Geïntegreerde Schakelingen (IC's): Compacte, Krachtige Chips die Moderne Elektronica Aandrijven

Achtergrond

Een geïntegreerde schakeling, algemeen aangeduid als IC, is een microscopische array van elektronische schakelingen en componenten die gediffund geïmplanteerd zijn op het oppervlak van een enkele kristal, of chip, van halfgeleidend materiaal zoals silicium. Het heet een geïntegreerde schakeling omdat de componenten, schakelingen, en basismateriaal allemaal samen, of geïntegreerd, gemaakt worden uit een enkel stuk silicium, in tegenstelling tot een discrete schakeling waarin de componenten apart gemaakt worden van verschillende materialen en later gemonteerd. IC's variëren in complexiteit van eenvoudige logica modules en versterkers tot complete microcomputers die miljoenen elementen bevatten.

De impact van geïntegreerde schakelingen op ons leven is enorm. IC's zijn de hoofdbestanddelen van bijna alle elektronische apparaten geworden. Deze miniatuur schakelingen hebben lage kosten, hoge betrouwbaarheid, lage stroomverbruik, en hoge verwerkingssnelheden gedemonstreerd vergeleken met de buizen en transistors die ervoor gingen. Geïntegreerde schakeling microcomputers worden nu gebruikt als controllers in apparatuur zoals werktuigmachines, voertuigbesturingssystemen, en andere toepassingen waar hydraulische, pneumatische, of mechanische controls eerder gebruikt werden. Omdat IC microcomputers kleiner en veelzijdiger zijn dan eerdere besturingsmechanismen, laten ze de apparatuur reageren op een breder bereik aan invoer en een breder bereik aan uitvoer produceren. Ze kunnen ook herprogrammeerd worden zonder de besturingsschakeling te hoeven herontwerpen. Geïntegreerde schakeling microcomputers zijn zo goedkoop dat ze zelfs in kinder elektronische speelgoed gevonden worden.

De eerste geïntegreerde schakelingen werden in de late jaren '50 gecreëerd in reactie op een vraag van het leger voor geminiaturiseerde elektronica voor gebruik in raketbesturingssystemen. Op dat moment waren transistors en geprintschakelingen de state-of-the-art elektronische technologie. Hoewel transistors veel nieuwe elektronische toepassingen mogelijk maakten, waren ingenieurs nog steeds onzeker om een klein genoeg pakket te maken voor het grote aantal componenten en schakelingen vereist in complexe apparaten zoals gesofistikeerde besturingssystemen en handgehouden programmeerbare rekenmachines. Verschillende bedrijven waren in competitie om een doorbraak in geminiaturiseerde elektronica te produceren, en hun ontwikkelingsinspanningen waren zo dichtbij elkaar dat er vraagtekens zijn over welk bedrijf daadwerkelijk de eerste IC produceerde. In feite, toen de geïntegreerde schakeling uiteindelijk in 1959 gepatenteerd werd, werd het octrooi gezamenlijk aan twee individuen toegekend die apart bij twee verschillende bedrijven werkten.

Na de uitvinding van de IC in 1959, verdubbelde het aantal componenten en schakelingen dat in een enkele chip geïntegreerd kon worden elk jaar gedurende diverse jaren. De eerste geïntegreerde schakelingen bevatten slechts tot een dozijn componenten. Het proces dat deze vroege IC's produceerde was bekend als small scale integration, of SSI. In de midden jaren '60 produceerde medium scale integration, MSI, IC's met honderden componenten. Dit werd gevolgd door large scale integration technieken, of LSI, die IC's met duizenden componenten produceerden en de eerste microcomputers mogelijk maakten.

De eerste microcomputer chip, vaak een microprocessor genoemd, werd ontwikkeld door Intel Corporation in 1969. Het ging in commerciële productie in 1971 als de Intel 4004. Intel introduceerde hun 8088 chip in 1979, gevolgd door de Intel 80286, 80386, en 80486. In de late jaren '80 en vroege jaren '90 waren de aanduidingen 286, 386, en 486 goed bekend bij computergebruikers als weerspiegeling van toenemende rekenkracht en snelheid. Intel's Pentium chip is de laatste in deze reeks en weerspiegelt een nog hoger niveau.

Hoe Geïntegreerde Schakeling Componenten Gevormd Worden

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 zal meer zin krijgen als men eerst enkele basisprincipes begrijpt van hoe deze componenten gevormd worden.

