Circuit intégré
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Invention
Jack Kilby est l'inventeur du circuit intégré. Il est mort à l'âge de 81 ans en juin 2005 suite à une longue maladie. En 1958, cet américain alors employé par Texas Instruments, créait le tout premier circuit intégré jetant ainsi les bases de l'informatique moderne. Pour la petite histoire Jack Kilby qui venait de rejoindre la compagnie a fait cette découverte alors que la plupart de ses collègues profitaient de vacances organisées par Texas Instruments. A l'époque Kilby avait tout simplement relié entre eux différents transistors en les cablant à la main. Il ne lui aura pas fallu plus que quelques mois pour passer du stade de prototype à la production de masse de puces en silicium contenant plusieurs transistors. Cette découverte a vallu à Kilby un prix Nobel de physique en 2000 alors que ce dernier siégait toujours au directoire de Texas Instruments et détenait plus de 60 brevets à son nom.
Généralités
Le circuit intégré (CI) (ou la puce électronique) est un composant électronique reproduisant une ou plusieurs fonctions électroniques plus ou moins complexes, en intégrant souvent plusieurs types de composants dans un volume réduit et facile à mettre en œuvre.
Il existe une très grande variété de ces composants divisés en deux grandes catégories : analogique et numérique.
Circuit intégré analogique
Les composants les plus simples peuvent être de simples transistors encapsulés les uns à côté des autres sans liaison entre eux, jusqu'à des assemblages réunissant toutes les fonctions requises pour le fonctionnement d'un appareil dont il est le seul composant.
Les amplificateurs opérationnels sont des représentants de moyenne complexité de cette grande famille où l'on retrouve aussi des composants réservés à l'électronique haute fréquence et de télécommunication.
Un exemple de circuit anologique: L'ampli op 741
Circuit intégré numérique
Les circuits intégrés numériques les plus simples sont des portes logiques simples (et, ou, non), les plus compliqués sont les microprocesseurs et les plus denses sont les mémoires. On trouve de nombreux circuits intégrés dédiés à des applications spécifiques, notamment pour le traitement du signal (traitement d'image, compression vidéo...) on parle alors de DSP (pour Digital Signal Processor). Une famille importante de circuits intégrés est celle des composants de logique programmable (FPGA, CPLD). Ces composants sont amenés à remplacer les portes logiques simples en raison de leur grande densité d'intégration.
Apparence
Les circuits intégrés se présentent généralement sous la forme de boîtiers pleins rectangulaires noirs. Ils sont équipés sur un ou plusieurs côtés voir sur une face, de broches/pattes/pins qui permettent d'établir des connexions. Ces composants sont soudés, ou bien enfichés dans des supports à des fins de démontage, sur un circuit imprimé. Normalement, des références peintes sur le dessus du boîtier indique le nom du constructeur, la référence permettant d'identifier le composant, un code correspondant à des variantes ou révisions et, la date de fabrication (4 chiffres codés AASS : année et semaine). Les progrès de l'intégration sont tels que les circuits intégrés peuvent devennir très petits. Leur taille ne dépend plus guère que de la capacité du boitier à dissiper la chaleur produite par effet joule et bien souvent de la taille des broches de sortie du circuit ainsi que de l'espace entre les broches.
Un exemple circuit integré assez ancien : Le timer universel NE555
Composants internes
Un circuit intégré comprend sous des formes miniaturisées principalement des transistors, des diodes, des résistances, des condensateurs et, plus rarement des inductances ou bobines, car elles sont plus difficillement miniaturisable.
Échelle d'intégration
L'échelle d'intégration défini le nombre de portes par boîtier :
- SSI (small scale integration) petite : inférieur à 12
- MSI (medium) moyenne : 12 à 99
- LSI (large) grande : 100 à 9999
- VLSI (very large) très grande : 10 000 à 99 999
- ULSI (ultra large) ultra grande : 100 000 et plus
Ces distinctions ont peu à peu perdu leur utilité avec la croissance considérable du nombre de portes. Aujourd'hui plusieurs centaines de millions de transistors (plusieurs dizaines de millions de portes) représente un chiffre normal (pour un microprocesseur ou un circuit intégré graphique haut de gamme).
La technique de fabrication la plus courante
La fabrication d'un circuit intégré est un procédé complexe dont la tendance est à se compliquer de plus en plus.
- Le motif de base est le transistor, et ce sont ensuite les interconnexions métalliques entre les transistors qui réalisent la fonction particulière du circuit.
- L'aluminium est souvent employé dans ce but, mais une technologie plus performante permet l'emploi du cuivre.
- On utilise parfois du silicium polycristallin, également conducteur, notamment pour la grille du transistor.
