Zum Inhalt springen

Mikroelegtronik

Us der alemannische Wikipedia, der freie Dialäkt-Enzyklopedy


D Mikroelektronik isch èn Teilgebièt vo dè Elegtronik, gnauer d Halbleiterelegtronik, un d Mikrotechnig. D Mikroelegtronik bschäftigt sich mit èm Entwurf, dèe Entwicklig un dè Herschtellig vo miniaturisyrtè, elegtronischè Schaltigè, hüt vo allem mit integryrtè Schaltigè. Selli Schaltigè, wo uff Halbleiter basyrè düèn. bruuched vill elegtronischi Bauelemènt, wiè si au in normalè elegtronischè Schaltigè vowendet wörrè, byschpillswys Transischtorè, Kondenser, Diodè un Widderschtänd.

I dè Gschichtè vo dè integryrtè Mikroelegtronik hèn sich voschideni Schaltchreisfamilliè (TTL, CMOS etc.) usèbildet, wo sich hysichtlich èm ygsetztè Funktionsbrinzyp (zum Byschpill bipolari un unipolari Bauelemènt/Transischtòrè) un dè dõmit vobundenè schaltungstechnischè Eigèschaftè (Leischtigsbedarf, Schaltgschwindigkeit etc.) unterscheidè. Durch neui Entwurfs- un Fèrtigungsvofaarè hèn Aawender hüt d Möglichkeit, nebbè Standardschaltchreis (Mikrocontroller, Spycherbauschtei etc.) au spezièlli aawendigsspezifischi integryrti Schaltigè (ASIC) rentabel fèrtigè z lõ un yzsetzè

Integryrtè Schaltchreis als Byschpillaawendig uss èm Berych Mikroelegtronik. S Chip-Ghüüs isch göffnet worrè un hèt dè Bligg uff dè eigentlichi Halbleiter ermöglicht. Diè erkennbarè Strukturè im Zentrum isch diè realisyrti elegtronischi Schaltig. Im Ußèberych sin diè goldenè Aaschlussleitigè z erkennè, welli diè elegtrisch Vodròòtig zwischè IC un dè Ghüüskontäkt bildet.

Merkmõl vo dè Mikroelegtronik

[ändere | Quälltäxt bearbeite]

Mikroelegtronischi Schaltigè zeichned sich gegèübber konventionèllè elegtronischè Schaltigè durch zwei Hauptmerkmõl uus: d Integration un d Miniaturisyrig.

Unter Integration voschtòt mò s Zämmèfassè vo allènè Bauelemänt (Transischtòrè, abber au Widderschtänd, Kondensatorè un anderi Halbleiterbauelemänt) un Vodròòtigè zuè nèrè elegtronischè Schaltig uff eim gmeinsamè Subschtràt. Bi mikroelegtronischè Schaltigè wörred selli zuèsätzlich in èm gmeinsamè Arbètsprozèss gfertiget.

Unter Miniaturisyrung voschtòòt mò i sellem Zämmèhang, dass di! einzelnè Bauelemänt (un dõmit d Schaltig als Ganzes) kontinuyrlich vochlynerèt wörred. So sin d Abmessigè für s wichtigschte Bauelemènt, dè Transischtòr, i dè Aafangszit no bi übber zee Mikrometèr glägè. Dõgegè stôn d Abmessigè vo Transischtòrè hützudaag (2014) bi 28 Nanometer, wènniger isch in Uussicht. Durch selli Miniaturisyrig lônn sich integryrti Schaltigè mit mee als einerè Milliardè Transischtòrè uff eim Siliziumschtugg mit èrè Kantèlängi von wènnigè (tûpisch < 10) Millimeter realisyrè. Drübber usè erlaubt dè gringè Abschtand zwischè dè Bauelemänt, d Schaltigè bi höcherè Taktfrequènzè z betrybè und trotz höcherèr Rechèleischtig diè bruuchte elegtrische Leischtig nu gringfügig z steigerè.

Vor dè Erfindig vo dè integryrtè Schaltigè hèt s ebbèfalls schu intensyvi Miniaturisyrigsbeschtrebigè gää. Schaltigè mit voluminösè Elegtronèröörè wörred durch d Entwicklig vo Batteryröörè so wit vochlynerèt, dass byschpillswys tragbari Funkgeräät möglich worrè sin. D Yfüürig vo dè Transischtòrè hèt èn witerè Miniaturisyrungsschritt brocht, mit Dickschichtschaltigè als chlynschter Uusfüürig vor dè integryrtè Schaltigè.

Miniaturisyrig vo integryrtè Schaltchreis

[ändere | Quälltäxt bearbeite]

Diè wesèntlichi Trybchraft für d Vochlynerig vo dè Struktùrè isch d Sènkig vo dè Fertigungskoschtè. D Fèrtigung vo mikroelegtronischè Schaltigè erfolgt in Losfertigung uff Halbleiterschybè (Wafer) vpn èrè bschtimmtè Größi (4 Zoll bis 12 Zoll). Deby wörred meereri hundert bis dausend Chips uff eim Wafer glychzitig gfertigèt. D Fertigungskoschtè sin hauptsächlich abhängig vo dè Aazaal vo dè Chips pro Wafer, vo dè Summè vo dè Koschtè für d strukturyrendè un eigèschaftsänderndè Brozèss un dè Produktionsuusbeuti (ängl. yield).

D Aazaal vo dè Chips pro Wafer lòt sich durch d Vochlynerig vo dè Strukturè (Transistòrgrößè, Leiterbaanè etc.) erreichè. Um dòby näherigswys glychi elegtrischi Eigèschaftè zu erhaaltè, müèn alli Dimensionè vo dè Chips (Längi, Breiti un au Schichtdicki) glych skalyrt wörred. D Aazaal vo dè Chips stygt (näherigswys) mit èm Quadrat vom Skalyrigsfaktor (d Flächèreduktion isch glych Längèmaßreduktion zum Quadrat plus besseri Randuusnutzung minus nichtlineari Effèkt), sell heißt, halbi Chiplängè (Skalyrigsfaktor 2) bewûrkt è Vovirfachig vo dè Chipaazaal bi glycher Wafer-Größi.

D Koschtè vo dè Strukturyrungsbrozèss nèmmèt abber mit stygender Miniaturisyrig meischtens zuè. D Ursach lyt dört zum einè i dè stygendè Komplexität vo dè Schaltig un dè dõmit vobundenè stygendè Aazaal vo notwendigè Brozèssschritt, zum anderè in höcherè Aaforderigè a d Fertigungsbrozèss an un für sich (Toleranzè, uffwendigeri Fertigungsvofaarè etc.).

È witeri Koschtèreduktion isch durch größeri Wafer erreicht worrè. I dè Aafangsjohr hèn d Hèrschteller no Wafer mit èm Durchmesser vo 2 bzw. 3 Zoll. Im Johr 2009 degegè hèn induschtrièll ygsetzti Standardwafer è Größi vo 200 Millimeter, einigi Hèrschteller wiè AMD un Intel nutzed sogar 300-mm-Wafer. Èntschprechend dè Vogrößerig vo dè Waferflächi isch au d Aazaal vo dè Chips pro Wafer gschtigè. D Fertigungskoschtè pro Wafer hèn sich abber trotz erhöhtè Aaforderigè nu voglychswys wènnig gschteigerèt, sodass d Koschtè i dè Summè reduzyrt wörrè hèt könnè. È entschprechendi Umschtellig hèt abber enormi Inveschtitionè i dè Fertigungsaalaagè erforderèt.

Gordon Moore hèt dè Sachvohalt vo dè permanentè Fertigungskoschtèreduktion schu 1965 formulyrt – i dè Aafangsphasè vo dè Mikroelegtronik – i dè nõch ym benamstè „Gsetz“, idèmm er gsait hèt, dass sich d Aazaal vo dè Transischtòrè uff eim Chip alli zwölf Mönet (spôter achtzee Mönet) vodoppled. Sit dèmm het d Mikroelegtronik tatsächlich sowoll in Hybligg uff Integrationsdichti als au bi dè Vochlynerig vo dè Strukturè kontinuyrlichi Fortschritt gmacht.

Diè hochi konschtanti Fèrtigungskoschtèreduktion i dè Mikroelegtronik isch è wesèntlichè Innovationsmotor vo dè letschtè dryßig Johre in èrè Vylzaal vo Branchè gsi – nit allei i dè Elegtronik un dè Computertechnig (luèg Abschnitt Aawendigè).

