viaggio dentro un microchip: il granello di sabbia con una memoria da elefante

di Francesca di Monte

Federico Faggin - inventore nel 1971 del primo microchip monolitico, l'Intel 4004

Federico Faggin - inventore nel 1971 del primo microchip monolitico, l'Intel 4004

“In una notte di gennaio, da solo in laboratorio e con le mani tremanti” l’ingegnere vicentino Federico Faggin cambia il corso della storia: è il 1971 e il primo microchip, o circuito integrato, vede la luce, aprendo la strada ad un’era informatica che neanche l’inventore stesso poteva immaginare.

Quello che fino ad allora sembrava dovesse per forza occupare un’intera stanza, diventa piccolo, talmente piccolo che oggi possiamo tenerlo in tasca.
Il microchip Intel 4004 sviluppato da Faggin, portava le iniziali del suo inventore “F.F”

microchipIl microchip, dispositivo in grado di compiere operazioni di calcolo o di elaborare grandi quantità di informazioni, è il “cuore” tecnologico, o meglio, il “cervello” di tutti gli strumenti elettronici: dai computer ai telefonini, dalle calcolatrici agli elettrodomestici, dagli orologi alle automobili.
Ogni microchip è formato da milioni di minuscoli “mattoncini” elettronici più o meno complessi (i più noti sono i transistor e i diodi) racchiusi in superfici sempre più piccole: quando sono nati i primi transistor erano grandi diversi centimetri, ora si riesce a farne stare 30 milioni sulla capocchia di uno spillo (il primo microchip monolitico della storia, l’Intel 4004 elaborato da Faggin conteneva “solamente” 2300 transistor).
I transistor che costituiscono i microchip sono costruiti su delle piastrine di silicio, considerato per tale motivo l’elemento base dei circuiti integrati.  Ecco perché la zona della California in cui sorgono numerose industrie di elettronica ed informatica viene chiamata “Silicon Valley” (dall’inglese silicon=silicio).
granuli di silicioIl Silicio (Si) si trova negli strati di sabbia, argilla, granito e quarzo nella forma di diossido (SiO2-Quarzo) ed è il secondo elemento chimico più frequente presente nella crosta terrestre (dopo l’ossigeno).

Una volta estratto trova largo impiego nella produzione di microchip ma è anche il componente principale di vetro, cemento e ceramica.
Il Silicio utilizzato per realizzare i circuiti integrati, dopo l’estrazione viene purificato mediante una procedura che richiede diversi passaggi, fino a raggiungere la qualità ottimale per la realizzazione di un semiconduttore (il materiale base dei dispositivi elettronici).
Il silicio puro viene ottenuto dalla reazione a temperatura molto elevata (1800°C) tra la polvere di biossido di silicio (quarzo) e il carbone:
SiO2 + C = Si + CO2
Il carbone reagisce con l’ossigeno presente nel quarzo, formando monossido di carbonio.  Il silicio che resta, per via dell’elevatissima temperatura, si raccoglie allo stato fuso in un crogiolo.
Dopo aver ottenuto il silicio “metallurgico” si procede con la purificazione attraverso acido cloridrico per ottenere un gas (il triclorosilano):
Si + 3HCl = SiHCl3 +H2
A questo punto il gas viene decomposto termicamente liberando silicio cristallino purissimo e vapori di tetracloruro di silicio e acido cloridrico che sono allontanati dal silicio: il silicio EGS (Electronic Grade Silicon) puro al 99,99% è pronto.
SiHCl3 +H2 = Si + 3HCl

accrescimento lingotto polisilicio di grado EGS con metodo Czochralski

accrescimento lingotto polisilicio di grado EGS con metodo Czochralski

Nel processo di costruzione di microchip, il polisilicio di tipo EGS viene quindi sottoposto al cosiddetto “accrescimento cristallino” per ottenere un grosso lingotto monocristallino ultrapuro: 100 chili di peso per un metro e mezzo di altezza di silicio puro al 99,9999%.
Il processo di accrescimento prende il nome di “metodo Czochralski“, dal nome del ricercatore polacco che lo sviluppò nel 1916: un seme monocristallino di silicio EGS viene sollevato verticalmente e contemporaneamente fatto girare in maniera antioraria tramite un apparecchio chiamato “puller” e immerso in un bagno di silicio fuso (con una temperatura di poco superiore a quella di fusione).
La parte di seme immersa fonde e la parte restante lambisce la superficie del fuso.  Durante i movimenti di sollevamento e rotazione la graduale solidificazione all’interfaccia tra solido e liquido fa si che ogni minuto crescano attorno al seme alcuni millimetri di cristallo, fino ad arrivare ad un grande monocristallo, il fuso.
Il silicio aderendo al seme monocristallino si solidifica molto rapidamente (i suoi atomi si orientano secondo il reticolo atomico del silicio del seme): è un processo simile a quello che avviene in natura per il quarzo ma mentre quest’ultimo richiede milioni di anni, quello del silicio si conclude in pochi giorni.