Lange vóór de eerste IC ontwikkeld werd, was bekend dat gangbare elektronische componenten van silicium gemaakt konden worden. De vraag was hoe ze, en de verbindende schakelingen, van hetzelfde stuk silicium te maken? De oplossing was om de chemische samenstelling van kleine gebieden op het siliciumkristaloppervlak te veranderen, of te doperen, door andere chemicaliën, dopanten genoemd, toe te voegen. Sommige dopanten binden met het silicium om gebieden te produceren waar de dopantatomen één elektron kunnen afstaan. Deze heten N-gebieden. Andere dopanten binden met het silicium om gebieden te produceren waar de dopantatomen ruimte hebben om één elektron op te nemen. Deze heten P-gebieden. Wanneer een P-gebied een N-gebied aanraakt, wordt de grens tussen hen aangeduid als een PN-overgang. Deze grens is slechts 0,000004 inch (0,0001 cm) breed, maar is cruciaal voor de werking van geïntegreerde schakeling componenten.

Binnen een PN-overgang binden de atomen van de twee gebieden op een dergelijke manier dat een derde gebied ontstaat, een depletiegebied genoemd, waarin de P-dopantatomen alle extra elektronen van de N-dopant opvangen, hen dus depleterend. Een van de verschijnselen die voortvloeien is dat een positieve spanning toegepast op het P-gebied een elektrische stroom kan laten vloeien door de overgang in het N-gebied, maar een vergelijkbare positieve spanning toegepast op het N-gebied resulteert in weinig of geen stroom die terugstroomt in het P-gebied. Deze capaciteit van een PN-overgang om te geleiden of te isoleren afhankelijk van welke kant de spanning toegepast wordt, kan gebruikt worden om geïntegreerde schakeling componenten te vormen die stroomstromen sturen en controleren op dezelfde manier als diodes en transistors. Een diode is bijvoorbeeld simpelweg een enkele PN-overgang. Door de hoeveelheid en typen dopanten te variëren en de vormen en relatieve placements van P- en N-gebieden te veranderen, kunnen geïntegreerde schakeling componenten die de functies van weerstanden en condensatoren nabootsen, ook gevormd worden.

Ontwerp

Sommige geïntegreerde schakelingen kunnen als standaard, off-the-shelf items beschouwd worden. Eenmaal ontworpen, is geen verdere ontwerpwerk vereist. Voorbeelden van standaard IC's zouden spanningsregelaars, versterkers, analoge schakelaars, en analog-naar-digitaal of digitaal-naar-analoge converters omvatten. Deze IC's worden meestal aan andere bedrijven verkocht die ze in geprintschakelingen voor diverse elektronische producten incorporeren.

Andere geïntegreerde schakelingen zijn uniek en vereisen uitgebreid ontwerpwerk. Een voorbeeld zou een nieuwe microprocessor voor computers zijn. Dit ontwerpwerk kan onderzoek en ontwikkeling van nieuwe materialen en nieuwe productietechnieken vereisen om het eindontwerp te bereiken.

Grondstoffen

Zuiver silicium is de basis voor de meeste geïntegreerde schakelingen. Het levert de basis, of substraat voor de hele chip en wordt chemisch gedopeerd om de N- en P-gebieden te leveren die de geïntegreerde schakeling componenten vormen. Het silicium moet zo zuiver zijn dat slechts één op de tien miljard atomen een onzuiverheid kan zijn. Dit zou equivalent zijn aan één korreltje suiker in tien emmers zand. Siliciumdioxide wordt gebruikt als isolator en als dielectrisch materiaal in IC condensatoren.

Typische N-type dopanten omvatten fosfor en arsenic. Boor en gallium zijn typische P-type dopanten. Aluminium wordt gemeenschappelijk gebruikt als connector tussen de diverse IC componenten. De dunne draaddleidingen van de geïntegreerde schakeling chip naar zijn montagepakket kunnen aluminium of goud zijn. Het montagepakket zelf kan van keramische of plastic materialen gemaakt zijn.

Het Productieproces

Honderden geïntegreerde schakelingen worden tegelijkertijd op een enkele, dunne plak silicium gemaakt en vervolgens in individuele IC chips gesneden. Het productieproces vindt plaats in een strak gecontroleerde omgeving bekend als een schone ruimte waar de gelucht gefilterd wordt om vreemde deeltjes te verwijderen. De paar apparatuurbedienders in de ruimte dragen lintvrije kleding, handschoenen, en bedekkingen voor hun hoofden en voeten. Aangezien sommige IC componenten gevoelig zijn voor bepaalde frequenties van licht, zijn zelfs de lichtbronnen gefilterd. Hoewel productieprocessen kunnen variëren afhankelijk van de geïntegreerde schakeling die gemaakt wordt, is het volgende proces typisch.

