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Como você faz um circuito integrado?

Como você faz um circuito integrado?


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O computador ENIAC usava 18.000 tubos de vácuo, tinha 30 metros de comprimento e pesava 30 toneladas, mas não estava nem perto de ser tão poderoso quanto o circuito integrado que alimenta uma calculadora de bolso comprada em uma loja de descontos. A miniaturização da eletrônica, como o transistor no circuito integrado, torna possível grande parte do mundo moderno. Mas se um desses circuitos empacota bilhões de transistores no chip de silício que cabe em nossos smartphones, eles devem ser ridiculamente pequenos; então, como você faz um circuito integrado em primeiro lugar?

Então, como você pode imaginar, colocar bilhões de transistores e outros componentes em um chip de silício não é como soldar fios a um chumbo, é um processo muito mais complicado.

Purificando o Silício

Primeiro, você precisa preparar o silício que deseja usar para o circuito. O circuito não funcionará se houver excesso de impurezas no chip de silício, portanto, elas devem ser removidas antes de qualquer outra coisa.

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Para fazer isso, um lingote de silício em qualquer lugar de 1,5 polegadas a 4 polegadas de diâmetro é mantido verticalmente dentro de uma câmara de vácuo com uma bobina de aquecimento capaz de temperaturas muito altas circundando o lingote.

Começando no topo do lingote, o silício é aquecido até cerca de 2.550 ° F (1400 ° C), seu ponto de fusão. Somente a tensão superficial do silício fundido o mantém em posição, a fim de evitar qualquer contaminação e quaisquer impurezas existentes no silício fundido começam a se depositar na parte inferior da seção fundida.

A bobina então se move lentamente para baixo no lingote, derretendo a região abaixo das impurezas de sedimentação para que elas se acomodem ainda mais, arrastando efetivamente as impurezas ao longo do comprimento do lingote.

No momento em que a serpentina de aquecimento atinge o fundo do lingote, quase todas as impurezas foram concentradas nesta seção mais inferior, que é cortada do lingote e descartada.

O que resta é um lingote de cristal de silício purificado.

Preparando as bolachas para gravura

Em seguida, uma lâmina circular fina entre 0,01 e 0,025 polegadas de espessura é cortada do lingote e o lado da lâmina em que os circuitos serão gravados é polido com precisão.

O wafer é colocado sob várias atmosferas de pressão e explodido com vapor aquecido a cerca de 1830 ° F (1000 ° C). Isso permite que o oxigênio do vapor reaja com o silício para formar uma camada de dióxido de silício, cuja largura é controlada pela temperatura e pelo tempo de exposição.

Em seguida, uma máscara é preparada com o projeto do circuito que você deseja imprimir no wafer. Cada wafer conterá centenas de circuitos individuais, cada um com detalhes nanométricos, de modo que a máscara do circuito é preparada em um software de desenho de computador especializado para auxiliar os engenheiros.

Em seguida, uma gota de fotorresiste é colocada no centro do wafer, que é girado muito rapidamente. A força centrífuga da rotação espalha uniformemente o fotorresiste sobre o wafer para formar uma camada fina. O wafer é então cozido novamente para colocar o fotorresiste na superfície do wafer.

A máscara para a primeira camada do chip é então opticamente reduzida usando uma lente na superfície do wafer. A máscara é clara em algumas áreas e opaca em todo o resto, criando a impressão do design do circuito.

Gravando e doping o wafer

A superfície do wafer é explodida com luz ultravioleta ou raios-X, já que essas são as únicas formas de luz com comprimentos de onda pequenos o suficiente para irradiar as regiões nítidas e não mascaradas do wafer.

A máscara é retirada e o fotorresiste é dissolvido. Dependendo do material, ou as partes mascaradas do wafer se dissolvem, deixando as partes transparentes, ou vice-versa. De qualquer forma, o design da camada foi efetivamente gravado no wafer de silício.

O próximo é o processo de dopagem. Isso é feito de duas maneiras: difusão atômica ou implantação de íons.

Com a difusão atômica, vários wafers são colocados em um forno de quartzo em forma de tubo com um elemento de aquecimento ao redor dele. Este aquecedor aumenta a temperatura do forno para qualquer lugar de 1500-2200 ° F (816-1205 ° C).

Esse elemento é bombeado para o forno como um gás que cobre a superfície das bolachas, depositando o dopante nas superfícies expostas do silício aquecido que foi deixado pela máscara.

Este método é melhor usado para dopar grandes áreas de silício para criar uma camada de regiões P ou N, mas não é bom para trabalhos de precisão. Isso é deixado para a implantação de íons.

Na implantação de íons, um gás dopante é ionizado e focado em um feixe que é então disparado em uma posição específica do wafer de silício, com os íons penetrando onde quer que atinjam o silício.

Você pode controlar a profundidade de penetração variando o nível de energia fornecida ao feixe, enquanto a quantidade de dopante implantado pode ser controlada alterando a corrente no feixe e o tempo de exposição do wafer ao feixe.

Este método é muito preciso, mas é consideravelmente mais lento do que a difusão de átomos quando você precisa dopar grandes áreas.

Depois que uma camada é concluída, a próxima camada é criada exatamente da mesma maneira que a primeira, embora às vezes uma camada de dióxido de silício seja adicionada entre as camadas para isolar as camadas umas das outras.

Isso é feito aquecendo a superfície do wafer a cerca de 400 ° C (752 ° F) e cobrindo o wafer com uma mistura de silano e gás oxigênio. Esses gases reagem entre si e depositam uma camada de dióxido de silício nas partes expostas do wafer aquecido.

Depois que todas as camadas são colocadas no wafer de silício, uma camada final de dióxido de silício é usada para selar a superfície do circuito, enquanto a corrosão expõe os locais de contato e uma camada de alumínio usada para criar almofadas.

Os circuitos integrados individuais são testados eletricamente para garantir que estão funcionando corretamente.

Quebrando o wafer e terminando os circuitos integrados individuais

Usando um cortador de diamante, as linhas perfuradas são cortadas entre as linhas e colunas dos circuitos integrados. Em seguida, basta aplicar tensão ao wafer para que as peças individuais se quebrem ao longo das perfurações.

Os circuitos que não passaram no teste de função elétrica são descartados e os circuitos integrados restantes são inspecionados sob um microscópio para verificar se há danos físicos causados ​​pela separação.

Se um circuito estiver em boas condições de funcionamento, ele é então ligado dentro de seu pacote de montagem - plástico preto ou cerâmica - e fios finos são conectados por compressão de calor ou usando uma técnica de ligação ultrassônica.

O circuito integrado, agora completo, é armazenado em uma embalagem antiestática para ser embalado para venda ou remessa.

Não é exatamente esculpir seu nome em uma árvore, mas para um processo que nos permite gravar bilhões de componentes em um chip menor do que sua unha, poderia ter sido muito mais complicado. Considerando como o circuito integrado alimenta grande parte de nossa vida moderna, devemos ser gratos por não ser.


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