Integrierte Schaltkreise (ICs): Kompakte, leistungsstarke Chips, die moderne Elektronik antreiben

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Hintergrund

Ein integrierter Schaltkreis, allgemein als IC bezeichnet, ist ein mikroskopisches Array elektronischer Schaltungen und Komponenten, das auf die Oberfläche eines einzelnen Kristalls, oder Chips, aus halbleitendem Material wie Silizium diffundiert oder implantiert wurde. Er heißt integrierter Schaltkreis, weil die Komponenten, Schaltungen und das Basismaterial alle zusammen, also integriert, aus einem einzigen Stück Silizium hergestellt werden, im Gegensatz zu einem diskreten Schaltkreis, bei dem die Komponenten separat aus verschiedenen Materialien gefertigt und später zusammengebaut werden. ICs reichen in ihrer Komplexität von einfachen Logikmodulen und Verstärkern bis hin zu kompletten Mikrocomputern, die Millionen von Elementen enthalten.

Die Auswirkungen integrierter Schaltkreise auf unser Leben waren enorm. ICs sind zu den Hauptkomponenten fast aller elektronischen Geräte geworden. Diese Miniaturschaltkreise haben niedrige Kosten, hohe Zuverlässigkeit, geringen Strombedarf und hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten im Vergleich zu den ihnen vorangegangenen Röhren und Transistoren demonstriert. IC-Mikrocomputer werden heute als Steuerungen in Geräten wie Werkzeugmaschinen, Fahrzeugbetriebssystemen und anderen Anwendungen eingesetzt, in denen zuvor hydraulische, pneumatische oder mechanische Steuerungen verwendet wurden. Da IC-Mikrocomputer kleiner und vielseitiger sind als frühere Steuermechanismen, ermöglichen sie den Geräten, auf ein breiteres Spektrum von Eingaben zu reagieren und ein breiteres Spektrum von Ausgaben zu erzeugen. Sie können auch neu programmiert werden, ohne die Steuerungsschaltkreise neu zu entwerfen. IC-Mikrocomputer sind so kostengünstig, dass sie sogar in elektronischen Kinderspielzeugen zu finden sind.

Die ersten integrierten Schaltkreise entstanden Ende der 1950er Jahre als Reaktion auf die militärische Nachfrage nach miniaturisierter Elektronik für Raketensteuerungssysteme. Damals waren Transistoren und Leiterplatten der Stand der elektronischen Technik. Obwohl Transistoren viele neue elektronische Anwendungen ermöglichten, konnten Ingenieure noch kein Gehäuse klein genug für die große Anzahl an Komponenten und Schaltungen bauen, die in komplexen Geräten wie raffinierten Steuerungssystemen und handlichen programmierbaren Taschenrechnern erforderlich waren. Mehrere Unternehmen konkurrierten um den Durchbruch in der miniaturisierten Elektronik, und ihre Entwicklungsbemühungen waren so nah beieinander, dass es fraglich ist, welches Unternehmen tatsächlich den ersten IC produzierte. Tatsächlich wurde das Patent für den integrierten Schaltkreis 1959 gemeinsam zwei Personen zugesprochen, die getrennt an zwei verschiedenen Unternehmen arbeiteten.

Nach der Erfindung des IC 1959 verdoppelte sich die Anzahl der Komponenten und Schaltungen, die in einen einzigen Chip passten, mehrere Jahre lang jährlich. Die ersten ICs enthielten nur bis zu einem Dutzend Komponenten. Der Prozess, der diese frühen ICs erzeugte, wurde als Small-Scale Integration (SSI) bezeichnet. Mitte der 1960er Jahre produzierte Medium-Scale Integration (MSI) ICs mit hunderten Komponenten. Darauf folgte Large-Scale Integration (LSI), die ICs mit tausenden Komponenten ermöglichte und die ersten Mikrocomputer möglich machte.