Voorbereiden van de Silicium Wafer

• 1 Een cilindrische ingot van silicium van ongeveer 1,5 tot 4,0 inch (3,8 tot 10,2 cm) in diameter wordt verticaal vastgehouden in een vacuümkamer met een hoge-temperatuur verwarmingspoel eromheen. Beginnend aan de top van de cilinder, wordt het silicium verhit tot zijn smeltpunt van ongeveer 2550°F (1400°C). Om contaminatie te voorkomen, wordt het verwarmde gebied alleen door de oppervlaktespanning van het gesmolten silicium bevat. Naarmate het gebied smelt, worden eventuele onzuiverheden in het silicium mobiel. De verwarmingspoel wordt langzaam naar beneden over de lengte van de cilinder bewogen, en de onzuiverheden worden meegenomen met het gesmolten gebied. Wanneer de verwarmingspoel de onderkant bereikt, zijn bijna alle onzuiverheden meegenomen en geconcentreerd daar. De onderkant wordt dan afgesneden, wat een cilindrische ingot van gezuiverd silicium achterlaat.
• 2 Een dunne, ronde wafer van silicium wordt van de ingot gesneden met een precieze snijmachine genaamd een wafer snijder. Elke plak is ongeveer 0,01 tot 0,025 inch (0,004 tot 0,01 cm) dik. Het oppervlak waarop de geïntegreerde schakelingen gevormd moeten worden, wordt gepolijst.
• 3 De oppervlakken van de wafer worden gecoat met een laag siliciumdioxide om een isolerende basis te vormen en om enige oxidatie van het silicium te voorkomen die onzuiverheden zou veroorzaken. De siliciumdioxide wordt gevormd door de wafer aan oververhit stoom van ongeveer 1830°F (1000°C) onder diverse atmospheren van druk te blootstellen om de zuurstof in de waterdamp te laten reageren met het silicium. Het controleren van de temperatuur en lengte van blootstelling controleert de dikte van de siliciumdioxide laag.

Maskeren

• 4 Het complexe en onderling verbonden ontwerp van de schakelingen en componenten wordt voorbereid in een proces vergelijkbaar met dat gebruikt om geprintschakelingen te maken. Voor IC's zijn de afmetingen echter veel kleiner en zijn er veel lagen op elkaar gesuperimponeerd. Het ontwerp van elke laag wordt op een computer-ondersteund tekenmachine voorbereid, en het beeld wordt in een masker gemaakt dat optisch verkleind en naar het oppervlak van de wafer getransfereerd wordt. Het masker is opaak in bepaalde gebieden en helder in anderen. Het bevat de beelden voor de diverse honderden geïntegreerde schakelingen die op de wafer gevormd worden.
• 5 Een druppel fotoresistmateriaal wordt in het midden van de silicium wafer geplaatst, en de wafer wordt snel gedraaid om de fotoresist over het gehele oppervlak te verspreiden. De fotoresist wordt dan gebakken om het oplosmiddel te verwijderen.
• 6 De gecoate wafer wordt dan onder de eerste laag masker geplaatst en bestraald met licht. Omdat de ruimtes tussen schakelingen en componenten zo klein zijn, wordt ultraviolett licht met een erg korte golflengte gebruikt om door de minuscule heldere gebieden op het masker te knijpen. Bundels elektronen of röntgenstralen worden ook soms gebruikt om de fotoresist te bestralen.
• 7 Het masker wordt verwijderd en delen van de fotoresist worden opgelost. Als een positieve fotoresist gebruikt werd, zullen de gebieden die bestraald werden, opgelost worden. Als een negatieve fotoresist gebruikt werd, zullen de gebieden die bestraald werden, blijven. De onbedekte gebieden worden dan of chemisch geëtst om een laag open te maken, of aan chemische doping onderworpen om een laag van P- of N-gebieden te creëren.

Doping — Atoomdiffusie

• 8 Een methode om dopanten toe te voegen om een laag van P- of N-gebieden te creëren is atoomdiffusie. In deze methode wordt een batch wafers in een oven geplaatst gemaakt van een kwartsbuis omgeven door een verwarmingselement. De wafers worden verhit tot een werkendtemperatuur van ongeveer 1500-2200°F (816-1205°C), en het dopantchemical wordt op een inert gas meegedragen. Naarmate het dopant en gas over de wafers passeren, wordt het dopant op de hete oppervlakken gedeponeerd die blootgelegd zijn door het maskerproces. Deze methode is goed voor het doperen van relatief grote gebieden, maar is niet nauwkeurig voor kleinere gebieden. Er zijn ook enkele problemen met het herhaald gebruik van hoge temperaturen als opeenvolgende lagen toegevoegd worden.

