Geïntegreerd circuit

Achtergrond

Een geïntegreerde schakeling, gewoonlijk een IC genoemd, is een microscopische reeks elektronische schakelingen en componenten die zijn verspreid of geïmplanteerd op het oppervlak van een enkel kristal, of chip, van halfgeleidend materiaal zoals silicium. Het wordt een geïntegreerd circuit genoemd omdat de componenten, circuits en basismateriaal allemaal samen of geïntegreerd zijn uit een enkel stuk silicium, in tegenstelling tot een afzonderlijk circuit waarin de componenten afzonderlijk van verschillende materialen worden gemaakt en later worden geassembleerd . IC's variëren in complexiteit van eenvoudige logische modules en versterkers tot complete microcomputers met miljoenen elementen.

De impact van geïntegreerde schakelingen op ons leven is enorm. IC's zijn de belangrijkste componenten van bijna alle elektronische apparaten geworden. Deze miniatuurschakelingen hebben lage kosten, hoge betrouwbaarheid, lage stroomvereisten en hoge verwerkingssnelheden aangetoond in vergelijking met de vacuümbuizen en transistors die eraan voorafgingen. Microcomputers met geïntegreerde schakelingen worden nu gebruikt als controllers in apparatuur zoals werktuigmachines, voertuigbesturingssystemen en andere toepassingen waar voorheen hydraulische, pneumatische of mechanische bedieningselementen werden gebruikt. Omdat IC-microcomputers kleiner en veelzijdiger zijn dan eerdere besturingsmechanismen, stellen ze de apparatuur in staat te reageren op een groter invoerbereik en een groter uitvoerbereik te produceren. Ze kunnen ook opnieuw worden geprogrammeerd zonder dat het besturingscircuit opnieuw hoeft te worden ontworpen. Microcomputers met geïntegreerde schakelingen zijn zo goedkoop dat ze zelfs worden aangetroffen in elektronisch speelgoed voor kinderen.

De eerste geïntegreerde schakelingen werden aan het eind van de jaren vijftig gemaakt als antwoord op de vraag van het leger naar geminiaturiseerde elektronica voor gebruik in raketbesturingssystemen. In die tijd waren transistors en printplaten waren de state-of-the-art elektronische technologie. Hoewel transistors veel nieuwe elektronische toepassingen mogelijk maakten, waren ingenieurs nog steeds niet in staat een pakket te maken dat klein genoeg was voor het grote aantal componenten en circuits dat nodig is in complexe apparaten zoals geavanceerde besturingssystemen en draagbare programmeerbare rekenmachines. Verschillende bedrijven waren in competitie om een ​​doorbraak in geminiaturiseerde elektronica te produceren, en hun ontwikkelingsinspanningen waren zo dichtbij dat het de vraag is welk bedrijf eigenlijk de eerste IC produceerde. Toen de geïntegreerde schakeling uiteindelijk in 1959 werd gepatenteerd, werd het octrooi zelfs gezamenlijk toegekend aan twee personen die afzonderlijk bij twee verschillende bedrijven werkten.

Na de uitvinding van het IC in 1959 verdubbelde het aantal componenten en circuits dat in een enkele chip kon worden ingebouwd gedurende meerdere jaren elk jaar. De eerste geïntegreerde schakelingen bevatten slechts een tiental componenten. Het proces dat deze vroege IC's produceerde, stond bekend als kleinschalige integratie of SSI. Tegen het midden van de jaren zestig produceerde MSI, middelgrote integratie, IC's met honderden componenten. Dit werd gevolgd door grootschalige integratietechnieken, of LSI, die IC's met duizenden componenten produceerden en de eerste microcomputers mogelijk maakten.

De eerste microcomputerchip, vaak een microprocessor genoemd, werd in 1969 ontwikkeld door Intel Corporation. Hij ging in 1971 in commerciële productie als de Intel 4004. Intel introduceerde hun 8088-chip in 1979, gevolgd door de Intel 80286, 80386 en 80486. aan het eind van de jaren tachtig en het begin van de jaren negentig waren de aanduidingen 286, 386 en 486 bij computergebruikers algemeen bekend als een weerspiegeling van de toenemende niveaus van rekenkracht en snelheid. Intel's Pentium-chip is de nieuwste in deze serie en weerspiegelt een nog hoger niveau.

Hoe Integrated Circuit
Componenten worden gevormd

In een geïntegreerde schakeling worden elektronische componenten zoals weerstanden, condensatoren, diodes en transistors direct op het oppervlak van een siliciumkristal gevormd. Het productieproces van een geïntegreerde schakeling is logischer als men eerst enkele basisprincipes begrijpt van hoe deze componenten worden gevormd.

