D'un grain de sable à un noyau - découvrez la vie passée des circuits intégrés
Un circuit intégré est un dispositif ou un composant microélectronique. Un processus est utilisé pour interconnecter les composants, tels que les transistors, les résistances, les condensateurs et les inductances, etc. nécessaires dans un circuit, pour les fabriquer sur une petite puce ou plusieurs petits morceaux de plaquettes semi-conductrices ou de substrats diélectriques, puis les encapsuler dans une coque pour en faire une structure miniature avec les fonctions de circuit requises. Tous les composants ont formé une structure complète, ce qui permet aux composants électroniques de faire un pas en avant vers la miniaturisation, la faible consommation d'énergie, l'intelligentisation et la haute fiabilité. Il est représenté par la lettre "IC" dans le circuit. Les inventeurs des circuits intégrés sont Jack Kilby (circuit intégré à base de Ge) et Robert Noyce (circuit intégré à base de Si). Aujourd'hui, la plupart des applications de l'industrie des semi-conducteurs sont des circuits intégrés à base de silicium.
Qu'est-ce qu'un circuit intégré ? Prenons l'exemple du processeur et examinons son processus de fabrication.
Le processus de fabrication, en bref, le processeur peut être grossièrement divisé en sable (quartz), lingot de silicium, plaquette, lithographie (impression offset), gravure, implantation d'ions, dépôt de métal, couche de métal, interconnexion, plaquette et découpe, le niveau central d'encapsulation, les tests, la liste d'emballage, et beaucoup d'autres étapes, et chaque étape à l'intérieur et contient un processus plus détaillé.
Sable : le silicium est le deuxième élément le plus abondant dans la croûte terrestre, et le sable désoxygéné (en particulier le quartz) contient jusqu'à 25% de silicium sous forme de SiO2, qui est également à la base de l'industrie de fabrication des semi-conducteurs.
Fusion de silicium : Qualité de plaquette de 12 pouces /300 mm, idem ci-dessous. Le silicium qui peut être utilisé dans la fabrication de semi-conducteurs, appelé silicium de qualité électronique (EGS), est obtenu par de multiples étapes de purification. Il y a au maximum un atome d'impureté par million d'atomes de silicium. Ce diagramme montre comment la purification du silicium permet d'obtenir de grands cristaux. Le produit final est le lingot.
Lingot de silicium monocristallin : l'ensemble est essentiellement cylindrique, pèse environ 100 kg, la pureté du silicium est de 99,9999%.
Découpe d'un lingot de silicium : une simple feuille de silicium coupée horizontalement en forme de cercle, également connue sous le nom de "wafer". Au fait, savez-vous pourquoi les wafers sont ronds ?
Plaquette : la plaquette découpée est polie jusqu'à atteindre une perfection presque parfaite, avec une surface qui peut même être utilisée comme miroir. En fait, Intel ne fabrique pas les plaquettes elle-même, mais achète les produits finis directement auprès de sociétés de semi-conducteurs tierces et UTILISE sa propre ligne de production pour la suite du processus, comme le HKMG (Highk Metal Grid) de 45 nm qui est actuellement en vogue. Il convient de noter que la plaquette originale utilisée par Intel ne mesurait que 50 millimètres.
Résine photosensible : la partie bleue de l'image est une résine photosensible liquide appliquée sur la plaquette pendant qu'elle tourne, comme celle utilisée pour fabriquer les films traditionnels. La rotation de la plaquette rend la résine photosensible très fine et très plate.
Photolithographie : la couche de résine photosensible est ensuite exposée à travers un masque sous une lumière ultraviolette (UV) et devient soluble, au cours de laquelle une réaction chimique se produit, semblable au changement de pellicule au moment où l'on appuie sur l'obturateur d'un appareil photo mécanique. Un schéma de circuit prédéfini est imprimé sur le masque, à travers lequel la lumière ultraviolette éclaire la couche de résine photosensible, formant ainsi chaque couche du microprocesseur. En règle générale, le schéma de circuit obtenu sur une plaquette représente un quart du schéma imprimé sur le masque.
Photolithographie : de là au niveau du transistor d'une taille de 50 à 200 nanomètres. Des centaines de processeurs peuvent être découpés dans une seule plaquette, mais à partir de là, vous commencez à réduire votre horizon à l'un d'entre eux, en montrant comment fabriquer des composants tels que les transistors. Le transistor agit comme un interrupteur, contrôlant la direction du courant. Les transistors d'aujourd'hui sont si petits qu'environ 30 millions d'entre eux peuvent tenir sur une aiguille.