taglio di un lingotto silicio in wafer sottiliIl lingotto così ottenuto viene poi tagliato tramite un disco diamantato in sottilissime fettine di silicio dette “wafer” (diametro all’incirca di 300 millimetri) che vengono levigate fino ad ottenere una finitura lucida a specchio.

I wafer sono molto fragili e per proteggerli da corrosioni o danni meccanici si fa crescere sulla loro superficie uno strato di ossido di silicio (SiO2), materiale altamente isolante, attraverso una procedura chiamata “ossidazione termica”.
Questo processo consiste nell’esporre il silicio ad agenti ossidanti, come acqua o ossigeno, a temperature molto elevate, fino a 1000°C.   A seconda dell’agente ossidante impiegato nel suddetto processo possiamo avere una dry ossidation (che utilizza l’ossigeno come ossidante) o una wet ossidation (che utilizza l’acqua come ossidante).

wafer di silicio

wafer di silicio

Le reazioni chimiche che si osservano in queste ossidazioni sono rispettivamente:
Si+O2 → SiO2 (dry ossidation)
Si+2H2O → SiO2+2H2 (wet ossidation).
Man mano che il processo di ossidazione avanza, il silicio viene consumato e lo spessore dello strato isolante di SiO2 aumenta, formando una robusta barriera di protezione del wafer.

A questo punto sul wafer deve essere impressa l’immagine del circuito elettronico e questo si ottiene attraverso la fotolitografia, uno dei processi cruciali della complessa produzione dei microchip: si cosparge il disco con un sottile film di una sostanza detta Photo Resist (un liquido fotosensibile che cambia la sua struttura molecolare dopo l’esposizione alla luce ultravioletta) e poi, interponendo tra il disco di silicio e una sorgente di raggi UV una “maschera” che funzioni da stampino, il wafer viene colpito dai raggi ultravioletti (UV).  In pratica accade quello che succede alla pellicola quando si scatta una fotografia: i raggi di luce imprimono sulla superficie del wafer l’immagine del circuito creando delle vere e proprie “finestre” che ci permetteranno di compiere il passaggio successivo: il drogaggio.

Qui di seguito i vari passaggi della fotolitografia:

le diverse fasi della fotolitografia su wafer di silicio

le diverse fasi della fotolitografia su wafer di silicio

La fotolitografia può essere considerate la fase “creativa” nella produzione dei microchip e richiama alla memoria la litografia, l’arte di riprodurre meccanicamente le immagini utilizzando pietre e matite speciali, nata alla fine del XVIII secolo.

La tecnica permetteva di ottenere numerose copie dello stesso disegno e veniva chiamata “stampa chimica su pietra” perché l’opera veniva disegnata con matite grasse su una particolare pietra porosa levigata. Seguiva il processo di acidificazione: sulla superficie della pietra con il disegno realizzato dall’artista si passavano del talco e un velo di una soluzione composta di acido nitrico diluito con acqua e gomma arabica.

fotolitografia su pietra in una stamperia artistica

fotolitografia su pietra in una stamperia artistica

Nelle parti non disegnate, cioè dove mancava l’inchiostro, l’acido provocava la trasformazione del carbonato di calcio (esistente nella pietra matrice) in nitrato di calcio idrofilo, mentre nella parte disegnata il carbonato di calcio tratteneva l’inchiostro, essendo questo un materiale grasso.
Ponendo un foglio di carta sulla pietra e premendo con un rullo si ottenevano la stampa e la possibilità di riprodurla in numerose copie: la stessa lastra di pietra infatti poteva essere facilmente ripulita e riutilizzata.
Nel tempo la pietra è stata sostituita da lastre di alluminio e zinco.

