Circuits intégrés (CI) : puces compactes et puissantes alimentant l'électronique moderne

Contexte

Un circuit intégré, communément appelé CI, est un réseau microscopique de circuits et composants électroniques qui a été diffusé ou implanté sur la surface d'un seul cristal, ou puce, de matériau semi-conducteur tel que le silicium. Il est appelé circuit intégré car les composants, circuits et matériau de base sont tous fabriqués ensemble, ou intégrés, à partir d'un seul morceau de silicium, par opposition à un circuit discret où les composants sont faits séparément de matériaux différents et assemblés plus tard. Les CI varient en complexité depuis de simples modules logiques et amplificateurs jusqu'à des micro-ordinateurs complets contenant des millions d'éléments.

L'impact des circuits intégrés sur nos vies a été énorme. Les CI sont devenus les composants principaux de presque tous les appareils électroniques. Ces circuits miniatures ont démontré faible coût, haute fiabilité, faibles besoins en énergie, et vitesses de traitement élevées comparés aux tubes à vide et transistors qui les ont précédés. Les micro-ordinateurs à circuits intégrés sont maintenant utilisés comme contrôleurs dans des équipements tels que machines-outils, systèmes d'exploitation de véhicules, et autres applications où des contrôles hydrauliques, pneumatiques ou mécaniques étaient utilisés auparavant. Parce que les micro-ordinateurs CI sont plus petits et plus polyvalents que les mécanismes de contrôle précédents, ils permettent à l'équipement de répondre à une plus large gamme d'entrées et produire une plus large gamme de sorties. Ils peuvent aussi être reprogrammés sans avoir à redessiner le circuit de contrôle. Les micro-ordinateurs à circuits intégrés sont si peu coûteux qu'on les trouve même dans les jouets électroniques pour enfants.

Les premiers circuits intégrés furent créés à la fin des années 1950 en réponse à une demande militaire pour l'électronique miniaturisée à utiliser dans les systèmes de contrôle de missiles. À l'époque, les transistors et circuits imprimés étaient la technologie électronique de pointe. Bien que les transistors rendissent de nombreuses nouvelles applications électroniques possibles, les ingénieurs étaient encore incapables de faire un boîtier assez petit pour le grand nombre de composants et circuits requis dans des dispositifs complexes comme les systèmes de contrôle sophistiqués et calculatrices programmables portables. Plusieurs entreprises étaient en compétition pour produire une percée en électronique miniaturisée, et leurs efforts de développement étaient si proches qu'il y a quelque question quant à quelle entreprise produisit réellement le premier CI. En fait, quand le circuit intégré fut finalement breveté en 1959, le brevet fut attribué conjointement à deux individus travaillant séparément dans deux entreprises différentes.

Après l'invention du CI en 1959, le nombre de composants et circuits pouvant être incorporés dans une seule puce doubla chaque année pendant plusieurs années. Les premiers circuits intégrés ne contenaient que jusqu'à une douzaine de composants. Le processus qui produisit ces premiers CI fut connu sous le nom d'intégration à petite échelle, ou SSI. Au milieu des années 1960, l'intégration à moyenne échelle, MSI, produisit des CI avec des centaines de composants. Cela fut suivi par les techniques d'intégration à grande échelle, ou LSI, qui produisirent des CI avec des milliers de composants et rendirent possibles les premiers micro-ordinateurs.

La première puce micro-ordinateur, souvent appelée microprocesseur, fut développée par Intel Corporation en 1969. Elle entra en production commerciale en 1971 comme Intel 4004. Intel introduisit leur puce 8088 en 1979, suivie par les Intel 80286, 80386 et 80486. À la fin des années 1980 et début 1990, les désignations 286, 386 et 486 étaient bien connues des utilisateurs d'ordinateurs comme reflétant des niveaux croissants de puissance et vitesse de calcul. La puce Pentium d'Intel est la dernière de cette série et reflète un niveau encore plus élevé.

Comment les composants de circuit intégré sont formés

Dans un circuit intégré, des composants électroniques tels que résistances, condensateurs, diodes et transistors sont formés directement sur la surface d'un cristal de silicium. Le processus de fabrication d'un circuit intégré aura plus de sens si l'on comprend d'abord quelques bases sur la façon dont ces composants sont formés.