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Matière première
La matière première de base habituellement utilisée pour fabriquer les circuits intégrés est le silicium.
Néanmoins, d'autres matériaux sont parfois employés, comme le germanium ou l'arséniure de gallium.
Le silicium est un semi-conducteur dans sa forme mono-cristalline. Ce matériau doit être pur à 99,99%.
On fabrique d'abord un barreau cylindrique de silicium en le cristallisant très lentement. Ce barreau est ensuite découpé pour être utilisé sous forme de galettes de 500 µm d'épaisseur et ayant jusqu'à 300 mm de diamètre, appelé wafer (galette, en anglais). Un wafer va supporter de nombreux circuits intégrés.t1
La photolithogravure
Ce procédé est actuellement le plus répandu.
Etapes de fabrication
Le nombre d'étapes de la fabrication des circuits intégrés a cru considérablement depuis 20 ans. Il peut atteindre plusieurs dizaines pour certaines productions spécialisées. Toutefois, on retrouve à peu près toujours la même série d'étapes :
- Préparation de la couche : On expose le wafer à du dioxygène pur après chauffage pour fabriquer une couche d'oxyde (isolant) en surface, ensuite le wafer est recouvert d'un vernis photosensible.
- Transfert : On transfère le dessin du circuit à reproduire sur la surface photosensible à l'aide d'un masque, comme pour la peinture au pochoir, en l'exposant aux ultraviolets, (ou aux rayons X, pour les gravures les plus fines). Le vernis non soumis aux rayonnement est dissous grâce à un solvant spécifique.
- Gravure : L'oxyde de silicium est donc protégé par le vernis aux endroits exposés aux ultraviolets. Un agent corrosif va creuser la couche d'oxyde aux endroits non protégés.
- Dopage : On dissout ensuite le verni exposé avec un autre solvant et, des ions métalliques, appelés dopants, sont introduits dans le silicium exposé là où l'oxyde a été creusé, afin de le rendre conducteur.
- Couche suivante : L'opération est renouvelée pour créer les couches successives du circuit intégré ou du microprocesseur (jusqu'à 20).
- On détermine la qualité de la gravure selon le plus petit motif qu'il est possible de graver, en l'occurrence la largeur de la grille du transistor MOS. En 2004, les gravures les plus fines en production sont 0,13µm (ou 130nm) et 90nm.
Phases finales
- On dépose une pellicule métallique aux endroits où le circuit devra être en contact avec les broches de sortie.
- Les circuits intégrés sont testés directement sur le wafer. Les puces défectueuses sont marquées.
- Le wafer est finalement découpé au diamant.
- Les puces ainsi obtenues sont insérées dans un boitier individuel de protection et reliées aux broches qui vont leur permettre de communiquer avec l'extérieur.
- Des tests de validation sévères et individuels sont alors entrepris pour qualifier les microprocesseurs, en fréquence et en température.
Technologies spécialisées
Certaines techniques sont aussi utilisées pour des circuits intégrés de type un peu spécialisé.
Silicium sur isolant
La technologie (silicon on insulator - SOI) consiste à introduire une couche isolante électriquement sous les transitors en profondeur du silicium. Cela réduit les pertes d'électrons dans le circuit, sources de consommation statique d'énergie. Le silicium « à coté » des transistors n'est plus fixé à un potentiel donné, ce qui introduit des performances intéressantes (augmentation de vitesse pour les portes CMOS complexes).
Silicium sur saphir
Dans certains cas, le substrat en silicium monocristallin est purement et simplement abandonné. L'avantage intrinsèque d'utiliser du silicium (l'arrangement des atomes de silicium sur le substrat est naturellement plus régulier) peut alors être compensé pour des applications spécialisées. C'est ainsi que le silicium sur saphir (substrat en saphir cristallin) est utilisé dans les applications où le circuit intégré sera exploité dans un environnement spatial ou soumis à d'intenses radiations qui rendraient les substrats de silicium inutilisables.
Arséniure de gallium
On réalise également des semi-conducteurs à base d'arséniure de gallium. Même si ce matériau a eu l'antériorité sur le silicium, il avait quasiment disparu de l'industrie. Aujourd'hui les avantages intrinsèques de ce matériau en termes de vitesse de commutation lui redonnent une nouvelle jeunesse dans le domaine des hautes fréquences et l'on voit réapparaître une fabrication industrielle sur la base de cette technologie.
Développements futurs
L'industrie des circuits intégrés est une de celles qui évoluent le plus rapidement de l'histoire des technologies. Elle explore continuellement de nouvelles technologies. Parmi celles qui semblent avoir un avenir prometteur il faut compter :
- les substrats en diamant, dont on attend beaucoup en termes de refroidissement