Cum este fabricat un „cip” Public
Ignacio Mártil
Profesor de electronică la Universitatea Complutense din Madrid și membru al Royal Spanish Physics Society
Circuitul integrat, care în terminologia anglo-saxonă este numit „cip”, este unul dintre dispozitivele care ne-au influențat cel mai mult viața de zi cu zi. Dispozitive precum telefonul mobil, computerul personal, navigarea pe Internet, chiar și automobilele de astăzi, ar fi de neconceput fără circuitul integrat (IC). Fabricarea unuia dintre ele este o procedură extraordinar de complexă și delicată, în care converg un număr mare de procese, diferite materiale, reguli de proiectare etc. Tehnologia microelectronică care face acest lucru posibil trebuie înțeleasă ca setul de reguli de proiectare, materiale și procese tehnologice care, aplicate într-o anumită succesiune, permit obținerea unuia dintre astfel de dispozitive. În funcție de aplicația specifică la care urmează să fie utilizat, numărul etapelor tehnologice care trebuie efectuate pentru fabricarea sa poate depăși cu mult numărul de 500.
Într-un articol anterior am descris originile și dezvoltarea sa ulterioară. În aceasta mă voi concentra pe descrierea cerințelor pe care trebuie să le îndeplinească mediul de fabricație, principalele procese implicate și rezultatul final: IC.
1. Mediul: „ cameră curată"
Primul lucru care iese în evidență în procesul de obținere a unui CI este cerința de curățenie a mediului în care sunt fabricate, care este extrem de restrictivă. Acest mediu este numit „cameră curată” și condițiile din acesta sunt de așa natură încât, în comparație, o sală de operații (un loc de asepsie extraordinară), pare un mlaștină.
Pentru a realiza aceste condiții de curățenie extrem de ridicată, camera curată trebuie să fie un loc parțial ermetic, unde aerul care pătrunde în ea este filtrat anterior pentru a elimina o mare parte a particulelor de praf care sunt în suspensie în atmosfera obișnuită. Împreună cu acest proces de filtrare, operatorii responsabili cu operația și lucrează în interior, trebuie să poarte costume speciale care să împiedice contactul pielii umane cu mediul, deoarece corpul aruncă în mod continuu celule moarte ale pielii, păr etc. Toate ar putea contamina mediul de fabricație și ar putea face IC neviabil.
Următoarea figură prezintă o imagine schematică și reală a unei camere curate:
Camerele curate sunt clasificate în funcție de gradul de curățenie al mediului în diferite clase urmate de un număr, care indică numărul de particule în suspensie în fiecare metru cub de aer; cu cât clasa este mai mică, cu atât este mai mic numărul de particule și, în consecință, cu atât este mai mare puritatea mediului de fabricație [1]. În camera curată sunt amplasate toate mașinile necesare fabricării CI, al cărui proces îl voi descrie foarte schematic mai jos.
2. În interiorul camerei curate: procesele
Setul de tehnologii, materiale, reguli de proiectare etc. implicat în fabricarea CI este de o complexitate extraordinară. Figura arată o diagramă a secvenței de fabricație a unui astfel de dispozitiv:
Diagrama schematică a diferitelor faze de fabricație ale unui CI, de la proiectare, până la fabricație, încapsulare și testare finală. Toate procesele care se află în interiorul dreptunghiului central al imaginii sunt efectuate în interiorul camerei curate
În esență, un IC este un dispozitiv care încorporează într-o singură bucată a unui semiconductor (care în marea majoritate a IC-urilor comerciale este siliciu), numit wafer, o multitudine de elemente ale unui circuit electronic: rezistențe, condensatori, tranzistoare de diferite tipuri, interconectarea metalelor, straturi de izolare între elemente etc. Pentru a defini fiecare dintre aceste componente, precum și interconectările lor, este necesar să se efectueze o serie de operații care, în esență, sunt următoarele:
i) Dopaj („Implant”)
Acest proces încorporează selectiv napolitane, atomi de alte elemente decât siliciu, ceea ce permite modificarea proprietăților sale electrice într-un mod controlat. Se efectuează cu implantatori ionici, mașini care generează ioni din elementele chimice care urmează să fie încorporate prin accelerarea lor la energii foarte mari. Ionii accelerați devin încorporați în siliciu, reușind să-și modifice proprietățile electrice.
ii) Fotolitografia de definiție a componentelor („Fotolitografie”)
Etimologic, „fotolitografie” înseamnă gravarea cu lumină (fotoni) pe piatră, adică pe napolitana semiconductoare. Acesta este unul dintre cei mai critici și esențiali pași în fabricarea CI. Prin intermediul fotolitografiei, modelele geometrice sunt transferate pe suprafața semiconductorului care permit definirea elementelor constitutive, a interconectărilor acestora și a izolației electrice dintre ele. Procesele fotolitografice reprezintă blocajul tehnologiei microelectronice și dezvoltarea sa spectaculoasă este ceea ce a dus într-o mare măsură, încât dimensiunile componentelor sunt atât de surprinzătoare de mici. În următoarea imagine vă arăt câteva detalii despre acest proces: