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TECHNOLOGIEGESCHICHTE, TECHNOLOGIE, OBJEKTE UM UNS
Integrierter Schaltkreis. Geschichte der Erfindung und Produktion
Verzeichnis / Die Geschichte der Technik, Technik, Objekte um uns herum Integrierter (Mikro-)Schaltkreis (IC, IC, m/s, englisch integrierter Schaltkreis, IC, Mikroschaltung), Chip, Mikrochip (englisch Mikrochip, Siliziumchip, Chip – eine dünne Platte – der Begriff bezog sich ursprünglich auf eine Mikroschaltungs-Kristallplatte) – Mikroelektronisches Gerät – ein elektronischer Schaltkreis beliebiger Komplexität (Kristall), der auf einem Halbleitersubstrat (Platte oder Film) hergestellt und in einem nicht trennbaren Gehäuse untergebracht ist, oder ohne dieses, wenn es in der Mikrobaugruppe enthalten ist.
Die Mikroelektronik ist die bedeutendste und, wie viele glauben, die wichtigste wissenschaftliche und technologische Errungenschaft unserer Zeit. Sie ist vergleichbar mit Wendepunkten der Technikgeschichte wie der Erfindung des Buchdrucks im XNUMX. Jahrhundert, der Dampfmaschine im XNUMX. Jahrhundert und der Entwicklung der Elektrotechnik im XNUMX. Jahrhundert. Und wenn es heute um die wissenschaftliche und technologische Revolution geht, ist vor allem die Mikroelektronik gemeint. Wie keine andere technische Errungenschaft unserer Tage durchdringt sie alle Lebensbereiche und macht das möglich, was gestern noch undenkbar war. Um sich davon zu überzeugen, genügt es, an Taschenrechner, Miniaturradios, elektronische Steuerungen in Haushaltsgeräten, Uhren, Computer und programmierbare Computer zu denken. Und das ist nur ein kleiner Teil seines Umfangs! Die Mikroelektronik verdankt ihren Ursprung und ihre Existenz der Schaffung eines neuen elektronischen Subminiaturelements - einer integrierten Mikroschaltung. Das Erscheinen dieser Schaltungen war in der Tat keine grundlegend neue Erfindung - es folgte direkt aus der Logik der Entwicklung von Halbleiterbauelementen. Anfangs, als Halbleiterelemente gerade erst ins Leben gerufen wurden, wurde jeder Transistor, Widerstand oder jede Diode separat verwendet, dh in ein eigenes Gehäuse eingeschlossen und mit seinen einzelnen Kontakten in die Schaltung eingebunden. Dies wurde sogar in den Fällen durchgeführt, in denen viele ähnliche Schaltungen aus denselben Elementen zusammengesetzt werden mussten. Allmählich kam die Einsicht, dass es rationeller war, solche Geräte nicht aus einzelnen Elementen zusammenzusetzen, sondern sie sofort auf einem gemeinsamen Chip herzustellen, zumal die Halbleiterelektronik alle Voraussetzungen dafür geschaffen hatte. Tatsächlich sind alle Halbleiterelemente in ihrem Aufbau einander sehr ähnlich, haben das gleiche Funktionsprinzip und unterscheiden sich nur in der gegenseitigen Anordnung von pn-Gebieten. Diese pn-Bereiche werden, wie wir uns erinnern, durch das Einbringen von Verunreinigungen des gleichen Typs in die Oberflächenschicht eines Halbleiterkristalls erzeugt. Darüber hinaus ist ein zuverlässiger und unter allen Gesichtspunkten zufriedenstellender Betrieb der überwiegenden Mehrheit der Halbleiterelemente mit einer Dicke der Oberflächenarbeitsschicht von Tausendstel Millimetern gegeben. Die kleinsten Transistoren verwenden normalerweise nur die oberste Schicht eines Halbleiterkristalls, die nur 1 % seiner Dicke ausmacht. Die restlichen 99 % fungieren als Träger oder Substrat, denn ohne Substrat könnte der Transistor bei der kleinsten Berührung einfach zusammenbrechen. Daher ist es mit der Technologie zur Herstellung einzelner elektronischer Komponenten möglich, sofort eine vollständige Schaltung