اتصالات میانی مدارهای مجتمع، چالشی دیگر برای نانو الکترونیک!)

[SURENA]

1. مقدمه
   همان طور که می‌دانیم مدارهای مجتمع امروزی از تعداد بسیار زیادی ترانزیستور تشکیل می‌شوند. نقش ترانزیستور در ساخت مدارهای مجتمع همانند نقش آجر در بنای یک ساختمان است. یعنی همان گونه که بنای یک ساختمان با کنار هم قرار گرفتن تعداد بسیار زیادی آجر انجام می‌پذیرد، ساخت یک مدار مجتمع نیز با اتصال تعداد بسیار زیادی ( مثلا چند میلیون! ) ترانزیستور انجام می‌گیرد. به همان ترتیب که برای اتصال آجرها در یک ساختمان به مصالح ساختمانی دیگری نظیر شن و ماسه و سیمان نیاز داریم، برای برقراری اتصالات ترانزیستورها هم به سیم‌های فلزی که خواص رسانایی الکتریکی دارند، احتیاج است. سیم‌های فلزی که اتصالات داخلی ترانزیستورها را برقرار می‌کنند، اتصالات میانی یا interconnects می‌نامیم.

شکل۱- برای اتصال آجرها در یک ساختمان به مصالح ساختمانی دیگری نظیر شن و ماسه و سیمان نیاز داریم شکل۲- برای برقراری اتصالات ترانزیستورها هم به سیم‌های فلزی که خواص رسانایی الکتریکی دارند، احتیاج است در اولین نسل‌های مدارهای مجتمع به دلیل بزرگی ابعاد ترانزیستورها و تبعا تعداد کم ترانزیستورها در مدار مجتمع، اتصالات میانی از پیچیدگی بسیاری برخوردار نبودند. اما به تدریج با کوچک‌تر شدن ابعاد ترانزیستورها و افزایش تعداد آن‌ها در مدارهای مجتمع، اتصالات میانی آن‌ها نیز بیش‌تر شد و نقش آن‌ها در طراحی مدارهای مجتمع بیش از گذشته با اهمیت گردید. پیچیدگی، گستردگی و افزایش تعداد اتصالات میانی به تدریج تا آن جا پیش رفت که پژوهشگران را با چالش جدی در طراحی و ساخت مدارهای مجتمع روبرو ساخت. پژوهشگران راه حل کاهش پیچیدگی اتصالات میانی را در فرآیند طراحی و سپس فرآیند ساخت، در چند لایه کردن اتصالات میانی یافتند. یعنی آن‌ها سعی می‌کردند همه‌ی اتصالات میانی را در یک لایه قرار ندهند، بلکه در بیش از یک لایه طراحی کنند و بسازند. بدین ترتیب در حالی که مدارهای مجتمع در سال ۱۹۸۵ فقط شامل یک لایه اتصالات میانی بودند، در سال ۲۰۰۰ تعداد لایه‌های اتصالات میانی فلزی به عدد ۵ رسید و هم اکنون در فناوری‌های جدید تعداد لایه‌های اتصالات میانی بیش از ۸ می‌باشد.
شکل۳- پژوهشگران راه حل کاهش پیچیدگی اتصالات میانی را در فرآیند طراحی و سپس فرآیند ساخت، در چند لایه کردن اتصالات میانی یافتند (الف- تصویر شماتیک و ب- تصویر واقعی) لذا از آن جایی که عملکرد مدارهای مجتمع پیشرفته‌ی امروزی به کیفیت اتصالات میانی بسیار وابسته است، فرآیند طراحی و ساخت اتصالات میانی جایگاه مهم و خاصی را در صنعت ساخت مدارهای الکتریکی مجتمع پیدا کرد.

