Το ολοκληρωμένο κύκλωμα

Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα έχουν πλέον γίνει αναπόσπαστο μέρος της ζωής μας. Για παράδειγμα, οι περισσότεροι άνθρωποι έχουν ακούσει τον όρο « μικροεπεξεργαστής». Ένας μικροεπεξεργαστής είναι ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα ( ή όπως συνηθίζεται, απλά « ολοκληρωμένο») που επεξεργάζεται όλες τις πληροφορίες σε ένα Ηλεκτρονικό Υπολογιστή ( Η/Υ). Συγκεκριμένα, κρατά πληροφορίες για το ποια πλήκτρα έχουν πατηθεί, τι πρέπει να εμφανιστεί στην οθόνη και εάν το ποντίκι έχει μετακινηθεί. Μπορεί να μετρήσει αριθμούς, να τρέξει προγράμματα, παιχνίδια και το λειτουργικό σύστημα. Τα ολοκληρωμένα βρίσκονται σχεδόν σε κάθε μοντέρνα ηλεκτρονική συσκευή, όπως τα αυτοκίνητα, οι τηλεοράσεις, τα κινητά τηλέφωνα, κτλ. Τι είναι όμως ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα και ποια είναι η ιστορία του;

Το ολοκληρωμένο κύκλωμα δεν είναι τίποτα άλλο παρά ένα πολύ προηγμένο ηλεκτρικό κύκλωμα. Ένα ηλεκτρικό κύκλωμα αποτελείτε από διάφορα ηλεκτρικά στοιχεία όπως τρανζίστορ, αντιστάσεις και διόδους, τα οποία ενώνονται μεταξύ τους με διάφορους τρόπους. Αυτά τα στοιχεία έχουν διαφορετική συμπεριφορά.

Ηλεκτρονική λυχνία – τρανζίστορ

Από όλα τα στοιχεία που έχουν αναφερθεί πιο πάνω, το πιο σημαντικό για την ανάπτυξη των σύγχρονων Η/Υ είναι το τρανζίστορ. Πριν από το τρανζίστορ, οι μηχανικοί αναγκάζονταν να χρησιμοποιούν ηλεκτρονικές λυχνίες. Η ηλεκτρονική λυχνία μπορεί να ενεργοποιήσει /απενεργοποιήσει τον ηλεκτρισμό ή να ενισχύσει το ρεύμα. Γιατί όμως χρειάστηκε να αντικατασταθεί από το τρανζίστορ; Η ηλεκτρονική λυχνία φαίνεται και συμπεριφέρεται πολύ παρόμοια με μία ηλεκτρική λάμπα. Παράγει αρκετή θερμότητα και έχει την τάση να καίγεται. Επιπρόσθετα, συγκριτικά με το τρανζίστορ, είναι αργή και ογκώδης.

Όταν οι μηχανικοί προσπάθησαν να κατασκευάσουν πολύπλοκα ψηφιακά κυκλώματα, κατάλαβαν γρήγορα ότι οι ηλεκτρονικές λυχνίες είχαν περιορισμούς. Για παράδειγμα, ο πρώτος ψηφιακός Η/Υ, ο ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator), ήταν τεράστιος. Ζύγιζε περισσότερο από 30 τόνους και κατανάλωνε 200 KW ηλεκτρικής ενέργειας. Διάθετε περίπου 18,000 ηλεκτρονικές λυχνίες που καθιστούσαν το σύστημα αναξιόπιστο, αφού χρειάζονταν συχνή αντικατάσταση.

Η επινόηση του τρανζίστορ το 1947 θεωρήθηκε επαναστατική. Μικρό, γρήγορο, αξιόπιστο και αποτελεσματικό, αντικατέστησε γρήγορα την ηλεκτρονική λυχνία. Χωρίς τους περιορισμούς που επέβαλλε η ηλεκτρονική λυχνία, τώρα οι μηχανικοί μπορούσαν να φτιάξουν τις ηλεκτρονικές κατασκευές των ονείρων τους. Ή μήπως όχι ακόμα;

Με το μικρό και αποτελεσματικό τρανζίστορ στα χέρια τους, οι ηλεκτρολόγοι μηχανικοί του 1950 μπορούσαν να δουν την προοπτική για την κατασκευή πολύ πιο πολύπλοκων κυκλωμάτων από πριν. Ωστόσο, όσο τα κυκλώματα γίνονταν πολυπλοκότερα, νέα προβλήματα άρχισαν να εμφανίζονται. Τα προηγμένα κυκλώματα είχαν τόσα πολλά συστατικά στοιχεία και ενώσεις που ήταν ουσιαστικά αδύνατο να υλοποιηθούν. Αυτό το πρόβλημα ήταν γνωστό ως «η τυραννία των αριθμών».