aus mehreren zehn, hundert und sogar tausenden solcher Komponenten auf einem einzigen Chip zu erstellen. Der Nutzen daraus wird enorm sein. Erstens werden die Kosten sofort sinken (die Kosten einer Mikroschaltung sind normalerweise hundertmal niedriger als die Gesamtkosten aller elektronischen Elemente ihrer Komponenten). Zweitens ist ein solches Gerät viel zuverlässiger (wie die Erfahrung zeigt, Tausende und Zehntausende Male), und dies ist von enormer Bedeutung, da die Fehlersuche in einem Schaltkreis mit Zehn- oder Hunderttausenden von elektronischen Komponenten zu einem äußerst schwierigen Problem wird . Drittens ist aufgrund der Tatsache, dass alle elektronischen Elemente einer integrierten Schaltung hundert- und tausendmal kleiner sind als ihre Gegenstücke in einer herkömmlichen kombinierten Schaltung, ihr Energieverbrauch viel geringer und ihre Geschwindigkeit viel höher. Das Schlüsselereignis, das den Einzug der Integration in die Elektronik einläutete, war der Vorschlag des amerikanischen Ingenieurs J. Kilby von Texas Instruments, äquivalente Elemente für die gesamte Schaltung wie Register, Kondensatoren, Transistoren und Dioden in einem monolithischen Stück reinem Silizium zu erhalten. Kilby schuf im Sommer 1958 den ersten integrierten Halbleiterschaltkreis. Und bereits 1961 produzierte die Fairchild Semiconductor Corporation die ersten seriellen Mikroschaltungen für Computer: eine Koinzidenzschaltung, ein Halbschieberegister und ein Flip-Flop. Im selben Jahr wurde die Produktion von integrierten Halbleiterlogikschaltungen von Texas beherrscht. Im folgenden Jahr erschienen integrierte Schaltkreise anderer Firmen. In kurzer Zeit entstanden verschiedene Arten von Verstärkern in integrierter Bauweise. 1962 entwickelte RCA integrierte Schaltkreise mit Speicherarrays für Computerspeichergeräte. Nach und nach etablierte sich in allen Ländern die Produktion von Mikroschaltungen – die Ära der Mikroelektronik begann. Das Ausgangsmaterial für einen integrierten Schaltkreis ist üblicherweise ein roher Siliziumwafer. Es hat eine relativ große Größe, da mehrere hundert Mikroschaltungen desselben Typs gleichzeitig darauf hergestellt werden. Der erste Vorgang besteht darin, dass unter dem Einfluss von Sauerstoff bei einer Temperatur von 1000 Grad eine Schicht aus Siliziumdioxid auf der Oberfläche dieser Platte gebildet wird. Siliziumoxid zeichnet sich durch eine hohe chemische und mechanische Beständigkeit aus und besitzt die Eigenschaften eines hervorragenden Dielektrikums, das das darunter liegende Silizium zuverlässig isoliert. Der nächste Schritt ist die Einführung von Verunreinigungen, um p- oder n-leitende Zonen zu erzeugen. Dazu wird die Oxidschicht an den Stellen der Platte entfernt, die einzelnen elektronischen Bauteilen entsprechen. Die Auswahl der gewünschten Bereiche erfolgt durch ein Verfahren namens Photolithographie. Zunächst wird die gesamte Oxidschicht mit einer lichtempfindlichen Verbindung (Photoresist) bedeckt, die die Rolle eines fotografischen Films spielt - sie kann belichtet und entwickelt werden. Danach wird die Platte durch eine spezielle Fotomaske, die ein Oberflächenmuster eines Halbleiterkristalls enthält, mit ultravioletten Strahlen beleuchtet. Unter dem Einfluss von Licht bildet sich auf der Oxidschicht ein flaches Muster, wobei die nicht beleuchteten Bereiche hell bleiben und der Rest abgedunkelt wird. An der Stelle, wo der Fotowiderstand belichtet wurde, bilden sich unlösliche, säurebeständige Bereiche des Films. Der Wafer wird dann mit einem Lösungsmittel behandelt, das den Photoresist von den