Ob sellè Trend witer uffrächterhaaltè wörrè cha, gildet aagsichts dè Zuènaam vo dè Prozèsskoschtè bi Aanäherig a phûsikalischi Gränzè un dennè iri Kompensation durch Yschparig a Chipflächi als nit sicher. Drübber usè lôn sich einigi Sonderschaltigstechnikè nimmi mee abbèskalyrè, öppè söttigi zu dè Erzylig vo höcherè Spannigè als d Vosorgigsschpannig(è) vo dè Chips.

Folgè vo dè Miniaturisyrig

[ändere | Quälltäxt bearbeite]

D Miniaturisyrig vo integryrtè Schaltchreis hèt nebbè dè Koschtèsenkig für glychwertigi Brodukt no witeri Uuswûrkigè.

Chlyneri Transischtôrè ermögliched höcheri Schaltfrequènzè. Zämmè mit kürzerè Leiterbaanè füürt sell zu vokürztè Signallaufzitè. Durch sellèn Effèkt sin mit dè Vochlynerig vo dè Strukturè immer schnèlleri un dõmit meischtens au leischtungsfähigeri Schaltigè möglich. Allerdings git s au gegèläufigi Effèkt. Wiè im vorherigè Abschnitt beschribbè, verringered sich mit dè Miniaturisyrig auch d Schichtdickè i dè Metallisyrig (Leitbaanè un Zwûschèisolationè). Diè vokürztè Abschtänd zwûschè dè Leiterbaanè füüred zu höcherè Koppelkapazidätè, wo als Laufzitbrèmsè wûrked (vgl. RC-Glyd).

È bositivè Effèkt hèt d Schichtvochlynerig vo dè Gate-Isolationsschicht. D Transischtòrè könned bi nèrè voringertè Spannig betribbè wörrè un wysed somit è voringerti Voluschtleischtig uff (d Voluschtleischtig pro Flächi stygt abber → schlechteri Wärmiabfuur). Zuèsätzlich bedütet è höcheri Sischteemintegration (mee Fungtionè uff eim Chip) wènniger Bauelemènt uff einèrè Leiterblattè un dõmit erhöhti Zuèvolässigkeit durch wènniger Lötvobindigè. Ooni Vochlynerig un Integration wär è battrybetribbenè, mobili Elegtronik nit denkbar, wiè si hüt allgegèwärtig isch: Smartphone, Tabletcomputer, Mobildelefon, Notebook etc.

Gschichtè, Èntwicklig un Personè vo dè Mikroelegtronik

[ändere | Quälltäxt bearbeite]

Vorgschichtè

[ändere | Quälltäxt bearbeite]

D Mikroelegtronik wörd hüüfig mit dè Computer- bzw. Rechnertechnig in Vobindig brocht odder sogar glychgsetzt, vo allem diè hochi Vobreitig vo integryrtè Schaltigè in Form von Prozessorè un Mikrocontroller in fascht allè Berych vom hütigè Läbbè hèn dõdezuè bydrait. Elegtronischi Rechènmaschinnè hèt s abber scho einigi Johrzehnt vor dè èrschtè Transischtòrè odder Integryrtè Schaltigè.

Diè èrschtè elegtromechanisch schaffendè Computer – byschpillswys Colossus odder Mark I – sin im Zweitè Wältchrièg Aafang vo dè 1940er Johr entschtandè (vgl. Gschichte vom Computer). Dè 1946 in Betrièb gnòene Großrèchner ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator) isch dè èrschti universell ysetzbari rein elegtronische Rechner gsi. Selli èrschtè Rechenmaschinnè sin abber wedder hysichtlich dè Rechenleischtig no dè Größi mit hütigè Personalcomputer voglychbar gsi.

Wa für hütigi mikroelegtronischi Schaltigè dè Transischtòr gsi isch, isch für dè rund 27 Tonnè schwèri ENIAC d Elegtronèröörè (17.468 Stugg) gsi. Si bildet s Grundelemènt für diè sognannti Röörèelegtronik un dõmit für dè Röörècomputer. D Grundlagè zu dè Elegtronèröörè gòt uff d Entdeckig vo dè Glühemission (1883) vom Thomas A. Edison zrugg (vgl. Gschichtè vo dè Elegtronèröörè). Diè èrscht Elegtronèröörè, è Röörèdiodè, isch 1904 vom John Ambrose Fleming entwicklèt un 1906 vom Lee de Forest modifizyrt worrè. Forescht hèt d Röörèdiodè um è dritti Elegtrode ergänzt un dõmit d Triodèröörè gschaffè, s Pendant zu dè Röörèelegtronik vom Transischtòr.

Als Alternatyvè zu dè Digitalrechner hèt s bis i d 1970er Johr Analog- un Hùbridrechner gää, welli bevorzugt für d Berechnig vo Differentialglychigè ygsetzt worrè sin. Byschpillswys hèt dè Rockefeller Differential Analyzer mit Dausendè vo Elegtronèröörè un elegtrischi Relais gschaffèt un isch bis zum Endi vom Zweitè Wältchrièg diè leischtungsfähigschti Rechenmaschinnè gsi.

D Vowendig von èrè großè Zaal vo Elegtronèröörè in komplexè Gräät sin einigi Nõchdeil vo sellènè Baudeil entgegè gschtandè. Elegtronèröörè sin relativ fääleraafällig gsi, hèn è Uffwärmzit bruucht un rächt hochi Voluschtleischtigè uffgwisè. Zu dè wichtigschtè Vobesserigszyl vo dè Entwickler nõch dè Inbetrybnaam vo dè èrschtè elegtronischè Rechenmaschinnè hèn dõhèr è erhöhti Zuèvolässigkeit un d Vorringerig vo dè Hèrschtellungskoschtè ghört.

Au d Miniaturisyrung isch scho è wichtigs Thema gsi, diè èrschtè Rechenmaschinnè hèn immerhy ganzi Rüüm uusgfüllt. Elegtronèröörè hèn abber als kaum miniaturisyrbar goltè. Trotzdèm hèt s scho intensyvi Miniaturisyrigsbeschtrebungè gää, sowoll bim Uffbau vo dè Gsamtschaltig als au bi dè Röörè sèlber. Schaltigè mit voluminösè Elegtronèröörè sin durch d Entwicklig vo Battryröörè so wit vochlynerèt worrè, dass byschpillswys dragbari Funkgräät möglich worrè sin. D Yfüürig vo dè Transischtòrè hèt èn witerè Miniaturisyrigsschritt mit sich brocht, mit Dickschichtschaltigè für diè chlynscht Uusfüürig vo dè integryrtè Schaltigè.

È früèneri Form vom Arbètsschpycher vo Computer isch dè Chèrnschpycher gsi, bi dèm vill uff Drôht uffgfädelti hartmagnetischi Ring vowendet worrè sin, welli per Stromschtooß ummagnetisyrt un uusgläsè wörrè hèn könnè.

Erfindig vom Transischtòr

[ändere | Quälltäxt bearbeite]

Dass d Rechèleischtig vo dè dõmõligè Großrechner sèlbscht mit sellèrè vo hütigè Daschèrechner nimmi mithaltè cha, isch vo allem dè Entwicklig vom Transischtòr uff Grundlaag vo dè sogenanntè Halbleiter un dè Integryrtè Schaltigè zu vodankè.

D Entdeckig vom Transischtòr bzw. èm Transischtòreffèkt wörd allgmein dè amrikanischè Wûssenschaftler John Bardeen, Walter Brattain un William B. Shockley zuègschribbè. Si hèn 1956 „für iri Untersuchigè übber Halbleiter un iri Entdeckig vom Transischtòreffèkt“ dè Phûsiknobelpriis. Bardeen, Brattain un Shockley hèn zuè nèrè Arbètsgruppè vo dè Bell Telephone Laboratories z Murray Hill (New Jersey) ghört, wo sich mit dè Untersuchig vo Feldeffèkt in Feschtkörper beschäftigèt hèt. Bi eim vo dè durchgfüürtè Vosuèch im 16. Dezember 1947 hèt dè Brattain è Stròmvoschtärkig beobachtet, dè Transischtòreffèkt.[1] Dè Uffbau uss eim mit drei Elegtrodè kontagtyrtè n-dotyrtè Germaniumkrischtall isch dè èrschte fungtionierende Bipolartransischtòr gsi. Diè wesentlichi Änderig gegèübber früènèrè Uffbautè isch gsi, dass zwei Elegtrodè zimli nõch (ca. 50 μm) binènand glegè sin, wodurrè dè Transischtòreffèkt èrscht ermöglicht worrè isch. Sellè spôter als Spitzètransischtôr bekannt worrèni Transischtôr hèt nit reproduzyrbar hèrgschtellt wörrè hèt könnè un sini Fungtionswys isch lang nit hyreichend guèt bekannt gsi. Trotzdèmm isch s Potential vo sellèrè Entdeckig vo dè Voantwortlichè seer schnèll erkannt worrè. Diè wesentlichè Vordeil gegèübber dè Elegtronèröörè sin gsi, dass kei Vakuum un kei Uffwärmzit notwendig gsi isch sowiè kei Wärmeentwicklig hèt könnè beobachtet wörrè.[2] Diè Möglichkeitè vp dè Miniaturisyrig vo elegtronischè Schaltigè isch dè Uusgangspunkt für è Revolution i dè Elegtronik gsi, welli vill Entwickligè vo dè Mikroelegtronik un Computertechnology èrscht ermöglicht hèt.

