ENIAC računar je koristio 18.000 vakuumskih cijevi. Bio je dugačak 30 metara i težak 30 tona, ali nije ni približno moćan kao mikročip koji napaja džepni kalkulator kupljen u trgovini. Minijaturizacija elektronike poput tranzistora na mikročipu omogućava funkcionisanje modernog svijeta. Ali ako jedan od ovih sklopova čuva milijarde tranzistora na silicijskom čipu koji se uklapa u naše pametne telefone, onda oni moraju biti nestvarno mali – pa kako uopšte napraviti mikročip?
Kako se pravi mikročip?
Dakle, kao što možete zamisliti, postavljanje milijardi tranzistora i drugih komponenata na silicijumski čip nije poput lemljenja žica na olovu, to je mnogo zahtjevniji postupak.
Pročišćavanje silicija
Prvo morate pripremiti silicij koji želite koristiti za sklop. Strujni krug neće raditi ako u silicijskom čipu ima viška nečistoća, pa se one moraju ukloniti prije nego što se bilo šta drugo učini.
Da bi se to postiglo, poluga silicija u rasponu od 4 do 10 cm drži se vertikalno u vakumskoj komori sa zavojnicom gdje se grije do vrlo visokih temperatura.
Počevši od vrha kalupa, silicij se zagrijava na svoju tačku topljenja od oko 1400 ° C (2550 ° F). Samo površinska napetost rastopljenog silicija drži ga u položaju koji spriječava bilo kakvo zagađenje i sve nečistoće koje postoje u rastopljenom silicijumu počinju se taložiti na dnu rastaljenog dijela.
Zatim se zavojnica polako pomiče niz klip topeći područje ispod nataložnih nečistoća, na način da se one još više spuštaju i povlače na dno sa kompletne dužine kalupa.
Zagrijavanje se vrši do trenutka kada zavojnica za grijanje dosegne samo dno kalupa, i kad gotovo svaka nečistoća bude koncentrisana u tom najdonjem dijelu, koji je odsječen i odbačen.
Ono što ostaje je poluga pročišćenog kristala silicija.
Priprema podloge za gravure
Dalje se tanka kružna podloga debljine između 0,02 i 0,06 cm odsječe sa poluge i strana podloge u koju će se urezati krugovi fino se polira.
Podloga se stavi pod nekoliko različitih pritisaka i minira parom zagrijanom na oko 1000°C (1830°F). To omogućava kisiku u pari da reaguje sa silicijumom i formira sloj silicijum-dioksida, čija se širina kontroliše temperaturom i vremenom izloženosti.
Zatim se priprema maska dizajna sklopa koji želite utisnuti na pločicu. Svaka podloga na kraju će sadržavati stotine pojedinačnih krugova, svaki s nanometarskim detaljima, tako da je maska sklopa pripremljena na specijaliziranom softveru za izradu računara kako bi pomogla inženjerima.
Zatim se kap fotootpora stavi u sredinu podloge koja se zatim vrlo brzo okreče. Kružna centrifugalna sila ravnomjerno raspoređuje fotootpor po podlozi kako bi stvorila fini sloj. Podloga se zatim ponovo zagrijava da se fotootpor rasporedi po površini podloge.
Zatim se maska za prvi sloj čipa optički smanjuje sočivom na valičinu podloge. Maska je u nekim područjima bistra, a u svim ostalim neprozirna, stvarajući dojam dizajna sklopa.
Graviranje i dopunjavanje podloge
Površina podloge minirana je UV svjetlošću ili X-zrakama, jer su to jedini oblici svjetlosti s talasnim dužinama dovoljno malim da ozrače područje podloge debele jedan nanometar, koja je nemaskirana i prozirna.
Maska se skida i fotorezist se rastvara. Ovisno o materijalu, ili se maskirani dijelovi podloge rastvaraju, ostavljajući prozirne dijelove, ili obrnuto. U svakom slučaju, dizajn sloja je u urezan u silicijsku pločicu.
Sljedeći je postupak dopunjavanja. To se radi na jedan od dva načina: atomska difuzija ili implantacija jona.
Uz atomsku difuziju, nekoliko pločica se stavlja u kvarcnu peć u obliku cijevi s grijaćim elementom oko sebe. Ovaj grijač podiže temperaturu peći na oko 816-1205°C (1500-2200°F).
Taj se element pumpa u peć kao plin koji pokriva površinu podloge, taložeći dodatne čestice na površinu zagrijanog silicija koje je maska ostavila iza sebe.
Ovu metodu je najbolje koristiti za lijevanje velikih površina silicija kako bi se stvorio sloj P ili N područja, ali nije dobra za precizan rad. To je prepušteno implantaciji jona.
Pri implantaciji jona, dodatni gas se jonizuje i fokusira u zraku koja se zatim usmjerava u određeni položaj silicijske pločice, pri čemu joni prodiru tačno gdje zraka dodiruje silicij.
Dubinu prodiranja možete kontrolirati mijenjanjem nivoa energije zrake, dok se količina ugrađenih dodataka može kontrolisati mijenjanjem struje u zraci i dužine vremena izlaganja podloge samoj zraci.
Ova metoda je vrlo precizna, ali je znatno sporija od difuzije atoma kada je potrebna obrada velikih površina.
Nakon završetka jednog sloja, sljedeći se stvara na potpuno isti način kao i prvi, iako se ponekad sloj silicijum dioksida dodaje između slojeva kako bi se slojevi međusobno izolirali.
To se postiže zagrijavanjem površine podloge na oko 400°C (752°F) i prekrivanjem podloge smjesom plina silana i kiseonika. Ovi plinovi reagiraju jedni na druge i talože sloj silicijum dioksida na izložene dijelove zagrijane pločice.
Nakon što se svi slojevi polože u silicijskoj podlozi, završni sloj silicijum-dioksida koristi se da se zapečati površina kruga, dok gravura ističe mjesta kontakta a sloj aluminija koji se koristi za stvaranje jastučića.
Pojedinačni integrisani krugovi/mikročipovi se elektronički ispituju kako bi se osiguralo njihovo pravilno funkcionisanje.
Raščlanjivanje podloge i završetak pojedinačnih mikročipova
Pomoću dijamantskog rezača urezuju se linije između redova i kolona mikročipova. Potom se pojedinačnih dijelovi odvajaju od podloge.
Sklopovi koji nisu prošli test električne funkcije odbacuju se, a preostali mikročipovi se pregledaju pod mikroskopom kako bi se provjerilo ima li fizičkih oštećenja nastalih razdvajanjem.
Ako je strujni krug u dobrom stanju, on je tada povezan unutar svog montažnog paketa – bilo crne plastike ili keramike – a tanki kablovi se povezuju kompresijom topline ili pomoću ultrazvučne tehnike vezivanja.
Mikročip, koji je sada potpun, čuva se u antistatičkoj vrećici koja se pakuje za prodaju ili otpremu.
To nije baš urezivanje vašeg imena u drvo, ali za postupak koji nam omogućava urezivanje milijardi komponenata na čip manji od vašeg nokta, očekivali bi puno složeniji proces. Uzimajući u obzir kako mikročip pokreće toliko našeg modernog života, trebali bismo biti zahvalni što nije.
Članak „How Do You Make An Integrated Circuit?” autora John Loeffler-a je prevedan sa Interesting Engineering.