Der erste Mikrocomputer-Chip, oft Mikroprozessor genannt, wurde 1969 von Intel Corporation entwickelt. Er ging 1971 als Intel 4004 in kommerzielle Produktion. Intel führte 1979 ihren 8088-Chip ein, gefolgt von 80286, 80386 und 80486. Ende der 1980er und Anfang der 1990er Jahre waren die Bezeichnungen 286, 386 und 486 Computerbenutzern als Indikatoren für steigende Rechenleistung und Geschwindigkeit wohlbekannt. Intels Pentium-Chip ist der neueste in dieser Serie und spiegelt ein noch höheres Niveau wider.

Wie integrierte Schaltkreis-Komponenten gebildet werden

In einem integrierten Schaltkreis werden elektronische Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren, Dioden und Transistoren direkt auf die Oberfläche eines Siliziumkristalls gebildet. Der Herstellungsprozess eines integrierten Schaltkreises wird verständlicher, wenn man zunächst einige Grundlagen versteht, wie diese Komponenten entstehen.

Schon vor der Entwicklung des ersten IC war bekannt, dass gängige elektronische Bauteile aus Silizium hergestellt werden können. Die Frage war, wie man sie und die verbindenden Schaltungen aus demselben Stück Silizium fertigen kann? Die Lösung bestand darin, die chemische Zusammensetzung winziger Bereiche auf der Siliziumkristalloberfläche durch Zugabe anderer Chemikalien, sogenannter Dotierstoffe, zu verändern. Einige Dotierstoffe verbinden sich mit dem Silizium zu Bereichen, in denen die Dotieratome ein Elektron abgeben können. Diese werden N-Bereiche genannt. Andere Dotierstoffe erzeugen Bereiche, in denen die Dotieratome Platz für ein Elektron haben – P-Bereiche. Wenn ein P-Bereich einen N-Bereich berührt, wird die Grenzfläche als PN-Übergang bezeichnet. Diese Grenze ist nur 0,000004 Zoll (0,0001 cm) breit, aber entscheidend für den Betrieb von IC-Komponenten.

Innerhalb eines PN-Übergangs binden die Atome der beiden Bereiche so, dass ein dritter Bereich entsteht, der als Sperrzone (Depletion Region) bezeichnet wird, in dem die P-Dotieratome alle zusätzlichen Elektronen der N-Dotieratome einfangen und somit entleeren. Ein Phänomen ist, dass eine positive Spannung, die an den P-Bereich angelegt wird, einen elektrischen Strom durch den Übergang in den N-Bereich fließen lässt, während eine ähnliche positive Spannung am N-Bereich zu wenig oder gar keinem Strom zurück in den P-Bereich führt. Diese Fähigkeit eines PN-Übergangs, je nach Spannungsrichtung zu leiten oder zu isolieren, kann genutzt werden, um IC-Komponenten zu bilden, die Ströme genauso lenken und steuern wie Dioden und Transistoren. Eine Diode ist beispielsweise einfach ein einzelner PN-Übergang. Durch Variation der Dotierstoffmengen und -arten sowie der Formen und relativen Platzierungen von P- und N-Bereichen können auch IC-Komponenten geformt werden, die die Funktionen von Widerständen und Kondensatoren nachahmen.

Design

Einige integrierte Schaltkreise können als Standard-Produkte betrachtet werden. Einmal entworfen, ist keine weitere Designarbeit nötig. Beispiele für Standard-ICs sind Spannungsregler, Verstärker, Analogschalter und Analog-Digital- oder Digital-Analog-Wandler. Diese ICs werden meist an andere Unternehmen verkauft, die sie in Leiterplatten für verschiedene elektronische Produkte einbauen.

Andere integrierte Schaltkreise sind einzigartig und erfordern umfangreiche Designarbeit. Ein Beispiel wäre ein neuer Mikroprozessor für Computer. Diese Designarbeit kann Forschung und Entwicklung neuer Materialien und Fertigungstechniken erfordern, um das finale Design zu erreichen.

