Wie funktionieren integrierte Schaltkreise?

Das Aufkommen integrierter Schaltkreise hat eine echte technologische Revolution in der Elektronik- und IT-Industrie ausgelöst. Es scheint, dass noch vor wenigen Jahrzehnten für einfache elektronische Berechnungen riesige Röhrencomputer verwendet wurden, die mehrere Räume und sogar ganze Gebäude besetzten.

Diese Computer enthielten viele tausend elektronische Lampen, für deren Arbeit kolossale elektrische Energie und spezielle Kühlsysteme erforderlich waren. Heute werden sie durch Computer mit integrierten Schaltkreisen ersetzt.

Tatsächlich ist eine integrierte Schaltung eine Anordnung vieler Halbleiterkomponenten mikroskopischer Größe, die auf einem Substrat angeordnet und in einem Miniaturgehäuse verpackt sind.

Ein moderner Chip von der Größe eines menschlichen Nagels kann mehrere Millionen Dioden, Transistoren, Widerstände, Verbindungsleiter und andere Komponenten enthalten, für deren Platzierung früher der Platz eines ziemlich großen Hangars erforderlich war.

Sie müssen zum Beispiel nicht weit gehen, der i7-Prozessor enthält beispielsweise über drei Milliarden Transistoren auf einer Fläche von weniger als 3 Quadratzentimetern! Und das ist nicht die Grenze.

Als nächstes betrachten wir die Grundlage des Prozesses zur Herstellung von Chips. Die Mikroschaltung wird gemäß der planaren (Oberflächen-) Technologie durch Lithographie gebildet. Dies bedeutet, dass es sozusagen aus einem Halbleiter auf einem Siliziumsubstrat gewachsen ist.

Der erste Schritt besteht darin, einen dünnen Siliziumwafer herzustellen, der aus einem Siliziumeinkristall durch Schneiden von einem zylindrischen Werkstück unter Verwendung einer diamantbeschichteten Scheibe erhalten wird. Die Platte wird unter besonderen Bedingungen poliert, um Verunreinigungen und Staub zu vermeiden.

Danach wird die Platte oxidiert - sie wird bei einer Temperatur von etwa 1000 ° C Sauerstoff ausgesetzt, um eine Schicht aus einem dauerhaften dielektrischen Film aus Siliziumdioxid mit einer Dicke der erforderlichen Anzahl von Mikrometern auf ihrer Oberfläche zu erhalten. Die Dicke der so erhaltenen Oxidschicht hängt von der Zeit der Einwirkung von Sauerstoff sowie von der Temperatur des Substrats während der Oxidation ab.

Als nächstes wird ein Fotolack auf die Siliziumdioxidschicht aufgebracht - eine lichtempfindliche Zusammensetzung, die sich nach Bestrahlung in einer bestimmten chemischen Substanz löst. Auf den Fotolack wird eine Schablone gelegt - eine Fotomaske mit transparenten und undurchsichtigen Bereichen. Dann wird eine Platte mit einem darauf aufgebrachten Fotolack belichtet - sie wird mit einer Quelle ultravioletter Strahlung beleuchtet.

Infolge der Belichtung ändert der Teil des Fotolacks, der sich unter den transparenten Bereichen der Fotomaske befand, seine chemischen Eigenschaften und kann nun zusammen mit dem darunter liegenden Siliziumdioxid mit speziellen Chemikalien mithilfe von Plasma oder einer anderen Methode leicht entfernt werden - dies wird als Ätzen bezeichnet. Am Ende des Ätzens werden die ungeschützten (beleuchteten) Stellen der Platte vom belichteten Fotolack und dann von Siliziumdioxid gereinigt.

Nach dem Ätzen und Reinigen der nicht beleuchteten Fotolacke der Teile des Substrats, auf denen Siliziumdioxid verblieben ist, beginnen sie mit der Epitaxie - sie tragen Schichten der gewünschten Substanz mit einer Atomdicke auf einen Siliziumwafer auf. Solche Schichten können so oft wie nötig aufgetragen werden. Als nächstes wird die Platte erwärmt und die Diffusion von Ionen bestimmter Substanzen durchgeführt, um p- und n-Bereiche zu erhalten. Bor wird als Akzeptor verwendet und Arsen und Phosphor werden als Donoren verwendet.

Am Ende des Prozesses wird die Metallisierung mit Aluminium, Nickel oder Gold durchgeführt, um dünne leitende Filme zu erhalten, die als Verbindungsleiter für Transistoren, Dioden, Widerstände dienen, die in den vorherigen Stufen auf dem Substrat gewachsen sind usw.Auf die gleiche Weise werden Pads zur Montage der Mikroschaltung auf der Leiterplatte ausgegeben.

Siehe auch: Legendäre analoge Chips