Fabricarea unui circuit integrat

Fabricarea unui circuit integrat

Dispozitivul fundamental al lumii digitale este circuitul integrat, o mica piesa de forma patrata de siliciu continand milioane de tranzistoare. Este probabil cel mai complex dispozitiv creat de om. Desi pare plat, este de fapt o structura tridimensionala creata prin construirea in cel mai mic detaliu pe baza de siliciu a catorva straturi forte subtiri de materiale care izoleaza si conduc electricitatea. Asamblate conform unui tipar care a fost conceput cu foarte mare grija in avans, aceste straturi formeaza tranzistorele, care functioneaza ca intrerupatoare care controleaza fluxul de electricitate prin circuit, cunoscut si sub numele de cip. Pozitiile "pornit" si "oprit" ale intrerupatorului manipuleaza codul binar care este miezul functionarii calculatorului.

Constructia in sine a unui cip necesita, de obicei, cateva sute de pasi de fabricare care dureaza cateva saptamani. Fiecare pas trebuie executat perfect pentru ca cip-ul sa functioneze. Conditiile sunt foarte stricte. Spre exemplu, deoarece un fir de praf poate distruge cip-ul, fabricarea trebuie sa aiba loc intr-o "camera curata" care contine mai putin de 25 de submicroni de particule de praf intr-un metru cub de aer (in contrast, camera de zi are intre doua milioane si douazeci de milioane de particule intr-un metru cub de aer). Mare parte din echipamentul necesar pentru crearea cip-urilor admite cea mai inalta dintre tehnologiile inalte, astfel incat fabricile de cip-uri, care costa intre un miliard si doua miliarde de dolari, sunt printre cele mai costisitoare intreprinderi.

Tehnologia de baza a fabricarii cip-ului este procesul "planar" proiectat in 1857 de Jean Hoerni de la Fairchild Semiconductor. Acesta furniza mijloacele de creare a unei structuri cu straturi a bazei de silicon a unui cip. Aceasta tehnologie a fost pivotul in aparitia circuitului integrat in 1958 de catre Robert N. Noyce. Legatura intre tranzistoare si circuitul integrat a fost tehnologia planara care a deschis drumul catre procesul de fabricare conform caruia se construiesc astazi cip-urile. Sutele de pasi individuali din acest proces pot fi grupati in cateva operatii de baza.

Proiectarea cip-ului

Prima operatie este proiectarea cip-ului. Cand ai de construit milioane de tranzistoare pe o pastila de siliciu de dimensiunea unghiei unui copil, plasarea si interconectarea tranzistoarelor trebuie lucrata meticulos. Fiecare tranzistor trebuie proiectat pentru functia proprie, si se combina grupuri de tranzistoare pentru a crea elemente de circuit cum ar fi invertoarele, sumatoarele si decodoarele. Proiectantul trebuie sa ia de asemenea in consideratie scopul pentru care a fost proiectat cip-ul. Un cip de procesor executa instructiunile dintr-un calculator iar cipul de memorie stocheaza datele. Cele doua tipuri de cip-uri difera oarecum in structura. Din cauza complexitatii cip-urilor din ziua de astazi, munca de proiectare este realizata de un calculator, desi inginerii printeaza adesea o diagrama marita a structurii cip-ului pentru a o examina in detaliu.

Cristalul de siliciu

Materialul de baza pentru constructia unui circuit integrat este cristalul de siliciu. Siliciul, elementul cel mai abundent pe pamant dupa oxigen, este ingredientul principal al nisipului de plaja. Siliciul este un semiconductor natural, ceea ce inseamna ca poate fi alterat pentru a deveni fie izolator, fie conductor. Pentru a obtine cristalul de siliciu, siliciul-"minereu" este obtinut din cuart si este tratat cu chimicale pentru elimina impuritatile pana cand ceea ce ramane este aproape 100% siliciu. Siliciul purificat este topit si apoi transformat in cristale de forma cilindrica numite lingouri. Lingourile sunt feliate in membrane de circa 0,725 mm grosime. Intr-unul din pasi, numit planarizare sunt lustruite pana cand capata o suprafata fina ca o oglinda si fara cusur. In prezent, majoritatea acestor membrane au un diametru de 200 mm, dar industria doreste obtinerea unui diametru standard de 300 mm. Deoarece o singura membrana produce sute de cip-uri, membrane mai mari inseamna ca mai multe cip-uri pot fi produse, scazand costul de productie.

