Der umfassende Prozess der Herstellung integrierter Schaltkreise

Bei der Herstellung integrierter Schaltkreise werden sehr dünne Oberflächenschichten aus halbleitendem Material auf einer Substratschicht, meist aus Silizium, erzeugt, die auf atomarer Ebene chemisch verändert werden kann, um die Funktionalität verschiedener Arten von Schaltkreiskomponenten, einschließlich Transistoren, Kondensatoren, Widerstände und Dioden, zu schaffen. Dies ist ein Fortschritt gegenüber früheren Schaltungsdesigns, bei denen einzelne Komponenten von Widerständen, Transistoren und mehr per Hand auf einem Steckbrett befestigt wurden, um komplexe Schaltkreise zu bilden. Ein Prozess zur Herstellung integrierter Schaltkreise arbeitet mit Komponenten, die so klein sind, dass ab 2011 durch verschiedene Fotolithografie- und Ätzprozesse in einer Mikrochip-Fertigungsanlage Milliarden davon auf einer Fläche von wenigen Quadratzentimetern hergestellt werden können.

Ein integrierter Schaltkreis oder IC-Chip ist im wahrsten Sinne des Wortes eine Schicht aus halbleitendem Material, in der alle Schaltkreiskomponenten in einer Reihe von Herstellungsprozessen miteinander verbunden werden, sodass nicht mehr alle Komponenten einzeln hergestellt und später zusammengebaut werden müssen. Die früheste Form eines integrierten Mikrochip-Schaltkreises wurde 1959 hergestellt und bestand aus einer Rohbaugruppe aus mehreren Dutzend elektronischen Bauteilen. Die Komplexität der Herstellung integrierter Schaltkreise nahm jedoch exponentiell zu, mit Hunderten von Komponenten auf IC-Chips in den 1960er Jahren und Tausenden von Komponenten bis 1969, als der erste echte Mikroprozessor entwickelt wurde. Elektronische Schaltkreise verfügen seit 2011 über IC-Chips mit einer Länge oder Breite von einigen Zentimetern, die Millionen von Transistoren, Kondensatoren und anderen elektronischen Komponenten aufnehmen können. Mikroprozessoren für Computersysteme und Speichermodule, die hauptsächlich Transistoren enthalten, sind seit 2011 die fortschrittlichste Form von IC-Chips und können Milliarden von Komponenten pro Quadratzentimeter enthalten.

Da die Komponenten bei der Herstellung integrierter Schaltkreise so klein sind, besteht die einzig wirksame Möglichkeit zu ihrer Herstellung in der Verwendung chemischer Ätzprozesse, bei denen es zu Reaktionen auf der Waferoberfläche durch Lichteinwirkung kommt. Für den Schaltkreis wird eine Maske oder eine Art Muster erstellt, durch die Licht auf die Oberfläche des Wafers gestrahlt wird, der mit einer dünnen Schicht Fotolackmaterial beschichtet ist. Mit dieser Maske können Muster in den Wafer-Fotolack geätzt werden, der dann bei hoher Temperatur eingebrannt wird, um das Muster zu verfestigen. Das Fotoresistmaterial wird dann einer Lösungslösung ausgesetzt, die entweder den bestrahlten Bereich oder den maskierten Bereich der Oberfläche entfernt, je nachdem, ob das Fotoresistmaterial ein positiver oder negativer chemischer Reaktant ist. Zurück bleibt eine feine Schicht miteinander verbundener Komponenten in der Breite der verwendeten Lichtwellenlänge, bei der es sich entweder um ultraviolettes Licht oder um Röntgenstrahlen handeln kann.

Nach der Maskierung umfasst die Herstellung integrierter Schaltkreise die Dotierung des Siliziums oder die Implantation einzelner Atome, meist Phosphor- oder Boratome, in die Oberfläche des Materials, wodurch lokale Bereiche auf dem Kristall entweder eine positive oder negative elektrische Ladung erhalten. Diese geladenen Bereiche sind als P- und N-Bereiche bekannt und bilden dort, wo sie aufeinander treffen, einen Übertragungsübergang, um eine universelle elektrische Komponente zu schaffen, die als PN-Übergang bekannt ist. Solche Übergänge sind seit 2011 bei den meisten integrierten Schaltkreisen etwa 1.000 bis 100 Nanometer breit, wodurch jeder PN-Übergang etwa die Größe eines menschlichen roten Blutkörperchens hat, das etwa 100 Nanometer breit ist. Der Prozess der Herstellung von PN-Übergängen wird chemisch so angepasst, dass er verschiedene Arten von elektrischen Eigenschaften aufweist, sodass der Übergang als Transistor, Widerstand, Kondensator oder Diode fungieren kann.

Aufgrund der sehr geringen Beschaffenheit der Komponenten und der Verbindungen zwischen den Komponenten auf integrierten Schaltkreisen muss der gesamte Wafer weggeworfen werden, wenn der Prozess ausfällt und fehlerhafte Komponenten vorhanden sind, da er nicht repariert werden kann. Dieses Maß an Qualitätskontrolle wird durch die Tatsache, dass die meisten modernen IC-Chips (Stand 2011) aus vielen Schichten integrierter Schaltkreise bestehen, die übereinander gestapelt und miteinander verbunden sind, um den endgültigen Chip selbst zu bilden und ihm mehr Rechenleistung zu verleihen, noch weiter gesteigert. Zwischen jeder Schaltungsschicht müssen außerdem isolierende und metallische Verbindungsschichten angebracht werden, um die Schaltung funktionsfähig und zuverlässig zu machen.

Obwohl bei der Herstellung integrierter Schaltkreise viele Ausschusschips anfallen, sind diejenigen, die als Endprodukte funktionieren und elektrische Tests und Mikroskopprüfungen bestehen, so wertvoll, dass der Prozess dadurch äußerst profitabel ist. Integrierte Schaltkreise steuern seit 2011 fast jedes moderne elektronische Gerät, von Computern und Mobiltelefonen bis hin zu Unterhaltungselektronik wie Fernsehern, Musikplayern und Spielsystemen. Sie sind auch wesentliche Komponenten von Steuerungssystemen für Automobile und Flugzeuge sowie anderen digitalen Geräten, die dem Benutzer ein gewisses Maß an Programmiermöglichkeiten bieten, von digitalen Weckern bis hin zu Umgebungsthermostaten.

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Link zu Quellen

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