Doping — Ioonimplantatie

• 9 De tweede methode om dopanten toe te voegen is ionimplantatie. In deze methode wordt een dopantgas, zoals fosfine of boortrichloride, geïoniseerd om een bundel van hoge-energie dopantionen te leveren die op specifieke gebieden van de wafer afgevuurd worden. De ionen penetreren de wafer en blijven geïmplanteerd. De diepte van penetratie kan gecontroleerd worden door de bundelenergie te veranderen, en de hoeveelheid dopant kan gecontroleerd worden door de bundelstroom en blootstellingstijd te veranderen. Schemaatlijk lijkt het hele proces op het afvuren van een bundel in een gebogen kathodenstraalbuis. Deze methode is zo precies, het vereist geen maskeren – het wijst en schiet de dopant waar het nodig is. Het is echter veel langzamer dan het atoomdiffusieproces.

Maken van Opeenvolgende Lagen

• 10 Het proces van maskeren en etsen of doperen wordt herhaald voor elke opeenvolgende laag, afhankelijk van het gebruikte dopingsproces, tot alle geïntegreerde schakeling chips compleet zijn. Soms wordt een laag siliciumdioxide neergelegd om een isolator tussen lagen of componenten te bieden. Dit wordt gedaan door een proces bekend als chemische dampdepositie, waarin het oppervlak van de wafer verhit wordt tot ongeveer 752°F (400°C), en een reactie tussen de gassen silaan en zuurstof een laag siliciumdioxide deposeert. Een finale siliciumdioxide laag zeelt het oppervlak, een finale ets opent contactpunten, en een laag aluminium wordt gedeponeerd om de contactpads te maken. Op dit punt worden de individuele IC's getest op elektrische functie.

Maken van Individuele IC's

• 11 De dunne wafer is als een stuk glas. De honderden individuele chips worden gescheiden door een kruisluik van lijnen te scoren met een fijn diamant snijder en dan de wafer onder spanning te zetten om elke chip te laten scheiden. Die IC's die de elektrische test faalden, worden weggegooid. Inspectie onder een microscoop onthult andere IC's die beschadigd waren door het scheidingsproces, en deze worden ook weggegooid.
• 12 De goede IC's worden individueel in hun montagepakket gebonden en de dunne draaddleidingen worden verbonden door ofwel ultrasonische binding of thermocompressie. Het montagepakket wordt gemarkeerd met identificerende deelnummers en andere informatie.
• 13 De voltooide geïntegreerde schakelingen worden geseald in antistatische plastic zakken om opgeslagen of verzonden te worden naar de eindgebruiker.

Kwaliteitscontrole

Ondanks de gecontroleerde omgeving en het gebruik van precisegereedschappen, worden een hoog aantal geïntegreerde schakeling chips afgewezen. Hoewel het percentage afgewezen chips de afgelopen jaren stapsgewijs gedaald is, blijft de taak om een verwobben rooster van microscopische schakelingen en componenten te maken moeilijk, en is een zekere hoeveelheid afkeuring onvermijdelijk.

Gevaarlijke Materialen en Recycling

De dopanten gallium en arsenic, onder andere, zijn giftige stoffen en hun opslag, gebruik, en afvalverwerking moeten strak gecontroleerd worden.

Omdat geïntegreerde schakeling chips zo veelzijdig zijn, is een significante recyclingindustrie ontstaan. Veel IC's en andere elektronische componenten worden uit anders verouderde apparatuur verwijderd, getest, en herverkocht voor gebruik in andere apparaten.

De Toekomst

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

De volgende grote sprong in de vooruitgang van elektronische apparaten, als zo'n sprong moet komen, kan een volledig nieuwe schakeltechnologie omvatten. Betere apparaten dan de allerbeste microprocessor zijn altijd bekend om mogelijk te zijn. De menselijke hersenen verwerken informatie veel efficiënter dan enige computer, en sommige futuristen hebben gespeculeerd dat de volgende generatie processor schakelingen biologisch, in plaats van mineraal, zullen zijn. Op dit punt zijn dergelijke kwesties de stof van fictie. Er zijn geen onmiddellijke tekens dat de geïntegreerde schakeling in enig gevaar van uitsterven is.