Co jest zaangażowane w wytwarzanie układów scalonych?

Wytwarzanie układów scalonych obejmuje proces tworzenia bardzo cienkich warstw powierzchniowych materiału półprzewodnikowego na warstwie podłoża, zwykle wykonanej z krzemu, który można chemicznie zmienić na poziomie atomowym, aby stworzyć funkcjonalność różnych rodzajów elementów obwodu, w tym tranzystorów, kondensatorów , rezystory i diody. Jest to postęp w porównaniu z poprzednimi projektami obwodów, w których poszczególne elementy rezystorów, tranzystorów i innych były ręcznie przymocowane do łączącej płyty pilśniowej w celu utworzenia złożonego zespołu obwodów. Proces wytwarzania układów scalonych działa z tak małymi komponentami, że miliardy z nich można stworzyć na obszarze kilku centymetrów kwadratowych od 2011 r., Poprzez różne procesy litografii i trawienia w zakładzie produkcji mikroczipów.

Układ scalony, czyli układ scalony, jest dosłownie warstwą materiału półprzewodnikowego, w którym wszystkie elementy obwodu są połączone w jednym szeregu procesów produkcyjnych, dzięki czemu wszystkie elementy nie muszą być wytwarzane indywidualnie i montowane później. Najwcześniejsza forma układu scalonego z mikroprocesorem została wyprodukowana w 1959 roku i była prymitywnym montażem kilkudziesięciu elementów elektronicznych. Jednak zaawansowanie wytwarzania układów scalonych wzrosło wykładniczo, z setkami komponentów układów scalonych w latach 60. i tysiącami komponentów w 1969 r., Kiedy powstał pierwszy prawdziwy mikroprocesor. Obwody elektroniczne od 2011 roku mają układy scalone o długości lub szerokości kilku centymetrów, które mogą pomieścić miliony tranzystorów, kondensatorów i innych elementów elektronicznych. Mikroprocesory do systemów komputerowych i modułów pamięci, które zawierają głównie tranzystory, są najbardziej zaawansowaną formą układów scalonych od 2011 roku i mogą mieć miliardy komponentów na centymetr kwadratowy.

Ponieważ komponenty w produkcji układów scalonych są tak małe, jedynym skutecznym sposobem ich wytworzenia jest zastosowanie procesów trawienia chemicznego, które obejmują reakcje na powierzchni płytki w wyniku wystawienia na działanie światła. Obwód jest tworzony przez maskę lub rodzaj wzoru i światło przechodzi przez nią na powierzchnię płytki, która jest pokryta cienką warstwą materiału fotolitograficznego. Ta maska ​​umożliwia wytrawienie wzorów w fotorezystie waflowym, który jest następnie wypiekany w wysokiej temperaturze w celu zestalenia wzoru. Materiał fotorezystu jest następnie poddawany działaniu roztworu rozpuszczającego, który usuwa albo napromieniowany obszar, albo zamaskowany obszar powierzchni, w zależności od tego, czy materiał fotorezystu jest dodatnim czy ujemnym reagentem chemicznym. To, co pozostało, to cienka warstwa połączonych ze sobą elementów o szerokości stosowanej długości fali światła, którym może być albo światło ultrafioletowe, albo promieniowanie rentgenowskie.

Po maskowaniu wytwarzanie obwodu scalonego polega na domieszkowaniu krzemu lub wszczepieniu pojedynczych atomów zwykle atomów fosforu lub boru w powierzchnię materiału, co daje lokalnym obszarom kryształu dodatni lub ujemny ładunek elektryczny. Te naładowane obszary są znane jako regiony P i N, a tam, gdzie się spotykają, tworzą one złącze transmisyjne, tworząc uniwersalny komponent elektryczny znany jako złącze PN. Takie złącza mają od około 2011 roku szerokość około 1000 do 100 nanometrów dla większości układów scalonych, co sprawia, że ​​każde złącze PN ma wielkość ludzkiej czerwonej krwinki, która ma szerokość około 100 nanometrów. Proces tworzenia połączeń PN jest chemicznie dostosowywany do wyświetlania różnego rodzaju właściwości elektrycznych, dzięki czemu złącze może działać jako tranzystor, rezystor, kondensator lub dioda.

Z powodu bardzo drobnego poziomu komponentów i połączeń między komponentami w obwodach scalonych, gdy proces się psuje i występują wadliwe komponenty, cały wafel musi zostać wyrzucony, ponieważ nie można go naprawić. Ten poziom kontroli jakości został podniesiony do jeszcze wyższego poziomu przez fakt, że większość nowoczesnych układów scalonych od 2011 r. Składa się z wielu warstw zintegrowanych obwodów ułożonych jeden na drugim i połączonych ze sobą w celu utworzenia samego układu końcowego i zapewnienia mu więcej moc obliczeniowa. Warstwy izolacyjne i metalowe połączenia wzajemne muszą być również umieszczone między warstwami obwodu, aby zapewnić funkcjonalność i niezawodność obwodu.

Chociaż wiele chipów odrzucających jest wytwarzanych w procesie wytwarzania układów scalonych, te, które działają jako produkty końcowe, które przechodzą testy elektryczne i inspekcje mikroskopowe, są tak cenne, że czyni to proces bardzo opłacalnym. Układy scalone kontrolują teraz prawie każde nowoczesne urządzenie elektroniczne w użyciu od 2011 roku, od komputerów i telefonów komórkowych po elektronikę użytkową, taką jak telewizory, odtwarzacze muzyki i systemy gier. Są również niezbędnymi komponentami systemów sterowania samochodami i samolotami oraz innych urządzeń cyfrowych, które oferują użytkownikowi poziom możliwości programowania, od cyfrowych budzików po termostaty środowiskowe.