Primele straturi

Cand membrana este pregatita, procesul constructiei circuitului cip-ului incepe. Crearea tranzistoarelor si interconectarea lor cuprinde cativa pasi de baza care se repeta de mai multe ori. Cele mai complexe cip-uri create astazi contin 20 sau mai multe straturi si pot necesita cateva sute de pasi de procesare distincti pentru crearea acestora una cate una.

Primul strat este dioxidul de siliciu, care nu conduce electricitatea si, drept urmare, serveste ca izolator. Este creata prin suprapunerea straturilor pe un cuptor de difuziune, care este de fapt un cuptor la temperatura inalta unde un strat subtire de oxid este crescut pe suprafata membranei.

Inlaturata de pe cuptor, membrana este acum gata pentru primul sau pas de creare a unui tipar, asa zisul pas fotolitografic. O patura de lichid polimeric usor vascos numit fotorezistent, care devine solubil cand este expus la lumina ultravioleta, este depus pe suprafata. Se depune o cantitate precisa de fotorezistent pe suprafata membranei. Apoi membrana este supusa unei miscari de rotatie, astfel incat forta centrifuga imprastie lichidul pe suprafata acesteia formand un strat de grosime uniforma. Aceasta operatie are loc pe fiecare strat care este modificat de o procedura fotolitografica, numita mascare.

Mascarea

Masca este dispozitivul prin care lumina ultravioleta lumineaza pentru a defini tiparul pe fiecare strat al cip-ului. Deoarece tiparul este deosebit de complex si trebuie sa fie pozitionat precis pe cip, aranjamentul spatiilor opace si transparente pe masca trebuie realizat cu foarte mare grija in timpul operatiei de proiectare a cipului.

Imaginea mastii este transferata pe membrana folosind un aparat controlat de calculator. Acesta are un sistem complicat de lentile care reduce tiparul de pe masca la dimensiunile microscopice ale circuitelor cip-ului, necesitand o rezolutie de pana la 0 microni. Membrana este mentinuta pe o masa de pozitionare dedesubtul sistemului de lentile. Lumina ultravioleta de la o lampa speciala sau de la un laser trece prin spatiile libere ale tiparului complex al mastii pe stratul fotorezistent al unui cip. Apoi masa de sub lentile misca membrana o distanta precisa necesara pentru pozitionarea cip-ului sub lumina. Pe fiecare cip, componentele stratului fotorezistent care au fost lovite de lumina devin solubile si pot fi, asemenea unui film fotografic, "developate", folosind solventi naturali. Dupa ce fotorezistentul capata tiparul, membrana este gata pentru imprimare.

Imprimarea

In timpul acestui pas, fotorezistentul care a ramas pe suprafata protejeaza parti ale straturilor de dedesubt de a fi inlaturate de acizii si gazele reactive folosite pentru a imprima tiparul pe suprafata membranei. Dupa ce imprimarea se sfarseste, stratul protector de fotorezistent este inlaturat, evidentiind astfel segmente conductoare sau izolatoare electric pe tiparul determinat de masca. Fiecare strat aditional asezat pe cip are un tipar distinct.

Adaugarea straturilor

Mascarea si imprimarea ulterioara depoziteaza tiparele materialelor aditionale pe cip. Aceste materiale includ polisiliciu ca si diferiti oxizi si conductori metalici, cum ar fi aluminiul si tungstenul. Pentru a preveni formarea de compusi nedoriti in pasii urmatori, alte materiale cunoscute sub numele de bariere de difuziune pot fi de asemenea adaugate. Pe fiecare strat de material, mascarea si imprimarea creeaza un tipar unic de suprafete conductoare si izolatoare. Impreuna, aceste tipare aliniate una deasupra alteia formeaza circuitele cipului intr-o structura tridimensionala. Dar circuitele necesita o perfecta stare de functionare, furnizata de un alt pas numit dopare.