Uss hütiger Sicht sin Bardeen, Brattain un Shockley nit diè èrschtè odder einzigè Forscher gsi, diè sich mit dè Entwicklig vo Alternatyvè zu dè Elegtronèröörè uff Basis vo Halbleiter beschäftigèt hèn. Scho 1925 (Lilienfeld[3]), 1934 (Heil[4]) un 1945 (Heinrich Welker[5]) sin Ideè zuè nèm anderè Transischtòr, èm Fäldeffèkttransischtòr, voöffentlicht worrè. Well zu sellèrè Zit d Hèrschtelligsvofaarè (z. B. für d Reinigung vo dè Halbleitersubschtraat vo Frèmdschtoff) nit uusreichend gsi sin, hèt mò selli Ideè abber nit realisyrè könnè. Uss sellèm un anderè Gründ sin si vo dè Öffentlichkeit nit beachtet worrè un sin au nur wènnigè Fachlütt bekannt gsi.

Dè Aschpekt vom Subschtratmatriaal wörd im Zämmèhang mit dè Entdeckig vom Transischtòr oft ußer Acht glòò. Für d Fungtionswys vo Transischtòrè isch d Qualidät un Reinheit vo dè vowendetè Halbleiter abber entscheidend. Halbleiterkrischtall mit èrè uusreichend hochè Reinheit hèrzschtellè isch zu dè dõmòligè Zit (vor 1950) è großes Brobleem gsi. Villi vo dè Germanium-Krischtall, welli d Arbètsgruppè bi dè Bell Telephone Labratories (BTL) gnutzt hèn, hèn vom W. G. Pfann, J. H. Scaff un H. C. Theuerer gschtammt. Si sin nõch èrè Zonèschmelz-Methodè vom G. K. Teal un J. B. Little hèrgschtellt worrè.[6]

Unabhängig vo dè BTL-Arbètsgruppè hèt dè Herbert F. Mataré un dè Heinrich Welker – dõmòls Aagschtellti bi Westinghouse z Paris – èn Transischtòr entwicklèt, wo nõch èm äänlichè Brinzyp gschaffèt hèt.[7] Sellè au als „Transitròn“ bezeichnete Bipolartransischtò hèn si einigi Mönet (13. August 1948) spôter als d Amerikaner vorgschtellt.[8] Mataré hèt 1952 z Dütschland d Firma Intermetall gründet un hèt schu dè èrschte Brototûp von èm Transischtòrradio mit Kopfhörer bräsentyrè könnè; è Johr vor èm èrschtè kommerzièllè, US-amrikanischè Modèll.[9]

William Shockley hèt 1956 è Labor (Shockley Semiconductor Laboratory) z Mountain View nòch bi dè Stanford Universidät z Palo Alto eröffnèt.[10] S Labor gildet als è Keimzellè vom Silicon Valley, deby isch z bemèrkè, dass zu sellèrè Zit sowoll Forschig als au Induschtry seer stark a dè Oschtküschtè vo dè USA konzentryrt gsi sin.

Schu im September 1957 hèn sich wegè Meinigsvoschiddèheitè acht Mitarbeiter (Eugene Kleiner, Jay Last, Victor Grinich, Jean Hoerni, Sheldon Roberts, Julius Blank, Gordon E. Moore un dè Robert N. Noyce) vo Shockley drènnt. Si hèn mit èm Wagniskapital d Fairchild Semiconductor Corporation gründet. Fairchild Semiconductor isch eini vo dè Firmè, wo zu sellèrè Zit d Entwicklig vo dè Mikroelegtronik voraadribbè hèt, asè hèt Fairchild scho 1958 dè èrschti Silizium-basyrte Transischtòr in Serièstüggzaalè hèrgschtellt un isch maßgeblich a dè Entwicklig vom Blanaartransischtòr un vom integryrtè Schaltchreis beteiligèt gsi. Gordon Moore un Robert Noyce hèn denn 1968 d Firma Intel gründet, diè hüt (2010) s umsatzschtärkschti Unternèmmè im Berych vo dè Mikroelegtronik isch.

Silizium vodrängt Germanium

[ändere | Quälltäxt bearbeite]

Silizium isch ab Mitti vo dè 1960er Johr s dominyrende Halbleitermatriaal worrè, obwool Germanium i dè Aafangsjohr vo dè Halbleiterelegtronik füürend gsi isch. Im Johr 2009 sin circa 95 % vo allnè mikroelegtronischè Schaltigè uff Basis von Silizium broduzyrt worrè.

Diè aafänglichè Vordeil von Germanium sin sini besserè Eigèschaftè, wiè èn nidrigè Schmelzpunkt un è höcheri Ladigsdrägerbeweglichkeit gsi (ermöglicht höcheri Schaltfrequènzè) un es isch bis dõmòls eifacher un besser z reinigè gsi wiè Silizium.

Diè wichtigschtè Gründ für dè Erfolg vo Silizium sin diè guètè Eigèschaftè vo dè Matriaalkombination Silizium un Siliziumdioxid. Siliziumdioxid wörd als Isolationsmatriaal ygsetzt un zeigt nebbè dè guètè elegtrischè Eigèschaftè (Durchbruchfäldschtärki, Bandabschtand usw.) seer guèti Schichthaftig uff Silizium. Mit dè thermischè Oxidation vo Silizium stòt zuèdèmm è eifachs Hèrschtelligsvofaarè vo Siliziumdioxidschichtè uff kristallinem Silizium zur Vofüègig, wa Siliziumdioxidschichtè mit seer guètè Gränzflächèeigèschaftè ermöglicht, wiè au è gringi Konzentration a Gränzflächèladigè. Anders als Germaniumdioxid isch Siliziumdioxid chemisch stabyl gegèübber Wasser, sell heißt, es löst sich nit in Wasser. Demit ermöglicht s diè eifach Reinigung vo dè Obberflächi mit Wasser un dè Ysatz vo diversè nasschemischè Bschichtungs- bzw. Strukturyrigsvofaarè. Dè höchere Schmelzpunkt gegèübber Germanium macht s Matriaal allgemein robuschter un erlaubt höcheri Temperaturè bi dè Hèrschtellig, byschpillswys bi einigè Diffusions- un Bschichtigsbrozèss.

Diè guètè Eigèschaftè von thermisch hèrgschtelltem Siliziumdioxid ermögliched d Entwicklig vom Blanarvofaarè un dõmit d Entwicklig vo integryrtè Schaltchreis, wiè si hützdaag ygsetzt wörred (luèg unnè). Selli wichtigè Erfindungè vo dè Mikroelegtronik sin witeri signifikantè Vobesserigè bi dè Hèrschtellig un Stabilidät vo Transischtòrè durch dè Ysatz vo thermisch hèrgschtelltem Siliziumdioxid voruusgangè. Dezuè gehörd nebbè dè Eignig als selektivi Dotyrigsmaskyrig[11][12] vo allem diè passivyrendi Wûrkig sowiè diè seer guètè elegtrischè Eigèschaftè vo dè Grenzflächi vo thermischem Siliziumdioxid un Silizium. Durch d Passivyrung vo dè Obberflächi un dè dõmit vobundnè Verringerung vo Gränzflächèladungè un Yflüss vo dè Umgebig vobesserèt sich diè elegtrischi Charakterischtik vo Transischtòrè (iri Kennlinniè) sowoll hysichtlich dè Rebroduzyrbarkeit als au irer Stabilidät im Ysatz. Zuèdèmm ermöglicht diè vobesserti Isolator-Halbleiter-Gränzflächi d Hèrschtellig vo èrschtè fungtionyrendè MIS-Feldeffèkttransischtòrè (MIS-FET).[8][13][14][15] Nõchdèm erkannt worrè isch, dass au durch Alkalimetallvounreinigungè verursachti Ladigè im Siliziumdioxid diè elegtrischè Eigèschaftè vo Halbleiterbauelemènt massyv voschlechterèd[16] un sell i dè Broduktion berüggsichtigt worrè isch, sin diè grundlegendè Brobleem bi dè Hèrschtellig vo stabylè Bauelemènt uff Basis vo Halbleiter glöst.

