1.1.2 Maskenherstellung: Auf der Grundlage der Koordinatendaten des Lageplans werden optisch oder mit einem Elektronenstrahl schreiber Masken für die Chipherstellung erzeugt. Jede Maske besteht aus einer Glas- oder Quarzplatte mit einer Metallschicht (Silber oder Chrom), in die die feinen Schaltungsstrukturen eingeätzt sind. Zur Übertragung der Strukturen von der Maske auf die Kristallscheibe gibt es zwei Methoden: ganzflächige Belichtung mit Masken, welche die Strukturen für alle Chips einer Scheibe enthalten, oder aufeinanderfolgende Einzelbelichtung durch Masken, welche die Strukturen fü nur einen Chip enthalten. Da jede Schaltungsstruktur auf der Kristallscheibe aus mehreren Schichten aufgebaut ist, benötigt man zu ihrer Herstellung auch mehrere Masken, einen ganzen Maskensatz.
1.1.3 Chip-Herstellung und Montage:
Die Herstellung der Chips auf einer Halbleiter Kristallscheibe erfordert einige hundert auf einanderfolgende Prozeßschritte. Viele dieser Schritte erfolgen bei Temperaturen von etwa 1000° C im Vakuum oder in einer bestimmten Gasatmosphäre. Die wichtigsten prozeßschritte sind: Maskieren der Kristalloberfläche durch photolithographische Verfahren, Dotieren und Metallisieren. Alle verwendeten Substanzen müssen ungewöhnlich hohe Reinheit aufweisen. Automaten besorgen den Transport der Kristallscheiben. Die Präzisionsbearbeitung der Scheiben kann sich insgesamt über Wochen hinziehen. Jede Störung im Prozeßablauf senkt die Ausbeute drastisch, selbst einzelne Staubpartikel können zum Ausfall führen. Daher muß in Reinsträumen gearbeitet werden.
1.1.4 Strukturierung mit Hilfe von Masken: Bei der Herstellung der Chips wird zunächst in einem Rohofen die ganze Kristallscheibe mit einer Oxidschicht überzogen. Auf diese wird ein extrem dünner Überzug von Photolack aufgebracht, der durch die Maske hindurch belichtet wird. An den belichteten Stellen härtet der Lack aus und schützt die darunterliegende Oxidschicht. An den unbelichteten Stellen wird der Photolack weggelöst un die darunterliegende Oxidschicht durch einen nachfolgenden Ätzvorgang entfernt. Durch geeignete Masken legt man so die zur weiteren Bearbeitung vorgesehenen Bereiche der Kristalloberfläche frei. Im Wechselspiel von Maskierung und Ätzung mit Dotierung, Oxidation, Metallisierung werden an der Oberfläche der kristallscheibe die Strukturen in dünnen Schichten aufgebaut. Für die Herstellung hochintegrierter Chips sind bis zu zwanzig verschiedenen Masken erforderlich. Silicium ist vor anderen Halbleitermaterialien dadurch ausgezeichnet, daß sein Oxid sehr dicht und porenfrei ist. Es schützt damit hervorragend die Kristalloberfläche. Zur Übertragung der Maskenstruktur auf die Siliciumscheibe belichtet man mit kurzwelligem UV-Licht mit einer Wellenlänge von 0,4 µm. Die damit erzielbaren kleinsten Strukturen liegen im Bereich von 1 µm. Noch feiner Auflösung erreicht man mit einem Elektronenstrahl. Bei einem Strahldurchmesser von 0,07 µm werden Strichbreiten von 0,3 bis 0,5 µm erzeilt. Eine noch bessere Auflösung ist mit Röntgenlicht erreichbar.
1.1.5: Gezielte Dotierung:
Auf der oxidierten Kristallscheibe werden durch Maskierung Bereiche freigelegt, in denen durch Dotierung die leitfähigkeit verändert wird.—Dadurch kann man Dioden und Transistoren, Widerstände und sogar Leiterbahnen herstellen. Es gibt zwei Dotierverfahren: Diffusion und Ionenimplantation.
| Bei der Diffusion dringen bei hoher Temperatur Fremdatome in den freigelegten Bereich der Kristalloberfläche ein. Dies geschieht Rohröfen. Bei der Ionenimplantation werden ionisierte Fremdatome in den freigelegten Teil des Kristalls eingeschossen. Die Beschleunigung der Ionen erfolgt durch elektrische Felder. |
1.1.6 Metallisierung: Zur Verbindung der einzelnen Bauelemente einer integrierten Schaltung sind Leiterbahnen erforderlich. Als Leiterbahnmaterial wird vornehmlich Aluminium verwendet. Das Aluminium wird ganzflächig aufgedampft und nachfolgend mit Hilfe von Masken photolithographisch strukturiert. Bei besonders komplexen Schaltungen werden zur Verkürzung der Signalwege mehrere, voneinander isolierte Verdrahtungsebenen benötigt (Mehrlagenverdrahtung). Diese werden durch Löcher in der Isolierschicht metallisch miteinander verbunden. Die Leiterbahnen enden am Rand des Chips in größeren Kontaktflächen, an die später dünne Golddrähtchen angeschweißt werden.
