Integrierte Schaltung

Integrierte Schaltungen sind mikroelektronische Bauelemente, bei denen auf einem Halbleitermaterial durch Dotieren sehr viele Transistoren, Dioden, Widerstände oder andere Funktionsteile einschließlich ihrer Verbindungen aufgebracht wurden. Als Halbleiter wird oft Silicium verwandt, dem man die Form eines flachen rechteckigen Plättchens verleiht. Dieses Plättchen ist der Chip.

Mit dem Voranschreiten der Elektronik wurde in den fünfziger Jahren des 20. Jahrhunderts die Konstruktion immer aufwendigerer Schaltungen mit mehr Bauelementen erforderlich. Die aus einzelnen Elementen bestehenden Schaltkreise, auch diskrete Schaltkreise genannt, mussten bei ihrer Herstellung durch arbeitsintensives Auflöten der Bauteile und durch Ätzen der Leitungsverbindungen produziert werden. Durch viele Faktoren, etwa die Abwärme, aber auch das Gewicht der Bauteile, war die Anzahl der maximal zu verwendenden Bauelemente großen Beschränkungen unterworfen. Daher ging man dazu über, komplette Schaltfunktionen in gesonderten Bauelementen, den Chips, zusammenzufassen.

Die Chips wurden mit Kontaktverbindungen versehen und relativ klein gestaltet. Wenn man die vom Chip realisierte elektronische Funktion in einer Schaltung nutzen wollte, dann konnte man den kompletten Chip auf einer Leiterplatte installieren, wodurch viel Zeit und Material beim Anwender eingespart werden konnte. Durch Normierung wurden viele universell einsetzbare Chips entwickelt. Dazu zählen bestimmte Verstärkertypen oder anwendungsspezifische Chips, die im Rundfunk oder Fernsehen genutzt werden können. All diese integrierten Schaltkreise dienen der analogen Signalverarbeitung, das heißt, Strom und Spannung können sich im Schaltkreis kontinuierlich ändern.

Mit dem Aufkommen der Digitaltechnik, die in ihrem heutigen Umfang überhaupt erst durch den Einsatz integrierter Schaltungen ermöglicht wurde, hat man auch digitale Chips entwickelt. Zu ihnen zählen die Logiggatter, aber auch die programmierbaren Chips, unter denen die Flipflop-Chips als Speicherkreise eine besondere Bedeutung erlangt haben.

Herstellung der integrierten Schaltungen

Während früher die Anwender durch das Zusammenlöten der elektronischen Bauteile die Hauptarbeit, aber auch die Entwicklungsfreiheit für eine neue Schaltung hatten, verlagerte sich diese Tätigkeit infolge der Einführung integrierter Schaltkreise auf die Hersteller der Schaltkreise selbst. Die Chipindustrie gibt die Entwicklungsgeschwindigkeit neuer integrierter Schaltungen vor, die Anwender müssen aus dem vorhandenen, allerdings enorm großen Angebot integrierter Schaltungen, "ihre" Chips heraussuchen und in die gewünschten Geräte einbauen.

Diese Entwicklung hat ihre Ursachen vor allem in den hohen technischen und finanziellen Aufwendungen, die bei der Herstellung integrierter Schaltkreise unternommen werden müssen. Ein "Radiobastler" wäre hierzu nicht mehr in der Lage.

Die Chipherstellung ist ein mehrstufiger Prozess, der sich in die Hauptschritte

1. Siliciumscheibenherstellung und Schaltungsentwicklung,
2. Scheibenstrukturierung,
3. Chipmontage und Prüfung

untergliedert.

Suiliciumscheibenherstellung und Schaltungsentwicklung: Das Silicium wird zumeist aus Sand gewonnen. Es wird eingeschmolzen und durch verschiedenste Reinigungsverfahren gesäubert. Diese Verfahren sind sehr aufwendig, da nur hochreines Silicium als Chipmaterial Verwendung finden kann. Anschließend beginnt die Züchtung eines länglichen Siliciumkristalls, der später in sehr dünne Scheibchen geschnitten wird. Die Oberflächen der Siliciumscheiben müssen äußerst glatt sein.
Die computergestützte Entwicklung von Schaltplänen führt zur Herstellung von Schaltkreismasken und Bedienungsprogrammen zur Bearbeitung der Siliciumoberflächen.

Scheibenstrukturierung: Für die Bearbeitung der Siliciumoberfläche stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Zunächst wird sie mit einer Schicht aus Siliciumoxid versehen. Von dem Schaltplan wird ein Fotonegativ hergestellt, das den kompletten Schaltplan abbildet. Anschließend überzieht man die Siliciumscheibe mit einer Fotolackschicht und bedeckt sie mit dem Fotonegativ. Durch UV-Belichtung entsteht der Schaltkreis auf dem Fotolack, dabei werden die unbelichteten Stellen ausgewaschen, die belichteten Stellen hingegen ausgehärtet. Durch Ätzen erzeugt man winzige Löcher, die durch das freiliegende Siliciumoxid bis hin zur Schicht aus reinem Silicium reichen. Schließlich wird das freigelegte Silicium durch Dotieren mit den gewünschten Leiteigenschaften der integrierten Bauteile versehen (z.B. MOSFETS).

Chipmontage und Prüfung: Auf einer Siliciumscheibe wird der Schaltplan gleich mehrfach erzeugt. Daher muss nach der Scheibenstrukturierung ein Trennen in Einzelteile, die eigentlichen Chips, erfolgen. Diese werden verschaltet und in spezielle Gehäuse gebracht. Die beschriebene Technologie ist wegen ihrer Komplexität anfällig gegen vielfältige Fehlereinflüsse. So sind schon die kleinsten Staubteilchen in der Lage, die Funktion eines Chips zum Erliegen zu bringen. Daher erfolgt die Herstellung in Reinsträumen. Darüber hinaus müssen nach dem Fertigungsende die Chips unbedingt getestet werden.

Der Integrationsgrad

Als Integrationsgrad eines Chips bezeichnet man die Anzahl der auf seiner Oberfläche eingebrachten Bauelemente (Funktionseinheiten). Das Ziel der Chip-Produktion besteht darin, den Integrationsgrad beständig weiter zu erhöhen.

Als hoch bezeichnet man Integrationsgrade, bei denen mehr als 10 000 Funktionseinheiten auf einem Chip konzentriert sind. Allerdings sind der Steigerung des Intergationsgrades physikalische Grenzen gesetzt.

Durch aufeinanderfolgende Miniaturisierung gelangt man allmählich in einen Bereich, wo die dotierten Strukturen nur noch die Größe weniger Atome besitzen. In diesen Größenordnungen versagen die Gesetze der bekannten Elektronik und werden durch die Gesetze der Atom- und Teilchenphysik abgelöst. Gegenwärtig arbeitet man an der Entwicklung von Schaltkreisen auf der Grundlage der Atomphysik. Sie werden als Quantenschaltkreise, die dazugehörige Elektronik als Quantenelektronik bezeichnet.