Al voordat het eerste IC werd ontwikkeld, was het bekend dat gewone elektronische componenten van silicium konden worden gemaakt. De vraag was hoe je ze, en de verbindingsschakelingen, uit hetzelfde stuk silicium kon maken? De oplossing was om de chemische samenstelling van kleine gebieden op het siliciumkristaloppervlak te veranderen of te verdoven door andere chemicaliën toe te voegen, genaamd doteringen. Sommige doteermiddelen binden zich met het silicium om gebieden te produceren waar de doteeratomen één elektron hebben dat ze kunnen opgeven. Dit worden N-gebieden genoemd. Andere doteermiddelen binden zich met het silicium om gebieden te produceren waar de doteeratomen ruimte hebben om één elektron op te nemen. Dit worden P-regio's genoemd. Wanneer een P-gebied een N-gebied raakt, wordt de grens daartussen een PN-overgang genoemd. Deze grens is slechts 0,00004 inch (0,0001 cm) breed, maar is cruciaal voor de werking van componenten van geïntegreerde schakelingen.

Binnen een PN-overgang binden de atomen van de twee gebieden zich op een zodanige manier dat een derde gebied ontstaat, een uitputtingsgebied genaamd, waarin de P-doteringsatomen alle N-doterende extra elektronen vangen, waardoor ze worden uitgeput. Een van de resulterende verschijnselen is dat een positieve spanning die op het P-gebied wordt aangelegd, ervoor kan zorgen dat er een elektrische stroom door de junctie in het N-gebied vloeit, maar een vergelijkbare positieve spanning die op het N-gebied wordt toegepast, zal ertoe leiden dat er weinig of geen stroom door de junctie vloeit. de kruising terug in de P-regio. Dit vermogen van een PN-junctie om te geleiden of te isoleren, afhankelijk van aan welke kant de spanning wordt aangelegd, kan worden gebruikt om geïntegreerde circuitcomponenten te vormen die de stroom op dezelfde manier sturen en regelen als diodes en transistors. Een diode is bijvoorbeeld gewoon een enkele PN-overgang. Door de hoeveelheid en soorten doteermiddelen te veranderen en de vormen en relatieve plaatsingen van P- en N-gebieden te veranderen, kunnen ook geïntegreerde circuitcomponenten worden gevormd die de functies van weerstanden en condensatoren nabootsen.

Ontwerp

Sommige geïntegreerde schakelingen kunnen worden beschouwd als standaard, kant-en-klare artikelen. Eenmaal ontworpen, zijn er geen verdere ontwerpwerkzaamheden nodig. Voorbeelden van standaard IC's zijn onder meer spanningsregelaars, versterkers, analoge schakelaars en analoog-naar-digitaal of digitaal-naar-analoog-omzetters. Deze IC's worden meestal verkocht aan andere bedrijven die ze opnemen in printplaten voor verschillende elektronische producten.

Andere geïntegreerde schakelingen zijn uniek en vergen uitgebreid ontwerpwerk. Een voorbeeld is een nieuwe microprocessor voor computers. Dit ontwerpwerk vereist mogelijk onderzoek en ontwikkeling van nieuwe materialen en nieuwe fabricagetechnieken om het definitieve ontwerp te bereiken.

Grondstoffen

Zuiver silicium is de basis voor de meeste geïntegreerde schakelingen. Het vormt de basis of het substraat voor de hele chip en is chemisch gedoteerd om de N- en P-gebieden te verschaffen die de componenten van de geïntegreerde schakeling vormen. Het silicium moet zo zuiver zijn dat slechts één op de tien miljard atomen een onzuiverheid kan zijn. Dit zou het equivalent zijn van één suikerkorrel in tien emmers zand. Siliciumdioxide wordt gebruikt als isolator en als diëlektrisch materiaal in IC-condensatoren.

Typische N-type doteermiddelen omvatten fosfor en arseen. Boor en gallium zijn typische P-type doteermiddelen. Aluminium wordt veel gebruikt als connector tussen de verschillende IC-componenten. De dunne draden van de chip met geïntegreerde schakeling naar het montagepakket kunnen van aluminium of goud zijn. Het montagepakket zelf kan van keramiek of kunststof zijn gemaakt.

Het fabricageproces

Honderden geïntegreerde schakelingen worden tegelijkertijd gemaakt op een enkele, dunne plak silicium en vervolgens uit elkaar geknipt tot individuele IC-chips. Het productieproces vindt plaats in een strak gecontroleerde omgeving die bekend staat als een schone kamer waar de lucht wordt gefilterd om vreemde deeltjes te verwijderen. De weinige operators in de kamer dragen pluisvrije kleding, handschoenen en bedekkingen voor hun hoofd en voeten. Omdat sommige IC-componenten gevoelig zijn voor bepaalde lichtfrequenties, worden zelfs de lichtbronnen gefilterd. Hoewel fabricageprocessen kunnen variëren afhankelijk van de geïntegreerde schakeling die wordt gemaakt, is het volgende proces typisch.