Το Ολοκληρωμένο του Jack Kilby – Η Μονολιθική Ιδέα

Το καλοκαίρι του 1958 ο Jack Kilby που δούλευε στην Texas Instruments βρήκε λύση στο πρόβλημα. Είχε μόλις προσληφθεί και δούλευε για ένα ερευνητικό έργο που εξέταζε την κατασκευή μικρότερων ηλεκτρικών κυκλωμάτων. Ευτυχώς, ο τότε τρόπος προσέγγισης της Texas Instrument προς το έργο δεν ικανοποίησε τον Kilby.

Επειδή μόλις είχε ξεκινήσει να εργάζεται για την εταιρία, δεν είχε καθόλου διακοπές όπως οι υπόλοιποι εργαζόμενοι. Δουλεύοντας μόνος αρκετές ώρες στο εργαστήριο, αντιλήφθηκε την ευκαιρία να βρει τη δική του λύση στο πρόβλημα σμίκρυνσης των κυκλωμάτων. Η βασική ιδέα του Kilby ήταν η κατασκευή όλων των στοιχείων πάνω στο ίδιο κομμάτι ( μονόλιθος) ημιαγωγού (semiconductor). Όταν οι υπόλοιποι επέστρεψαν από τις διακοπές τους, ο Kilby παρουσίασε την ιδέα του στους ανώτερους του. Αμέσως, του δόθηκε άδεια να κατασκευάσει ένα πρότυπο κύκλωμα και τον Σεπτέμβριο του 1958 το πρώτο ολοκληρωμένο κύκλωμα ήταν έτοιμο, ελεγμένο και δούλευε άψογα!

Παρόλο που το πρώτο ολοκληρωμένο ήταν ακόμα ένα πρότυπο και είχε αρκετά προβλήματα, η ιδέα ήταν επαναστατική. Φτιάχνοντας  όλα τα στοιχεία πάνω στο ίδιο μπλοκ υλικού, δεν υπήρχε πια η ανάγκη για διαφορετικά διακριτά στοιχεία. Οι ενώσεις δεν γίνονταν πλέον με το χέρι. Η διαδικασία κατασκευής μπορούσε να αυτοματοποιηθεί και τα κυκλώματα μπορούσαν να γίνουν μικρότερα. Ο Jack Kilby είναι γνωστότερος για την εφεύρεση του ολοκληρωμένου κυκλώματος, για την οποία πήρε και το βραβείο Nobel Φυσικής το 2000. Μετά την επιτυχία του, παρέμεινε στην ίδια εταιρεία και, μεταξύ πολλών άλλων συνεισφορών, ηγήθηκε της ομάδας που εφεύρε την υπολογιστική μηχανή.

Robert Noyce

Ο Robert Noyce ήρθε και αυτός με την δική του ιδέα για το ολοκληρωμένο κύκλωμα, μισό χρόνο μετά από τον Kilby. Κατάφερε να λύσει αρκετά πρακτικά προβλήματα που είχε το κύκλωμα του Kilby, κυρίως το πρόβλημα της διασύνδεσης των διάφορων στοιχείων πάνω στο τσιπ. Συνοπτικά, πρόσθεσε μέταλλο σαν τελευταίο στρώμα και μετά αφαίρεσε λίγο από αυτό σχηματίζοντας έτσι τα σύρματα που έπρεπε να ενώσουν τα διάφορα στοιχεία. Αυτή η αλλαγή, κατέστησε την μαζική παραγωγή των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων δυνατή. Εκτός από μεγάλος καινοτόμους της εφεύρεσης του ολοκληρωμένου, ο Robert Noyce ήταν επίσης ένας από τους ιδρυτές της Intel, που είναι σήμερα μια από τις μεγαλύτερες εταιρείες κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων στον κόσμο.

