Le processus complet de fabrication de circuits intégrés

La fabrication de circuits intégrés implique un processus de création de couches superficielles très fines de matériau semi-conducteur au-dessus d'une couche de substrat, généralement en silicium, qui peut être chimiquement modifiée au niveau atomique pour créer la fonctionnalité de divers types de composants de circuit, notamment des transistors, des condensateurs, des résistances et des diodes. Il s'agit d'une avancée par rapport aux conceptions de circuits précédentes dans lesquelles des composants individuels de résistances, de transistors et bien plus encore étaient attachés à la main à une planche à pain de connexion pour former des circuits complexes. Un processus de fabrication de circuits intégrés fonctionne avec des composants si petits que des milliards d'entre eux peuvent être créés sur une superficie de quelques centimètres carrés à partir de 2011, grâce à divers processus de photolithographie et de gravure dans une installation de fabrication de micropuces.

Une puce de circuit intégré, ou IC, est littéralement une couche de matériau semi-conducteur dans laquelle tous les composants du circuit sont interconnectés dans une série de processus de fabrication, de sorte que tous les composants n'ont plus besoin d'être fabriqués individuellement et assemblés ultérieurement. La première forme de circuit intégré à micropuce a été produite en 1959 et était un assemblage brut de plusieurs dizaines de composants électroniques. Cependant, la sophistication de la fabrication des circuits intégrés a augmenté de façon exponentielle, avec des centaines de composants sur les puces IC dans les années 1960 et des milliers de composants en 1969, lorsque le premier véritable microprocesseur a été créé. Depuis 2011, les circuits électroniques sont dotés de puces IC de quelques centimètres de longueur ou de largeur qui peuvent contenir des millions de transistors, condensateurs et autres composants électroniques. Les microprocesseurs pour systèmes informatiques et les modules de mémoire contenant principalement des transistors constituent la forme la plus sophistiquée de puces IC depuis 2011 et peuvent contenir des milliards de composants par centimètre carré.

Étant donné que les composants utilisés dans la fabrication des circuits intégrés sont si petits, le seul moyen efficace de les créer consiste à utiliser un processus de gravure chimique qui implique des réactions sur la surface de la tranche dues à l'exposition à la lumière. Un masque ou une sorte de motif est créé pour le circuit et la lumière le traverse sur la surface de la tranche qui est recouverte d'une fine couche de matériau photorésistant. Ce masque permet de graver des motifs dans la résine photosensible de la tranche qui est ensuite cuite à haute température pour solidifier le motif. Le matériau photorésistant est ensuite exposé à une solution dissolvante qui élimine soit la région irradiée, soit la région masquée de la surface, selon que le matériau photorésistant est un réactif chimique positif ou négatif. Ce qui reste est une fine couche de composants interconnectés d’une largeur égale à la longueur d’onde de la lumière utilisée, qui peut être soit de la lumière ultraviolette, soit des rayons X.

Après masquage, la fabrication des circuits intégrés implique le dopage du silicium ou l'implantation d'atomes individuels, généralement des atomes de phosphore ou de bore, dans la surface du matériau, ce qui confère aux régions locales du cristal une charge électrique positive ou négative. Ces régions chargées sont appelées régions P et N et, là où elles se rencontrent, elles forment une jonction de transmission pour créer un composant électrique universel appelé jonction PN. Ces jonctions ont une largeur d'environ 1 000 à 100 nanomètres à partir de 2011 pour la plupart des circuits intégrés, ce qui donne à chaque jonction PN la taille d'un globule rouge humain, soit environ 100 nanomètres de largeur. Le processus de création de jonctions PN est chimiquement adapté pour présenter différents types de propriétés électriques, permettant à la jonction d'agir comme un transistor, une résistance, un condensateur ou une diode.

En raison du niveau très fin des composants et des connexions entre les composants sur les circuits intégrés, lorsque le processus tombe en panne et qu'il y a des composants défectueux, la tranche entière doit être jetée car elle ne peut pas être réparée. Ce niveau de contrôle de qualité est encore plus élevé du fait que la plupart des puces IC modernes depuis 2011 sont constituées de nombreuses couches de circuits intégrés empilées les unes sur les autres et connectées les unes aux autres pour créer la puce finale elle-même et lui donner plus de puissance de traitement. Des couches d'interconnexion isolantes et métalliques doivent également être placées entre chaque couche de circuit, ainsi que pour rendre le circuit fonctionnel et fiable.

Bien que de nombreuses puces rejetées soient produites au cours du processus de fabrication des circuits intégrés, celles qui fonctionnent comme produits finaux qui passent avec succès les tests électriques et les inspections au microscope sont si précieuses qu'elles rendent le processus très rentable. Les circuits intégrés contrôlent désormais presque tous les appareils électroniques modernes utilisés depuis 2011, des ordinateurs et téléphones portables aux appareils électroniques grand public tels que les téléviseurs, les lecteurs de musique et les systèmes de jeux. Ce sont également des composants essentiels des systèmes de contrôle des automobiles et des avions et d'autres appareils numériques qui offrent un niveau de capacité de programmation à l'utilisateur, allant des réveils numériques aux thermostats environnementaux.

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Lien vers les sources

• 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