Integryrti Schaltchreis

[ändere | Quälltäxt bearbeite]
Lueg au: Gschichtè vo dè integryrtè Schaltchreis


Dè letschte Schritt zu dè Mikroelegtronik stellt dè Übbergang vo Schaltigè uss diskretè Halbleiterbauelemènt uff ènèrè Leiterblattè hy zu integryrtè Schaltchreis (ICs) dar. Unter integryrtè Schaltchreis voschtòt mò allgemein Schaltigè uss Halbleiterbauelemènt (hauptsächlich Transischtòrè) inklusiv dè Vodròòtig uff eim Subschtrat, au als monolithischè Schaltchreis bezeichnèt. Konzèpt sin Èndi vo dè 1950er Johr unabhängig vonènand vom Jack Kilby[17][18], Aagschtelltè vo Texas Instruments, un èm Robert Noyce[19], Gründigsmitglyd vo Fairchild Semiconductor, erfundè un zum Batent aagmeldèt. Kilbys Batent uss èm Johr 1959 hèn isch èrschtmòls è Schaltig uss voschidenè Komponentè (Transischtôrè un Widderschtänd) uff eim einzigè Subschtrat (uss Germanium). Uss sellèrè Arbèt usè isch s berüümte Kilby-Patent[17][18] (vom japanischè Patentamt un durch s Obbergericht (OG) Tokio wegè fäälender erfinderischer Tätigkeit zrigggwisè.[20]). Um sell Patent isch rund zee Johr vor Gricht gschtrittè worrè, well Robert N. Noyce èn seer äänlichè Schritt uusdänkt hèt, sellèn allerdings spôter zum Patent aagmeldet hèt.[19]

Anders als bim Kilby, dè è Vodròòtig uff èm Subschtrat nu aadenkt hèt, hèt s Patent vom Noyce uff dè Ideè un Erkenntnis vom Planarvofaarè, welles zu dè glychè Zit durch dè Jean Hoerni (ebbèfalls Fairchild Semiconductor) entwicklèt worrè isch. Für d Hèrschtellig sin scho fotolithografischi Vofaarè un Diffusionsbrozèss gnutzt worrè, welli d Fairchild Semiconductor kurz devor für d Hèrschtellig vom èrschtè modernè Diffusions-Bipolartransischtòr entwickelèt gha hèt.[21][22][23] Unter anderem diè technischi Machbarkeit vo nèrèe söttigè Vodròòtig hèt d Hèrschtellig vo elegtronischè Schaltigè revolutionyrt. In Folg devò hèn vill Firmè iri Forschig un Entwicklig i sellem Berych voschtärkt, dõrum hèt è enormi Miniaturisyrig ygsetzt.

1961 isch dè èrschte kommerzièll erhältliche integryrte Schaltchreis vorgschtellt worrè. Es isch è Flip-Flop vo dè Firma Fairchild Semiconductors gsi, un in Planartechnology hèrgschtellt worrè, es hèt uss vir Bipolartransischtòrè un füüf Widderschtänd beschtandè.[24][25] Diè bipolareè Transischtòrè sin schnèll durch Feldeffèkttransischtòrè (FETs) ersetzt worrè, meischtens i dè Form vo lychter hèrschtellbarè MOSFETs (Metall-Oxyd-Halbleiter-Feldeffèktransischtòrè). S Fungtionsbrinzyp vom MOSFET isch zwar scho einigi Johrzeent devor bekannt gsi, d Hèrschtellung vo èrschtè fungtionstüchtigè Exemblaar isch abber èrscht 1960 durch Martin M. Atalla un Dawon Kahng (vgl. Obberflächèpassivyrig im Artikel Thermischi Oxidation vo Silizium). Witeri wichtigi Entwickligè i dè 1960er Johr sin d CMOS-Technig (Frank Wanlass, 1963[26][27]) un èrschti DRAM-Spycherzellè durch dè Robert H. Dennard (Thomas J. Watson Research Center/IBM, 1967[28], siehe DRAM).

D Komplexidät vo dè Schaltigè hèt rassig zuègnõ un 1970/71 sin fascht glychzitig diè èrschtè Mikrobrozessorè vo drei Firmè vorgschtellt worrè: dè Intel 4004, dè Texas Instruments (TI) TMS 1000 un dè Garrett AiResearch „Central Air Data Computer“ (CADC). Zu sellèrè Zit sin Schaltigè mit Transischtòrdichtè mit einigè dausend Bauelemènt uff eim Chip realisyrt worrè. Selli Entwickligsschtufè wörd als Großintegration (ängl.: Large Scale Integration, LSI) benamst. Uffgrund vo dè rasantè Entwicklig i dè Mikroelegtronik sin 1979 Transischtòrdichtè erreicht worrè, diè è Villfachs größer (öppè zwei Größèordnigè) gsi sin als bi LSI-Schaltigè. Selli Stufè vo ICs wörd als Größtintegration (ängl.: Very Large Scale Integration, VLSI) benamst. Sellè Trend hèt sich bis hüt (2009) im Wesentlichè erhaaltè (vgl. Mooresches Gesetz), so dass hüt übber ei Milliardè Transischtòrè mit Taktfrequènzè vo meererè Gigahertz möglich sin. Diè Größi vom Einzelbaudeils lyt dõby wit unter eim Quadratmikrometer. Zuènemmend wörred au ganzi Sischteem (Kombination vo meererè Baugruppè, wiè Brozessorè, Schnittschtellèschaltigè un Spycher) uff eim einzelnè Chip realisyrt (ängl.: System on a Chip, SoC).

Zuèkümpftigi Entwickligè

[ändere | Quälltäxt bearbeite]

Unterschritet d Strukturgrößi d 100-Nanometer-Gränz (2008 lyt si scho bi 45 nm bzw. 2009 bi 40 nm), so sait mò sellèm formal schu Nanoelegtronik bzw. nanotechnology (Definition vo dè US-Regyrig. Im engerè Sinn isch abber ehnder gmeint, dass bsunderi Matriaaleigèschaftè gnutzt wörred, diè èrscht uffdrètted, wenn sich d Strukturabmessigè i dè Nôchi vom Molekül- bzw. dè Atomgrößi bewegè duèt. Zuè söttigè Strukturè zelled zum Byschpill Leitigsbaanè odder Transischtòrè uss Kollèschtoffnanoröörè odder Isolationè uss Self Assembling Monolayer.

Neui Bauelemènt wörred mit Resonanzdunnèldiodè ufsbaut.

Integrierte Optoelektronik: Angesichts zunehmender Signallaufzeiten insbesondere in langen Verbindungsleitungen (globale Interconnects) großer „System on a Chips“ wird darüber nachgedacht, diese elektrischen Leitungen durch optische Verbindungen zu ersetzen.

Organischi Elegtronik: Um koschtègünschtigi „Wègwerfelegtronik“ (zum Byschpill elegtronischi Priisetikettè) z realisyrè, wörred Schaltigè uff dè Basis vo organischè un metallischè Matrialiè uff organischi Subschtraat in Dünnschichttèchnik uffbrocht (luèg Organischè Feldeffèkttransischtòr).

Intressanti Perschpektyvè ergänn sich au dõdruus, dass uffgrund vo dè fortschritendè Skalyrig diè chlynschtè i dè Mikroelegtronik realisyrbarè Strukturè i dè Größèordnig vo biologischè Molekül vordringed. Zurzit isch è Konvergenz vo Biotechnology un Mikroelegtronik un d Uusbildig von èrè neuè Fachwissèschaft z beobachtè, diè villfach als Bioelegtronik bezeichnèt wörd un a èrschter Stell vo dè Entwicklig vo neuartigè Biosensorè bedrôffè wörd.[29]

Ydeilig un Bauelemènt

[ändere | Quälltäxt bearbeite]

In mikroelegtronischè Schaltigè wörd è Villzaal vo Halbleiterbauelemènt (vo allem Diodè un Transischtòrè), elegtrischi Widderschtänd, Kondenser un seltè au Induktivitätè ygsetzt un uff èm Halbleiterkrischtall (Subschtrat) integryrt, des heißt zämmègfüègt. È Ydeilig vo dè mikroelegtronischè Schaltigè ka uff Grundlaag vom Aawendigsberych in Standardschaltchreis bzw. applikationsspezifischi Standardbrodukt (ASSP) un anwendigsspezifischi Schaltchreis (ASIC) sowiè uff Grundlaag vo dè Signaal, wo z voschaffè sin, in analogè un digitalè ICs erfolgè.