1. اتصالات میانی فلزی
   در فناوری امروزی، اتصالات میانی معمولا از فلز مس (Cu) ساخته می‌شود. طول این اتصالات در یک مدار مجتمع به دلیل زیاد بودن تعداد ترانزیستورها، به کیلومترها می‌رسد! در گذشته اتصالات میانی را از فلز آلومینیوم (Al) می‌ساختند اما آلومینیوم در فناوری‌های امروزی در دمای بالای فرآیند ساخت، ذوب می‌شود. بنابراین امروزه استفاده از مس جایگزین استفاده از آلومینیوم شده است. به منظور پرهیز از افزایش مقاومت الکتریکی اتصالات میانی و نیز رعایت مسائل دیگر، قطر این اتصالات را نمی‌توان از حد معینی کوچک‌تر کرد. کوچک کردن قطر اتصالات میانی موجب افزایش مقاومت الکتریکی اتصالات میانی فلزی و بنابراین افزایش دمای مدار مجتمع می‌شود که اتفاق خوبی نیست. چرا که این افزایش دما، موجب ذوب شدن یا حتی تبخیر شدن اتصالات میانی می‌شود. البته در شرایط فعلی هم مقاومت الکتریکی اتصالات میانی موجب مصرف توان الکتریکی زیادی در مدار مجتمع می‌شود که این هم اتفاق خوبی نیست. مشکلات و مسائل اتصالات میانی فلزی با حرکت به سمت فناوری‌های کوچک‌تر، مخصوصا فناوری نانو، بیش‌تر می‌شود و پژوهشگران الکترونیک را برای حل این مسائل به فکر فرو می‌برد.
2. نانو لوله‌های کربنی، یک جایگزین مناسب؟!
   نانو لوله‌های کربنی بسته به کایرالیتی‌شان، دارای خواص نیمه‌رسانایی یا رسانایی هستند (اگر مفهوم کایرالیتی را نمی‌دانید می‌توانید به مقاله‌ی دوم ساختار نانو لوله‌های کربنی که در سایت قرار دارد، مراجعه کنید). تفاوت در میزان رسانایی الکتریکی نانو لوله‌های کربنی به راحتی از خواص صفحه‌ی گرافنی به دست می‌آید. دانشمندان نشان دادند که هر گاه در نانو لوله‌ی (n,m)، رابطه ی n=m یا n-m=3i برقرار باشد، به طوری که در آن i یک عدد صحیح و (n,m) بردار تعریف کننده‌ی نانو لوله است، آن گاه نانو لوله دارای خواص فلزی خواهد شد (اگر با مفاهیمی که در این پاراگراف درباره‌ی نانو لوله‌های کربنی مطرح شد آشنا نیستید، می‌توانید به مقالات نانو لوله‌های کربنی که در سایت قرار دارد، مراجعه کنید). میزان مقاومت الکتریکی نانو لوله‌های کربنی هم از طریق قوانین مکانیک کوانتومی به دست می‌آید و مستقل از طول نانو لوله است.
   نانو لوله‌های کربنی که خواص رسانایی دارند، جریان الکتریکی را بهتر از فلزات عبور می‌دهند. هنگامی که الکترون‌ها در فلز حرکت می‌کنند مقداری مقاومت الکتریکی در برابر حرکت آن‌ها وجود دارد. این مقاومت هنگامی اتفاق می‌افتد که الکترون‌ها به طور تصادفی با اتم‌های فلزی برخورد می‌کنند. اما هنگامی که الکترون‌ها از یک نانو لوله‌ی کربنی عبور می‌کند، بدون هر گونه برخورد با اتم‌های کانال عبور می‌کنند. این حرکت کوانتومی الکترون‌ها را در نانو لوله‌های کربنی، در اصطلاح انتقال بالستیک می‌گوییم.

شکل ۴- از آن جایی که نانو لوله‌های کربنی تک جداره (SWCNTs) و نانو لوله‌های کربنی چند جداره (MWCNTs) توانایی رسانایی جریان الکتریکی با چگالی زیاد را دارند، به صورت خاص می‌توانند به عنوان اتصالات میانی مدارات الکتریکی مجتمع مورد استفاده قرار بگیرند

از آن جایی که نانو لوله‌های کربنی تک جداره (SWCNTs) و نانو لوله‌های کربنی چند جداره (MWCNTs) توانایی رسانایی جریان الکتریکی با چگالی زیاد را دارند، به صورت خاص می‌توانند به عنوان اتصالات میانی مدارات الکتریکی مجتمع مورد استفاده قرار بگیرند. هم اکنون پژوهش‌های بسیاری برای این منظور انجام شده است و در حال انجام است که به نتایج مورد پذیرشی نیز رسیده‌اند. مخصوصا استفاده از نانو لوله‌های کربنی در اتصالات میانی کوتاه بسیار مورد توجه قرار گرفته است. با توجه به این که حدود ۷۰ درصد توان الکتریکی مدارهای مجتمع در اتصالات میانی مصرف می‌شود و بخش قابل توجهی از این توان در اتصالات میانی کوتاه مورد مصرف قرار می‌گیرد، با جایگزین کردن اتصالات میانی فلزی با نانو لوله‌های کربنی می‌توان مصرف توان الکتریکی را نیز در مدارهای الکتریکی مجتمع کاهش داد.

1. نتیجه
   هم اکنون پژوهشگران الکترونیک، پژوهش‌های بسیاری را برای بررسی جایگزینی اتصالات میانی فلزی با نانو لوله‌های کربنی انجام می‌دهند. در همین راستا بررسی خواص الکتریکی نانو لوله‌های کربنی تک جداره و چند جداره نیز با سرعت بسیاری در حال انجام است. شاید بتوان گفت مهم‌ترین چالش در این جایگزینی، ساخت نانو لوله‌های کربنی استاندارد است. همان طور که در مقاله‌ی نانو الکترونیک ۱۳ نیز بیان کردیم، خواص نانو لوله‌های کربنی بسیار متاثر از فرآیند ساخت است و آن چه اندیشه‌ی پژوهشگران را مشغول و تلاش آنان را معطوف به خود کرده، تلاش به منظور کنترل بهینه‌ی خواص نانو لوله‌های کربنی در فرآیند ساخت است. همچنین تصفیه‌ی نانو لوله‌های کربنی از ناخالصی‌هایی که هنگام فرآیند ساخت، در آن رشد می‌کند، نیز بسیار مورد توجه قرار دارد.