O processo abrangente de 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 alterada quimicamente em 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, onde componentes individuais de resistores, transistores e muito mais eram conectados manualmente a uma placa de ensaio para formar circuitos complexos. Um processo de fabricação de circuito integrado funciona com componentes que são 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 fotolitografia e gravação em uma instalação de fabricação de microchip.

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, de modo que todos os componentes não precisam mais ser fabricados individualmente e montados posteriormente. A forma mais antiga de circuito integrado de microchip foi produzida em 1959 e era uma montagem rudimentar de várias dezenas de componentes eletrônicos. A sofisticação da fabricação de circuitos integrados aumentou exponencialmente, entretanto, 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 tinham chips IC com 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 em 2011 e podem ter bilhões de componentes por centímetro quadrado.

Como os componentes na fabricação de circuitos integrados são tão pequenos, a única maneira eficaz de criá-los é usar processos de gravação química que envolvem reações na superfície do wafer devido à exposição à luz. Uma máscara ou tipo de padrão é criada para o circuito, e a luz brilha através dela na superfície do wafer, que é revestida com uma fina camada de material fotorresistente. Esta máscara permite que os padrões sejam gravados no fotorresiste do wafer que é então 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 resta é uma fina camada de componentes interconectados na largura do comprimento de onda da luz usada, que pode ser luz ultravioleta ou raios X.

Após o mascaramento, a fabricação do circuito integrado envolve a dopagem do silício ou a implantação de átomos individuais, geralmente átomos de fósforo ou boro, na superfície do material, o que dá 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. Essas junções têm cerca de 1.000 a 100 nanômetros de largura em 2011 para a maioria dos circuitos integrados, o que torna cada junção PN do tamanho de um glóbulo vermelho humano, que tem 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 preciso dos componentes e das conexões entre os componentes dos circuitos integrados, quando o processo falha e há componentes defeituosos, todo o wafer deve ser jogado fora, pois não pode ser reparado. Este nível de controle de qualidade é elevado a um nível ainda mais alto pelo fato de que a maioria dos chips IC modernos a partir de 2011 consistem em muitas camadas de circuitos integrados empilhados uns sobre os outros e conectados uns aos outros para criar o próprio chip final e dar-lhe 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 por testes elétricos e inspeções microscópicas são tão valiosos que tornam o processo altamente lucrativo. Os circuitos integrados controlam agora quase todos os dispositivos eletrônicos modernos em uso desde 2011, desde computadores e telefones celulares até produtos eletrônicos de consumo, como televisões, tocadores de música e sistemas de jogos. Eles também são componentes essenciais de sistemas de controle de automóveis e aeronaves e outros dispositivos digitais que oferecem um nível de capacidade de programação ao usuário, desde despertadores digitais até termostatos ambientais.

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Link para fontes

• https://www.kpsec.freeuk.com/components/ic.htm
• https://www.pbs.org/transistor/background1/events/icinv.html
• https://www.thoughtco.com/history-of-integrated-circuit-aka-microchip-1992006