפיתוחה של הפצצה האטומית. בשנת 1965 זכה פיינמן בפרס נובל לפיזיקה על עבודתו התיאורטית בפיתוח אינטגרל מסלול בתחום המכניקה הקוואנטית. פרופסור ריצ'רד פיינמן, שהיה אדם כריזמטי ורב כישרונות, תרם משמעותית לפיתוחה של תורת האלקטרודינמיקה הקוונטית. בנוסף, עמד פיינמן בראש הצוות המדעי בוועדת רוג'רס שחקר את הנסיבות שהביאו לאסון מעבורת החלל צ'לנג'ר בשנת 1986. מסקנתו של פיינמן הייתה שאטם גומי מסוג וויטון, שהפך פריך כתוצאה משינויי טמפרטורה, הוא שהביא לדליפת דלק בין מכלי הדלק של המעבורת וגרם לפיצוצה של המעבורת מיד לאחר המראתה. חקירת האסון והפוליטיקה שעמדה מאחוריה מתוארות באופן נרחב, ביקורתי ומרתק בספרו של פיינמן (שתורגם לעברית על-ידי עמנואל לוטם) "מה אכפת לך מה חושבים אחרים?"

• קיימת מידת סיבוכיות גדולה בבניית רכיבים בסדר גודל ננומטרי, זאת בעקבות המזעור, מורכבות, עלות והזמן הנדרשים לשם ייצור והרכבת הרכיבים הננומטריים.

• הממדים הקטנים מצריכים לקיחת גורמים חדשים בחשבון, שכן פגם בסדר גודל של אטום בודד עשוי ברכיבים ננומטרים לשנות לחלוטין את תכונות החומר.

• ככל שהרכיב קטן יותר, כך עולה מספרם היחסי של האטומים בפני השטח ביחס לאילו שבנפח, דבר המשפיע על תכונות החומר.

• ברכיבים בסדרי גודל של ננו ישנה חשיבות רבה לכוחות חשמליים, מגנטיים, אינטרקציה בין אלקטרונים, כוחות קפילריים, ופגמים בפני השטח.