v., de technologie van elektronische schakelingen, aangebracht in het oppervlak van kleine schijfjes halfgeleidermateriaal (de zgn. chips).
© De integratie van de elektronische schakelingen onderscheidt de micro-elektronika van de elektronika, die schakelingen samenstelt uit losse elektronische componenten, zoals weerstanden, condensatoren, schakelelementen (transistoren), bedradingen en diodes.
Het enorme belang van de micro-elektronika werd in de jaren zestig ingezien door de ruimtevaarttechnologen. Hun streven om mensen in de ruimte en op de maan te brengen, werd bemoeilijkt door het feit dat ruimtevoertuigen erg veel, uit losse onderdelen samengestelde elektronische apparatuur moesten meenemen. Deze apparatuur was vaak zwaar, omvangrijk en nogal onbetrouwbaar. Mede door de eisen van de ruimtevaart gingen grote Amerikaanse elektronikaproducenten als General Electric, Texas Instruments, Fairchild, Bell Telephone en RCA zich concentreren op de micro-elektronika-research en het fundamentele onderzoek aan halfgeleidende materialen. Deze inspanningen resulteerden in een technologie die het mogelijk maakt, geïntegreerde micro-elektronische circuits in grote aantallen te produceren. In de jaren zeventig heeft de microelektronika een explosieve ontwikkeling doorgemaakt, waardoor het mogelijk wordt steeds meer elektronische componenten en geheugenelementen op de chips aan te brengen.
In het begin van de jaren zestig experimenteerden onderzoekers in de VS met kleine stukjes halfgeleidend materiaal, die op een ondergrond werden gesoldeerd en met stroomgeleidende inktsporen werden verbonden. Later werd ontdekt dat complete, maar nog zeer simpele elektronische circuits in het halfgeleidende materiaal zelf konden worden aangebracht door op de halfgeleidende ondergrond dunne lagen aan te brengen met specifieke elektronische eigenschappen. Door op sommige plaatsen delen van een of meer van die lagen weg te etsen, is het mogelijk de elektronische eigenschappen van de lagen en de halfgeleider te integreren tot een geheel dat zich gedraagt als een elektronisch circuit.
In de huidige stand van de micro-elektronika worden de elektronische componenten gerealiseerd door plaatselijke veranderingen van de eigenschappen van het halfgeleidermateriaal. Dit wordt tot stand gebracht door het materiaal van de ondergrond (zeer zuiver silicium) plaatselijk en in verschillende mate te doteren met stoffen die de elektrische geleiding beïnvloeden. Bij het doteren, b.v. door middel van → gasdiffusie of → ionenimplantatie, dringen doteringsionen een klein eindje in de oppervlaktelaag van het silicium; men spreekt daarom van planaire techniek. Om te zorgen dat alleen op de juiste plaatsen doteringstoffen in contact komen met het silicium gebruikt men maskers met gaten op die plaatsen die de doteringstoffen moeten ontvangen. De produktie van een geïntegreerd elektronisch circuit bestaat in feite uit een aantal opeenvolgende doteringen met steeds verschillende maskers, waardoor de uiteindelijke chip een zeer ingewikkelde structuur krijgt van over en tussen elkaar lopende gebiedjes met verschillende elektrische geleidingseigenschappen.
In de microcircuits zijn zeer veel microscopisch kleine transistoren en dioden actief. Een transistor is een digitaal schakelelement en bestaat uit drie delen: de emitter, de collector en de base. Tijdens het fabricageproces ontstaan in grondlaag en oppervlaktelagen negatieve en positieve gebiedjes. De vele transistortjes kunnen dan van een bepaald type worden gemaakt. Om te beginnen moet de silicium grondlaag zodanig worden verontreinigd dat het materiaal halfgeleidende eigenschappen aanneemt. Die halfgeleider kan naar wens van het n-type (negatief) of het p-type (positief) worden gemaakt.
Er ontstaan zo bipolaire Mos-transistoren van het npnof het pnp-type. De afkorting MOS staat voor Métal Oxide Semiconductor en wordt alom gebruikt om de hierboven beschreven micro-elektronische techniek aan te duiden.
Op deze MOS-techniek is weer een aantal varianten mogelijk: MOSFET (FET = Field Effect Transistor), Complementary MOS of CMOS, VMOS, Integrated Injection Logic of EL, Transistor-Transistor Logic of TTL, Transistor-Resistor Logic of TRL, DiodeTransistor Logic of DTL en Resistor-Transistor Logic Of RTL.
