Was ist an der Herstellung integrierter Schaltungen beteiligt?
Die Herstellung von integrierten Schaltkreisen umfasst einen Prozess zum Erzeugen sehr dünner Oberflächenschichten aus Halbleitermaterial auf einer Substratschicht, die üblicherweise aus Silizium besteht und auf atomarer Ebene chemisch verändert werden kann, um die Funktionalität verschiedener Arten von Schaltkreiskomponenten, einschließlich Transistoren und Kondensatoren, zu erzeugen , Widerstände und Dioden. Dies ist ein Fortschritt gegenüber früheren Schaltungsentwürfen, bei denen einzelne Komponenten von Widerständen, Transistoren und vielem mehr von Hand an einer Verbindungsplatine angebracht wurden, um komplexe Schaltungen zu bilden. Ein Herstellungsprozess für integrierte Schaltkreise arbeitet mit Bauteilen, die so klein sind, dass ab 2011 Milliarden von ihnen auf einer Fläche von wenigen Quadratzentimetern durch verschiedene Fotolithografie- und Ätzprozesse in einer Mikrochipherstellungsanlage erzeugt werden können.
Ein IC-Chip (Integrated Circuit) ist im wahrsten Sinne des Wortes eine Schicht aus Halbleitermaterial, bei der alle Schaltungskomponenten in einer Reihe von Herstellungsprozessen miteinander verbunden werden, sodass nicht mehr alle Komponenten einzeln hergestellt und später zusammengebaut werden müssen. Die früheste Form von integrierten Mikrochip-Schaltkreisen wurde 1959 hergestellt und bestand aus mehreren Dutzend elektronischen Bauteilen. Mit Hunderten von Bauteilen auf IC-Chips in den 1960er-Jahren und Tausenden von Bauteilen bis 1969, als der erste echte Mikroprozessor entwickelt wurde, nahm die Komplexität der Herstellung von integrierten Schaltkreisen jedoch exponentiell zu. In elektronischen Schaltkreisen sind seit 2011 IC-Chips mit einer Länge oder Breite von wenigen Zentimetern enthalten, die Millionen von Transistoren, Kondensatoren und anderen elektronischen Bauteilen aufnehmen können. Mikroprozessoren für Computersysteme und Speichermodule, die hauptsächlich Transistoren enthalten, sind ab 2011 die raffinierteste Form von IC-Chips und können Milliarden von Bauteilen pro Quadratzentimeter aufweisen.
Da die Komponenten bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen so klein sind, besteht der einzige effektive Weg, sie zu erzeugen, darin, chemische Ätzprozesse zu verwenden, bei denen Reaktionen auf der Waferoberfläche auftreten, wenn sie Licht ausgesetzt werden. Für die Schaltung wird eine Maske oder eine Art Muster erzeugt, durch die Licht auf die Oberfläche des Wafers gestrahlt wird, der mit einer dünnen Schicht aus Photoresistmaterial beschichtet ist. Diese Maske ermöglicht das Ätzen von Mustern in den Wafer-Fotolack, der dann bei einer hohen Temperatur gebrannt wird, um das Muster zu verfestigen. Das Photoresistmaterial wird dann einer Auflösungslösung ausgesetzt, die entweder den bestrahlten Bereich oder den maskierten Bereich der Oberfläche entfernt, abhängig davon, ob das Photoresistmaterial ein positiver oder negativer chemischer Reaktant ist. Zurück bleibt eine feine Schicht miteinander verbundener Komponenten mit einer Breite der verwendeten Lichtwellenlänge, bei der es sich entweder um ultraviolettes Licht oder um Röntgenstrahlen handeln kann.
Nach dem Maskieren beinhaltet die Herstellung integrierter Schaltkreise das Dotieren des Siliziums oder das Implantieren einzelner Atome von üblicherweise Phosphor- oder Boratomen in die Oberfläche des Materials, wodurch lokale Bereiche auf dem Kristall entweder eine positive oder negative elektrische Ladung erhalten. Diese geladenen Regionen sind als P- und N-Regionen bekannt und bilden dort, wo sie sich treffen, einen Übertragungsübergang, um eine universelle elektrische Komponente zu erzeugen, die als PN-Übergang bekannt ist. Solche Übergänge sind ab 2011 für die meisten integrierten Schaltkreise ungefähr 1.000 bis 100 Nanometer breit, was jeden PN-Übergang ungefähr so groß wie ein menschliches rotes Blutkörperchen macht, das ungefähr 100 Nanometer breit ist. Der Prozess der Erzeugung von PN-Übergängen ist chemisch auf verschiedene Arten von elektrischen Eigenschaften zugeschnitten, wodurch der Übergang als Transistor, Widerstand, Kondensator oder Diode fungieren kann.
Aufgrund der sehr feinen Anzahl von Bauteilen und Verbindungen zwischen Bauteilen auf integrierten Schaltkreisen muss der gesamte Wafer weggeworfen werden, wenn der Prozess zusammenbricht und es fehlerhafte Bauteile gibt, da er nicht repariert werden kann. Diese Qualitätskontrolle wird durch die Tatsache, dass die meisten modernen IC-Chips ab 2011 aus mehreren übereinander gestapelten und miteinander verbundenen Schichten integrierter Schaltkreise bestehen, die den endgültigen Chip selbst bilden und ihm mehr verleihen, noch weiter verschärft Rechenleistung. Isolierende und metallische Verbindungsschichten müssen ebenfalls zwischen jeder Schaltungsschicht angeordnet werden, um die Schaltung funktionsfähig und zuverlässig zu machen.
Obwohl bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen viele Ausschusschips hergestellt werden, sind diejenigen, die als Endprodukte dienen, die die elektrischen Tests und Mikroskopprüfungen bestehen, so wertvoll, dass der Prozess sehr rentabel ist. Integrierte Schaltkreise steuern mittlerweile fast jedes moderne elektronische Gerät, das ab 2011 verwendet wird, von Computern und Mobiltelefonen bis hin zu Unterhaltungselektronik wie Fernsehgeräten, Musikplayern und Spielesystemen. Sie sind auch wesentliche Komponenten von Steuerungssystemen für Automobile und Flugzeuge sowie anderer digitaler Geräte, die dem Benutzer ein gewisses Maß an Programmierfähigkeit bieten, das von digitalen Weckern bis hin zu Umgebungsthermostaten reicht.