Standardschaltchreis lônn sich in èrè Vylzaal vo Aawendigè ysetzè, wörred in großer Zaal broduzyrt un sin deilwys durch Standardisyrigskonsortiè in irer Uusbrägig feschtglait. Dõgegè sin aawendigsspezifischi ICs Schaltchreis, wo für è beschtimmti Aawendig (zum Byschpill Motoorschtüèrig im Auto) entworfè un baut sin un vo irem Fungtionsumfang kei anderi Aawendig erlaubed. D Abgränzig vo sellè beidè Gruppè isch i dè Braxis flûèßend: So könned mengi als ASIC benamsti Schaltchreis trotzdèmm umprogrammyrt wörrè, abber nit für jeddè belièbigi Fungtion odder Aawendig.

Bi analogè ICs handlet s sich um integryrti Schaltigè, wo analogi Signaal – Signaal, wo sich innerhalb von èm bschtimmtè Wärteberych kontinuyrlich änderè könned, wiè Spannigè odder Strôm – dirèkt voschaffè könned. Èn großès Aawendigsfäld sin dõ sognannti Standard-ICs mit nidriger Fungtionsintegration, byschpillswys Operationsvoschtarker un Spannigsregler.

Digitali ICs degegè voschaffet uusschlièßlich digitali Signaal – Signaal, dennè iren Wärteberych è endlichi Aazaal von Signalwärt hèn. Si ûstelled derzit (2014) diè gröscht Gruppè vo Schaltchreis dar. Tûpischi Vodrètter vo digitalè ICs sin Programmyrbari Logikbauschtein (ängl.: programmable logic devices, PLD), Spycherbauschtein (wiè ROM, PROM, DRAM odder Flash-Spycher) un komplexi übber Mikrocode programmyrbari Schaltigè wiè digitali Signalbrozessorè, Mikrocontroller odder Mikrobrozessorè.

Ußerhalb vo sellerè grobè Ydeilig in analogi un digitali ICs git s no witeri Schaltchreis, wiè diè a dè Schnittschtell zwischè dè analogè un digitalè Berych ligendè Digital-Analog- bzw. Analog-Digital-Umsetzer sowi Frequènz-Spannigs-Wandler un spannigsgschtüerti Oszillatorè (Spannigs-Frequènz-Wandler). Sensorè wörred au oft dirèkt i d Mikroelegtronik mit integryrt, oft zämmè mit irer Aabassigselegtronik sowiè ggf. eim digitalè Interface zum Aaschluss an èn Mikrobrozessor. Relativ eifach sin Temperatursensorè. Großi Mengè wörred hüt a optischè Sensorè hèrgschtellt, als Bildsensorè odder als Deil vo optoelegtronischè Aaordnigè.

Diè voschidenè Formè vo dè Bauelemèntintegration erforderèt unterschidlichi Montagekonfigurationè, um diè einzelnè Bauelemènt zuè elegtronischè Baugruppè z voeinè. Dõdurrè entschtôn è Villzaal vo komplexè un differenzyrtè Uffbau- un Vobindigstechnologiè.[30] So unterschydet sich Bauelemènt nõch dè Montagekonfiguration in söttigi, wo uff d Leiterblattè uffsetzbari SMDs odder steggbari vodròòteti Bauelemènt (THT) un in ghüüslosi Bluttchips, wo dirèkt odder mit èm Zwischèvodròòtigsdräger uff dè Vodròòtigsdräger uffgsetzt wörred. Hüt wörred diè meischtè Bauelemènt als SMDs montyrt. Es git abber Bauelemènt, für welli no keini uffsetzbari SMD-Bauformè vofüègbar sin, odder bi dennè durch d SMD-Bauform diè elegtrischi Belaschtbarkeit vo Bauelemènt z stark ygschränkt wörd. I sellè Fäll wörred diè älterè THT-Bauformè witerhy vowendet wörrè.[31]

Aawendigè

[ändere | Quälltäxt bearbeite]

Bauelemènt vo dè Mikroelegtronik sin urschprünglich für d Aaforderigè vo dè Raumfaart nõch chlynè un lychtè Baudeil entwicklèt worrè. Si sin hüt in èrè Vylzaal vp technischè Gräät un Yrichtungè z findè:

An sellèrè Stell cha nu ei exemblarischi Uuswaal gnennt wörrè – es git sowoll i dè gnenntè Gebièt è Vylzaal vo witerè Aawendigè als au è Reiè dõ nit gnanntè Aawendigsgebièt, wiè Medizintechnig, Gebäudetechnig un nò vill mee.

Entwicklig vo mikroelegtronischè Bauelemänt

[ändere | Quälltäxt bearbeite]

Uff eim Die, eim einzelnè bluttè Halbleiter-Chip ooni Ghüüs, könned meereri Milliardè Transischtòrè un anderi Grundelemänt vo dè mikroelegtronischè Schaltigè uffbrocht wörrè. Mit rechnergschtütztè Hilfsmittel wörd dè Entwurf von èm fungtionsfähigè Chip unterschtützt. Diè einzelnè Schritt, wo i dè Regel arbètsdeilig un mit abnemmender Abschtraktion meefach gangè wörrè, sin: Design, Simulation un Verifizyrig. Dè Abschluss bildet d Fèrtigungsvorbereitig. Well d Broduktion von èm Chip seer hochi Eimòlkoschtè (ängl. non recurring engineering costs, NRE-Koschtè) voruusgò (zum Byschpill Maskèkoschtè, luèg Fotolithografy) un au è Reparadur von èm integryrtè Schaltchreis nu zimli ygschränkt möglich un broduktyv nit praktikabel isch, isch es vo großer Bedütig, dass dè Entwurf nu mit wennigè Übberarbeitigè (sog. Redesigns) zum gwünschtè Brodukt füürt. Des hèt zur Folg, dass zuè nèm erheblichè Aadeil Simulations- un Verifikationsschritt dè Entwickligsvolauf beschtimmè – im Johr 2004 mached si öppè d Hälfti vom Entwickligsuffwand für dè Schaltchreis uus – mit stygender Tendènz. Um selli Koschtè uff è großi Aazaal vo Chips z vodeilè, wörd vosuècht, Deilschritt vo dè Entwickligsarbèt uff meereri Brojèkte z vodeilè. So könned byschpillswys Logikgatter odder ganzi Mikrobrozèssor-Architekturè als geteschteti Bibliothekè ykauft un i diè eigè Entwicklig integryrt wörrè. È witerI Möglichkeit bschtòt dõrin, FPGAs (Digitaltechnig) un FPAAs (Analogtechnig) z vowendè. Selli Bauelemänt beinhaltè frei programmyrbari digitali un analogi Schaltchreis, wo nu no entschprèchend èm eigenè Schaltungsdesign konfiguryrt wörrè müèsè.

In vill Fäll beschrybt dè Chipentwickler diè gwünscht Schaltig bi digitalè Schaltigsblöck nu no in èrè „Hochsprõch“ (voglychbar mit dè höcherè Programmyrsprõchè i dè Informatik, übblichi Uusbräägigè: VHDL, Verilog), dè Computer errechnet dõruus d Schaltnetz (Sûnthesè, ängl. synthesis) un blazyrt d Transischtòrè (unter menschlicher Mitwûrkig un Kontrollè).

Für analogi Schaltigè wörred diè entworfenè Schaltigè in zimli vill Simulationsläuf (byschpillswys mit SPICE odder äänlich) charakterisyrt, woby vill voschideni Kombinationè für Betrièbstemperadurè un -schpannigè, Prozessvariationè un Àänliches simulyrt wörred. Hüüfig wörred au statistischi Variationè mit Hûlf vo dè Monte-Carlo-Analûsè simulyrt. Für Digital- wiè für Analogschaltigè cha s Layout extrahyrt wörrè, um parasitäri Elemènt i dè Simulation z berüggsichtigè un somit realischtischere Ergebnis z erreichè.

Diè fortschritendi Miniaturisyrig drybt sowoll diè Strukturyrigsbrozèss als au diè realisyrtè Fungtionsbauschtein, wiè Transischtòrè un Leiterbaanè, an iri phûsikalischè Gränzè. Um Erschterem z begegnè, wörd im Entwurfsbrozèss in stygendem Umfang Software ygsetzt, wo diè phûsikalischè Gränzeffèkt, wiè zum Byschpill diè optischo Beugung bi dè Fotolithografy simulyrt und dè Schaltogsentwurf so modifizyrt wörd, dass selli Effèkt uusglichè wörred (ängl. optical proximity correction, OPC). Um dè Miniaturisyrigseffèkt bi dè Bauelemènt entgegèzwûrkè, chömmed fortlaufend neui Simulations- un Modellyrigsvofaarè zum Chipentwurfsbrozèss dezuè: zum Byschpill Simulationè vom Spannigsabfall in langè Vosorgigsnetz (ängl. IR drop), Simulation vo dè parasitärè kapazitativè Kopplog vo benõchbòrtè Leiterbaanè, Wärchkzüüg für diè statischi Analûsè vo dè Zitvohältnis in èrè Digitalschaltig (ängl. static timing analysis, STA) usf.

