Fabbricazione wafer
La prima fase della creazione di un processore deve essere effettuata in una stanza sterile; è importante dire che le attrezzature per questo tipo di tecnologia sono estremamente costose. Per costruire una moderna fabbrica di produzione, con tutto il necessario, sono necessari circa 2-3 miliardi di dollari, e sono necessari diversi mesi di test prima che una fabbrica possa iniziare la produzione in massa di processori.
In breve, il processo produttivo consiste in una serie di fasi che vengono effettuate sui wafer. Queste fasi includono la creazione di un "lingotto di wafer", che poi viene tagliato in fette per passare alle successi fasi di lavorazione.
Tutto inizia con la coltura di un mono cristallo, tramite la sospensione di un seme di cristallo in un bagno di silicio fuso leggermente oltre il punto di fusione di un policristallo di silicio grezzo. È importante creare il cristallo molto lentamente (il processo impiega circa un giorno). Il policristallo di silicio o il reticolato di cristalli, o un silicio amorfo, cioè il materiale grezzo, creerà una struttura di superficie con proprietà elettriche non favorevoli allo scopo. Per questo motivo il materiale viene drogato con altre sostanze, che ne alterano le proprietà elettriche. L'intero processo è condotto in un'atmosfera protetta per prevenire l'ossidazione del silicio.
Il mono cristallo è tagliato in fette utilizzando una sega anulare diamantata, estremamente precisa. A questo punto la superficie non è ancora abbastanza liscia, motivo per cui vengono effettuate ulteriori fasi in grado di incrementare la qualità del wafer.
Materiali abrasivi, come l'ossido di alluminio, vengono utilizzati per rimuove sottili layer dal wafer, tramite piatti rotanti in acciaio; questa procedura è chiamata "lapping". Questo processo livella le irregolarità a uno spessore da 0.05 mm a circa 0.002 mm (2000 nm). Il passo successivo consiste nell'arrotondare i bordi del wafer, poiché dei bordi affilati potrebbero sfaldare il wafer. Successivamente viene effettuata la fase di etching utilizzando vari composti chimici (acido idroflorurico, acido acetico, acido nitrico), per spianare ulteriormente la superficie di circa 50 µm.
L'ultima fase è un processo di lucidatura, che riduce lo spessore di circa 3 nm. Questa fase viene condotta con l'utilizzo di una mistura di soda caustica e silicio granulare.
Oggi, i wafer per i microprocessori sono prodotti nel diametro di 200 o 300 mm, dimensioni che permettono ai produttori di ricavare molti processori da un singolo wafer. Il passo successivo saranno i wafer da 450 nm, ma non ci arriveremo prima del 2013.
Abbiamo già menzionato il drogaggio, effettuato durante la coltura del mono cristallo. Il drogaggio, tuttavia, può essere effettuato anche sul wafer finale e durante il processo di fotolitografia. Questo permette di alterare le proprietà elettriche di specifiche aree e di specifici layer, anziché influire sull'intera struttura cristallina.
L'aggiunta del materiale di drogaggio viene effettuata tramite diffusione. Il materiale di drogaggio riempie gli spazi vuoti con delle strutture cristalline, posizionandosi tra i composti silicici. In alcuni casi, può anche sostituirsi ai composti silicici. La diffusione può essere effettuata tramite l'utilizzo di gasatura (azoto e argon) o materiali solidi, o altre fonti droganti.
Un altro approccio è l'instillazione ionica, molto utile per alterare un wafer che è già stato drogato, dato che questa procedura viene effettuata a temperatura ambiente. Questo previene la diffusione del precedente materiale di drogaggio. È possibile mascherare alcune parti del wafer per trattare solo aree specifiche. Ci sarebbe molto altro da dire riguardo l'installazione ionica, come la profondità di penetrazione, l'attivazione dell'additivo di drogaggio ad alte temperature, l'incanalamento, etc - ma entreremmo troppo nel dettaglio andando contro lo scopo di questo articolo.
Per creare una maschera viene utilizzato il processo fotografico. Se non volete esporre tutto il wafer alla luce ad alta densità o ad altre fonti di energia, è importante lavorare con le cosiddette maschere, che permettono alla luce di colpire solo specifiche regioni. Le maschere possono essere comparate ai negativi dei film in bianco e nero. I circuiti integrati hanno molteplici layer (20 o più); come conseguenza, ci sono maschere per tutti i singoli layer.
Una sottile lastra di cromo viene modellata in un placca di vetro quarzo per creare i cosiddetti reticoli. Strumenti molto costosi, utilizzanti cannoni di elettroni o laser, compiono le incisioni. Ogni modifica al design della maschera necessita di una nuova maschera vergine, e ciò rende l'affare molto costoso. Inoltre, considerata la complessità dei circuiti, la creazione di una maschera richiede molto tempo.
