Τι εμπλέκεται στην κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων;

Η κατασκευή ολοκληρωμένου κυκλώματος περιλαμβάνει μια διαδικασία δημιουργίας πολύ λεπτών επιφανειακών στρώσεων ημιαγωγικού υλικού πάνω από ένα στρώμα υποστρώματος, που συνήθως κατασκευάζεται από πυρίτιο, που μπορεί να μεταβληθεί χημικά σε ατομικό επίπεδο για να δημιουργηθεί η λειτουργικότητα διαφόρων τύπων συστατικών κυκλώματος, συμπεριλαμβανομένων των τρανζίστορ,Οι πυκνωτές, οι αντιστάσεις και οι δίοδοι.Πρόκειται για μια πρόοδο σε σχέση με τα προηγούμενα σχέδια κυκλωμάτων όπου μεμονωμένα εξαρτήματα αντιστάσεων, τρανζίστορ και άλλων συνδέθηκαν με το χέρι σε ένα συνδετικό breadboard για να σχηματίσουν σύνθετα κυκλώματα.Μια διαδικασία κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων λειτουργεί με εξαρτήματα που είναι τόσο μικρά που μπορούν να δημιουργηθούν δισεκατομμύρια από αυτά σε μια περιοχή λίγων τετραγωνικών εκατοστών από το 2011, μέσω διαφόρων διαδικασιών λιθογραφίας και χάραξης σε μια μονάδα κατασκευής μικροτσίπ.

Ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα ή το IC, το τσιπ είναι κυριολεκτικά ένα στρώμα ημιαγωγικού υλικού, όπου όλα τα εξαρτήματα του κυκλώματος διασυνδέονται σε μια σειρά διαδικασιών κατασκευής, έτσι ώστε όλα τα εξαρτήματα να μην χρειάζεται πλέον να κατασκευάζονται μεμονωμένα και να συναρμολογούνται αργότερα.Η παλαιότερη μορφή του ολοκληρωμένου κυκλώματος μικροτσίπ παράχθηκε το 1959 και ήταν μια ακατέργαστη συναρμολόγηση αρκετών δεκάδων ηλεκτρονικών εξαρτημάτων.Η πολυπλοκότητα της κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων αυξήθηκε εκθετικά, ωστόσο, με εκατοντάδες εξαρτήματα σε μάρκες IC μέχρι τη δεκαετία του 1960 και χιλιάδες εξαρτήματα μέχρι το 1969 όταν δημιουργήθηκε ο πρώτος αληθινός μικροεπεξεργαστής.Τα ηλεκτρονικά κυκλώματα από το 2011 διαθέτουν τσιπ IC σε απόσταση λίγων εκατοστών σε μήκος ή πλάτος που μπορούν να συγκρατήσουν εκατομμύρια τρανζίστορ, πυκνωτές και άλλα ηλεκτρονικά εξαρτήματα.Οι μικροεπεξεργαστές για συστήματα υπολογιστών και μονάδες μνήμης που περιέχουν κυρίως τρανζίστορ είναι η πιο εξελιγμένη μορφή τσιπ IC από το 2011 και μπορούν να έχουν δισεκατομμύρια εξαρτήματα ανά τετραγωνικό εκατοστό.

Δεδομένου ότι τα εξαρτήματα στην κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων είναι τόσο μικρά, ο μόνος αποτελεσματικός τρόπος για να τα δημιουργήσουμε είναι να χρησιμοποιηθούν οι διαδικασίες χημικής χάραξης που περιλαμβάνουν αντιδράσεις στην επιφάνεια του δίσκου από την έκθεση στο φως.Μια μάσκα ή ένα είδος μοτίβου δημιουργείται για το κύκλωμα και το φως λάμπει μέσα από αυτό στην επιφάνεια των πλακιδίων, η οποία επικαλύπτεται με ένα λεπτό στρώμα φωτοανθεκτικού υλικού.Αυτή η μάσκα επιτρέπει τη χαραγμένη μοτίβα στον φωτοαντιγραφικό δίσκο που στη συνέχεια ψήνεται σε υψηλή θερμοκρασία για να στερεοποιηθεί το μοτίβο.Το υλικό φωτοαντιστάτης στη συνέχεια εκτίθεται σε διάλυμα διάλυσης που αφαιρεί είτε την ακτινοβολημένη περιοχή είτε την κάλυψη της περιοχής της επιφάνειας ανάλογα με το αν το φωτοαντιγραφικό υλικό είναι θετικό ή αρνητικό χημικό αντιδραστήριο.Αυτό που απομένει είναι ένα λεπτό στρώμα διασυνδεδεμένων εξαρτημάτων σε πλάτος του μήκους κύματος του χρησιμοποιούμενου φωτός, το οποίο μπορεί να είναι είτε υπεριώδη φως είτε ακτίνες Χ.