Oggi, grazie a quest’antica arte, siamo in grado di produrre copie di complessi circuiti di dimensioni nanometriche.
Nella fotolitografia utilizzata per produrre i microchip la lastra è rappresentata dal nostro wafer di silicio, il disegno non è più inciso con matite grasse ma è impresso attraverso la maschera, lo strato di photoresist e il fascio di radiazioni ultraviolette hanno preso il posto dell’inchiostro e della soluzione acida con la quale si inzuppava la pietra.

silicon art su microchip

silicon art su microchip

La fotolitografia in realtà ha conservato le antiche velleità artistiche tanto che oggi si parla di “silicon art“: nel processo di creazione del circuito, gli ingegneri si sbizzarriscono ad imprimere sui wafer piccoli disegni di oggetti e animali, scritte, sigle, iniziali (come quelle di Faggin).  Minuscole opere d’arte non visibili ad occhio nudo ma che rappresentano la firma dell’artista e il marchio di fabbrica del microchip.
Per produrre un comune processore o chip di memoria possono essere necessarie decine di cicli di fotolitografia.  Dopo la rimozione dello strato foto resistivo attraverso del solvente rimangono sul wafer soltanto le tracce impresse dalla maschera tramite raggi UV: la forma vera e propria del circuito è ora visibile.

A questo punto, per utilizzare i wafer all’interno dei microchip, è necessario che attraverso il disco possa passare dell’elettricità aumentando la conduttività elettrica del silicio (incrementando cioè la sua capacità di condurre elettricità).
Il silicio ultrapuro è infatti un semiconduttore, ovvero un materiale che ha una capacità di condurre elettricità intermedia tra i conduttori e gli isolanti.
Nei materiali isolanti gli elettroni sono strettamente legati ai loro atomi e questo impedisce loro di muoversi e quindi di condurre elettricità.
Nei materiali conduttori invece gli elettroni sono liberi di muoversi da un atomo ad un altro: applicando una differenza di potenziale ai due capi di un conduttore gli elettroni possono fluire liberamente spostandosi tra gli atomi e questo permette loro di trasportare la corrente.
Nei semiconduttori come il silicio gli elettroni sono fermi intorno ai loro atomi esattamente come nei materiali isolanti ma, in determinate condizioni, possono muoversi come gli elettroni dei materiali conduttori.
Nello specifico l’atomo di silicio possiede 14 elettroni, quattro di questi sono i cosiddetti “elettroni di valenza”, cioè quelli che possono partecipare alle interazioni con altri atomi, sia di silicio sia di altri elementi.
Per aumentare la conducibilità elettrica del silicio si ricorre al processo di “drogaggio”.
Drogare il silicio vuol dire inserire nel suo reticolo cristallino piccole quantità di due tipi di atomi diversi, generalmente il boro e il fosforo in cui le sostanze droganti vengono trasformate in ioni (dotati quindi di carica elettrica) che possono essere accelerati da campi magnetici.

Il drogaggio del silicio viene effettuato con due diverse tecniche:

Drogaggio per diffusione termica:
All’interno di una fornace, gli atomi di drogante sono avvicinati alla superficie dei wafer di silicio a temperature superiori a 1000 °C in modo che si attivi un processo di diffusione del drogante nel silicio. Una volta raggiunta la concentrazione di drogante desiderata, si abbassa la temperatura dei wafer, estraendoli dalla fornace, per far crollare i valori del coefficiente di diffusione di materia, bloccando così il processo.

Drogaggio per impiantazione ionica:
Tecnica che nel tempo sta sempre più sostituendo la precedente.

drogaggio per impiantazione ionica

drogaggio per impiantazione ionica

L’impiantazione ionica consiste nell’introduzione di atomi carichi di drogante ad elevata energia sui dischi di silicio: è come sparare dei proiettili (droganti) su un bersaglio (wafer).
L’impiantatore utilizzato è fondamentalmente un acceleratore di particelle costituito da una sorgente di ioni da impiantare ed una serie di elettrodi polarizzati che servono ad estrarre gli ioni dalla sorgente.
Gli ioni estratti vengono poi fatti passare in un magnete analizzatore che seleziona, sulla base delle masse, solo le specie di interesse.
Queste, attraverso una fenditura, vengono iniettate nella colonna di accelerazione, in cui la loro velocità aumenta enormemente per effetto di un campo elettrico applicato, e quindi sparate verso il bersaglio-silicio.
A mano a mano che gli ioni penetrano negli atomi di silicio perdono gradualmente velocità fino a fermarsi in una determinata posizione.
Ognuno di questi ioni, entrando in collisione con gli atomi del bersaglio, segue un percorso leggermente diverso che li porta a fissarsi a diversi livelli di profondità del wafer: maggiore è l’energia impartita dall’acceleratore e maggiore sarà la penetrazione del drogante nel solido.