Doparea

In timpul doparii se adauga impuritati chimice, cum ar fi bor sau arsenic, anumitor parti ale membranei de siliciu pentru a altera modul in care fiecare suprafata dopata de siliciu conduce electricitatea. Sunt folosite adesea masinile numite implantatori de ioni pentru a injecta aceste impuritati pe cip.

In termeni electrici, siliciul poate fi fie de tipul n sau de tipul p, depinzand de impuritatile adaugate. Atomii din materialul dopat in siliciul de tipul n au un electron in plus care este liber sa se miste. Unii dintre atomii dopati in siliciul de tipul p au un electron lipsa si constituie astfel ceea ce se numeste un gol. Cand cele doua tipuri se unesc, electronii aflati in plus pot trec de la tipul n la tipul p pentru a umple golurile.

Aceasta miscare a electronilor nu continua in mod infinit. Pana la urma ionii pozitivi ramasi pe partea tipului n si ionii negativi de pe partea p creeaza impreuna o forta electrica care previne un eventual flux de electroni de la tipul n la tipul p.

Materialul de la baza cip-ului este siciul de tipul p. Unul dintre pasii de imprimare in fabricarea cipului inlatura anumite parti ale straturilor de dioxizi de siliciu si de polisiliciu asezati pe baza de siliciu pur mai inainte, lasand astfel libere doua striatii de siliciu de tipul p. Acestea sunt separate de o striatie care isi are inca stratul de polisiliciu conductor; aceasta este "poarta" tranzistorului. Materialul dopat aplicat celor doua striatii de siliciu de tip p le transforma in siliciu de tip n. O sarcina pozitiva aplicata portii atrage electronii sub poarta in baza de siliciu a tranzistorului. Acesti electroni creeaza un canal intre o striatie de tipul n (sursa) si o alta (scurgerea). Daca se aplica o tensiune pozitiva scurgerii, curentul va merge de la sursa la scurgere. In acest fel, tranzistorul este "pornit". O sarcina negativa aplicata portii goleste canalul de electroni, prevenind astfel fluxul de curent intre sursa si scurgere. Acum tranzistorul este "oprit". Pozitionarea tranzistorului pe "oprit" sau "pornit" reprezinta de fapt 0 sau 1, care constituie codul binar, limbajul calculatoarelor.

Realizate de multe ori in multi ani, aceste operatii furnizeaza cip-ul cu multitudinea sa de tranzistori. Dar asa cum trebuiesc luate masuri pentru ca firele electrice si tevile dintre etajele unui bloc sa functioneze, trebuie luate masuri pentru interconectarea tranzistoarelor pentru ca acestea sa formeze un set de circuite integrate.

Interconectarile

Pasul final incepe cu alte operatii de mascare si de imprimare care deschid un strat subtire de contacte electrice intre straturile cipului. Apoi este depozitat aluminiu si capata un tipar folosind fotolitografia pentru a crea un fel de fire care leaga toate tranzistoarele cipului. Aluminiul este folosit pentru aceste aplicatii deoarece acesta creeaza un bun contact electric cu siliciul si de asemenea se uneste bine cu dioxidul de siliciul.

Acest pas incheie prelucrarea membranei. Acum cip-urile sunt testate pentru a fi siguri ca toate conectarile electrice functioneaza. In continuare, o masina taie membrana in cip-uri individuale si cip-urile bune sunt separate de celelalte. Cip-urile bune, de obicei cea mai mare parte, sunt asezate pe unitati de impachetare cu varfuri metalice, care sunt unite de cipuri cu niste fire speciale. Contactul electric intre suprafata cipului si varfuri se realizeaza cu mici fire de aluminiu sau de aur de circa 0,025 mm in diametru. Cand procesul de impachetare s-a incheiat, cip-urile sunt trimise pentru munca digitala.