Même avant le développement du premier CI, on savait que des composants électroniques courants pouvaient être faits de silicium. La question était comment les faire, et les circuits de connexion, à partir du même morceau de silicium ? La solution fut d'altérer, ou droguer, la composition chimique de minuscules zones sur la surface du cristal de silicium en ajoutant d'autres produits chimiques, appelés dopants. Certains dopants se lient au silicium pour produire des régions où les atomes de dopant ont un électron qu'ils peuvent céder. Ce sont appelées régions N. D'autres dopants se lient au silicium pour produire des régions où les atomes de dopant ont de la place pour prendre un électron. Ce sont appelées régions P. Quand une région P touche une région N, la frontière entre elles est appelée jonction PN. Cette frontière ne fait que 0,000004 pouces (0,0001 cm) de large, mais est cruciale pour le fonctionnement des composants de circuit intégré.

Dans une jonction PN, les atomes des deux régions se lient de manière à créer une troisième région, appelée région d'appauvrissement, dans laquelle les atomes de dopant P capturent tous les électrons supplémentaires des dopants N, les appauvrissant ainsi. Un des phénomènes qui en résulte est qu'une tension positive appliquée à la région P peut causer un courant électrique à traverser la jonction vers la région N, mais une tension positive similaire appliquée à la région N résultera en peu ou pas de courant traversant la jonction vers la région P. Cette capacité d'une jonction PN à soit conduire soit isoler selon le côté où la tension est appliquée peut être utilisée pour former des composants de circuit intégré qui dirigent et contrôlent les flux de courant de la même manière que diodes et transistors. Une diode, par exemple, est simplement une seule jonction PN. En modifiant la quantité et types de dopants et en changeant les formes et placements relatifs des régions P et N, des composants de circuit intégré qui émulent les fonctions de résistances et condensateurs peuvent aussi être formés.

Conception

Certains circuits intégrés peuvent être considérés comme des articles standards, prêts à l'emploi. Une fois conçus, aucun travail de conception supplémentaire n'est requis. Exemples de CI standards : régulateurs de tension, amplificateurs, commutateurs analogiques, et convertisseurs analogique-numérique ou numérique-analogique. Ces CI sont généralement vendus à d'autres entreprises qui les incorporent dans des circuits imprimés pour divers produits électroniques.

D'autres circuits intégrés sont uniques et requièrent un travail de conception approfondi. Un exemple serait un nouveau microprocesseur pour ordinateurs. Ce travail de conception peut exiger recherche et développement de nouveaux matériaux et nouvelles techniques de fabrication pour atteindre le design final.

Matières premières

Le silicium pur est la base de la plupart des circuits intégrés. Il fournit le substrat, ou base, pour toute la puce et est chimiquement dopé pour fournir les régions N et P qui composent les composants du circuit intégré. Le silicium doit être si pur qu'un seul atome sur dix milliards peut être une impureté. Cela équivaudrait à un grain de sucre dans dix seaux de sable. Le dioxyde de silicium est utilisé comme isolant et comme matériau diélectrique dans les condensateurs CI.

Les dopants typiques de type N incluent phosphore et arsenic. Le bore et le gallium sont des dopants typiques de type P. L'aluminium est couramment utilisé comme connecteur entre les divers composants CI. Les fils conducteurs fins de la puce de circuit intégré vers son boîtier de montage peuvent être en aluminium ou or. Le boîtier de montage lui-même peut être en matériaux céramiques ou plastiques.

Le processus de fabrication

Des centaines de circuits intégrés sont faits en même temps sur une seule tranche mince de silicium et sont ensuite découpés en puces CI individuelles. Le processus de fabrication a lieu dans un environnement étroitement contrôlé appelé salle blanche où l'air est filtré pour enlever les particules étrangères. Les quelques opérateurs d'équipement dans la salle portent des vêtements sans peluches, gants, et couvre-chefs et couvre-pieds. Puisque certains composants CI sont sensibles à certaines fréquences de lumière, même les sources lumineuses sont filtrées. Bien que les processus de fabrication puissent varier selon le circuit intégré fabriqué, le processus suivant est typique.