belichteten Bereichen entfernt. Von den offenen Stellen (und nur von ihnen) wird die Siliziumoxidschicht mit Säure geätzt. Dadurch löst sich Siliziumoxid an den richtigen Stellen auf und „Fenster“ aus reinem Silizium öffnen sich, bereit für das Einbringen von Verunreinigungen (Ligation). Dazu wird die Oberfläche des Substrats bei einer Temperatur von 900–1200 Grad der gewünschten Verunreinigung, beispielsweise Phosphor oder Arsen, ausgesetzt, um eine Leitfähigkeit vom n-Typ zu erhalten. Fremdatome dringen tief in reines Silizium ein, werden aber von seinem Oxid abgestoßen. Nachdem die Platte mit einer Art von Verunreinigung bearbeitet wurde, wird sie für die Ligation mit einer anderen Art vorbereitet - die Oberfläche der Platte wird erneut mit einer Oxidschicht bedeckt, eine neue Fotolithografie und Ätzung werden durchgeführt, wodurch neue "Fenster" aus Silizium offen. Anschließend erfolgt eine erneute Ligation, beispielsweise mit Bor, um eine p-Leitfähigkeit zu erhalten. Dadurch entstehen auf der gesamten Oberfläche des Kristalls an den richtigen Stellen p- und n-Bereiche. Die Isolierung zwischen einzelnen Elementen kann auf verschiedene Weise erfolgen: Als solche Isolierung kann eine Schicht aus Siliziumoxid dienen, es können aber auch sperrende pn-Übergänge an den richtigen Stellen geschaffen werden. Die nächste Verarbeitungsstufe ist mit dem Aufbringen von leitfähigen Verbindungen (Leiterbahnen) zwischen den Elementen der integrierten Schaltung sowie zwischen diesen Elementen und Kontakten zum Anschließen externer Schaltungen verbunden. Dazu wird auf dem Substrat eine dünne Aluminiumschicht abgeschieden, die in Form eines sehr dünnen Films abgeschieden wird. Es wird einer fotolithografischen Verarbeitung und einem Ätzen unterzogen, ähnlich den oben beschriebenen. Als Ergebnis bleiben von der gesamten Metallschicht nur dünne Leiterbahnen und Pads übrig. Schließlich wird die gesamte Oberfläche des Halbleiterkristalls mit einer Schutzschicht (meistens Silikatglas) bedeckt, die dann von den Pads entfernt wird. Alle gefertigten Mikroschaltungen werden auf dem Kontroll- und Prüfstand strengsten Kontrollen unterzogen. Defekte Schaltungen sind mit einem roten Punkt gekennzeichnet. Schließlich wird der Kristall in separate Mikroschaltkreisplatten geschnitten, von denen jede in einem robusten Gehäuse mit Leitungen zum Anschluss an externe Schaltkreise eingeschlossen ist. Die Komplexität eines integrierten Schaltkreises wird durch einen Indikator namens Integrationsgrad charakterisiert. Integrierte Schaltungen mit mehr als 100 Elementen werden als Mikroschaltungen mit niedrigem Integrationsgrad bezeichnet; Schaltungen mit bis zu 1000 Elementen - integrierte Schaltungen mit mittlerem Integrationsgrad; Schaltungen mit bis zu Zehntausenden von Elementen - große integrierte Schaltungen. Schaltungen mit bis zu einer Million Elementen werden bereits hergestellt (sie werden als supergroß bezeichnet). Die allmählich zunehmende Integration hat dazu geführt, dass die Schaltungen von Jahr zu Jahr immer kleiner und entsprechend komplexer werden. Eine Vielzahl elektronischer Geräte, die früher große Ausmaße hatten, passen heute auf eine winzige Siliziumplatte. Ein äußerst wichtiges Ereignis auf diesem Weg war die Schaffung eines einzigen integrierten Schaltkreises zur Durchführung arithmetischer und logischer Operationen durch die amerikanische Firma Intel im Jahr 1971 - des Mikroprozessors. Dies führte zu einem grandiosen Durchbruch der Mikroelektronik im Bereich der Computertechnik. Autor: Ryzhov K.V.
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