Μετά την κάλυψη, η ολοκληρωμένη κατασκευή κυκλώματος περιλαμβάνει το ντόπινγκ του πυριτίου ή την εμφύτευση μεμονωμένων ατόμων συνήθως ατόμων φωσφόρου ή βορίου στην επιφάνεια του υλικού, το οποίο δίνει τοπικές περιοχές στον κρύσταλλο είτε θετικό είτε αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο.Αυτές οι φορτισμένες περιοχές είναι γνωστές ως περιοχές Ρ και Ν και, όπου συναντιούνται, σχηματίζουν μια διασταύρωση μετάδοσης για να δημιουργήσουν ένα καθολικό ηλεκτρικό στοιχείο γνωστό ως διασταύρωση PN.Τέτοιες διασταυρώσεις έχουν πλάτος περίπου 1.000 έως 100 νανομέτρων από το 2011 για τα περισσότερα ολοκληρωμένα κυκλώματα, γεγονός που καθιστά κάθε διασταύρωση PN για το μέγεθος ενός ανθρώπινου ερυθρού αιμοσφαιρίου, το οποίο είναι περίπου 100 νανόμετρα σε πλάτος.Η διαδικασία δημιουργίας διασταυρώσεων PN προσαρμόζεται χημικά για να παρουσιάζει διάφορους τύπους ηλεκτρικών ιδιοτήτων, καθιστώντας δυνατή τη διασταύρωση να λειτουργήσει ως τρανζίστορ, αντίσταση, πυκνωτής ή διόδους.

Λόγω του πολύ λεπτού επιπέδου εξαρτημάτων και των συνδέσεων μεταξύ των εξαρτημάτων σε ολοκληρωμένα κυκλώματα, όταν η διαδικασία καταρρέει και υπάρχουν ελαττωματικά εξαρτήματα, ολόκληρο το δίσκο πρέπει να πεταχτεί καθώς δεν μπορεί να επισκευαστεί.Αυτό το επίπεδο ελέγχου ποιότητας αυξάνεται σε ακόμη υψηλότερο επίπεδο από το γεγονός ότι το πιο σύγχρονο ICΤα τσιπς από το 2011 αποτελούνται από πολλά στρώματα ολοκληρωμένων κυκλωμάτων που στοιβάζονται στην κορυφή μεταξύ τους και συνδέονται μεταξύ τους για να δημιουργήσουν το ίδιο το τελικό τσιπ και να του δώσουν περισσότερη δύναμη επεξεργασίας.Τα μονωτικά και μεταλλικά στρώματα διασύνδεσης πρέπει επίσης να τοποθετηθούν μεταξύ κάθε στρώματος κυκλώματος, καθώς και να καταστεί το κύκλωμα λειτουργικό και αξιόπιστο.

Αν και πολλά απόρριψη μάρκες παράγονται στη διαδικασία κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, αυτά που λειτουργούν ως τελικά προϊόντα που περνούν ηλεκτρικές δοκιμές και οι επιθεωρήσεις μικροσκοπίου είναι τόσο πολύτιμες ώστε να κάνει τη διαδικασία εξαιρετικά κερδοφόρα.Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα ελέγχουν τώρα σχεδόν κάθε σύγχρονη ηλεκτρονική συσκευή που χρησιμοποιούνται από το 2011, από υπολογιστές και κινητά τηλέφωνα έως ηλεκτρονικά στοιχεία καταναλωτικής, όπως τηλεοράσεις, συστήματα μουσικής και συστήματα παιχνιδιών.Είναι επίσης βασικά στοιχεία των συστημάτων ελέγχου αυτοκινήτων και αεροσκαφών και άλλων ψηφιακών συσκευών που προσφέρουν ένα επίπεδο ικανότητας προγραμματισμού στον χρήστη, που κυμαίνονται από ψηφιακά ξυπνητήρια έως περιβαλλοντικούς θερμοστάτες.