Εξέλιξη Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων

Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα έχουν σημειώσει σημαντική πρόοδο από το πρώτο πρωτότυπο του Jack Kilby. Η ιδέα του αυτή έχει καθιερώσει μια νέα βιομηχανία και αποτελεί το κύριο στοιχείο της μηχανογραφημένης κοινωνίας στην οποία ζούμε σήμερα. Η διαδικασία του σχεδιασμού και έλεγχου τέτοιων κυκλωμάτων έχει αυτοματοποιηθεί και γίνεται, κυρίως, με τη χρήση Η/Υ ( Computer Aided Design – CAD), και όχι στο εργαστήριο. Στην εποχή μας υπάρχουν προηγμένα κυκλώματα τα οποία έχουν αρκετές εκατοντάδες εκατομμύρια τρανζίστορ σε μια περιοχή πιο μικρή από ένα νύχι δακτύλου. Τα τρανζίστορ πάνω σε αυτά τα κυκλώματα έχουν μέγεθος περίπου 90nm, δηλαδή 0.00009 μιλίμετρα. Αυτό σημαίνει ότι μπορούμε να χωρέσουμε εκατοντάδες τέτοια τρανζίστορ σε ένα κύτταρο αίματος.

Κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων

Οι μέθοδοι παραγωγής των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων είναι όμοιες στη βασική τους λογική και διαδικασία με τις μεθόδους παραγωγής των τρανζίστορ που μελετήσαμε σε άλλο άρθρο. Παρακάτω θα μελετήσουμε λεπτομερώς την βασική διαδικασία παραγωγής των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.

Δημιουργία αρχικού υποστρώματος

Ένα μικρό κομμάτι καθαρού κρυστάλλου Si βυθίζεται μέσα σε τήγμα πυριτίου Si το οποίο διατηρείται σε υγρή μορφή, σε θερμοκρασία 12000C σε κατάλληλο φούρνο μικροκυμάτων.

Στην συνέχεια ο κρύσταλλος περιστρέφεται και ανυψώνεται, αργά και σταθερά. Με την κίνηση του αυτή ανυψώνει και μόρια του λειωμένου κρυστάλλου που ψύχονται και στερεοποιούνται με τη διοχέτευση ψυχρής μάζας αερίου που είναι αδρανές ως προς το Si, συνήθως αργό.

Με τον τρόπο αυτόν δημιουργείται ένας κρύσταλλος Si ο οποίος στη συνέχεια τεμαχίζεται σε λεπτά δισκία με πάχος 0,01 ίντσες ή 0,25mm. Το κάθε δισκίο θα αποτελέσει το αρχικό υπόστρωμα, το μπισκότο (wafer) όπως λέγεται, για την δημιουργία του ολοκληρωμένου κυκλώματος IC.

Μετά τον τεμαχισμό του κρυστάλλου, κάθε δισκίο λειαίνεται και καθαρίζεται χημικά για την απομάκρυνση των λιπαρών ουσιών οι οποίες πιθανόν να υπάρχουν και παρεμποδίζουν την διαδικασία που ακολουθεί.

Δημιουργία μονωτικής προστατευτικής επικάλυψης

Για το σκοπό αυτό ένα υπόστρωμα Si τύπου P ή Ν τοποθετείται σε θερμή ατμόσφαιρα υδρατμών ή οξυγόνου. Με τον τρόπο αυτό οξειδώνεται η επιφάνεια του πυριτίου και καλύπτεται το αρχικό υπόστρωμα με SiO2 το πάχος του οποίου εξαρτάται από την θερμοκρασία και το χρόνο παραμονής του υποστρώματος στην ατμόσφαιρα υδρατμών ή οξυγόνου.

Στη συνέχεια γίνεται επιλεκτικά αφαίρεση τμημάτων με φωτολιθογραφικές μεθόδους. Η διαδικασία που ακολουθείται είναι η εξής: Πρώτα καλύπτεται η επιφάνεια του SiO2 με φωτοευαίσθητο υλικό (σχήμα 1) και μετά τοποθετείται πάνω στο υλικό αυτό η πρώτη «μάσκα» που αντιστοιχεί στο ολοκληρωμένο κύκλωμα που θα κατασκευαστεί (σχήμα 2). Στη συνέχεια το σύστημα αυτό εκτίθεται σε υπεριώδη ακτινοβολία. Τα τμήματα που δέχονται υπεριώδη ακτινοβολία σκληραίνουν και μπορούμε να τα αφαιρέσουμε εύκολα αλλά επιτρέπουν και την αφαίρεση του SiO2 στα σημεία που έχει μείνει ακάλυπτο (σχήμα 3).