De siliconenwafel voorbereiden

• 1 Een cilindrische staaf van silicium met een diameter van ongeveer 1,5 tot 4,0 inch (3,8 tot 10,2 cm) wordt verticaal gehouden in een vacuümkamer met een verwarmingsspiraal met hoge temperatuur eromheen. Beginnend bij de bovenkant van de cilinder, wordt het silicium verwarmd tot het smeltpunt van ongeveer 1400 ° C (2550°F). Om verontreiniging te voorkomen, wordt het verwarmde gebied alleen beperkt door de oppervlaktespanning van het gesmolten silicium. Als het gebied smelt, worden alle onzuiverheden in het silicium mobiel. De verwarmingsspiraal wordt langzaam over de lengte van de cilinder bewogen en de onzuiverheden worden met het gesmolten gebied meegevoerd. Wanneer de verwarmingsspiraal de bodem bereikt, zijn bijna alle onzuiverheden meegesleurd en zijn daar geconcentreerd. De bodem wordt vervolgens afgesneden, waardoor een cilindrische staaf van gezuiverd silicium overblijft.
• 2 Een dunne, ronde wafel van silicium wordt van de staaf afgesneden met behulp van een precieze snijmachine, een wafelsnijder. Elke plak is ongeveer 0,01 tot 0,025 inch (0,004 tot 0,01 cm) dik. Het oppervlak waarop de geïntegreerde schakelingen moeten worden gevormd, is gepolijst.
• 3 De oppervlakken van de wafer zijn bedekt met een laag siliciumdioxide om een ​​isolerende basis te vormen en om oxidatie van het silicium te voorkomen die onzuiverheden zou veroorzaken. Het siliciumdioxide wordt gevormd door de wafel te onderwerpen aan oververhitte stoom van ongeveer 1830°F (1000°C) onder een druk van verschillende atmosferen om de zuurstof in de waterdamp te laten reageren met het silicium. Het regelen van de temperatuur en de duur van de blootstelling regelt de dikte van de siliciumdioxidelaag.

Maskeren

• 4 Het complexe en onderling verbonden ontwerp van de circuits en componenten wordt voorbereid in een proces dat vergelijkbaar is met het proces dat wordt gebruikt om printplaten te maken. Voor IC's zijn de afmetingen echter veel kleiner en zijn er veel lagen over elkaar heen gelegd. Het ontwerp van elke laag wordt voorbereid op een computerondersteunde tekenmachine en van de afbeelding wordt een masker gemaakt dat optisch wordt verkleind en overgebracht naar het oppervlak van de wafel. Het masker is op bepaalde plaatsen ondoorzichtig en op andere helder. Het heeft de afbeeldingen voor alle honderden geïntegreerde schakelingen die op de wafer moeten worden gevormd.
• 5 Een druppel fotoresistmateriaal wordt in het midden van de siliciumwafel geplaatst en de wafel wordt snel rondgedraaid om de fotoresist over het gehele oppervlak te verdelen. De fotoresist wordt vervolgens gebakken om het oplosmiddel te verwijderen.
• 6 De gecoate wafer wordt vervolgens onder het masker van de eerste laag geplaatst en bestraald met licht. Omdat de ruimtes tussen circuits en componenten zo klein zijn, wordt ultraviolet licht met een zeer korte golflengte gebruikt om door de kleine heldere gebieden op het masker te persen. Soms worden ook elektronenbundels of röntgenstralen gebruikt om de fotoresist te bestralen.
• 7 Het masker wordt verwijderd en delen van de fotoresist worden opgelost. Als een positieve fotoresist is gebruikt, zullen de bestraalde gebieden worden opgelost. Als een negatieve fotoresist is gebruikt, blijven de bestraalde gebieden over. De onbedekte gebieden worden vervolgens ofwel chemisch geëtst om een ​​laag te openen of worden onderworpen aan chemische dotering om een ​​laag van P- of N-gebieden te creëren.

Doping — Atomaire diffusie

• 8 Een methode om doteermiddelen toe te voegen om een ​​laag van P- of N-gebieden te creëren, is atomaire diffusie. Bij deze methode wordt een partij wafels in een oven geplaatst die is gemaakt van een kwartsbuis omgeven door een verwarmingselement. De wafels worden verwarmd tot een bedrijfstemperatuur van ongeveer 1500-2200°F (816-1205°C), en de doteringsstof wordt op een inert gas. Wanneer het doteermiddel en het gas over de wafels gaan, wordt het doteermiddel afgezet op de hete oppervlakken die door het maskeringsproces bloot zijn gelaten. Deze methode is goed voor het dopen van relatief grote gebieden, maar is niet nauwkeurig voor kleinere gebieden. Er zijn ook enkele problemen met het herhaalde gebruik van hoge temperaturen wanneer opeenvolgende lagen worden toegevoegd.