Um Prototûpè von èm neuè Chip einigermaßè koschtègünschtig z fèrtigè, cha mò d Layouts vo meererè Chips uff eim Wafer zämmèfüègè (ängl.: multi project wafer, MPW), well sich so d Maskè- un Fèrtigungskoschtè für diè voglychswys chlynè Prototûpèschtüggzaalè uff meereri Brojèkt vodeilè z lòò.

Hèrschtellig vo mikroelegtronischè Schaltchreis

[ändere | Quälltäxt bearbeite]
→ Hauptartikel: Integrierter Schaltkreis#Herstellung

D Hèrschtellig vo mikroelegtronischè Schaltchreis erfolgt durch Vofaarè vo dè Halbleitertechnig (Hèrschtellig vo dè Bauelemönt uff ein Subschtrat un bi monolithischè Schaltchreis d Vodròòtig) un Uffbau- un Vobindigstechnig (Gehüüse un Vodròòtig/Vochnüpfig vo mikroelegtronischè un nitelegtronischè Komponentè zuè nèm Sischteem). Dõby wörred au Vofaarè vo dè Dünn- un Dickfilmtechnig ygsetzt, bi letschterè wörred d Baudeil uff èn Film uffbrocht odder ybettet un vobundè, si hèn nu no für Spezialaawendigè (Hochfrequènztechnig) Bedütig.

Diè Fèrtigung erfolgt in extrem suberer Umgebig, sognanntè Reinrüüm, mit èrè seer gringè Dichti vo Staubpartikel. Sell isch nötig, well diè hèrzschtellendè Struktur! im Mikro- un Nanometerberych liged un sèlbscht chlynschti Partikel (< 0,1 µm) schu Hèrschtelligsfääler verursachè könnè, wo dè Uusfall von èm komplettè Schaltchreis zur Folg hèn. Dè Fèrtigungsbrozèss sèlbscht ka (nebbè Fungtionsteschts) in drei Berych uffdeilt wörrè: d Subschtrathèrschtellig sowiè d Fèrtigung vo dè Bauelemänt (Transischtòrè, Diodè, usw.), s sog. Front-End, un derrè iri „Vopackig“ in Gehüüs, èm sog. Back-End.

Subschtràthèrschtellig

[ändere | Quälltäxt bearbeite]

D Fèrtigung vo integryrtè Schaltigè erfolgt ufg sognanntè Wafer (einkrischtallini Halbleiterschybè), sodass meeereri integryrti Schaltigè barallel gfertigèt un Koschtè gsenkt wörrè könned. Uff eim Wafer wörred Hunderti un bi eifachè Strukturè (zum Byschpill Einzeltransischtòrè) Dausendi identischi integryrti Schaltchreis kööned barallel hèrgschtellt wörrè.

Damit diè höcherè Aaforderigè für d Fèrtigung vo integryrtè Schaltigè erfüllt wörrè chönned, isch es notwèndig, s Subschtrat in Form vo hochreinè Einkrischtall hèrzschtellè. Diè übberwigendè Meerzaal (mee als 99 %) vo dè integryrtè Schaltchreis sin uss èm Halbleiter Silizium als Subschtratmatriaal gmacht. Für seer hochfrequènti odder optischi Aawendigè chömmed au anderi Matrialiè wiè Galliumarsenid zum Ysatz. Für spezièlli Aawendigè wörred au Silizium uff èm isolyrendè Subschtrat Saphir vowendet (ängl.: Silicon on Sapphire, SOS).

Im Fall vom Siliziums wörd znägscht uss èrè hochreinè Siliziumschmelzi (vgl. Gewinnung vo Reinsilizium) èn einkrischtallinè Zilinder (Ingot) zogè. Dezuè wörd vorneemlich s sogenannti Czochralski-Vofahrè (CZ-Vofaarè) bruucht. È alternativs Vofaarè isch s Zonèschmelzè, wa au zu dè witerè Reinigung vo dè CZ-Ingots ygsetzt wörrè cha; für einigi Spezialaawendigè sin höcheri Reinheitsgraad notwèndig als ei Fremdatom uff 109 Atom vo dè CZ-Ingots. D Ingots wörred in Abhängigkeit vom Durchmessèr in 0,5–1,5 mm dünno Schiibè, diè sog. Wafer, vosägèt. Diè hüt i dè Massèbroduktion vowendetè Siliziumwafer hèn Durchmesser vo 150, 200 odder 300 mm (hüüfig au als 6, 8 odder 12 Zoll bezeichnèt). Si erhaalted durch voschideni Ätz-, Schlyf- un Bolyrbrozèss è fascht perfèkti ebeni Obberflächi mit Unebbèheitè i dè Größèorning vo wennigè als eim Nanometer, sell heißt mit Obberflächèrauheitè vo nu wènnigè Atomlagè.

Hèrschtellig vo dè Bauelemènt

[ändere | Quälltäxt bearbeite]
Schematischè Uffbau von èm CMOS-Chip i dè 2000er (Uussschnitt)

Front-End

[ändere | Quälltäxt bearbeite]
Lueg au: Integrierter Schaltkreis#Front-End

S sogenannti Front-End bi dè Fèrtigung vo integryrtè Schaltchreis beschäftigt sich mit dè Hèrschtellig vo dè elegtrisch aktivè Bauelemänt (Transischtòrè, Kondenser, usw.), dè sognanntè Front-End-of-Line (FEOL), un dennè iri Vodròòtig (Metallisyrig), èm sogenanntè Back-End-of-Line (BEOL). Zum Ysatz chömmed voschidenschti Vofaarè vo dè Halbleitertechnig zum Schichtuffbau (Epitaxie, Sputterdeposition, Bedampfè, CVD usw.), Schichtabdraag, un Strukturyrig (Fotolithografy). Witerhy wörred Vofaarè zu dè Änderig vo Matriaaleigèschaftè (zum Byschpilll Dotyrig) ygsetzt.

Nõch dè Metallisyrig erfolgt hützdaag (2009) au oft è stichprobèartigs odder kompletts Brüèfè vo dè Schaltchreis mit Nòdelteschter im Schybèvobund, vo allem für d Beschtimmig vo dè Uusbeuti un als Rüggmeldig vo technologischè Parameter. Dõmit spart mò sich s Vokappè vom deilwys erheblichè Uusschuss. Für d Beschtimmig vo dè technologischè Parameter erfolgt d Brüèfig (byschpillswys Schichtdickèbrüèfig) meischtens dirèkt nõch èm jewyligè Brozèss, dõ isch es mitunter wichtig, au diè jewyligè Aalagè! mitzerfassè, well au bauglychi Aalagè mit dè glychè Parameter Abwychigè erzüüged, welli ußerhalb vom Toleranzberych ligè könnè.

Back-End

[ändere | Quälltäxt bearbeite]
Lueg au: Integrierter Schaltkreis#Back-End

Im nõchfolgendè Fèrtigungsabschnitt, èm Back-End, wörred d ICs aaschlièßend voeinzelt. Sell bassyrt im allgemeinè durch Sägè (seltè auch durch Ritzè un Brechè) vom Wafer zu Dies (dè sognanntè Chips). Bim nõchfolgendè Vopackè (ängl. packaging) wörred diè einzelnè ICs denn in èm Ghüüs ybrocht un kontaktyrt, s sogenannte Bpndè. Dõby chömmed je nõch Tùp unterschidlichi Vofaarè zum Ysatz, byschpillswys Chipbondè odder Dròòtbondè.

S Vokappè (Yhuusè) diènt dè hermetischè Versigelig gegèübber Umweltyflüss – für rein elegtrischi Schaltchreis muè s Ghüüs gas- un lichtdicht sy – sowiè zu dè besserè Vpwendbarkeit: entwedder wörd dè Chip samt Bonddrôôht in eim Hoolraum (Blèch, Keramik, ggf. mit Fenschter) ygschlossè odder mit Kunschtharz umhüllt (ygossè). D Aaschlüss nõch ußè wörred byschpillswys als Dual in-line package (DIL) odder Plastic Leaded Chip Carrier (PLCC) uusgfüürt. Hochkomplexi Schaltchreis (meischtens für mobili Aawendigè) wörred neuerdings (2009) au ooni Sockelghüüs ygsetzt un dirèkt uff diè jewyligè Platinè glötet (vgl. Ball Grid Array).