1.1.7 Prüfung, Trennung und Montage der Chips: Nach Herstellung der Schaltungen auf der Kristallscheibe wird jeder Chip mit Hilfe eines Prüfprogramms auf seine Funktion überprüft. Dünne Metallnadeln verbinden den Chip mit der Meßeinrichtung. Fehlerhafte Schaltungen werden markiert und registriert. Die Scheibe wird auf eine Filie geklebt und mit einer Diamantsäge in die rechteckigen Chips zertrennt. Die Chips bleiben auf der unzertrennten Folie haften. Aus einer Scheibe mit 15 cm Durchmesser kann man 400 und mehr Chips erhalten. Die einwandfreien Chips werden mit einer Saugpinzette von der Folie aufgenommen und auf einen Träger geklebt oder gelötet. Ein Automat verbindet durch haarfeine Drähte die Kontaktpunkte mit den Anschlüssen des Gehäuses (bonden). Es gibt eine Vielzahl von Gehäusebauformen:
| Plastikgehäuse für Einzelchips, Keramikgehäuse für Einzelchips, Filmstreifen mit aufgelöteten Chips. |
Nach dem Einbau der Chips im Gehäuse erfolgt eine nochmalige Funktionsprüfung am Testautomaten.
1.1.8 Baugruppen auf Leiterplatten:
Eine genormte Aufbautechnik ist eine wichtige Voraussetzung für die wirtschaftliche Fertigung elektronischer Baugruppen. Die Bauelemente werden meist auf Platinen, d.h. auf Leiterplatten mit geätzten Kupferleitungen, aufgelötet. Die so bestückten Platinen nennt man Flachbaugruppen. Platinen können einseitig oder beidseitig mit Leiterbahnen versehen sein. Für umfangreiche Schaltungen gibt es Platinen mit mehreren Verdrahtungsebenen, die miteinander an einzelnen Punkten verbunden sind. Die Bauelemente werden entweder mit ihren Anschlußdrähten in Kontaktlöcher eingesteckt oder verlötet, oder, wenn drahtlos, auf die Platinen geklebt und verlötet (Oberflächenmontage).
1.1.9 Keramik-Baugruppen: Die Packungsdichte integrierter Schaltungen in Baugruppen kann durch die Montage der CHips auf Vielschicht-Keramikträger gesteigert werden. Diese Keramikträger werden aus vielen Schichten eines papierdünnen Keramikmaterials aufgebaut, das mit dünnen Verbindungsleitungen aus einer Molybdänpaste bedruckt wurde. Durch Löcher in den einzelnen Lagen werden die Leitungen zu einem Netzwerk verbunden. Nach dem Zusammenpressen der einzelnen Lagen entsteht durch Sintern eine feste Keramikplatte. Sie wird mit Kontaktstiften zur Verbindung mit anderen Baugruppen versehen. Die Chips werden anschließend mit winzigen Blei-Zinn-Kügelchen drahtlos durch Löten direkt mit der Keramikplatte verbunden. Ein Kühlkörper führt die beim Betrieb entstehende Wärme an die Luft oder durch Kühlwasser ab.
1.1.10 Baugruppen auf Halbleiterscheiben: Ende der 1960er Jahre begannen Versuche, Computersysteme auf einer Halbleiterscheibe zu integrieren. Die damit verbundenen Probleme der Kontaktierung, der Wärmeabfuhr sowie des Ausschaltens fehlerhafter Chips lösten Hardware- und Software-Ingenieure um 1990. Die einzelnen funktionsfähigen Chips werden spiralförmig angesteuert. Solche "Waferstacks" entwickelte man zunächst für Zwischnespeicher. Die Zugriffszeit auf die Daten beträgt 200 µsec; sie ist
Die Kosten für ihre Herstellung sind vergleichsweise gering.
Beispiele:
Digitale Logikschaltungen in Bipolartechnik werden im Rechenwerk schneller Großrechner eingesetzt. Die Schaltgeschwindigkeiten liegen im Bereich von Nanosekunden.
1.2.2 Hochintegration in Feldeffekt-Technik: Geringer Platzbedarf und Stromverbrauch gegenüber der Bipolartechnik ermöglichen bei Feldeffekttransistor- (FET-) Schaltungen hohe Integrationsdichten. Dies gilt im besonderen Maße für komplementäre MOS-Schaltungen (CMOS). Sie werden überwiegend aus Zellen-ICs für digitale Logikschaltungen aufgebaut. Statische FET-Speicher in monolithischer Bauweise setzen sich in den Jahren ab 1972 als Arbeitsspeicher durch. Eine Erhöhung der Integrationsdichte wurde durch dynamische Speicherzellen (DRAM) möglich. Diese Zellen bestehen aus nur einem Schalttransistor und einem kleinen Speicherkondensator.
