Qu'est-ce qui est impliqué dans la fabrication de circuits intégrés?
La fabrication de circuits intégrés consiste à créer des couches de surface très minces en matériau semi-conducteur sur une couche de substrat, généralement en silicium, pouvant être modifiées chimiquement au niveau atomique afin de créer les fonctionnalités de différents types de composants de circuits, y compris les transistors et les condensateurs , résistances et diodes. Il s'agit d'une avancée par rapport aux conceptions de circuits précédentes, dans lesquelles des composants individuels de résistances, transistors, etc., étaient fixés à la main à une carte de connexion pour former un circuit complexe. Un processus de fabrication de circuits intégrés fonctionne avec des composants si petits que des milliards d’entre eux peuvent être créés dans une zone de quelques centimètres carrés à partir de 2011, par le biais de divers processus de photolithographie et de gravure dans une installation de fabrication de micropuces.
Un circuit intégré, ou puce IC, est littéralement une couche de matériau semi-conducteur dans laquelle tous les composants du circuit sont interconnectés en une série de processus de fabrication, de sorte que tous les composants ne doivent plus être fabriqués individuellement et ensuite assemblés. La forme la plus ancienne de circuit intégré à micropuce a été produite en 1959 et consistait en un assemblage brut de plusieurs dizaines de composants électroniques. La sophistication de la fabrication des circuits intégrés a toutefois augmenté de façon exponentielle, avec des centaines de composants sur des puces de circuits intégrés dans les années 1960 et des milliers de composants en 1969, année de la création du premier véritable microprocesseur. Depuis 2011, les circuits électroniques ont des puces de quelques centimètres de long ou de large pouvant contenir des millions de transistors, condensateurs et autres composants électroniques. Les microprocesseurs pour systèmes informatiques et les modules de mémoire contenant principalement des transistors constituent la forme la plus sophistiquée de puces de circuit intégré à partir de 2011 et peuvent comporter des milliards de composants par centimètre carré.
Les composants de la fabrication de circuits intégrés étant si petits, le seul moyen efficace de les créer consiste à utiliser un processus de gravure chimique impliquant des réactions à la surface de la plaquette suite à une exposition à la lumière. Un masque ou une sorte de motif est créé pour le circuit et la lumière est dirigée à travers celui-ci sur la surface de la plaquette qui est recouverte d’une fine couche de matériau photorésistant. Ce masque permet de graver des motifs dans la résine photosensible de plaquette, qui est ensuite cuite à haute température pour solidifier le motif. Le matériau de résine photosensible est ensuite exposé à une solution de dissolution qui élimine la région irradiée ou la région masquée de la surface, selon que le matériau de résine photosensible est un réactif chimique positif ou négatif. Ce qui reste est une fine couche de composants interconnectés à une largeur de la longueur d'onde de la lumière utilisée, qui peut être une lumière ultraviolette ou des rayons X.
Après le masquage, la fabrication de circuits intégrés implique le dopage du silicium ou l’implantation d’atomes individuels d’atomes habituellement de phosphore ou de bore dans la surface du matériau, ce qui donne aux régions locales du cristal une charge électrique positive ou négative. Ces régions chargées sont appelées régions P et N et, lorsqu'elles se rencontrent, elles forment une jonction de transmission afin de créer un composant électrique universel appelé jonction PN. Ces jonctions ont une largeur d'environ 1 000 à 100 nanomètres à partir de 2011 pour la plupart des circuits intégrés, ce qui confère à chaque jonction PN environ la taille d'un globule rouge humain, dont la largeur est d'environ 100 nanomètres. Le processus de création de jonctions PN est conçu chimiquement pour présenter différents types de propriétés électriques, ce qui permet à la jonction de jouer le rôle de transistor, de résistance, de condensateur ou de diode.
En raison du niveau très fin des composants et des connexions entre les composants des circuits intégrés, en cas de défaillance du processus et de composants défectueux, la totalité de la tranche doit être jetée car elle ne peut pas être réparée. Ce niveau de contrôle de la qualité est encore plus poussé du fait que la plupart des puces IC modernes datent de 2011 se composent de plusieurs couches de circuits intégrés empilés les uns sur les autres et connectés les uns aux autres pour créer la puce finale elle-même et lui donner davantage puissance de calcul. Des couches d'interconnexion isolantes et métalliques doivent également être placées entre chaque couche de circuit, ainsi que pour rendre le circuit fonctionnel et fiable.
Bien que de nombreuses puces rejetées soient produites dans le processus de fabrication de circuits intégrés, celles qui fonctionnent comme des produits finis qui passent avec succès les tests électriques et les inspections au microscope sont si précieuses qu’elles rendent le processus très rentable. Les circuits intégrés contrôlent désormais presque tous les appareils électroniques modernes utilisés depuis 2011, des ordinateurs et téléphones portables aux appareils électroniques grand public tels que les téléviseurs, les lecteurs de musique et les systèmes de jeu. Ils constituent également des composants essentiels des systèmes de contrôle des automobiles et des aéronefs et des autres appareils numériques offrant aux utilisateurs un niveau de programmation suffisant, allant des réveils numériques aux thermostats environnementaux.