Le sostanze chimiche droganti più utilizzate nell’impiantatore sono:
Trifluoruro di boro (BF3, gas)
Fosfina (PH3, gas)

drogaggio tipo p con boro

drogaggio tipo p con boro

Un atomo di boro ha a disposizione solo tre elettroni di valenza, quindi, nel punto del reticolo cristallino di silicio in cui viene “sparato”, si forma una cosiddetta lacuna (perché manca un elettrone di legame).
Il fosforo invece ha a disposizione cinque elettroni di valenza, quindi nel punto in cui viene inserito ci sarà un elettrone libero che non riesce a legarsi a nessun atomo di silicio e che, libero di muoversi, renderà possibile il passaggio di corrente elettrica.

drogaggio tipo n con fosforo

drogaggio tipo n con fosforo

Il silicio drogato con il boro viene chiamato di tipo p perché in esso prevalgono portatori di carica positivi (le lacune), mentre quello drogato con fosforo (con eccesso di elettroni) viene chiamato di tipo n.

Il diverso comportamento dei semiconduttori drogati n o p permette la realizzazione di dispositivi elettronici, per esempio diodi e transistori, che, come abbiamo visto, sono alla base dei microchip.
Se si mettono a contatto due sottili placche di silicio, una drogata con fosforo (tipo n) e una drogata con boro (tipo p) gli elettroni liberi che abbondano nel silicio di tipo n, migreranno verso il silicio di tipo p, nell’intento di riempire le lacune lasciate dal boro.   Questo flusso di elettroni verso il silicio di tipo p fa si che questo cominci ad acquisire una carica negativa mentre il silicio di tipo n, perdendo elettroni, comincia a caricarsi positivamente: le due placche di silicio stanno generando un campo elettrico.
Una volta conclusa la fase di drogaggio segue il taglio del wafer in tanti chip (o “die“) quanti sono i circuiti integrati, tutti identici, in esso realizzati e che andranno poi collegati elettronicamente fra loro.

scheda elettronica con microchip

scheda elettronica con microchip inseriti

I dice (plurale di die) sono a questo punto fissati all’interno dei contenitori finali (i “packages” che possono essere di plastica, ceramica o metallo) e collegati ai terminali metallici del package con filo metallico più sottile di un capello: oro, alluminio o rame.   Questi terminali sono il tramite con cui il die può comunicare con il circuito in cui verrà inserito.
La genialità dell’idea di Federico Faggin è stata proprio quella di fornire un dispositivo, soprannominato “miracle chip“, che fosse programmabile tramite software, quando fino ad allora, i chip venivano progettati solo per eseguire specifiche funzioni fissate nell’hardware: il primo microprocessore su singolo chip in cui tutte le parti essenziali sono in un’unica lastrina di silicio.
A questo punto il nostro “miracle chip” è pronto per essere inserito nel forno a microonde, nella lavastoviglie o nel telefonino.
Nel tempo i transitor al silicio continuano a subire miniaturizzazioni secondo la legge di Moore per cui ogni 18 mesi si ha il raddoppio sia del numero di transistor impacchettati insieme nello stesso microchip e contemporaneamente della performance del dispositivo.
Ovviamente questo processo non potrà andare avanti all’infinito e prima o poi la natura porrà dei limiti fisici alla fabbricazione di dispositivi di pochi nanometri, motivo per cui si stanno prendendo in considerazione altri materiali oltre al silicio, tra cui il grafene o ibridi di silicio e nitruro di gallio.

La ricerca va avanti e i microchip diventeranno sempre più piccoli e più efficienti ma, come ha affermato lo stesso Faggin durante la recente celebrazione dei 40 anni dei microprocessori: “Non credo che i computer riusciranno mai a rivaleggiare le capacità dell’uomo: la consapevolezza, la creatività, l’intuizione, la volontà e l’intenzione sono caratteristiche che nessuna macchina potrà emulare”.