Rohstoffe

Reines Silizium ist die Basis für die meisten integrierten Schaltkreise. Es liefert das Substrat für den gesamten Chip und wird chemisch dotiert, um die N- und P-Bereiche zu schaffen, die die IC-Komponenten ausmachen. Das Silizium muss so rein sein, dass nur eines von zehn Milliarden Atomen eine Verunreinigung sein darf. Das entspräche einem Zuckerkorn in zehn Eimern Sand. Siliziumdioxid wird als Isolator und als Dielektrikum in IC-Kondensatoren verwendet.

Typische N-Dotierstoffe sind Phosphor und Arsen. Bor und Gallium sind typische P-Dotierstoffe. Aluminium wird häufig als Verbindungsleiter zwischen den verschiedenen IC-Komponenten verwendet. Die dünnen Drahtanschlüsse vom IC-Chip zu seinem Gehäuse können aus Aluminium oder Gold bestehen. Das Gehäuse selbst kann aus Keramik- oder Kunststoffmaterialien gefertigt sein.

Der Fertigungsprozess

Hunderte von integrierten Schaltkreisen werden gleichzeitig auf einem einzigen, dünnen Siliziumscheibchen (Wafer) hergestellt und dann in einzelne IC-Chips getrennt. Der Fertigungsprozess findet in einer streng kontrollierten Umgebung, dem Reinraum, statt, in dem die Luft gefiltert wird, um Fremdpartikel zu entfernen. Die wenigen Gerätebediener im Raum tragen fusselfreie Kleidung, Handschuhe und Kopf- und Fußbedeckungen. Da einige IC-Komponenten empfindlich auf bestimmte Lichtfrequenzen reagieren, werden sogar die Lichtquellen gefiltert. Obwohl Fertigungsprozesse je nach IC variieren können, ist der folgende Prozess typisch.

Vorbereitung des Silizium-Wafers

• 1 Ein zylindrischer Siliziumbarren von ca. 1,5 bis 4,0 Zoll (3,8 bis 10,2 cm) Durchmesser wird vertikal in einer Vakuumkammer mit einer Hochtemperatur-Heizspule gehalten. Beginnend am oberen Ende des Zylinders wird das Silizium auf seinen Schmelzpunkt von ca. 2550 °F (1400 °C) erhitzt. Um Kontamination zu vermeiden, wird die erhitzte Zone nur durch die Oberflächenspannung des flüssigen Siliziums begrenzt. Während die Zone schmilzt, werden Verunreinigungen im Silizium mobil. Die Heizspule wird langsam über die Länge des Zylinders bewegt, und die Verunreinigungen werden mit der geschmolzenen Zone mitgeführt. Wenn die Heizspule das untere Ende erreicht, sind fast alle Verunreinigungen dort konzentriert. Der Boden wird dann abgeschnitten, wodurch ein zylindrischer Barren aus gereinigtem Silizium verbleibt.
• 2 Ein dünner, runder Wafer wird vom Barren mit einer präzisen Schneidemaschine (Wafer Slicer) abgeschnitten. Jeder Schnitt ist ca. 0,01 bis 0,025 Zoll (0,004 bis 0,01 cm) dick. Die Oberfläche, auf der die integrierten Schaltkreise gebildet werden sollen, wird poliert.
• 3 Die Wafer-Oberflächen werden mit einer Schicht Siliziumdioxid beschichtet, um eine isolierende Basis zu bilden und Oxidation des Siliziums zu verhindern, die Verunreinigungen verursachen würde. Das Siliziumdioxid entsteht, indem der Wafer überhitztem Dampf bei ca. 1830 °F (1000 °C) unter mehreren Atmosphären Druck ausgesetzt wird, sodass der Sauerstoff im Wasserdampf mit dem Silizium reagiert. Die Kontrolle von Temperatur und Belichtungsdauer steuert die Dicke der Siliziumdioxidschicht.