In praktijk is het vervaardigen van micro-elektronische circuits een zeer ingewikkeld en specialistisch gebeuren, waarin twee belangrijke fasen moeten worden onderscheiden: de ontwerpfase en de fabricagefase.
Ontwerpfase Het elektronische circuit wordt op de tekentafel ontworpen en vervolgens door middel van simulatie op een computer getest. Hierna moet dit ontwerp omgezet worden in een verdeling van gebiedjes met verschillende eigenschappen in het halfgeleidermateriaal, het zgn. construeren van de chip. Dit construeren moet zodanig gebeuren dat in zo weinig mogelijk maskerstappen een chip gemaakt wordt die aan de gestelde eisen voldoet. Voor elke laag in de chip (d.w.z. elke doteringsfase) moet een apart masker ontworpen worden. Deze maskers worden uitgetekend door zeer grote tekenmachines die door de computer gestuurd worden. Deze tekening, de lay-out, wordt fotografisch verkleind tot de ware grootte van de chip en gemarkeerd op een glazen plaatje, zodat het kan fungeren als contactmasker.
Omdat er altijd een groot aantal identieke chips in één keer gemaakt worden, wordt er een aantal identieke contactmaskers naast en onder elkaar geplaatst. Het ontwerpen van de elektronische circuits van een chip is doorgaans een zeer ingewikkelde en tijdrovende aangelegenheid, waarbij de hulp van een speciaal geprogrammeerde computer onontbeerlijk is. Men spreekt van computer aided design.
Fabricage Het fabricageproces van microcircuits begint bij het laten groeien onder streng gecontroleerde omstandigheden van een cilindervormig siliciummacrokristal. Van deze monokristallijne cilinder met een diameter van ca. 10 cm worden dunne plakken gezaagd (dikte ca. 0,5 mm). Vervolgens wordt één oppervlak gepolijst en wordt in een diffusie-oven een dunne laag siliciumoxide op dat oppervlak aangebracht. De dikte van deze oxidelaag kan door temperatuur en tijd tot op de micrometer nauwkeurig worden bepaald (in verband met de vereiste herhalingsnauwkeurigheid is een goede temperatuursbeheersing essentieel). De volgende stap bestaat uit het aanbrengen van een lichtgevoelige laag: de zgn. fotoresistlaag. Deze fotoresistlaag wordt aangebracht door de schijf snel rond te draaien en een vloeistofdruppel in het middelpunt aan te brengen.
Door toedoen van de middelpuntvliedende kracht verspreidt de vloeistof zich zeer gelijkmatig over het oppervlak. De siliciumschijf is nu gereed voor de eerste stap van het fotolithografische bewerkingsproces, waarin de circuitpatronen in de oppervlaktelagen en de halfgeleidende grondlaag worden aangebracht. Het eerste contactmasker wordt op de schijf gelegd, waarna gedurende enige tijd belichting volgt met ultraviolet licht. Door de aanwezigheid van het masker bereikt het licht sommige delen van de oppervlaktelaag wel en andere niet. Tijdens het hierop volgende etsprocédé worden de belichte delen weggewassen en blijven de onbelichte delen achter. In de zo ontstane vensters kunnen nu bewerkingen plaatsvinden zoals doteren, oxide aanbrengen of verwijderen en geleiders aanbrengen.
Afhankelijk van de complexiteit van het circuit worden de belichtingen met telkens verschillende contactmaskers en de daaropvolgende ets- en doteringsbehandelingen tot tien maal toe herhaald. Uiteindelijk krijgt de siliciumschijf de vorm van een wafel, bestaande uit vele tientallen uniforme microelektronische circuits. Al deze circuits moeten een voor een worden getest. Op de chipranden bevinden zich de zogenaamde bonding pads of contactpunten, waarop de punten van dunne naalden worden geplaatst. Een circuit kan dan worden doorgemeten en getest, door een speciale computer. De circuits die deze test niet doorstaan, worden gemerkt met gekleurde lakpunten.
Een gemiddelde afvalhoeveelheid van meer dan 60 % is normaal. Meestal zijn de fouten te wijten aan materiaal- of kristaldefecten in de halfgeleidende schijf. Tenslotte kunnen de chips uit de wafel worden gesneden. De ongemerkte circuits worden zorgvuldig aangebracht op kleine stalen frames en met dunne metalen draadjes aan de chipranden met het frame in verbinding gebracht. Via dit frame bereiken invoersignalen het circuit en kunnen uitvoersignalen het circuit verlaten. Frame en chip worden ingegoten in kunsthars en nogmaals getest.