Zum Abschluss gits nòmolls è Fungtionstescht, dõby wörred zuègsicherti Eigèschaftè an allnè Schaltchreis brüèft. D Tûpbrüèfig erfolgt denn stichprobèartig odder nu i dè Entwickligsphasè. S Stüggbrüèfig diènt èm Sortyrè in Schaltchreis vo unterschydlichè Güèteklassè (zum Byschpill nõch Offset-Spannig bi Operationsvoschtärker). Brüèfergebnis un d Art vo dè Vokappig bschtimmèd s Ysatzgebièt. So wörred hochi Qualidätè für erwiterti Ysatztemperaturè un Umwèltaaforderigè gfertigèt (sog. MIL-Standard für milidärischi un Raumfaart-Aawendigè). Höcheri Toleranzè un Plaschtik-Vokappigè chömmed für Massèaawendigè (Konsuèmgüèter) infrõg.

Nebbè dè monolithischè Schaltchreis git s au sognannti Dickschicht-Hûbridschaltchreis. Dõby wörred einzelni Fungtionè vo dè Schaltig in unterschidlichè Halbleiterchips realisyrt un uff eim zuèsätzlichè Drägermatriaal uffbrocht un druggtechnisch im Sybdruggvofaarè vodròòtet, uff selli Wys chönned nebbè Vobindigsleitigè au passivi Bauelemänt realisyrt wörrè.

Wenn bsunders kompakti Bauschtein erforderlich sin, byschpillswys in Mobildelefòn, wörred au meereri Einzelschaltchreis uff kürzeschtem Wäg elegtrisch vobundè un in eim gmeinsamè Ghüüs unterbrocht, luèg bi Multi-Chip-Modul.

Fungtionstescht

[ändere | Quälltäxt bearbeite]

Um scho früèzitig uff Brozèssschwankigè z reagyrè, fäälerhafti Brozèss gegèbènèfalls zu korrigyrè odder gar Wafer odder Lose uss dè Broduktion z nää, wörred diè nõ unfèrtigè ICs nõch vylnè Brozèssschritt teschtet. Im Front-End handlèt s sich dõby meischtens um Stichprobè. Nõch èm Front-End wörred i dè Regel alli ICs vor dè Witervoarbeitig uff iri Fungtion teschtet. Deilwys sin bschtimmti Fungtionè (Hochfrequènzschaltigè odder spôter nit uff Pins usègfüürti Aaschlüss vom Chip) nu uff dè Die teschtbar. Vo allem muè uss Koschtègründ vohinderèt wörrè, dass nit fungtionsfähigo ICs im nõchfolgendè Hèrschtelligsbrozèss witervoschafft wörred.

Schlièßlich wörd au dè ghüüste Chip vor dè Abliferig eim endgültigè Tescht unterzogè, um Fääler i dè Back-End-Fèrtigung feschtzschtellè. Au wörred einigi Eigèschaftè teschtet, wo sich durch s Packaging voänderèd bzw. dennè iri Messig ooni Ghüüs nit möglich isch, wiè zum Byschpill s Bonding odder bschtimmti Hochfrequènzeigèschaftè. Dè Chip im Ghüüs cha denn zu dè Leiterblattèbeschtückig gòò.

Obwoll selli Messigè uff spezièlli Teschtsischteem (Automatic Test Equipment) vollautomatisch ablaufed, hèn diè dõmit vobundenè Koschtè bi hochintegryrtè Prozessorchips schu fascht d Hèrschtelligskoschtè erreicht. Sell lyt vo allem dõ draa, dass nu bedingt Skalèeffèkt bim Teschtè gryfè (è Barallelisyrig isch byschpillswys nu bi reinè Digitalschaltigè möglich) un neueri ICs immer mee Fungtionè hèn, wo nõchènand muè teschtet wörrè könnè.

Ökonomy

[ändere | Quälltäxt bearbeite]

Dè Induschtryzweig, wo sich mit dè Hèrschtellig von mikroelegtronischè Baudeil beschäftiget – d Halbleiterinduschtry – zeigt zwei Eigèschaftè, wo nèn von anderè unterscheidè duèt.

Großi Skalèeffèkt: Halbleiterfabrikè für d Massèfèrtigung vo Bauschtei vo dè jewyls kleinschtmöglichè StrukturgröÐi sin èrscht ab èrè gwissè Größi rentabel. Witerhy sin selli Fabrikè um Größèordnigè düürer als voglychbari Fèrtigungsschtättè vo anderè Branchè: hüt (2004) liged d Koschtè für dè Bau un d Uusrüschtig von èrè Hochvolumèfabrik uff èm Stand vo dè Technig bi öppè 2 Milliardè USD. Beides zämmè füürt zum sognanntè Schweinezûklus: Es git nu eini voglychswys gringi Aazaal a aktuellè Halbleiterfabrikè wältwit. Wenn s dè Branchè guèt gòt, heißt desi i dè Regel, wenn s Aagebot a Halbleiterbauschtein chlyner isch wiè d Nõchfròg, bauèt si iri Fèrtigungskapazitätè uus, well diè meischtè Unternèmmèn nu denn diè Summè für dè Uusbau uffbringè könnè. Jedi neui Fabrik, wo in Broduktion gòt, erhöht s Wältmarktvolumè vo vofüègbarè Bauschtein gly um Brozèntpünkt, well si jò uss Rentabilitätsgründ zimli groß sy müèn. Dè schlagartigi Aaschtyg vom vofüègbarè Volumè füürt zuè nèm entsprèchend starkè Briisvofall vo dè Bauelemänt, wellè sich widder yschwingt, sobald d Nõchfròg vom Aagebot widder ygholt hèt. Durch dè Briisvofall sin villi Unternemmè è Zit lang nit i dè Laag gsi, iri Fèrtigungskapazidätè uuszbauè – es läuft uff diè nägschst Voknappung vom Aagebot zuè. Denn widderholt sich dè Zûklus.

Zuèschrybig vo dè strategischè Bedütig: Villi Staatè schrybed dè Halbleiterinduschtry è strategischi Bedütig zuè. Meischtens begründet sich sell i èm „Keimzellèeffèkt“ für anderi Hochtechnologiè. Im Umfäld vo dè Halbleiterinduschtriè entwickled sich nit nu hochqualifizyrti Zuèliferer uss dè Chemy un èm Aalagèbau, sondern au uss dè Abnèmmerinduschtriè vo dè Bauelemänt, zum Byschpill d Computer- un Elektronikinduschtry. In mengè Fäll wörd diè strategischi Bedütig au milidärisch begründet. So schätzed d USA d Bedütig vo dè Mikroelegtronik für Rüschtigsprogramme so wichtig y, dass sowoll Gräät für d Hèrschtellig vo aktuellè ICs als au Schaltigsentwürf un sogar d Schaltigsentwicklungssoftware Gegèschtand vo dè Exportkontrolllischtè sin. Selli hoch ygschätzti Bedütung hèt zu dè Folg, dass è Viölzaal vo Staatè d Aasidelig vo dè Halbleiterinduschtry in villerlei Wys förderèd: vo Aschubfinanyrungè, besunders Stüèergschtaltigè, staatlichè Kreditgarantiè bis zu dè staatlich gfördertè Forschung an Universitären un induschtrièllè Forschigszentrè etc. Selli FörderungP sin au glegèntlich Gegèschtand vn ökonomischè Ussènandersetzogè zwûschè Staatè un Unternèmmè – so bassyrt zletscht im Johr 2003. Dõmòlls isch dè DRAM-Hèrschteller Hynix vprgworfè worrè, übber d Maßè vom südkoreanischè Staat in sinèrè Finanzkrisè gstützt worrè z sy. D Wettbewerber vo Hynix hèn druffhy Strõfzöll uff dè Import vo Brodukt vo sellèm Unternèmmè i dè USA, dè Europäischè Union[32] un zletscht au z Japan gforderèt, wogegè Südkorea broteschtyrt hèt.

Geschäftsmodèll: Wiè in è Huufè anderè Branchè au git es dè Vollhèrschteller – Integrated Device Manufacturer (IDM) benamst. È IDM erschtellt s Broduktdesign, entwickelèt d Fèrtigungstechnology, fèrtigt s Baudeil un vokauft s sèlbscht. Denebbè git s abber au no diè „Fabless Design Houses“ un „Foundries“. Fabless Design Houses erschtellèd s Broduktdesign entsprèchend dè Vorgaabè bzw. in Kooperation mit dè Foundry, wo s spôter gfertiged wörd, un vokaufed s fèrtige Brodukt. D Foundry entwicklèt d Fèrtigungstechnologiè, stellt irè Kundè technologyspezifischo Hilfsmittel zum Chipentwurf (EDA) parat un fèrtigt diè ICs. Kombinationè vo sellnè Gschäftsmodèll un Nischèmodèll sin i dè Braxis au z findè.