| Entwicklung der Speicherkapazität pro DRAM-Chip: 1980: 64 kBit 1983: 256 kBit 1986: 1 MBit 1989: 4 MBit Beim 4 MBit Chip sind über 8 Millionen Schaltungselemente auf weniger als 1cm² Silicium integriert. |
1.2.3 Halbleiterspeicher: Der Arbeitsspeicher eines Rechners braucht Speicherzellen, deren Inhalt schnell eingeschrieben und auch schnell wieder ausgelesen werden kann. Dazu muß jede Zelle direkt ansteuerbar sein (RAM). Für Programmspeicher genügen zum Teil Nur-Lese-Speicher (ROM).
| RAM ´Random Access Memory´ Speicher mit wahlfreiem Zugriff ROM ´Read-Only-Memory´ Nur-Lese-Speicher |
| PROM | ´Programmable ROM´ Einmaliges Programmieren durch Abshcmelzen einer dünnen Verbindungsbrücke mit einem Hochstromimpuls. | |
| EPROM | ´Erasabel Programmable ROM´ | |
| EEROM | ´Electrically erasable ROM´ Die Information ist durch UV-Licht löschbar, der Speicher elektrisch neu programmierbar. | |
| EAROM | ´Electrically Alterable ROM´ Elektrisch umprogrammierbar und löschbar. Der Schreibvorgang erfolgt durch Impulse hoher Amplitude. |
1.2.4 Integrierte Logikschaltungen:
Im Gegensatz zu den Speicherschaltungen, die Informationen nur abspeichern und unverändert wiedergeben können, sind Logikschaltungen in der Lage, Informationen nach vorgegebenen Regeln zu verarbeiten. Die ersten integrierten Logikschaltungen enthielten nur wenige Standard-Grundschaltungen. Mit wachsender Integrationsdichte wurden neben universell einsetzbaren Standardschaltungen auch Schaltungen für ganz spezifische Anwendungen gefertigt. Standardschaltungen, wie Mikroprozessoren oder Analog-Digitalwandler, werden in großen Stückzahlen gefertigt und eingesetzt. Da anwendungsspezifische Schaltungen in geringeren Stückzahlen verlangt werden, haben sich besondere Herstellungstechniken entwickelt:
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1.2.5 Mikroprozessor-Chips:
Mikroprozessoren sind programmierbare integrierte Standard-Logikschaltungen. Sie bilden das Herz von Klein- und Mikrocomputern. Der Anwender kann einen Mikroprozessor für eine Vielzahl unterschiedlicher Aufgaben selbst programmieren. Die ersten Mikroprozessoren (Hoff 1969) stellten noch hohe Anforderungen an die Programmierung, da sie nur einfachste Befehle verarbeiten konnten. Durch eine Verbreiterung des Datenkanals von 4 auf 8 Bit wurde eine bedeutende Leistungssteigerung erreicht. Damit war die Anwendung höherer Programmiersprachen, vereinfachte Programmierung und der Einsatz bereits vorhandener Standardprogramme möglich. Die weitere Entwicklung föhrte zu einer Datenkanalbreite von 16 und 32 Bit und damit zu einer nochmaligen Leistungssteigerung. Der Mikroprozessor hat die vielfältige Verbreitung der Mikroelektronik wesentlich gefördert.
Mikroprozessor
1.2.6 Sensoren in der Mikroelektronik:
Zur Eingabe physikalischer Größen in ein Rechnersystem benötigt man Sensoren. Der Sensor ist ein Meßfühler, er wandelt die zu erfassenden physikalischen Größen wie Strahlung, Temperatur, Magnetisierung, Druck, Gaskonzentration in ein elektrisches Ausgangssignal um. Ihm wird ein Analog-Digital-Wandler nachgeschaltet. Die technische Entwicklung geht in Richtung auf integrierte Halbleiter-Sensoren, die direkt digitale Signale liefern. Bildaufnahmegeräte sind mächtige Sensoren. Sie geben ein "Bild" der Umgebung, einen "Überblick" im ursprünglichen Sinn dieses Begriffes.
1.2.7 Aktoren in der Mikroelektronik: Zur Ausgabe von Ergebnissen aus einem Rechnersystem verwendet man Aktoren, einschließlich solcher, die das anfallende digitale Signal über einen Digital-Analog-Wandler in eine analoge physikalische Größe überführen. Die technische Entwicklung geht in Richtung auf integrierte Halbleiter-Aktoren, denen häufig ein Verstärker oder ein weiterer Wandler nachgeschaltet wird. Im IC-Relais (´integrated circuit-Relais´) wird eine integrierte Schaltung mit einem Miniaturrelais zu einem Bauelement vereinigt. Das Relais kann direkt von einem Mikroprozessor angesteuert werden.
Typische Aktoren der Mikroelektronik sind:
Leistungsverstärker:
Halbleiteranordnungen, die leidglich elektrische Signale verstärken, wie Leistungstransistoren, Thyristoren, Zweiweg-Thyristoren.
Lichtaktoren:
Halbleiterdioden, z.B. aus Galliumarsenid, die Licht bestimmter Wellenlänge emittieren.
Bewegungsaktoren:
Kristalle wie Quarz, oder Piezokeramik, in denen durch eine elektrische Spannung eine Längenänderung erzeugt wird.
Magnetostriktive
Aktoren:
Ferromagnetische Stäbe, in denen durch ein Magnetfeld eine Längenänderung erzeugt wird.