O que está envolvido na fabricação de circuitos integrados?

A fabricação de circuitos integrados envolve um processo de criação de camadas superficiais muito finas de material semicondutor sobre uma camada de substrato, geralmente feita de silício, que pode ser quimicamente alterada no nível atômico para criar a funcionalidade de vários tipos de componentes de circuito, incluindo transistores, capacitores , resistores e diodos. É um avanço em relação aos projetos de circuitos anteriores, nos quais componentes individuais de resistores, transistores e outros foram conectados manualmente a uma placa de ensaio para formar circuitos complexos. Um processo de fabricação de circuitos integrados trabalha com componentes tão pequenos que bilhões deles podem ser criados em uma área de alguns centímetros quadrados a partir de 2011, por meio de vários processos de litografia e gravação em uma instalação de fabricação de microchips.

Um chip de circuito integrado, ou IC, é literalmente uma camada de material semicondutor, onde todos os componentes do circuito são interconectados em uma série de processos de fabricação, para que todos os componentes não precisem mais ser fabricados individualmente e montados posteriormente. A forma mais antiga de circuito integrado de microchip foi produzida em 1959 e foi um conjunto bruto de várias dezenas de componentes eletrônicos. A sofisticação da fabricação de circuitos integrados aumentou exponencialmente, no entanto, com centenas de componentes em chips IC na década de 1960 e milhares de componentes em 1969 quando o primeiro microprocessador verdadeiro foi criado. Os circuitos eletrônicos a partir de 2011 possuem chips IC de alguns centímetros de comprimento ou largura que podem conter milhões de transistores, capacitores e outros componentes eletrônicos. Microprocessadores para sistemas de computador e módulos de memória que contêm principalmente transistores são a forma mais sofisticada de chips IC a partir de 2011 e podem ter bilhões de componentes por centímetro quadrado.

Como os componentes na fabricação de circuitos integrados são muito pequenos, a única maneira eficaz de criá-los é usar processos de ataque químico que envolvam reações na superfície da bolacha, por exposição à luz. Uma máscara ou tipo de padrão é criado para o circuito, e a luz brilha sobre a superfície da bolacha, revestida com uma fina camada de material fotorresistente. Essa máscara permite que os padrões sejam gravados no fotorresiste de wafer que é cozido em alta temperatura para solidificar o padrão. O material fotorresistente é então exposto a uma solução dissolvente que remove a região irradiada ou a região mascarada da superfície, dependendo se o material fotorresistente é um reagente químico positivo ou negativo. O que é deixado para trás é uma fina camada de componentes interconectados a uma largura do comprimento de onda da luz usada, que pode ser luz ultravioleta ou raios-x.

Após o mascaramento, a fabricação de circuitos integrados envolve a dopagem do silício ou a implantação de átomos individuais de átomos geralmente de fósforo ou boro na superfície do material, o que fornece às regiões locais do cristal uma carga elétrica positiva ou negativa. Essas regiões carregadas são conhecidas como regiões P e N e, onde se encontram, formam uma junção de transmissão para criar um componente elétrico universal conhecido como junção PN. Tais junções têm cerca de 1.000 a 100 nanômetros de largura a partir de 2011 para a maioria dos circuitos integrados, o que torna cada junção PN do tamanho de um glóbulo vermelho humano, com aproximadamente 100 nanômetros de largura. O processo de criação de junções PN é quimicamente adaptado para exibir vários tipos de propriedades elétricas, possibilitando que a junção atue como um transistor, resistor, capacitor ou diodo.

Devido ao nível muito fino de componentes e conexões entre componentes em circuitos integrados, quando o processo falha e há componentes defeituosos, toda a bolacha deve ser jogada fora, pois não pode ser reparada. Esse nível de controle de qualidade é aumentado ainda mais pelo fato de que a maioria dos chips IC modernos a partir de 2011 consistem em muitas camadas de circuitos integrados empilhados um sobre o outro e conectados um ao outro para criar o próprio chip final e oferecer mais Poder de processamento. Camadas isolantes e metálicas de interconexão também devem ser colocadas entre cada camada do circuito, bem como para tornar o circuito funcional e confiável.

Embora muitos chips rejeitados sejam produzidos no processo de fabricação de circuitos integrados, aqueles que funcionam como produtos finais que passam nos testes elétricos e nas inspeções ao microscópio são tão valiosos que tornam o processo altamente lucrativo. Os circuitos integrados agora controlam quase todos os dispositivos eletrônicos modernos em uso desde 2011, de computadores e telefones celulares a eletrônicos de consumo, como televisores, tocadores de música e sistemas de jogos. Eles também são componentes essenciais dos sistemas de controle de automóveis e aeronaves e outros dispositivos digitais que oferecem um nível de capacidade de programação ao usuário, variando de despertadores digitais a termostatos ambientais.