Literadur

[ändere | Quälltäxt bearbeite]
  • Simon M. Sze: Physics of Semiconductor Devices. 2. Ufflaag. John Wiley and Sons, 1981, ISBN 0-471-05661-8.
  • Ulrich Hilleringmann: Silizium-Halbleitertechnologie. Teubner, 2004, ISBN 3-519-30149-0.
  • Ulrich Tietze, Christoph Schenk, Eberhard Gamm: Halbleiter-Schaltungstechnik. 12. Ufflaag. Springer, 2002, ISBN 3-540-42849-6. Au als Biblè benamst vo dè Elegtrotechnig-Studentè.
  • Michael Reich: Halbleiter-Bauelemente. Springer, 2004, ISBN 3-540-21384-8.
  • Paul R. Gray, Paul J. Hurst, Stephen H. Lewis, Robert G. Meyer: Analysis And Design Of Analog Integrated Circuits. 4. Ufflaag. John Wiley and Sons, 2001, ISBN 0-471-32168-0.

Einzelnõchwys

[ändere | Quälltäxt bearbeite]
  1. ↑ Bo Lojek: History of Semiconductor Engineering. Springer, Berlin 2007, ISBN 978-3-540-34257-1, S. 18 ff.
  2. ↑ Bo Lojek: History of Semiconductor Engineering. Springer, Berlin 2007, ISBN 978-3-540-34257-1, S. 24.
  3. ↑ Patent CA272437: Electric Current Control Mechanism. Veröffentlicht am 19. Juli 1927, Erfinder: Julius Edgar Lilienfeld (Eintrag beim kanadischen Patentamt).
  4. ↑ Patent GB439457: Improvements in or relating to electrical amplifiers and other control arrangements and devices. Angemeldet am 2. März 1934, veröffentlicht am 6. Dezember 1935, Erfinder: Oskar Heil.
  5. ↑ Patent DE980084: Halbleiteranordnung zur kapazitiven Steuerung von Stroemen in einem Halbleiterkristall. Angemeldet am 6. April 1945, veröffentlicht am 2. August 1973, Erfinder: Heinrich Welker.
  6. ↑ Bo Lojek: History of Semiconductor Engineering. Springer, Berlin 2007, ISBN 978-3-540-34257-1.
  7. ↑ Patent FR1010427: Crystal device for controlling electric currents by means of a solid semiconductor. Angemeldet am 13. August 1948, veröffentlicht am 11. Juni 1952, Erfinder: Heinrich Welker.
  8. ↑ 8,0 8,1 Bo Lojek: The MOS Transistor. In: History of Semiconductor Engineering. Springer, Berlin 2007, ISBN 978-3-540-34257-1, S. 317 ff.
  9. ↑ https://www.bsi.bund.de/cae/servlet/contentblob/486910/publicationFile/30685/Nanotechnologie_pdf.pdf
  10. ↑ Bo Lojek: History of Semiconductor Engineering. Springer, Berlin 2007, ISBN 978-3-540-34257-1, S. 70.
  11. ↑ Patent US2804405: Angemeldet am 24. Dezember 1954, veröffentlicht am 27. April 1957, Erfinder: L. Derick, C. J. Frosch.
  12. ↑ C. J. Frosch, L Derick: Surface Protection and Selective Masking during Diffusion in Silicon. In: Journal of The Electrochemical Society. Band 104, Nr. 9, 1957, S. 547, doi:10.1149/1.2428650.
  13. ↑ D. Kahng, M. M. Atalla: Silicon-silicon dioxide field induced surface devices. In: IRE-AIEE Solid-state Device Res. Conf., (Carnegie Inst. of Technol., Pittsburgh, PA). 1960.
  14. ↑ Patent US3102230: Electric field controlled semiconductor device. Angemeldet am 31. Mai 1960, veröffentlicht am 27. August 1963, Erfinder: D. Kahng.
  15. ↑ Patent US3056888: Semiconductor triode. Angemeldet am 17. August 1960, veröffentlicht am 2. Oktober 1962, Erfinder: M. M. Atalla.
  16. ↑ P. Seidenberg: From Germanium to Silicon: A History of Change in the Technology of Semiconductors. In: Facets: New Perspectives on the History of Semiconductors. 1997, S. 36–74 (PDF).
  17. ↑ 17,0 17,1 Shohei Oguri: Patent Infringement Litigation Case Study (1). Hrsg.: Japan Patent Office. 2001 (PDF im Internet Archive).
  18. ↑ 18,0 18,1 Patent US3138743: Miniaturized electronic circuits. Angemeldet am 6. Februar 1959, veröffentlicht am 23. Juni 1964, Erfinder: Jack Kilby.
  19. ↑ 19,0 19,1 Patent US2981877: Semiconductor device and lead structure. Angemeldet am 30. Juli 1959, veröffentlicht am 25. Mai 1961, Erfinder: Robert N. Noyce.
  20. ↑ Klaus Hinkelmann: Berücksichtigung der Rechtsbeständigkeit von Patenten in Patentverletzungsverfahren: Übersetzung und Kommentierung der Entscheidung des Obersten Gerichtshofes vom 11. April 2000. In: Zeitschrift für Japanisches Recht. Nr. 10, 2000, S. 266–273 ([1] [abgerufen am 6. Mai 2014]). Referänz-Fähler: Ungültiges <ref>-Tag. Der Name „Hinkelmann2000“ wurde mehrere Male mit einem unterschiedlichen Inhalt definiert.
  21. ↑ J. S. Kilby: Invention of the Integrated Circuit. In: IEEE Transactions on Electron Devices. ED-23, Nr. 7, 1976, S. 648–654, doi:10.1109/T-ED.1976.18467 (PDF [abgerufen am 3. Juli 2010]).
  22. ↑ I. M. Ross: The invention of the transistor. In: Proceedings of the IEEE. Band 86, Nr. 1, 1998, S. 7–28.
  23. ↑ R. G. Arns: The other transistor: early history of the metal-oxidesemiconductor field-effect transistor. In: Engineering Science and Education Journal. Band 7, Nr. 5, 1998, S. 233–240.
  24. ↑ Andrew Harter: Three-dimensional integrated circuit layout. Cambridge University Press, 1991, ISBN 0-521-41630-2, S. 4.
  25. ↑ Leslie Berlin: The man behind the microchip: Robert Noyce and the invention of Silicon Valley. Oxford University Press US, 2005, ISBN 0-19-516343-5, S. 135 (Iigschränkti Vorschau uf books.google.de).
  26. ↑ F. Wanlass, C. Sah: Nanowatt logic using field-effect metal-oxide semiconductor triodes. In: 1963 IEEE International Solid-State Circuits Conference (February 20, 1963). Digest of Technical Papers. Band 6, 1963.
  27. ↑ Patent US3356858: Low stand-by power complementary field effect circuitry. Angemeldet am 18. Juni 1963, Erfinder: Frank M. Wanlass.
  28. ↑ Patent US3387286: Field-effekt transsitor memory. Angemeldet am 14. Juli 1967, Erfinder: Robert H. Dennard.
  29. ↑ Mario Birkholz: Konvergenz in Sicht - zur gemeinsamen Perspektive von Mikroelektronik und Biotechnologie (PDF; 665 kB). In: LIFIS ONLINE. 29. Juli 2009, abgerufen am 9. Dezember 2009.
  30. ↑ Wolfgang Scheel (Hrsg.): Baugruppentechnologie der Elektronik. Montage. 2. Auflage. Verlag Technik, Berlin 1999, ISBN 978-3-341-01234-5, Vorwort zur ersten Auflage.
  31. ↑ Hans-Joachim Hanke (Hrsg.): Baugruppentechnologie der Elektronik. Leiterplatten. 1. Auflage. Volaag Technig, Bèrlin 1994, ISBN 3-341-01097-1, S. 82.
  32. ↑ EU-Kommission belegt Chiphersteller Hynix mit Strafzöllen. (Nachrichtenmeldung) In: heise online. 24. April 2003, abgruefen am 12. August 2009.


Dä Artikel basiert uff ere fräie Übersetzig vum Artikel „Mikroelektronik“ vu de dütsche Wikipedia. E Liste vu de Autore un Versione isch do z finde.
Vun "https://als.wikipedia.org/w/index.php?title=Mikroelektronik&oldid=1010843"