 

 

Approfondimenti consigliati:

www.raiscuola.rai.it/articoli/il-microchip-funzionamento/3194/default.aspx
www.intel.com
it.wikipedia.org/wiki/Microprocessore
it.wikipedia.org/wiki/Federico_Faggin
www.itcslazzari.it/scuola/progetti/Museo%20informatica/Processori/storia%20processori%2002.htm
www.microchip.com/
it.wikipedia.org/wiki/Legge_di_Moore
www.istitutosangiovannibosco.net/cennini_donbosco/e-learning/percorsi%20di%20scienze/ecosistemi/cella_fotovoltaica.htm
www.roma1.infn.it/rog/pallottino/articoli%20divulgativi/kilby%20NS%202008.pdf
xoomer.virgilio.it/pidepaol/elettrotecnica/elettro4.html
www.informaticaeasy.net/hardware/cpu/660-dalla-sabbia-al-silicio-ecco-come-nasce-un-processore-intel.html
www.atuttascuola.it/tecno/barbaglia/microprocessori.htm
www.gregorys.it/informat/microp.htm
micro.magnet.fsu.edu/creatures/pages/faggin.html
www.intel4004.com/
lh4.ggpht.com/-r2mjCxYSJ5I/T1yrz51EphI/AAAAAAAAD48/vD4iWOTz4cw/Teoria%252520a%252520bande%25255B5%25255D.jpg
www.focus.it/scienza/tecnologia/Quando_sono_stati_inventati_i_microchip_C39.aspx
www.roma1.infn.it/rog/pallottino/articoli%20divulgativi/Faggin.htm
www.koimano.com/articolo.asp?id=197
www.youtube.com/watch?v=GN1VmzubOYk&feature=related
gadget.wired.it/news/mondo_computer/2011/10/25/40-anni-intel-primo-microprocessore.html
hardware.hdblog.it/2011/10/22/intel-festeggia-i-40-anni-del-microchip-con-federico-faggin/
www.frammentiarte.it/colori/Litografia.htm

 

5 risposte a viaggio dentro un microchip: il granello di sabbia con una memoria da elefante

  • Hugo scrive:

    Egregio Faggin ma noi siamo macchine assemblatein un certo modo che si va via via scoprendo.A meno di credere all’esistenza dell’anima, i manufatti umani saranno resi sempre più simili a noi, in fondo siamo fatti della stessa “pasta”.Ancora complimenti per la sua intuizione,

  • salvatore scrive:

    Complimenti per articolo, se mi permetti vorrei segnalarlo in questa pagina, http://www.drogbaster.it/circuito-integrato.htm dove descrivo: la la produzione e i tipi, livello d’integrazione dei componenti, differenza tra analogico e digitale del Circuito Integrato.

    Saluti, grazie per la tua attenzione.

  • non lo so scrive:

    come si può neutralizzare una volta funzionante

  • Francesca scrive:

    Ciao Corrado,
    grazie mille!
    Per quanto riguarda i tuoi quesiti:
    1) una volta che il wafer ha subito vari processi di fotolitografie e drogaggio e dopo aver superato i controlli di qualità viene tagliato nei singoli die. Ogni die viene inserito in un alloggio e collegato ad un dissipatore argentato: il substrato fornisce l’interfaccia elettrica e quella meccanica, necessarie per l’interazione tra il processore e il resto del computer. Il dissipatore argentato fa, invece, da interfaccia con i sistemi di raffreddamento, usati per mantenere il processore fresco quando è in funzione. Ti allego un’immagine che dà l’idea di quanti dice vengono ricavati da un, già piccolo, wafer:
    http://www.chimicare.org/curiosita/wp-content/uploads/2012/05/29-08-wafer-test-cut-3_t.jpg
    Per quanto riguarda il secondo quesito cominciamo ad addentrarci in un mondo, quello dell’informatica, per cui bisognerebbe aprire un discorso che esula dalla chimica e approda nell’informatica..a tal proposito ti giro un link interessante:
    http://chimera.roma1.infn.it/GIORGIO/articoli/calcolatori_QE.html

  • Corrado scrive:

    Davvero interessante e ben scritto, complimenti, mi sono perso però in due punti.

    1) come si passa dai wafer agli elementi più piccoli e piccolissimi?
    2) come si è passati al miracle chip programmabile via software?

    Saluti…

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