Fabricarea unui Circuit Integrat

Fabricarea unui circuit integrat

Dispozitivul fundamental al lumii digitale este circuitul integrat, o mică piesă de formă pătrată de siliciu conţinând milioane de tranzistoare. Este probabil cel mai complex dispozitiv creat de om. Deşi pare plat, este de fapt o structură tridimensională creată prin construirea in cel mai mic detaliu pe bază de siliciu a câtorva straturi forte subţiri de materiale care izolează şi conduc electricitatea. Asamblate conform unui tipar care a fost conceput cu foarte mare grijă în avans, aceste straturi formează tranzistorele, care funcţionează ca întrerupătoare care controlează fluxul de electricitate prin circuit, cunoscut şi sub numele de cip. Poziţiile „pornit” şi „oprit” ale întrerupătorului manipulează codul binar care este miezul funcţionării calculatorului.

Construcţia în sine a unui cip necesită, de obicei, câteva sute de paşi de fabricare care durează câteva săptămâni. Fiecare pas trebuie executat perfect pentru ca cip-ul sa funcţioneze. Condiţiile sunt foarte stricte. Spre exemplu, deoarece un fir de praf poate distruge cip-ul, fabricarea trebuie sa aibă loc într-o „cameră curată” care conţine mai puţin de 25 de submicroni de particule de praf într-un metru cub de aer (în contrast, camera de zi are între doua milioane şi douazeci de milioane de particule într-un metru cub de aer). Mare parte din echipamentul necesar pentru crearea cip-urilor admite cea mai înaltă dintre tehnologiile înalte, astfel încât fabricile de cip-uri, care costă între un miliard şi două miliarde de dolari, sunt printre cele mai costisitoare întreprinderi.

Tehnologia de baza a fabricării cip-ului este procesul „planar” proiectat în 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 în apariţia circuitului integrat în 1958 de către Robert N. Noyce. Legătura între tranzistoare şi circuitul integrat a fost tehnologia planară care a deschis drumul către procesul de fabricare conform căruia se construiesc astăzi cip-urile. Sutele de paşi individuali din acest proces pot fi grupaţi în câteva operaţii de bază.

Proiectarea cip-ului

Prima operaţie este proiectarea cip-ului. Când ai de construit milioane de tranzistoare pe o pastilă de siliciu de dimensiunea unghiei unui copil, plasarea şi interconectarea tranzistoarelor trebuie lucrată meticulos. Fiecare tranzistor trebuie proiectat pentru funcţia proprie, şi se combină grupuri de tranzistoare pentru a crea elemente de circuit cum ar fi invertoarele, sumatoarele şi decodoarele. Proiectantul trebuie să ia de asemenea în consideraţie scopul pentru care a fost proiectat cip-ul. Un cip de procesor execută instrucţiunile dintr-un calculator iar cipul de memorie stochează datele. Cele două tipuri de cip-uri diferă oarecum în structură. Din cauza complexităţii cip-urilor din ziua de astăzi, munca de proiectare este realizată de un calculator, deşi inginerii printează adesea o diagramă mărită a structurii cip-ului pentru a o examina în detaliu.

Cristalul de siliciu

Materialul de baza pentru construcţia unui circuit integrat este cristalul de siliciu. Siliciul, elementul cel mai abundent pe pământ după oxigen, este ingredientul principal al nisipului de plajă. Siliciul este un semiconductor natural, ceea ce înseamnă ca poate fi alterat pentru a deveni fie izolator, fie conductor. Pentru a obţine cristalul de siliciu, siliciul-„minereu” este obţinut din cuarţ şi este tratat cu chimicale pentru elimina impurităţile până când ceea ce rămâne este aproape 100% siliciu. Siliciul purificat este topit şi apoi transformat în cristale de formă cilindrică numite lingouri. Lingourile sunt feliate în membrane de circa 0,725 mm grosime. Într-unul din paşi, numit planarizare sunt lustruite până când capătă o suprafaţă fină ca o oglindă şi fără cusur. În prezent, majoritatea acestor membrane au un diametru de 200 mm, dar industria doreşte obţinerea unui diametru standard de 300 mm. Deoarece o singură membrană produce sute de cip-uri, membrane mai mari înseamnă că mai multe cip-uri pot fi produse, scăzând costul de producţie.