Préparation du wafer de silicium

• 1 Un lingot cylindrique de silicium d'environ 1,5 à 4,0 pouces (3,8 à 10,2 cm) de diamètre est maintenu verticalement dans une chambre à vide avec une bobine de chauffage à haute température l'entourant. En partant du haut du cylindre, le silicium est chauffé à son point de fusion d'environ 2550 °F (1400 °C). Pour éviter la contamination, la région chauffée n'est contenue que par la tension de surface du silicium fondu. À mesure que la région fond, les impuretés dans le silicium deviennent mobiles. La bobine de chauffage est lentement déplacée le long de la longueur du cylindre, et les impuretés sont entraînées avec la région fondue. Quand la bobine atteint le bas, presque toutes les impuretés ont été balayées et sont concentrées là. Le bas est alors tranché, laissant un lingot cylindrique de silicium purifié.
• 2 Une tranche mince et ronde de silicium est découpée du lingot باستخدام une machine de découpe précise appelée trancheuse à wafer. Chaque tranche fait environ 0,01 à 0,025 pouces (0,004 à 0,01 cm) d'épaisseur. La surface sur laquelle les circuits intégrés doivent être formés est polie.
• 3 Les surfaces du wafer sont revêtues d'une couche de dioxyde de silicium pour former une base isolante et prévenir toute oxydation du silicium qui causerait des impuretés. Le dioxyde de silicium est formé en soumettant le wafer à de la vapeur surchauffée à environ 1830 °F (1000 °C) sous plusieurs atmosphères de pression pour permettre à l'oxygène dans la vapeur d'eau de réagir avec le silicium. Contrôler la température et la durée d'exposition contrôle l'épaisseur de la couche de dioxyde de silicium.

Masquage

• 4 Le design complexe et interconnecté des circuits et composants est préparé dans un processus similaire à celui utilisé pour faire des circuits imprimés. Pour les CI, cependant, les dimensions sont beaucoup plus petites et il y a de nombreuses couches superposées les unes sur les autres. Le design de chaque couche est préparé sur une machine de CAO, et l'image est transformée en masque qui sera optiquement réduite et transférée sur la surface du wafer. Le masque est opaque dans certaines zones et transparent dans d'autres. Il contient les images pour tous les plusieurs centaines de circuits intégrés à former sur le wafer.
• 5 Une goutte de matériau photorésistif est placée au centre du wafer de silicium, et le wafer est fait tourner rapidement pour distribuer le photorésistif sur toute la surface. Le photorésistif est alors cuit pour enlever le solvant.
• 6 Le wafer revêtu est alors placé sous le premier masque de couche et irradié avec de la lumière. Parce que les espaces entre circuits et composants sont si petits, de la lumière ultraviolette avec une longueur d'onde très courte est utilisée pour passer à travers les minuscules zones transparentes du masque. Des faisceaux d'électrons ou de rayons X sont aussi parfois utilisés pour irradier le photorésistif.
• 7 Le masque est retiré et des portions du photorésistif sont dissoutes. Si un photorésistif positif fut utilisé, alors les zones irradiées seront dissoutes. Si un photorésistif négatif fut utilisé, alors les zones irradiées resteront. Les zones découvertes sont alors soit chimiquement gravées pour ouvrir une couche, soit soumises à un dopage chimique pour créer une couche de régions P ou N.

Dopage — Diffusion atomique

• 8 Une méthode d'ajout de dopants pour créer une couche de régions P ou N est la diffusion atomique. Dans cette méthode, un lot de wafers est placé dans un four fait d'un tube de quartz entouré par un élément chauffant. Les wafers sont chauffés à une température de fonctionnement d'environ 1500-2200 °F (816-1205 °C), et le produit chimique dopant est acheminé sur un gaz inerte. Alors que le dopant et le gaz passent sur les wafers, le dopant est déposé sur les surfaces chaudes laissées exposées par le processus de masquage. Cette méthode est bonne pour doper des zones relativement grandes, mais n'est pas précise pour les zones plus petites. Il y a aussi des problèmes avec l'utilisation répétée de hautes températures alors que des couches successives sont ajoutées.

