Cosa è coinvolto nella fabbricazione di circuiti integrati?
La fabbricazione di circuiti integrati prevede un processo di creazione di strati superficiali molto sottili di materiale semiconduttore in cima a uno strato di substrato, solitamente in silicio, che può essere modificato chimicamente a livello atomico per creare la funzionalità di vari tipi di componenti del circuito, inclusi transistor, condensatori , resistori e diodi. È un progresso rispetto ai precedenti progetti di circuiti in cui singoli componenti di resistori, transistor e altro erano collegati a mano a una breadboard di collegamento per formare circuiti complessi. Un processo di fabbricazione di circuiti integrati funziona con componenti così piccoli che miliardi di essi possono essere creati in un'area di pochi centimetri quadrati a partire dal 2011, attraverso vari processi di litografia fotografica e incisione in una struttura di fabbricazione di microchip.
Un circuito integrato, o chip IC, è letteralmente uno strato di materiale semiconduttore in cui tutti i componenti del circuito sono interconnessi in una serie di processi di produzione in modo che tutti i componenti non debbano più essere fabbricati singolarmente e assemblati successivamente. La prima forma di circuito integrato a microchip fu prodotta nel 1959 ed era un complesso grezzo di diverse decine di componenti elettronici. La raffinatezza della fabbricazione di circuiti integrati è aumentata in modo esponenziale, tuttavia, con centinaia di componenti su chip IC negli anni '60 e migliaia di componenti entro il 1969, quando è stato creato il primo vero microprocessore. I circuiti elettronici a partire dal 2011 hanno chip IC di alcuni centimetri di lunghezza o larghezza che possono contenere milioni di transistor, condensatori e altri componenti elettronici. I microprocessori per sistemi informatici e moduli di memoria che contengono principalmente transistor sono la forma più sofisticata di chip IC a partire dal 2011 e possono avere miliardi di componenti per centimetro quadrato.
Poiché i componenti nella fabbricazione di circuiti integrati sono così piccoli, l'unico modo efficace per crearli è utilizzare un processo di attacco chimico che coinvolge reazioni sulla superficie del wafer dall'esposizione alla luce. Viene creata una maschera o una sorta di modello per il circuito e la luce viene riflessa attraverso di esso sulla superficie del wafer che è rivestita da un sottile strato di materiale fotoresist. Questa maschera consente di incidere i motivi nel fotoresist di wafer che viene quindi cotto ad alta temperatura per solidificare il motivo. Il materiale fotoresist viene quindi esposto a una soluzione di dissoluzione che rimuove la regione irradiata o la regione mascherata della superficie a seconda che il materiale fotoresist sia un reagente chimico positivo o negativo. Ciò che resta alle spalle è un sottile strato di componenti interconnessi a una larghezza della lunghezza d'onda della luce utilizzata, che può essere la luce ultravioletta o i raggi X.
Dopo la mascheratura, la fabbricazione di circuiti integrati comporta il drogaggio del silicio o l'impianto di singoli atomi di solito fosforo o atomi di boro nella superficie del materiale, il che conferisce alle regioni locali sul cristallo una carica elettrica positiva o negativa. Queste regioni cariche sono note come regioni P e N e, dove si incontrano, formano una giunzione di trasmissione per creare un componente elettrico universale noto come giunzione PN. Tali giunzioni sono larghe da circa 1.000 a 100 nanometri a partire dal 2011 per la maggior parte dei circuiti integrati, il che rende ogni giunzione PN circa la dimensione di un globulo rosso umano, che è circa 100 nanometri di larghezza. Il processo di creazione delle giunzioni PN è personalizzato chimicamente per mostrare vari tipi di proprietà elettriche, rendendo possibile che la giunzione funga da transistor, resistore, condensatore o diodo.
A causa dell'ottimo livello di componenti e connessioni tra i componenti sui circuiti integrati, quando il processo si interrompe e ci sono componenti difettosi, l'intero wafer deve essere gettato via poiché non può essere riparato. Questo livello di controllo della qualità è aumentato a un livello ancora più elevato dal fatto che la maggior parte dei chip IC moderni a partire dal 2011 sono costituiti da molti strati di circuiti integrati sovrapposti e collegati tra loro per creare il chip finale stesso e dargli di più potenza di calcolo. Gli strati isolanti e metallici di interconnessione devono anche essere posizionati tra ogni strato del circuito, oltre a rendere il circuito funzionale e affidabile.
Sebbene nel processo di fabbricazione dei circuiti integrati vengano prodotti molti chip di scarto, quelli che funzionano come prodotti finali che superano i test elettrici e le ispezioni al microscopio sono così preziosi da rendere il processo altamente redditizio. I circuiti integrati ora controllano quasi tutti i moderni dispositivi elettronici in uso dal 2011, dai computer e dai telefoni cellulari all'elettronica di consumo come televisori, lettori musicali e sistemi di gioco. Sono anche componenti essenziali dei sistemi di controllo automobilistico e aeronautico e di altri dispositivi digitali che offrono all'utente un livello di programmazione, dalle sveglie digitali ai termostati ambientali.