Photorésine dissolvante : la photorésine exposée à la lumière ultraviolette se dissout pendant la lithographie, laissant des motifs conformes à ceux du masque.
Gravure : utilisation de produits chimiques pour dissoudre la tranche de silicium exposée, et la résine photosensible restante protège les parties qui ne doivent pas être gravées.
Photorésine transparente : après la gravure, la mission de la photorésine est terminée, et le schéma du circuit peut être vu après tous les nettoyages.
La quatrième étape
Photorésine : réapplication de la photorésine (partie bleue), puis photolithographie et lavage de la partie exposée. La résine photosensible restante est encore utilisée pour protéger la partie du matériau qui ne sera pas injectée par ionisation.
Implantation ionique : dans un système sous vide, le matériau solide est irradié (injecté) avec des ions accélérés d'atomes dopés pour former une couche spéciale d'implantation dans les zones à injecter et pour modifier la conductivité électrique du silicium dans ces zones. Lorsqu'il est accéléré par un champ électrique, un flux d'ions peut se déplacer à des vitesses supérieures à 300 000 kilomètres par heure.
Photorésine claire : après l'implantation ionique, la photorésine est également nettoyée et la zone d'injection (verte) est dopée avec différents atomes. Remarquez que le vert est différent de ce qu'il était auparavant.
La cinquième étape
Transistor prêt : à ce stade, le transistor est presque terminé. Trois trous sont gravés dans l'isolant (magenta) et remplis de cuivre pour l'interconnexion avec d'autres transistors.
Dépôt électrolytique : dépôt d'une couche de sulfate de cuivre sur une plaquette afin de déposer des ions de cuivre sur un transistor. Les ions cuivre vont du positif (anode) au négatif (cathode).
Couche de cuivre : après la galvanoplastie, des ions de cuivre sont déposés sur la surface de la plaquette pour former une fine couche de cuivre.
La sixième étape
Polissage : polissage de l'excès de cuivre, c'est-à-dire polissage de la surface d'une plaquette.
Couche métallique : niveau du transistor, une combinaison de six transistors, environ 500 nanomètres. Une couche métallique d'interconnexion composite est formée entre les différents transistors, et la disposition spécifique dépend des différentes fonctions requises par le processeur correspondant. La surface de la puce semble remarquablement lisse, mais elle peut en fait contenir plus de 20 couches de circuits complexes, qui peuvent être agrandis pour révéler un réseau extrêmement complexe de circuits ayant la forme d'un système futuriste d'autoroutes à plusieurs niveaux.
La septième étape
Test de la plaquette : niveau du noyau, environ 10 mm. Une partie de la plaquette est illustrée, subissant le premier test fonctionnel, utilisant un schéma de circuit de référence pour comparer chaque puce.
Tranchage : au niveau de la plaquette, 300 mm /12 pouces. La plaquette est découpée en morceaux, chacun d'entre eux étant un cœur de processeur (Die
Noyau défectueux : au niveau de la plaquette. Le noyau défectueux trouvé au cours du processus de test a été mis au rebut, laissant intactes les préparations pour l'étape suivante.
Noyau unique : niveau du noyau. Un seul noyau découpé dans un wafer, représenté ici par le Core i7.
Boîtier : niveau du boîtier, 20 mm /1 pouce. Le substrat, le cœur et le radiateur sont empilés pour former le processeur. Le substrat (vert) sert de base et fournit une interface électrique et mécanique au cœur du processeur pour faciliter l'interaction avec les autres parties du système PC. Le radiateur (argent) est responsable du refroidissement du cœur.
Processeur : il s'agit du processeur complet (ici, il s'agit d'un Core i7). Le produit le plus complexe fabriqué dans la salle la plus propre du monde passe par des centaines d'étapes, dont voici quelques-unes.
La neuvième étape
Test d'évaluation : le test final identifie les caractéristiques clés de chaque processeur, telles que la fréquence la plus élevée, la consommation d'énergie, le dégagement de chaleur, etc., et détermine l'évaluation du processeur, par exemple s'il convient au Core i7-975 Extreme haut de gamme ou au Core i7-920 bas de gamme.
Encadrement : charger ensemble des processeurs de même niveau en fonction des résultats du test de niveau.
Emballage de détail : les processeurs fabriqués et testés sont soit livrés en vrac à l'OEM, soit emballés dans des boîtes pour entrer sur le marché de détail. Reprenons l'exemple du Core i7.
La dixième étape
