Het uitgebreide proces van de fabricage van geïntegreerde schakelingen

De fabricage van geïntegreerde schakelingen omvat een proces waarbij zeer dunne oppervlaktelagen van halfgeleidend materiaal worden gecreëerd bovenop een substraatlaag, meestal gemaakt van silicium, die op atomair niveau chemisch 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 individuele componenten van weerstanden, transistors en meer met de hand werden bevestigd aan een verbindend breadboard om complexe circuits te vormen. Een fabricageproces voor geïntegreerde schakelingen werkt met componenten die zo klein zijn dat er vanaf 2011 miljarden van kunnen worden gemaakt op een gebied van enkele vierkante centimeters, door middel van verschillende fotolithografie- en etsprocessen in een productiefaciliteit voor microchips.

Een geïntegreerde schakeling of IC-chip is letterlijk een laag halfgeleidend materiaal waarbij alle circuitcomponenten met elkaar zijn verbonden in één reeks productieprocessen, zodat alle componenten niet langer afzonderlijk hoeven te worden vervaardigd en later geassembleerd. De vroegste vorm van geïntegreerde microchipschakelingen 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 gemaakt. Elektronische circuits hebben sinds 2011 IC-chips van een paar centimeter lang of breed die miljoenen transistors, condensatoren en andere elektronische componenten kunnen bevatten. Microprocessors voor computersystemen en geheugenmodules die voornamelijk transistors bevatten, zijn sinds 2011 de meest geavanceerde vorm van IC-chips en kunnen miljarden componenten per vierkante centimeter bevatten.

Omdat de componenten bij de fabricage van geïntegreerde schakelingen zo klein zijn, is de enige effectieve manier om ze te maken het gebruik van chemische etsprocessen waarbij reacties op het wafeloppervlak optreden als gevolg van blootstelling aan licht. Er wordt een masker of een soort patroon voor het circuit gemaakt en er wordt licht doorheen scheen op het oppervlak van de wafel, dat is bedekt met een dunne laag fotoresistmateriaal. Met dit masker kunnen patronen in de wafer-fotoresist worden geëtst, die vervolgens bij hoge temperatuur wordt gebakken om het patroon te laten stollen. Het fotoresistmateriaal wordt vervolgens blootgesteld aan een oplossende oplossing die ofwel het bestraalde gebied, ofwel het gemaskeerde gebied van het oppervlak verwijdert, afhankelijk van of het fotoresistmateriaal een positieve of negatieve chemische reactant is. Wat achterblijft is een fijne laag van onderling verbonden componenten met een breedte van de golflengte van het gebruikte licht, dat zowel ultraviolet licht als röntgenstraling kan zijn.

Na het maskeren omvat de fabricage van geïntegreerde schakelingen het doteren van het silicium of de implantatie van individuele atomen, 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 transmissieknooppunt om een ​​universele elektrische component te creëren die bekend staat als een PN-overgang. Dergelijke knooppunten zijn vanaf 2011 ongeveer 1.000 tot 100 nanometer breed voor de meeste geïntegreerde schakelingen, waardoor elke PN-overgang ongeveer zo groot is als een menselijke rode bloedcel, die ongeveer 100 nanometer breed is. Het proces van het maken van PN-overgangen is chemisch afgestemd op het vertonen van verschillende soorten elektrische eigenschappen, waardoor het mogelijk wordt dat de junctie fungeert als een transistor, weerstand, condensator of diode.

Vanwege het zeer fijne niveau van componenten en verbindingen tussen componenten op geïntegreerde schakelingen, moet de hele wafer worden weggegooid als het proces mislukt en er defecte componenten zijn, omdat deze niet kan worden gerepareerd. Dit niveau van kwaliteitscontrole wordt naar een nog hoger niveau getild door het feit dat de meeste moderne IC-chips vanaf 2011 bestaan ​​uit vele lagen geïntegreerde schakelingen die op elkaar zijn gestapeld en met elkaar zijn verbonden om de uiteindelijke chip zelf te creëren en deze meer verwerkingskracht te geven. Isolerende en metalen verbindingslagen moeten ook tussen elke circuitlaag worden geplaatst, en om het circuit functioneel en betrouwbaar te maken.

Hoewel er tijdens het fabricageproces van geïntegreerde schakelingen veel afgekeurde chips worden geproduceerd, zijn de chips die wel als eindproduct werken en de elektrische tests en microscoopinspecties doorstaan zo waardevol dat het proces zeer winstgevend wordt. Geïntegreerde circuits besturen nu bijna elk modern elektronisch apparaat dat sinds 2011 in gebruik is, van computers en mobiele telefoons tot consumentenelektronica zoals televisies, muziekspelers en spelsystemen. Het zijn ook essentiële componenten van auto- en vliegtuigbesturingssystemen en andere digitale apparaten die de gebruiker een niveau van programmeermogelijkheden bieden, variërend van digitale wekkers tot omgevingsthermostaten.

About Mechanics streeft ernaar nauwkeurige en betrouwbare informatie te verstrekken. We selecteren zorgvuldig gerenommeerde bronnen en hanteren een rigoureus proces van factchecking om aan de hoogste normen te voldoen. Lees ons redactionele proces voor meer informatie over onze toewijding aan nauwkeurigheid.

Link naar bronnen

• https://www.kpsec.freeuk.com/components/ic.htm
• https://www.pbs.org/transistor/background1/events/icinv.html
• https://www.thoughtco.com/history-of-integrated-circuit-aka-microchip-1992006