Elimizdeki akıllı telefonlarda milyarlarca transistör var. Peki, insan saçından binlerce kat daha ince olan bu devreler silikonun üzerine tek tek elle mi çiziliyor? Elbette hayır.
Cevap, kelime anlamı "Işıkla Taş Üzerine Yazmak" olan Fotolitografi teknolojisidir. Bu süreç, modern elektronik dünyasının temel taşıdır. Eğer fotolitografi olmasaydı, bugün hala oda büyüklüğünde bilgisayarlar kullanıyor olurduk.
Bu yazıda, çiplerin nasıl "basıldığını" ve bu süreçte kullanılan o sihirli kimyasal malzemeyi, yani fotodirençleri inceliyoruz.
Fotolitografiyi anlamak için eski usul fotoğraf banyosunu düşünün. Bir filmi ışığa tutarsınız, ışık alan yerlerin kimyası değişir ve banyo yaptığınızda görüntü ortaya çıkar.
Çip üretiminde de süreç neredeyse aynıdır:
Tuval: Saf bir silikon plaka (Wafer).
Boya: Işığa duyarlı özel bir kaplama (Fotodirenç).
Fırça: Çok yüksek enerjili Lazer veya UV ışığı.
Şablon: Devre desenlerinin çizili olduğu cam plaka (Maske).
Işık, maskenin içinden geçer ve silikon üzerindeki kimyasalı yakar. Tıpkı bir şablon kullanarak duvara sprey boya sıkmak gibidir; ama burada boyadığımız çizgiler virüslerden bile küçüktür.
Bu sürecin en kritik oyuncusu, ışığı gördüğünde kimyasal yapısını değiştiren Fotodirenç adlı polimer malzemedir. Işığa verdiği tepkiye göre ikiye ayrılır ve çip tasarımcıları ihtiyaçlarına göre bu ikisi arasında seçim yapar:
Endüstride en yaygın kullanılan türdür.
Nasıl Çalışır? Bu malzeme normalde sert ve çözünmezdir. Ancak UV ışığına maruz kalan bölgelerdeki kimyasal bağlar kopar ve malzeme yumuşar.
Sonuç: Banyo aşamasında, ışık gören yerler eriyip akar, ışık görmeyen (maskelenmiş) yerler silikon üzerinde kalır.
Avantajı: Çok daha yüksek çözünürlük sağlar. En küçük ve hassas detaylar (CPU transistörleri gibi) genellikle pozitif dirençle yapılır.
Pozitifin tam tersi prensiple çalışır.
Nasıl Çalışır? Işık gören bölgelerdeki moleküller birbirine kenetlenir (polimerize olur) ve sertleşir. Işık görmeyen yerler ise yumuşak kalır.
Sonuç: Banyo yapıldığında, ışık görmeyen yerler akar gider, ışık gören yerler sert bir tabaka olarak kalır.
Avantajı: Yüzeye daha iyi yapışır ve kimyasallara karşı daha dayanıklıdır, ancak çözünürlüğü pozitife göre biraz daha düşüktür.
Bir silikon plakanın transistöre dönüşmesi için şu adımlardan geçmesi gerekir:
Hazırlık ve Kaplama: Silikon plaka tertemiz yapılır ve üzerine sıvı haldeki fotodirenç damlatılır. Plaka hızla döndürülerek (Spin Coating) malzemenin her yere eşit ve mikron inceliğinde yayılması sağlanır.
Pozlama (Exposure): Maske (Reticle) araya konur ve UV ışığı gönderilir. Işık, maske üzerindeki devre desenini fotodirenç tabakasına "kopyalar".
Geliştirme (Development): Plaka özel bir çözücü kimyasala batırılır. Kullanılan direnç türüne göre (pozitif veya negatif) yumuşak kısımlar sökülüp atılır. Geriye sadece istenen desen kalır.
Aşındırma (Etching): Asıl iş şimdi başlar. Plaka asit veya plazma banyosuna sokulur. Fotodirenç ile korunan yerler sağlam kalırken, açıkta kalan silikon kısımlar oyulur.
Temizlik: İş bittiğinde kalan fotodirenç tabakası tamamen sökülür. Altta artık silikonun kendisine oyulmuş kalıcı bir devre deseni vardır.
Bu işlem, bir işlemci üretilirken katman katman (bazen 50-60 kez) tekrarlanır.
Günümüzde transistörler o kadar küçüldü ki (3 nanometre, 2 nanometre), kullandığımız ışığın dalga boyu bile "kalın" gelmeye başladı. Kalın uçlu bir keçeli kalemle incecik bir detay çizemezsiniz.
Bu yüzden endüstri, EUV (Extreme Ultraviolet) adı verilen ve üretmesi inanılmaz zor olan çok kısa dalga boylu ışık teknolojisine geçti. Bu teknoloji ve ona uygun geliştirilen yeni nesil fotodirençler, Moore Yasası'nın devam etmesini sağlayan yegane güçtür.
Fotolitografi, insanlık tarihinin geliştirdiği en hassas üretim tekniğidir. Kumdan (silikondan) süper bilgisayarlar yaratmamızı sağlayan bu süreç, ışığın ve kimyanın mükemmel dansıdır. Cebinizdeki telefonun her bir işleminde, o ışığa duyarlı polimerlerin, yani fotodirençlerin imzası vardır.