Dopage — Implantation ionique

• 9 La seconde méthode pour ajouter des dopants est l'implantation ionique. Dans cette méthode, un gaz dopant, comme la phosphine ou le trichlorure de bore, est ionisé pour fournir un faisceau d'ions dopants à haute énergie qui sont tirés sur des régions spécifiques du wafer. Les ions pénètrent le wafer et y restent implantés. La profondeur de pénétration peut être contrôlée en modifiant l'énergie du faisceau, et la quantité de dopant peut être contrôlée en modifiant le courant du faisceau et le temps d'exposition. Schématiquement, tout le processus ressemble à tirer un faisceau dans un tube cathodique courbé. Cette méthode est si précise qu'elle ne nécessite pas de masquage — elle pointe et tire juste le dopant où il est nécessaire. Cependant elle est beaucoup plus lente que le processus de diffusion atomique.

Fabrication des couches successives

• 10 Le processus de masquage et gravure ou dopage est répété pour chaque couche successive selon le processus de dopage utilisé jusqu'à ce que toutes les puces de circuit intégré soient complètes. Parfois une couche de dioxyde de silicium est déposée pour fournir un isolant entre couches ou composants. Cela est fait par un processus appelé dépôt chimique en phase vapeur, dans lequel la surface du wafer est chauffée à environ 752 °F (400 °C), et une réaction entre les gaz silane et oxygène dépose une couche de dioxyde de silicium. Une couche finale de dioxyde de silicium scelle la surface, une gravure finale ouvre les points de contact, et une couche d'aluminium est déposée pour faire les plots de contact. À ce stade, les CI individuels sont testés pour la fonction électrique.

Fabrication des CI individuels

• 11 Le wafer mince est comme un morceau de verre. Les centaines de puces individuelles sont séparées en traçant un quadrillage de lignes avec un coupeur diamant fin et en mettant ensuite le wafer sous contrainte pour causer la séparation de chaque puce. Les CI qui ont échoué au test électrique sont rejetés. L'inspection au microscope révèle d'autres CI qui ont été endommagés par le processus de séparation, et ceux-ci sont aussi rejetés.
• 12 Les bons CI sont individuellement montés dans leur boîtier de montage et les fils conducteurs fins sont connectés soit par liaison ultrasonique soit par thermocompression. Le boîtier de montage est marqué avec numéros de pièce identifiants et autres informations.
• 13 Les circuits intégrés complets sont scellés dans des sacs plastiques antistatiques pour être stockés ou expédiés à l'utilisateur final.

Contrôle qualité

Malgré l'environnement contrôlé et l'utilisation d'outils de précision, un grand nombre de puces de circuit intégré sont rejetées. Bien que le pourcentage de puces rejetées ait chuté régulièrement au fil des ans, la tâche de faire un réseau entrelacé de circuits et composants microscopiques reste difficile, et une certaine quantité de rejets est inévitable.

Matériaux dangereux et recyclage

Les dopants gallium et arsenic, parmi d'autres, sont des substances toxiques et leur stockage, utilisation et élimination doivent être strictement contrôlés.

Parce que les puces de circuit intégré sont si polyvalentes, une industrie significative de recyclage a émergé. De nombreux CI et autres composants électroniques sont retirés d'équipements par ailleurs obsolètes, testés, et revendus pour utilisation dans d'autres dispositifs.

L'avenir

Il est difficile de dire avec certitude ce que l'avenir réserve au circuit intégré. Les changements technologiques depuis l'invention du dispositif ont été rapides, mais évolutifs. De nombreux changements ont été faits dans l'architecture, ou disposition des circuits, sur une puce, mais le circuit intégré reste encore un design à base de silicium.

Le prochain grand bond dans l'avancement des dispositifs électroniques, si un tel bond doit venir, pourrait impliquer une technologie de circuit entièrement nouvelle. De meilleurs dispositifs que le meilleur microprocesseur ont toujours été connus comme possibles. Le cerveau humain, par exemple, traite l'information beaucoup plus efficacement que tout ordinateur, et certains futurologues ont spéculé que la prochaine génération de circuits processeurs sera biologique, plutôt que minérale. À ce stade, de telles matières relèvent de la fiction. Il n'y a pas de signes immédiats que le circuit intégré soit en danger d'extinction.