How are microchips made? - George Zaidan and Sajan Saini

Tradutor: Maria A. Sintra Revisora: Margarida Ferreira

This is a computer chip, magnified 500 times.

Isto é um chip de computador, ampliado 500 vezes.

What you’re looking at is the top of a computing city,

O que estão a ver é o topo de uma cidade informática,

with distinct neighborhoods for different functions.

com bairros distintos para diferentes funções.

They’re linked by up to 100 kilometers of ultra-thin copper lines,

Estão ligados por até 100 quilómetros de linhas de cobre ultrafinas,

running across 10 or more stacked levels.

que atravessam 10 ou mais níveis empilhados.

At the very bottom, billions of electronic devices

No fundo, milhares de milhões de dispositivos eletrónicos

generate the digital traffic that pulses across the chip.

geram o tráfego digital que pulsa através do chip.

The most common of these devices is called a transistor;

O mais comum destes dispositivos chama-se transístor;

it’s a switch that allows current to flow if it receives a voltage.

é um interruptor que permite que a corrente flua se receber uma tensão.

Transistors can be as small as 20 nanometers,

Os transístores podem ser tão pequenos como 20 nanómetros,

and more than 50 billion of them can fit on a single chip.

e mais de 50 mil milhões deles podem caber num único chip.

Globally, we produce more than a trillion computer chips every year.

Globalmente, produzimos mais de um bilião de chips de computador todos os anos.

That’s about 20 trillion transistors built every second,

São cerca de 20 biliões de transístores construídos em cada segundo,

and it’s done in fewer than 500 fabrication plants, known as fabs.

e são feitos em menos de 500 fábricas, conhecidas como “fabs”.

How do we build so many tiny, intricately-connected devices,

Como é que construímos tantos dispositivos minúsculos e intrincados,

so incredibly fast?

tão incrivelmente rápido?

A resposta envolve uma tecnologia chamada fotolitografia,

The answer involves a technology called photolithography,

que nos ajuda a construir todos os dispositivos num chip simultaneamente.

which helps us build all the devices on a chip simultaneously.

É como construir todos os edifícios numa cidade ao mesmo tempo.

It’s like constructing all the buildings in a city at the same time.

And with no tiny construction crews to help,

E sem pequenas equipas de construção para ajudar,

we build using light as a measuring and sculpting tool.

construímos usando a luz como ferramenta de medição e escultura.

The process starts with a wafer of silicon,

O processo começa com uma bolacha de silício,

which is doused in solvents and acids to strip it clean before entering a furnace.

que é ensopada em solventes e ácidos para limpá-la antes de entrar num forno.

Here, oxygen gas reacts with the wafer to form a layer of silicon dioxide.

Aí, o gás oxigénio reage com a bolacha formando uma camada de dióxido de silício.

Then, a liquid called “photoresist” is spun on and baked to harden.

De seguida, um líquido “fotorresistente” é aplicado e cozido para endurecer.

Next, ultraviolet light selectively illuminates the wafer,

Depois, uma luz ultravioleta ilumina seletivamente a bolacha,

by passing through or reflecting off a specialized mask.

passando través duma máscara especializada ou refletindo-se nela.

In the lit areas, a reaction weakens the photoresist’s chemical bonds.

Nas áreas iluminadas,

uma reação enfraquece as ligações químicas do fotorresistente.

A bolacha é embebida num outro produto para lavar o fotorresistente enfraquecido,

The wafer is doused in another chemical to wash away that weakened photoresist,

leaving an image of the mask.

deixando uma imagem da máscara.

And an etching machine’s reactive gases remove the exposed oxide,

Os gases reativos de uma máquina de gravura removem o óxido exposto,

creating windows that drill the mask’s pattern down to the wafer surface.

criando janelas que perfuram o padrão da máscara até à superfície da bolacha.

An implanter then accelerates boron or phosphorus ions

Um implantador acelera então os iões de boro ou de fósforo

and slams them into the patterned openings.

e empurra-os para as aberturas padronizadas.

These atoms form electropositive or electronegative regions

Estes átomos formam regiões eletropositivas ou eletronegativas

that change silicon’s conductivity,

que alteram a condutividade do silício,

creating the foundation of the transistor switch.

criando a base do interruptor do transístor.

The etched oxide windows, however, create hill-and-valley features.

As janelas de óxido gravado, no entanto, criam características de colina-e-vale.

Before the next level of copper lines are added,

Antes de adicionar o nível seguinte de linhas de cobre,

this one’s uneven lines must be polished flat,

as linhas irregulares têm de ser polidas de forma plana,

com precisão quase atómica, usando um sofisticado processo de moagem

to near-atomic precision, using a sophisticated grinding process

called chemical mechanical polishing, or CMP.

chamado polimento mecânico químico, ou CMP.