De fabricagefase vindt plaats in speciale ateliers en stofvrije ruimten. Eén stofje op een contactmasker onderschept licht en zal een circuit voor de praktijk ongeschikt maken. Erg nauwkeurig komt het positioneren van de contactmaskers. Daartoe worden op de wafel en de maskers speciale markeringstekens aangebracht, zodat de positionering tot op de micrometer nauwkeurig kan plaatsvinden. Bij zeer sterke miniaturiseringen wordt bij het positioneren gebruik gemaakt van lasers, zodat de positionering tot in de grootteorde van de golflengte van het laserlicht nauwkeurig kan zijn.
Gedurende de jaren zeventig heeft de micro-elektronika zich vérgaand ontwikkeld. Steeds verfijnder technieken maakten met mogelijk om steeds meer elektronische componenten op en in het oppervlak van enkele vierkante millimeters halfgeleidend materiaal aan te brengen. Daardoor konden enerzijds steeds ingewikkelder circuits worden gerealiseerd, terwijl anderzijds op de geheugenchips het aantal afzonderlijke geheugenelementen exponentieel toenam. Tegelijkertijd ontstonden diverse miniaturiserings- en integreringstechnieken met elk hun specifieke voor- en nadelen. Uiteindelijk ontstond uit deze technologische ontwikkeling een miniaturiseringstechniek, die wordt aangeduid als large scale integration (LSI). Met deze techniek is het mogelijk dat op de chip zoveel schakelelementen worden samengebracht en geïntegreerd, dat het systeem op de chip in complexiteit overeenkomt met de centrale verwerkingseenheid van een (micro)computersysteem.
Deze uitermate complexe micro-elektronische circuits worden microprocessorchips genoemd. Zij staan centraal in moderne elektronische apparaten, zoals tekstverwerkers, microcomputersystemen, medische apparaten en meet- en regelapparaten. Large scale integration wil in de praktijk zeggen dat één tot enkele tienduizenden micro-elektronische componenten op één chip kunnen worden aangebracht èn geïntegreerd. Die componenten hebben lijnbreedten van iets meer dan één micrometer. Om een dergelijke miniaturisering mogelijk te maken kunnen de contactmaskers niet meer worden belicht met ultraviolet licht. De golflengte van dat licht wordt te groot om nog dienst te kunnen doen als vervoersmedium voor de beeldinformatie van de patroondetails. Daarom worden bij de Lsi-technieken golven met een kortere golflengte toegepast, zoals röntgenstraling en elektronenbundels.
De Lsi-techniek gaat nog vooraf aan de vLSI-techniek (→ very large scale integration), waarmee vele tienduizenden micro-elektronische componenten op één chip kunnen worden aangebracht.
De micro-elektronische technologie is aanvankelijk in Californië ontwikkeld in een gebied bij Santa Clara, waar een opeenhoping ontstond van microelektronische research- en ontwikkelingslaboratoria. Deze streek kreeg de bijnaam Silicon Valley. Later heeft ook Japan zich op die technologie toegelegd en heeft het momenteel eerder een voorsprong dan een achterstand op de VS. In Europa produceren bedrijven als Siemens, AEG-Telefunken en Philips zeer complexe (LSI) micro-elektronische circuits voor hun eigen produkten. De USSR heeft een achterstand op het westen en was lange tijd aangewezen op het importeren van circuits uit de VS en Japan. In Nederland worden op enkele plaatsen micro-elektronische circuits ontworpen en gefabriceerd. De drie technische hogescholen (Delft, Eindhoven en Twenthe beschikken over ic-ateliers (ic = integrated circuit) en streven ernaar om hun kennis dienstbaar te maken aan het Ned. bedrijfsleven ten behoeve van de innovatie.
Litt. H.de Witte, Over micro-elektronica (1980); E.M.van der Ouderaa en B.L.A.Waumans, Microelektronika, microprocessors en andere bouwstenen (in: Natuur en Techniek 4, 1980); P.K.Nauta, Micro-elektronica, werking en fabricage van geïntegreerde schakelingen (in: Natuur en Techniek 8, 1980); N.Baaijens, Chips (1981).