Doping — lon implantatie

• 9 De tweede methode om doteermiddelen toe te voegen is ionenimplantatie. Bij deze methode wordt een doteringsgas, zoals fosfine of boortrichloride, geïoniseerd om een ​​straal van hoogenergetische doteringsionen te verschaffen die op specifieke gebieden van de wafel worden afgevuurd. De ionen dringen de wafel binnen en blijven geïmplanteerd. De penetratiediepte kan worden geregeld door de bundelenergie te wijzigen, en de hoeveelheid doteringsmiddel kan worden geregeld door de bundelstroom en de belichtingstijd te wijzigen. Schematisch lijkt het hele proces op het afvuren van een straal in een gebogen kathodestraalbuis. Deze methode is zo nauwkeurig dat maskeren niet nodig is - het richt en spuit het doteermiddel gewoon waar het nodig is. Het is echter veel langzamer dan het atomaire diffusieproces.

Opeenvolgende lagen maken

• 10 Het proces van maskeren en etsen of doteren wordt herhaald voor elke volgende laag, afhankelijk van het gebruikte dopingproces totdat alle chips met geïntegreerde schakelingen zijn voltooid. Soms wordt een laag siliciumdioxide aangebracht als isolator tussen lagen of componenten. Dit wordt gedaan door middel van een proces dat bekend staat als chemische dampafzetting, waarbij het oppervlak van de wafel wordt verwarmd tot ongeveer 752 ° F (400 ° C), en een reactie tussen de gassen silaan en zuurstof legt een laag siliciumdioxide af. Een laatste siliciumdioxidelaag sluit het oppervlak af, een laatste etsing opent contactpunten en een laag aluminium wordt afgezet om de contactvlakken te maken. Op dit punt worden de afzonderlijke IC's getest op elektrische functie.

Individuele IC's maken

• 11 De dunne wafel is als een stuk glas. De honderden afzonderlijke fiches worden gescheiden door een gearceerde lijn met een fijne ruit snijplotter en zet de wafer vervolgens onder spanning om ervoor te zorgen dat elke chip zich scheidt. De IC's die de elektrische test niet hebben doorstaan, worden weggegooid. Inspectie onder een microscoop onthult andere IC's die beschadigd zijn door het scheidingsproces, en deze worden ook weggegooid.
• 12 De goede IC's zijn afzonderlijk verbonden in hun montagepakket en de dunne draaddraden zijn verbonden door middel van ultrasone binding of thermocompressie. Het montagepakket is gemarkeerd met identificerende onderdeelnummers en andere informatie.
• 13 De voltooide geïntegreerde schakelingen worden verzegeld in antistatische plastic zakken om te worden opgeslagen of naar de eindgebruiker te worden verzonden.

Kwaliteitscontrole

Ondanks de gecontroleerde omgeving en het gebruik van precisiegereedschappen, wordt een groot aantal chips met geïntegreerde schakelingen afgewezen. Hoewel het percentage afgekeurde chips in de loop der jaren gestaag is gedaald, is het maken van een verweven rooster van microscopisch kleine circuits en componenten nog steeds moeilijk, en een zekere hoeveelheid uitwerpselen is onvermijdelijk.

Gevaarlijke stoffen en
Recycling

Onder andere de doteerstoffen gallium en arseen zijn giftige stoffen en de opslag, het gebruik en de verwijdering ervan moeten streng worden gecontroleerd.

Omdat chips met geïntegreerde schakelingen zo veelzijdig zijn, is er een belangrijke recyclingindustrie ontstaan. Veel IC's en andere elektronische componenten worden verwijderd uit anderszins verouderde apparatuur, getest en doorverkocht voor gebruik in andere apparaten.

De Toekomst

Het is moeilijk om met enige zekerheid te zeggen wat de toekomst voor de geïntegreerde schakeling in petto heeft. Veranderingen in technologie sinds de uitvinding van het apparaat zijn snel, maar evolutionair geweest. Er zijn veel veranderingen aangebracht in de architectuur, of circuitlay-out, op een chip, maar de geïntegreerde schakeling blijft nog steeds een op silicium gebaseerd ontwerp.

De volgende grote sprong in de vooruitgang van elektronische apparaten, als zo'n sprong moet komen, kan een geheel nieuwe circuittechnologie inhouden. Betere apparaten dan de allerbeste microprocessor zijn altijd al mogelijk geweest. Het menselijk brein verwerkt informatie bijvoorbeeld veel efficiënter dan welke computer dan ook, en sommige futuristen hebben gespeculeerd dat de volgende generatie processorcircuits biologisch zal zijn in plaats van mineraal. Op dit moment zijn dergelijke zaken het spul van fictie. Er zijn geen directe tekenen dat de geïntegreerde schakeling met uitsterven wordt bedreigd.