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Do silício aos chips: você sabe como os semicondutores são fabricados passo a passo?
A fabricação de dispositivos semicondutores é um processo complexo responsável pela produção de uma variedade de chips, incluindo microprocessadores, microcontroladores e módulos de memória. Nesse processo, circuitos eletrônicos são gradualmente formados em wafers, geralmente feitos de silício monocristalino puro. Embora o silício seja o material mais comumente usado, muitas aplicações especiais são produzidas usando vários semicondutores compostos.
A chave para a fabricação de semicondutores está em uma série de etapas de fotolitografia, processamento físico e químico, como oxidação térmica, deposição de filme fino, implantação iônica e gravação.
Esses processos ocorrem em fábricas de semicondutores altamente especializadas, geralmente chamadas de "fábricas". No centro da fábrica está a sala limpa, um dos ambientes mais importantes para garantir a qualidade do produto. Na produção de dispositivos semicondutores modernos, como a tecnologia 14/10/7 nanômetros, o processo de produção geralmente leva até 15 semanas, sendo 11 a 13 semanas o ciclo de produção médio da indústria.
O processo de produção é quase totalmente automatizado, com sistemas automatizados dedicados de manuseio de materiais transportando wafers de uma máquina para outra. Geralmente há vários chips em um wafer. Esses chips são chamados de "matriz" e são separados por um processo de corte e vinco no wafer completo para posterior montagem e embalagem. Antes do produto final, os wafers são enviados em caixas plásticas especialmente lacradas, chamadas FOUPs (wafer boxes). Esses FOUPs mantêm uma atmosfera de nitrogênio em seu interior para evitar a oxidação do cobre no wafer, já que o cobre é um dos materiais usados para interconexões nos semicondutores modernos.
O ambiente dentro dos equipamentos de processamento de wafer e FOUPs é chamado de microambiente, o que ajuda a aumentar o rendimento, que é o número de dispositivos funcionais em um wafer.
Esse microambiente é implementado através do EFEM (Equipment Front End Module), que recebe wafers dos FOUPs e os introduz na máquina. Muitas máquinas também processam wafers em ambientes limpos de nitrogênio ou vácuo para reduzir a contaminação e melhorar o controle do processo. Os Fabs requerem grandes quantidades de nitrogênio líquido para manter a atmosfera dentro dos equipamentos de produção e FOUPs, que são constantemente preenchidos com nitrogênio. Uma cortina de ar ou estrutura de malha pode ser instalada entre a FOUP e a EFEM para reduzir a quantidade de umidade que entra na FOUP e melhorar o rendimento.
Muitas das empresas fabricantes de equipamentos usados em processos industriais de fabricação de semicondutores incluem ASML, Applied Materials, Tokyo Electronics e Ripper Research, entre outras. No processo de fabricação de um dispositivo semicondutor, o tamanho do recurso em cada etapa é determinado por fotolitografia, o que significa que o desenho ou padrão do dispositivo semicondutor pode ser definido.
O tamanho do recurso refere-se à menor largura de linha que pode ser feita durante o processo de fabricação de semicondutores.
A medição do tamanho do recurso é baseada no tamanho mínimo do recurso do nó da tecnologia de processo de semicondutores, geralmente em nanômetros. Embora os nomes desses nós de tecnologia não estivessem inicialmente claramente relacionados aos tamanhos dos recursos funcionais, esse conceito tornou-se gradualmente confuso com o tempo.
Revisão histórica
O desenvolvimento da tecnologia de fabricação de semicondutores tem uma longa história. Em 1955, uma descoberta acidental de Carl Frosh e Lincoln Derek no Bell Labs os tornou conscientes do efeito da oxidação da superfície das pastilhas de silício, o que foi de grande importância para futuras discussões sobre tecnologia de semicondutores. Em 1957, eles foram capazes de produzir transistores de efeito de campo de óxido de silício, que se acredita ser a primeira produção de transistores de efeito de campo planares.
Com o tempo, o tamanho dos wafers semicondutores continuou a aumentar, de 25 mm em 1960 para 200 mm, e eventualmente se tornou o padrão de 300 mm. Esse processo levou à introdução da tecnologia de automação e à utilização de equipamentos mais eficientes para completar a produção. À medida que a procura no mercado de semicondutores aumenta, os fabricantes também começaram a conceber dispositivos mais duráveis para garantir a sua adaptabilidade em diferentes mercados.
Muitas novas tecnologias estão surgindo em dispositivos semicondutores modernos, incluindo a tecnologia FinFET, que proporciona maior eficiência energética e desempenho mais rápido no nó de 22 nm. Em 2018, surgiram uma variedade de novas arquiteturas de transistores, como o GAAFET, que representa outra nova direção de desenvolvimento da tecnologia de semicondutores.
Lista de etapas
Todo o processo de fabricação de dispositivos semicondutores inclui várias etapas, incluindo processamento de wafer, fotolitografia, implantação iônica, gravação e embalagem. Juntas, essas etapas formam o núcleo da fabricação de semicondutores e contam com o suporte de equipamentos de fabricação especializados e ambientes limpos.
Todo o processo de produção geralmente é realizado em uma fábrica de wafer, que funciona com eficiência 24 horas por dia e requer grande quantidade de água pura para garantir a pureza do produto. Cada wafer passa por testes rigorosos para garantir que seu desempenho atenda aos requisitos esperados.
Em uma indústria em rápido desenvolvimento, novas tecnologias e materiais estão mudando constantemente o futuro dos semicondutores. Que surpresas a futura indústria de semicondutores trará?
