Como transformar areia em um processador [vídeo]

Toda vez que seu computador é ligado, o processador realiza inúmeras tarefas para você navegar na web, assistir a vídeos e também se divertir com os jogos. O cérebro do PC é um componente fantástico que contém uma infinidade de pequenos elementos.

Mas você já parou para pensar como ele é fabricado? A Intel criou um vídeo para mostrar a construção de um chip de 22 nm. Como as imagens não trazem explicações, o Tecmundo vai mostrar, de forma resumida, as principais etapas do processo.

Da areia ao wafer

O silício é o elemento fundamental dos chips. Ele é encontrado em abundância na areia, que é a matéria-prima na fabricação das CPUs. Depois de obter silício em grande quantidade, é preciso purificá-lo, algo que é feito a partir do derretimento do elemento. Nessa etapa, um cilindro de metal — conhecido como lingote — é formado para iniciar o processo.

Ampliar (Fonte da imagem: Divulgação/Intel)

Por enquanto, temos um enorme objeto com 100 kg. Para começar a moldar o processador, é preciso cortar o lingote em fatias. Ele é divido em diversas partes de 300 mm de diâmetro e 1 mm de espessura. Aqui obtemos o wafer, objeto circular que é polido até que as superfícies não apresentem falhas.

Fotolitografia e íons

O processo de fotolitografia começa com a aplicação de um líquido fotorresistivo, o qual é adicionado enquanto o wafer permanece girando. Esse fluido é sensível a certas frequências de luz e é resistente a alguns materiais químicos que serão utilizados posteriormente.

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A luz ultravioleta grava um padrão no wafer com o uso de uma lente e de uma máscara (uma imagem com um desenho da estrutura básica) — como é mostrado no centro da imagem acima. O líquido fotorresistivo que cobria o desenho ampliado é removido, deixando visível apenas o padrão.

Agora, um feixe de íons (com átomos carregados positivamente ou negativamente) bombardeia o wafer. Esse processo é chamado de dopagem, pois ele insere impurezas no silício.

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Os íons alteram as propriedades condutivas do silício em determinadas áreas. Por fim, todo o material fotorresistivo é removido, resultando em um wafer com um padrão de regiões dopadas, nas quais os transistores serão formados.

Formação do transistor

Os transistores são construídos de forma individual. Segundo documento da Intel, uma máquina opera em uma escala próxima dos 50 nm. Primeiro, um padrão é aplicado com fotolitografia sobre uma região ínfima, formando uma barreira (com uma máscara sobre ela — parte azul no lado esquerdo da imagem abaixo) no meio do transistor e removendo todo o silício indesejado.

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Depois, a máscara é removida  através de um processo químico, deixando apenas um plano vertical (como mostrado no lado direito da imagem acima). Para criar a porta (gate) do transistor, uma parte da barreira é coberta com material fotorresistivo e uma camada fina de dióxido de silício — assim, obtemos uma porta dielétrica temporária, como exibido na primeira figura abaixo.

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Em seguida, uma camada temporária de silício policristalino é criada através da fotolitografia. Aqui, temos um eletrodo temporário da porta (no centro da imagem acima). Para isolar o transistor de outros elementos, uma camada de dióxido de silício é aplicada sobre o wafer utilizando um processo de oxidação — última figura exibida acima.

Usando uma máscara, a porta dielétrica temporária e o eletrodo temporário da porta são removidos. Agora, de fato, a porta vai ser criada, e a Intel chama esse procedimento de “gate last” (a primeira figura abaixo).

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Camadas individuais de moléculas são aplicadas na superfície do wafer em um processo chamado “depósito da camada atômica”. A porta é formada sobre o wafer e, usando a litografia, removida das regiões em que ela não deve existir (terceira figura acima).

Depósito e camadas de metal

Agora, três buracos são criados na parte superior do transistor. Esses espaços serão preenchidos com cobre para realizar a conexão com outros transistores. Usando o processo de galvanoplastia, íons de cobre são depositados sobre o transistor, formando uma camada fina sobre a superfície do wafer. O excesso de material é mecanicamente polido.

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Finalmente, os milhões de transistores criados serão conectados em múltiplas camadas de metal. Essa configuração de “fios” é determinada de acordo com a arquitetura do processador. Apesar de os chips serem extremamente finos, eles podem ter mais de 30 camadas para formar um circuito complexo (como exibido na última etapa da imagem acima).

Testando, cortando e selecionando

Os transistores e os processadores estão prontos para serem comercializados. Agora, restam apenas algumas etapas. Primeiramente, alguns testes garantem que os circuitos estão conduzindo eletricidade. Análises de padrão são realizadas em todos os chips para verificar se eles estão respondendo de maneira apropriada.

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Nesse momento, o wafer é cortado em diversas partes, resultando em peças chamadas de dies (parte central do processador). Aqueles que responderam corretamente à análise de padrão serão selecionados para as próximas etapas.

Etapas finais

Com os dies devidamente testados e selecionados, os componentes serão inseridos nas bases (aquela parte verde que tem os pinos e inúmeros contatos elétricos) e receberão os dissipadores de calor (parte cinza em que serão gravados a marca e o modelo) para formar os processadores. Na imagem abaixo, o die de um processador Ivy Bridge na etapa final de fabricação.

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Agora, o processador será testado (na primeira etapa da imagem abaixo) de forma completa, para averiguar se ele é capaz de realizar tarefas pesadas e apresenta o desempenho esperado.

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Finalmente, ele será encaminhado para o setor de empacotamento, no qual deve receber uma caixa, manual e outros itens para ser vendido posteriormente.

O produto mais complexo criado pelo homem

Centenas de etapas são necessárias para fabricar um processador, sendo que este artigo foi apenas um resumo do processo. No artigo “Veja como são produzidos os processadores”, fornecemos mais detalhes, curiosidades e informações quanto ao processo e às fábricas.

Fonte de pesquisa: Intel