Δημιουργία περιοχών με προσμίξεις

Στα τμήματα του οξειδωμένου υποστρώματος που έχει αφαιρεθεί το SiO2 δημιουργούνται με διάχυση ή εμφύτευση προσμίξεων περιοχές τύπου Ν ή Ρ (σχήμα 4). Το SiO2 που παραμένει στο υπόστρωμα του πυριτίου επειδή είναι υλικό μονωτικό, σκληρό και ανθεκτικό χρησιμοποιείται σαν προστατευτική επικάλυψη. Έτσι μόνο στα σημεία που έχει αφαιρεθεί μπορούν τα άτομα προσμίξεων να εισχωρήσουν μέσα στο πυρίτιο. Το βάθος στο οποίο θα εισχωρήσουν οι προσμίξεις ελέγχεται με την πυκνότητα των προσμίξεων και το χρόνο της διάχυσης ή εμφύτευσης.

Επόμενα βήματα

Στη συνέχεια έχουμε επανάληψη των προηγούμενων βημάτων. Δηλαδή οξείδωση, τοποθέτηση φωτοευαίσθητου υλικού, τοποθέτηση κατάλληλης μάσκας έκθεση σε υπεριώδη ακτινοβολίας αφαίρεση τμημάτων του φωτοευαίσθητου υλικού και του SiO2 και δημιουργία τμημάτων με προσμίξεις τύπου Ν ή τύπου Ρ (σχήματα 5, 6, 7). Η διαδικασία αυτή μπορεί να επαναληφθεί δυο, τρεις ή πολύ περισσότερες φορές, ανάλογα με την πολυπλοκότητα του κυκλώματος και το βαθμό ολοκλήρωσης του εξαρτήματος.

Συνδέσεις

Όταν τα εξαρτήματα του ολοκληρωμένου κυκλώματος έχουν σχηματιστεί, το επόμενο βήμα είναι ή δημιουργία των συνδέσεων. Το ολοκληρωμένο κύκλωμα αφού αφαιρεθούν τα υπολείμματα του φωτοευαίσθητου υλικού, της μάσκας και του SiO2 οξειδώνεται πάλι και καλύπτεται όλη η επιφάνεια του με SiO2 (σχήμα 8).

Με φωτολιθογραφική μέθοδο πάλι, αφαιρούνται επιλεκτικά τμήματα του SiO2 και τα ολοκληρωμένα καλύπτονται με αλουμίνιο που εισχωρεί στα κενά που δημιουργήθηκαν με την αφαίρεση του SiO2 (σχήμα 9). Το αλουμίνιο ενώνεται αγώγιμα μαζί τους (σχήμα 10) και στη συνέχεια χαράζεται και αφαιρείται τμηματικά έτσι ώστε το αλουμίνιο που απομένει να δημιουργεί τους αγωγούς του κυκλώματος που σχηματίστηκε.

Παραγωγή του ολοκληρωμένου κυκλώματος

Για την μαζική παραγωγή των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (IC) και για την εύκολη επεξεργασίας τους, επειδή έχουν μικρό μέγεθος, τα ολοκληρωμένα κυκλώματα αναπτύσσονται σε υπόστρωμα πολύ μεγαλύτερου μεγέθους από το ίδιο IC. Έτσι πάνω στην ίδια φέτα πυριτίου δημιουργούνται πολλαπλά ολοκληρωμένα κυκλώματα.

Μετά την κατασκευή των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων πάνω στην ίδια φέτα ημιαγωγού, τα IC ελέγχονται και τα ελαττωματικά σημαδεύονται κατάλληλα. Στη συνέχεια με ειδικά υψηλής ακρίβειας κοπτικά εργαλεία, γίνεται η κοπή και ο διαχωρισμός των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.

Μετά την κοπή απομακρύνονται τα ελαττωματικά ολοκληρωμένα κυκλώματα και στα υπόλοιπα γίνεται η σύνδεση των ακροδεκτών με κόλληση ευγενών μετάλλων και στη συνέχεια περικλείνονται στην κατάλληλο περίβλημα θήκη.