Maskierung

• 4 Das komplexe, miteinander verbundene Design der Schaltungen und Komponenten wird in einem Prozess vorbereitet, der dem für Leiterplatten ähnelt. Bei ICs sind die Dimensionen jedoch viel kleiner und viele Schichten liegen übereinander. Das Design jeder Schicht wird auf einem CAD-System erstellt und das Bild in eine Maske übertragen, die optisch verkleinert und auf die Waferoberfläche projiziert wird. Die Maske ist in bestimmten Bereichen undurchsichtig und in anderen klar. Sie enthält die Bilder für alle mehreren hundert ICs, die auf dem Wafer gebildet werden sollen.
• 5 Ein Tropfen Photoresist wird in die Mitte des Silizium-Wafers gegeben, und der Wafer wird schnell gedreht, um den Photoresist über die gesamte Oberfläche zu verteilen. Der Photoresist wird dann gebacken, um das Lösungsmittel zu entfernen.
• 6 Der beschichtete Wafer wird unter die erste Layermaske gelegt und mit Licht bestrahlt. Da die Abstände zwischen Schaltungen und Komponenten so winzig sind, wird ultraviolettes Licht mit sehr kurzer Wellenlänge verwendet, um durch die winzigen klaren Bereiche der Maske zu dringen. Elektronenstrahlen oder Röntgenstrahlen werden manchmal ebenfalls zur Bestrahlung des Photoresists eingesetzt.
• 7 Die Maske wird entfernt und Teile des Photoresists werden gelöst. Wurde ein positiver Photoresist verwendet, lösen sich die bestrahlten Bereiche. Wurde ein negativer Photoresist verwendet, bleiben die bestrahlten Bereiche erhalten. Die freigelegten Bereiche werden dann entweder chemisch geätzt, um eine Schicht zu öffnen, oder chemisch dotiert, um eine Schicht von P- oder N-Bereichen zu erzeugen.

Dotierung – Atomare Diffusion

• 8 Eine Methode, Dotierstoffe hinzuzufügen, um eine Schicht von P- oder N-Bereichen zu erzeugen, ist die atomare Diffusion. Dabei wird ein Stapel Wafers in einen Ofen aus einem Quarzrohr, umgeben von einem Heizelement, gelegt. Die Wafers werden auf eine Betriebstemperatur von ca. 1500–2200 °F (816–1205 °C) erhitzt, und das Dotierchemikalie wird in einem Inertgas hereingetragen. Während Dotierstoff und Gas über die Wafers strömen, wird der Dotierstoff auf den heißen Oberflächen abgeschieden, die durch den Maskierprozess freigelegt wurden. Diese Methode eignet sich gut für das Dotieren größerer Bereiche, ist aber für kleinere Bereiche nicht präzise genug. Es gibt auch Probleme mit der wiederholten Verwendung hoher Temperaturen, wenn successive Schichten hinzugefügt werden.

Dotierung – Ionenimplantation

• 9 Die zweite Methode zum Hinzufügen von Dotierstoffen ist die Ionenimplantation. Dabei wird ein Dotiergas wie Phosphin oder Bortrichlorid ionisiert, um einen Strahl hochenergetischer Dotierionen zu erzeugen, der auf spezifische Bereiche des Wafers geschossen wird. Die Ionen dringen in den Wafer ein und bleiben implantiert. Die Eindringtiefe kann durch Änderung der Strahlenergie kontrolliert werden, und die Dotiermenge durch Änderung des Strahlstroms und der Belichtungszeit. Schematisch ähnelt der gesamte Prozess dem Abfeuern eines Strahls in einer gebogenen Kathodenstrahlröhre. Diese Methode ist so präzise, dass sie keine Maskierung erfordert – sie zielt und schießt den Dotierstoff dorthin, wo er gebraucht wird. Sie ist jedoch viel langsamer als der atomare Diffusionsprozess.

