Integrovaný obvod, bežne označovaný ako IC, je vo svojej podstate mikroskopické pole elektronických obvodov a komponentov, ktoré je rozptýlené alebo implantované na povrch monokryštálu alebo čipu polovodičového materiálu, ako je kremík. Pomenovanie - integrovaný obvod, naznačuje komponenty, obvody a základný materiál sú všetky vyrobené spoločne alebo integrované z jedného kusu kremíka, na rozdiel od diskrétneho obvodu, v ktorom sú komponenty vyrobené osobitne z rôznych materiálov a neskôr sú zostavené do jedného kompaktného celku. Integrované obvody siahajú sú všeobecné pomenovanie pre jednoduchí logické moduly až po kompletné mikropočítače obsahujúce milióny prvkov.

Vplyv integrovaných obvodov na naše životy bol v začiatkoch svojho nástupu obrovský a rovnaký je aj teraz. Integrované obvody sa stali hlavnými súčasťami takmer všetkých elektronických zariadení. Tieto miniatúrne obvody sa vyznačujé najmä nízkymi nákladmi na výrobu, vysokou spoľahlivosťou, nízkymi požiadavkami na napájanie a vysokými rýchlosťami v porovnaní s elektrónkami a tranzistormi, ktoré im predchádzali. Mikropočítače s integrovanými obvodmi sa teraz používajú ako ovládače v zariadeniach, ako sú obrábacie stroje, operačné systémy vozidiel a ďalšie aplikácie, v ktorých sa predtým používali hydraulické, pneumatické alebo mechanické ovládače.
Pretože mikropočítače sú menšie a univerzálnejšie ako predchádzajúce kontrolné mechanizmy, umožňujú zariadeniam reagovať na širší rozsah vstupu a produkovať širší rozsah výstupu. Môžu byť tiež preprogramované bez toho, aby bolo potrebné prepracovať ich riadiace obvody. Mikropočítače s integrovanými obvodmi sú také lacné, že sa dokonca nachádzajú v elektronických hračkách pre deti.

Mooreov zákon

V roku 1965 publikoval Gordon Moore (zakladateľ spoločnosti Intel) dokument, v ktorom sa uvádza, že medzi rokmi 1958 a 1965 sa počet tranzistorov na integrovanom obvode približne každých 18 až 24 mesiacov zdvojnásobí. Predpokladal, že to bude nejaký čas pokračovať. Tento koncept platí už 50 rokov a je známy ako „Mooreov zákon“.

Ak chcete pochopiť súvislosti Mooreovho zákona, pozrime sa na fyzický vývoj mikročipu. V roku 1958 vedec spoločnosti Texas Instruments vyvinul vôbec prvý integrovaný obvod. Mal dva tranzistory (čím viac, tým lepšie) s „dĺžkou procesu hradla“ (čím menší, tým lepší) bol asi 0,5 palca.

Prvé integrované obvody boli vytvorené koncom 50. rokov 20. storočia ako reakcia na požiadavku armády, aby sa miniaturizovaná elektronika používala v riadiacich systémoch rakiet. Tranzistory a dosky s plošnými spojmi boli v tom čase najmodernejšou elektronickou technológiou. Aj keď tranzistory umožnili mnoho nových elektronických aplikácií, inžinieri stále neboli schopní vyrobiť dostatočne malý blok pre veľké množstvo komponentov a obvodov potrebných v zložitých zariadeniach, ako sú sofistikované riadiace systémy a ručné programovateľné kalkulačky. Niekoľko spoločností súťažilo o prielom v miniaturizovanej elektronike a ich vývojové úsilie bolo tak blízko, že sa natíska otázka, ktorá spoločnosť skutočne vyrobila prvý integrovaný obvod. Keď bol v roku 1959 konečne patentovaný integrovaný obvod, patent bol udelený spoločne dvom jednotlivcom pracujúcim samostatne v dvoch rôznych spoločnostiach.

Prvý integrovaný obvod z roku 1958.

Po vynáleze integrovaného obvodu v roku 1959 sa počet komponentov a obvodov, ktoré sa mohli začleniť do jedného čipu, zdvojnásobil každý rok na niekoľko rokov. Prvé integrované obvody obsahovali iba asi 12 komponentov. Proces, ktorý tieto počiatočné integrované obvody produkoval, sa nazýval integrácia v malom meradle alebo SSI. V polovici 60-tych rokov sa začala uplatňovať stredná integrácia MSI a začali sa vyrábať integrované obvody so stovkami komponentov. Nasledovali rozsiahle integračné techniky alebo LSI, ktoré vyrábali integrované obvody s tisíckami komponentov a umožnili vzniku prvých mikropočítačov.

Prvý mikropočítačový čip, často nazývaný aj mikroprocesor, bol vyvinutý spoločnosťou Intel Corporation v roku 1969. Do komerčnej výroby vstúpil v roku 1971 ako Intel 4004. Intel predstavil svoj čip 8088 v roku 1979, nasledovaný procesormi Intel 80286, 80386 a 80486. Koncom osemdesiatych rokov a začiatkom deväťdesiatych rokov boli počítačovým používateľom dobre známe označenia 286, 386 a 486, ktoré odrážajú zvyšujúcu sa úroveň výpočtového výkonu a rýchlosti. Pokračovateľom tohto radu bol čip Pentium od spoločnosti Intel, ktorý bol najnovší v tejto sérii a odrážal ešte vyššiu úroveň spracovania a integrácie.

Štruktúra integrovaného obvodu Intel 4004, ktorý mal 2300 tranzistorov s dĺžkou hradla 10 000 nanometrov a počítačovým výkonom asi 740 kHz. Do tejto doby každý tranzistor stál v priemere asi 1 $.

