Wat houdt de fabricage van geïntegreerde schakelingen in?
De fabricage van geïntegreerde schakelingen omvat een proces van het creëren van zeer dunne oppervlaktelagen van halfgeleidend materiaal bovenop een substraatlaag, meestal gemaakt van silicium, die chemisch op atomair niveau kan worden gewijzigd om de functionaliteit van verschillende soorten circuitcomponenten te creëren, waaronder transistors, condensatoren , weerstanden en diodes. Het is een vooruitgang ten opzichte van eerdere circuitontwerpen waarbij afzonderlijke componenten van weerstanden, transistoren en meer met de hand werden bevestigd aan een aansluitend breadboard om complexe circuits te vormen. Een fabricageproces van geïntegreerde schakelingen werkt met componenten die zo klein zijn dat miljarden ervan kunnen worden gemaakt in een gebied van enkele vierkante centimeters vanaf 2011, via verschillende foto-lithografie en etsprocessen in een fabriek voor microchipfabricage.
Een geïntegreerde schakeling, of IC-chip, is letterlijk een laag halfgeleidermateriaal waarbij alle schakelingscomponenten onderling zijn verbonden in één serie fabricageprocessen, zodat niet alle componenten afzonderlijk meer hoeven te worden vervaardigd en later te worden geassembleerd. De vroegste vorm van geïntegreerde microchip-schakeling werd geproduceerd in 1959 en was een ruwe assemblage van enkele tientallen elektronische componenten. De verfijning van de fabricage van geïntegreerde schakelingen nam echter exponentieel toe met honderden componenten op IC-chips in de jaren zestig en duizenden componenten in 1969 toen de eerste echte microprocessor werd gecreëerd. Elektronische schakelingen vanaf 2011 hebben IC-chips van enkele centimeters lang of breed die miljoenen transistors, condensatoren en andere elektronische componenten kunnen bevatten. Microprocessoren voor computersystemen en geheugenmodules die voornamelijk transistoren bevatten, zijn vanaf 2011 de meest geavanceerde vorm van IC-chips en kunnen miljarden componenten per vierkante centimeter bevatten.
Omdat de componenten in de fabricage van geïntegreerde schakelingen zo klein zijn, is de enige effectieve manier om ze te maken, chemische etsprocessen te gebruiken die reacties op het wafeloppervlak van blootstelling aan licht met zich meebrengen. Er wordt een masker of een soort patroon gemaakt voor het circuit en er wordt licht doorheen geschenen op het oppervlak van de wafel die is bedekt met een dunne laag fotolakmateriaal. Met dit masker kunnen patronen in de wafer-fotolak worden geëtst die vervolgens op hoge temperatuur wordt gebakken om het patroon te laten stollen. Het fotolakmateriaal wordt vervolgens blootgesteld aan een oplossingsoplossing die ofwel het bestraalde gebied of het gemaskeerde gebied van het oppervlak verwijdert, afhankelijk van of het fotolakmateriaal een positief of negatief chemisch reagens is. Wat achterblijft is een fijne laag van onderling verbonden componenten op een breedte van de gebruikte golflengte van licht, die ultraviolet licht of röntgenstralen kan zijn.
Na maskering omvat de fabricage van geïntegreerde schakelingen de dotering van het silicium of de implantatie van afzonderlijke atomen van meestal fosfor- of booratomen in het oppervlak van het materiaal, waardoor lokale gebieden op het kristal een positieve of negatieve elektrische lading krijgen. Deze geladen gebieden staan bekend als P- en N-gebieden, en waar ze elkaar ontmoeten, vormen ze een transmissiekoppeling om een universele elektrische component te creëren die bekend staat als een PN-kruising. Dergelijke knooppunten zijn vanaf 2011 ongeveer 1.000 tot 100 nanometer breed voor de meeste geïntegreerde schakelingen, waardoor elke PN-knooppunt ongeveer de grootte heeft van een menselijke rode bloedcel, die ongeveer 100 nanometer breed is. Het proces van het maken van PN-knooppunten is chemisch afgestemd om verschillende soorten elektrische eigenschappen te vertonen, waardoor het knooppunt kan fungeren als een transistor, weerstand, condensator of diode.
Vanwege het zeer fijne niveau van componenten en verbindingen tussen componenten op geïntegreerde schakelingen, wanneer het proces uitvalt en er defecte componenten zijn, moet de hele wafel worden weggegooid omdat deze niet kan worden gerepareerd. Dit niveau van kwaliteitscontrole is naar een nog hoger niveau gebracht door het feit dat de meeste moderne IC-chips vanaf 2011 bestaan uit vele lagen van geïntegreerde schakelingen die op elkaar zijn gestapeld en met elkaar zijn verbonden om de uiteindelijke chip zelf te maken en meer te geven verwerkingscapaciteit. Isolerende en metalen verbindingslagen moeten ook tussen elke circuitlaag worden geplaatst, evenals om het circuit functioneel en betrouwbaar te maken.
Hoewel veel afkeurchips worden geproduceerd in het fabricageproces van geïntegreerde schakelingen, zijn degenen die werken als eindproducten die slagen voor elektrische tests en microscoopinspecties zo waardevol dat het het proces zeer winstgevend maakt. Geïntegreerde schakelingen besturen nu bijna elk modern elektronisch apparaat dat vanaf 2011 in gebruik is, van computers en mobiele telefoons tot consumentenelektronica zoals televisies, muziekspelers en spelsystemen. Ze zijn ook essentiële componenten van besturingssystemen voor auto's en vliegtuigen en andere digitale apparaten die de gebruiker een programmeerniveau bieden, variërend van digitale wekkers tot milieuthermostaten.