La fabbricazione di circuiti integrati prevede un processo di creazione di strati superficiali molto sottili di materiale semiconduttore sopra uno strato di substrato, solitamente realizzato in silicio, che può essere alterato chimicamente a livello atomico per creare la funzionalità di vari tipi di componenti del circuito, inclusi transistor, condensatori , resistori e diodi. È un progresso rispetto ai precedenti progetti di circuiti in cui i singoli componenti di resistori, transistor e altro erano collegati a mano a una breadboard di collegamento per formare circuiti complessi. Un processo di fabbricazione di circuiti integrati funziona con componenti così piccoli che miliardi di essi possono essere creati in un’area di pochi centimetri quadrati a partire dal 2011, attraverso vari processi di fotolitografia e incisione in un impianto di fabbricazione di microchip.
Un circuito integrato, o IC, chip è letteralmente uno strato di materiale semiconduttore in cui tutti i componenti del circuito sono interconnessi in una serie di processi di produzione in modo che tutti i componenti non debbano più essere fabbricati individualmente e assemblati in seguito. La prima forma di circuito integrato a microchip è stata prodotta nel 1959 ed era un grezzo assemblaggio di diverse dozzine di componenti elettronici. La sofisticatezza della fabbricazione di circuiti integrati aumentò esponenzialmente, tuttavia, con centinaia di componenti su chip IC negli anni ‘1960 e migliaia di componenti entro il 1969, quando fu creato il primo vero microprocessore. I circuiti elettronici a partire dal 2011 hanno chip IC di pochi centimetri di lunghezza o larghezza che possono contenere milioni di transistor, condensatori e altri componenti elettronici. I microprocessori per sistemi informatici e moduli di memoria che contengono principalmente transistor sono la forma più sofisticata di chip IC a partire dal 2011 e possono avere miliardi di componenti per centimetro quadrato.
Poiché i componenti nella fabbricazione dei circuiti integrati sono così piccoli, l’unico modo efficace per crearli è utilizzare processi di incisione chimica che comportano reazioni sulla superficie del wafer dall’esposizione alla luce. Viene creata una maschera o una sorta di schema per il circuito e la luce viene irradiata attraverso di essa sulla superficie del wafer che è rivestita con un sottile strato di materiale fotoresist. Questa maschera consente di incidere motivi nel fotoresist di wafer che viene poi cotto ad alta temperatura per solidificare il motivo. Il materiale fotoresist viene quindi esposto a una soluzione dissolvente che rimuove la regione irradiata o la regione mascherata della superficie a seconda che il materiale fotoresist sia un reagente chimico positivo o negativo. Ciò che rimane è un sottile strato di componenti interconnessi ad una larghezza della lunghezza d’onda della luce utilizzata, che può essere luce ultravioletta o raggi X.
Dopo il mascheramento, la fabbricazione di circuiti integrati comporta il drogaggio del silicio o l’impianto di singoli atomi di solito atomi di fosforo o boro nella superficie del materiale, che conferisce alle regioni locali del cristallo una carica elettrica positiva o negativa. Queste regioni cariche sono note come regioni P e N e, dove si incontrano, formano una giunzione di trasmissione per creare un componente elettrico universale noto come giunzione PN. Tali giunzioni sono larghe da circa 1,000 a 100 nanometri a partire dal 2011 per la maggior parte dei circuiti integrati, il che rende ogni giunzione PN delle dimensioni di un globulo rosso umano, che è di circa 100 nanometri di larghezza. Il processo di creazione di giunzioni PN è personalizzato chimicamente per esibire vari tipi di proprietà elettriche, consentendo alla giunzione di agire come un transistor, un resistore, un condensatore o un diodo.
A causa del livello molto fine dei componenti e delle connessioni tra i componenti sui circuiti integrati, quando il processo si interrompe e ci sono componenti difettosi, l’intero wafer deve essere gettato via poiché non può essere riparato. Questo livello di controllo della qualità è aumentato a un livello ancora più alto dal fatto che la maggior parte dei moderni chip IC a partire dal 2011 sono costituiti da molti strati di circuiti integrati impilati uno sopra l’altro e collegati tra loro per creare il chip finale stesso e dargli più potenza di calcolo. Tra ogni strato circuitale devono essere interposti anche strati isolanti e di interconnessione metallica, così da rendere il circuito funzionale e affidabile.
Sebbene molti chip di scarto siano prodotti nel processo di fabbricazione del circuito integrato, quelli che funzionano come prodotti finali che superano i test elettrici e le ispezioni al microscopio sono così preziosi da rendere il processo altamente redditizio. I circuiti integrati ora controllano quasi tutti i moderni dispositivi elettronici in uso a partire dal 2011, dai computer e telefoni cellulari all’elettronica di consumo come televisori, lettori musicali e sistemi di gioco. Sono anche componenti essenziali dei sistemi di controllo di automobili e aerei e altri dispositivi digitali che offrono un livello di capacità di programmazione all’utente, che va dalle sveglie digitali ai termostati ambientali.