CMP uses a controlled slurry of sub-micron ceramic particles

O CMP utiliza uma suspensão controlada de partículas cerâmicas submicrónicas

to gently scrape and flatten the bumpy features.

para raspar e aplanar suavemente as características irregulares.

Estas e outras fabulosas ferramentas são usadas centenas de vezes numa bolacha,

These fab tools, and many others, are used hundreds of times on a wafer,

to create and link transistors into computing logic gates,

para criar e ligar transístores em portas lógicas de computação,

and to make connected neighborhoods for memory storage and computation.

e para fazer bairros conectados para armazenamento de memória e computação.

Fabs run around the clock,

As fábricas funcionam 24 horas por dia

and it takes about three months to transform a single wafer from pure silicon

e são necessários cerca de três meses

para transformar uma única bolacha de silício puro em centenas de chips.

into hundreds of chips.

With this continuous operation,

Com esta operação contínua,

fabs consume huge amounts of electricity, water, solvents, acids, bases,

as fábricas consomem enormes quantidades de eletricidade, água, solventes,,

ácidos, bases, gases processados e metais preciosos.

process gases, and precious metals.

Wafers are processed in ultra-high purity tool chambers,

As bolachas são processadas em câmaras de ferramentas de pureza extremamente alta

maintained by pumps running constantly,

mantidas por bombas em funcionamento constante,

to sustain a vacuum that resembles deep space.

para sustentar um vácuo que se assemelha ao espaço profundo.

High-temperature furnaces never turn off.

Os fornos de alta temperatura nunca se desligam.

Fab air handlers constantly expel filtered air

Os ventiladores de ar expelem constantemente o ar filtrado

to corral dust and tiny particles away from wafers.

para afastar das bolachas poeiras e partículas minúsculas.

This takes a lot of electricity.

Isso exige muita eletricidade.

The chemicals and purified water used in cleaning

Os produtos químicos e a água purificada utilizados na limpeza

create nearly five gallons of waste per wafer run—

criam quase 20 litros de resíduos por cada série de bolachas

which needs to be filtered and pH treated.

que precisam de ser filtrados e tratados com pH.

Meanwhile, CMP slurries are continually flushed with water

Entretanto, as lamas de CMP são continuamente lavadas com água

para evitar que partículas finas formem pedaços

to keep their fine particles from forming chunks

that would tear apart the fragile copper lines.

que possam despedaçar as frágeis linhas de cobre.

This adds five times more liquid waste.

Isto aumenta cinco vezes o volume de resíduos líquidos.

Fabs plow through vast amounts of nitrogen and helium gas to run their tools.

As fábricas geram grandes quantidades de azoto e de hélio

para fazer funcionar as suas ferramentas.

And other gases used and generated in these tools are greenhouse contributors.

E outros gases utilizados e gerados contribuem para o efeito de estufa.

To minimize their emission,

Para minimizar estas emissões,

machines called scrubbers decompose and dissolve some gaseous byproducts

há máquinas depuradores que decompõem e dissolvem

alguns subprodutos gasosos em águas residuais tratáveis.

into treatable wastewater.

That uses more electricity, and more water.

Isso consome mais eletricidade e mais água.

À medida que a complexidade da computação aumenta,

As computing complexity grows,

more copper and precious metals are needed to link up chips.

é necessário mais cobre e mais metais preciosos

para ligar os chips.

And new problems arise:

E surgem novos problemas:

today, PFAS-based photoresists are essential to make ever-smaller features.

hoje, os fotorresistentes à base de PFAS

são fulcrais para criar opções mais pequenas

But PFAS waste in the environment is ending up in our bodies,

Mas os resíduos de PFAS no ambiente estão a acabar no nosso corpo,

and it may be harmful.

e podem ser prejudiciais.

Computer chips are modern marvels that have transformed our world—

Os chips de computador são maravilhas modernas que transformaram o nosso mundo

and the factories that build them are themselves engineering wonders.

e as fábricas que os constroem são maravilhas da engenharia

But as our demand for chips accelerates,

Mas à medida que a nossa procura de chips acelera,

their fabrication is hitting hard sustainability limits.

o seu fabrico está a atingir limites rígidos de sustentabilidade.

Already, some places are beginning to ration water to farmers,

Já nalguns sítios se começa a racionar a água aos agricultores,

in favor of running fabs.

a favor do funcionamento destas fábricas.

For the sake of the future of computing and our environment,

Para o bem do futuro da computação e do nosso ambiente,

tomorrow’s leaner, cleaner, and greener fabs

as fábricas de amanhã, mais limpas e mais ecológicas

will need to run even smarter than the very chips they build.

terão de funcionar de forma ainda mais inteligentes

do que os próprios chips que constroem.