Erstellen weiterer Schichten

• 10 Der Prozess der Maskierung und Ätzen oder Dotieren wird für jede weitere Schicht wiederholt, abhängig vom verwendeten Dotierprozess, bis alle integrierten Schaltkreischips fertig sind. Manchmal wird eine Siliziumdioxidschicht aufgebracht, um als Isolator zwischen Schichten oder Komponenten zu dienen. Dies geschieht durch Chemical Vapor Deposition (CVD), bei der die Waferoberfläche auf ca. 752 °F (400 °C) erhitzt wird und eine Reaktion zwischen den Gasen Silan und Sauerstoff eine Siliziumdioxidschicht ablagert. Eine finale Siliziumdioxidschicht versiegelt die Oberfläche, ein finales Ätzen öffnet Kontaktpunkte, und eine Aluminiumschicht wird aufgebracht, um Kontaktpads zu bilden. An diesem Punkt werden die einzelnen ICs auf elektrische Funktion getestet.

Trennen der einzelnen ICs

• 11 Der dünne Wafer gleicht einem Glasstück. Die hunderte einzelnen Chips werden durch Einkerben eines Kreuzschraffurmusters mit einem feinen Diamant-Schneider getrennt und dann der Wafer unter Spannung gesetzt, sodass jeder Chip sich löst. ICs, die den elektrischen Test nicht bestanden haben, werden verworfen. Mikroskopische Inspektion deckt weitere ICs auf, die durch den Trennprozess beschädigt wurden, diese werden ebenfalls aussortiert.
• 12 Die guten ICs werden einzeln in ihr Gehäuse eingebondet und die dünnen Drahtanschlüsse entweder per Ultraschallbonden oder Thermokompression verbunden. Das Gehäuse wird mit identifizierenden Teilenummern und weiteren Informationen markiert.
• 13 Die fertigen integrierten Schaltkreise werden in antistatischen Kunststoffbeuteln versiegelt zur Lagerung oder zum Versand an den Endkunden.

Qualitätskontrolle

Trotz kontrollierter Umgebung und Präzisionswerkzeugen werden viele integrierte Schaltkreischips ausgeschieden. Obwohl der Prozentsatz der Ausschusschips über die Jahre stetig gesunken ist, bleibt die Herstellung eines verwobenen Gitters mikroskopischer Schaltungen und Komponenten schwierig, und eine gewisse Ausschussrate ist unvermeidlich.

Gefährliche Materialien und Recycling

Die Dotierstoffe Gallium und Arsen sowie andere sind giftige Substanzen, deren Lagerung, Verwendung und Entsorgung streng kontrolliert werden müssen.

Weil IC-Chips so vielseitig sind, hat sich eine bedeutende Recyclingindustrie entwickelt. Viele ICs und andere elektronische Bauteile werden aus ansonsten veralteten Geräten ausgebaut, getestet und für den Einsatz in anderen Geräten weiterverkauft.

Zukunftsaussichten

Es ist schwer, mit Sicherheit vorherzusagen, was die Zukunft für den integrierten Schaltkreis bereithält. Technologische Veränderungen seit der Erfindung waren schnell, aber evolutionär. Viele Änderungen wurden in der Architektur, also dem Schaltkreislayout, auf einem Chip vorgenommen, aber der integrierte Schaltkreis bleibt ein siliziumbasiertes Design.

Der nächste große Sprung in der Weiterentwicklung elektronischer Geräte, falls ein solcher kommt, könnte eine völlig neue Schaltkreistechnologie beinhalten. Bessere Geräte als der beste Mikroprozessor waren immer als möglich bekannt. Das menschliche Gehirn verarbeitet Informationen beispielsweise weit effizienter als jeder Computer, und einige Futuristen spekulieren, dass die nächste Generation von Prozessoren biologisch, nicht mineralisch sein wird. An diesem Punkt sind solche Überlegungen noch Science-Fiction. Es gibt keine unmittelbaren Anzeichen, dass der integrierte Schaltkreis vom Aussterben bedroht ist.