Teraz rýchlo vpred o ďalších 40 rokov ...

2012 GPU Nvidia uviedla na trh novú grafickú procesorovú jednotku (GPU) so 7,1 miliardami tranzistorov, dĺžkou brány 28 nanometrov a výpočtovým výkonom 7GHz.

Zákon o zrýchľovaní zmien

Mooreov zákon však opisuje iba posledné obdobie (5. paradigma) výpočtového exponenciálneho rastu.

Ako Ray Kurzweil opísal vo svojej vynikajúcej knihe Singularity is Near, exponenciálny rast vo výpočte existuje už viac ako storočie a prešiel piatimi rôznymi paradigmami exponenciálneho rastu:

1. paradigma: Elektromechanické počítače
2. paradigma: Počítače založené na relé
3. paradigma: Počítače na báze elektrónok
4. paradigma: Tranzistorové počítače
5. paradigma: Integrované obvody (Mooreov zákon)

Mooreov zákon (5. paradigma výpočtu) je preto podmnožinou oveľa širšieho exponenciálneho princípu opísaného Kurzweilovým zákonom o zrýchľovaní návratov.

Ako vzniká integrovaný obvod

V integrovanom obvode sa elektronické komponenty, ako napríklad rezistory, kondenzátory, diódy a tranzistory, vytvárajú priamo na povrchu kremíkového kryštálu. Proces výroby integrovaného obvodu bude mať väčší zmysel, ak človek najprv porozumie niektorým základom toho, ako sa tieto komponenty tvoria.

Ešte predtým, ako bol vyvinutý prvý integrovaný obvod, bolo známe, že bežné elektronické komponenty sa dajú vyrobiť z kremíka. Otázkou bolo, ako ich vyrobiť a spojovacie obvody z toho istého kusu kremíka? Riešením bolo zmeniť alebo doplniť chemické zloženie malých oblastí na povrchu kremíkových kryštálov pridaním ďalších chemikálií nazývaných dopanty. Niektoré dopanty sa viažu so kremíkom, aby vytvorili oblasti, v ktorých majú atómy dopantu jeden elektrón, ktorý sa môžu vzdať. Tieto regióny sa nazývajú N regióny. Iné dopanty sa viažu so kremíkom, aby vytvorili oblasti, v ktorých majú atómy dopantu priestor na vzatie jedného elektrónu. Tieto regióny sa nazývajú P regióny. Keď sa P oblasť dotkne N oblasti, hranica medzi nimi sa označuje ako PN spojenie. Táto hranica je široká iba 0,0001 palca (0,0001 cm), je však rozhodujúca pre fungovanie komponentov integrovaného obvodu.

V PN prechode sa atómy týchto dvoch oblastí spájajú takým spôsobom, že vytvárajú tretiu oblasť nazývanú depličná oblasť, v ktorej P dopantové atómy zachytávajú všetky elektróny N dopantu navyše, čím ich vyčerpávajú. Jedným z javov, ktorý vedie k výsledku, je to, že kladné napätie privádzané do oblasti P môže spôsobiť, že elektrický prúd tečie cez spojenie do oblasti N, ale podobné kladné napätie aplikované na oblasť N bude mať za následok malý alebo žiadny prúd pretekajúci cez križovatka späť do oblasti P. Táto schopnosť PN prepojenia viesť alebo izolovať v závislosti od toho, na ktorú stranu je privedené napätie, sa môže použiť na vytvorenie komponentov integrovaného obvodu, ktoré usmerňujú a riadia toky prúdu rovnakým spôsobom ako diódy a tranzistory. Napríklad dióda je jednoducho jediný PN prechod. Zmenou množstva a typov dopantov a zmenou tvarov a relatívnych umiestnení P a N oblastí je možné vytvoriť komponenty integrovaných obvodov, ktoré emulujú funkcie rezistorov a kondenzátorov.

Dizajn

Niektoré integrované obvody je možné považovať za štandardné, bežne dostupné položky. Po návrhu už nie sú potrebné žiadne ďalšie konštrukčné práce. Medzi príklady štandardných integrovaných obvodov patria regulátory napätia, operačné zosilňovače, analógové prepínače a analógovo-digitálne alebo digitálne na analógové prevodníky. Tieto integrované obvody sa zvyčajne predávajú iným spoločnostiam, ktoré ich osádzajú do dosiek s plošnými spojmi pre rôzne elektronické výrobky.

Ostatné integrované obvody sú jedinečné a vyžadujú si rozsiahle projektové práce. Príkladom by mohol byť nový mikroprocesor pre počítače. Takáto konštrukčná práca si môže vyžadovať výskum a vývoj nových materiálov a nových výrobných techník na dosiahnutie konečného návrhu.

Základné materiály

Čistý kremík je základým materálom pre väčšinu integrovaných obvodov. Poskytuje základňu alebo substrát pre celý čip a je chemicky dotovaný, aby poskytoval oblasti N a P, ktoré tvoria jednotlivé komponenty integrovaného obvodu. Kremík musí byť taký čistý, že nečistotou môže byť iba jeden z každých desiatich miliárd atómov. To by zodpovedalo jednému zrnu cukru v dvesto kilogramoch piesku. Oxid kremičitý sa používa ako izolátor a dielektrický materiál v kondenzátoroch integrovaného obvodu.

Typické prísady typu N zahŕňajú fosfor a arzén. Bór a gálium sú typické dopanty typu P. Hliník sa bežne používa ako konektor medzi rôznymi komponentmi integrovaného obvodu. Tenké vodiče určené pre vodivé spojenia z čipu integrovaného obvodu do jeho montážneho obalu môžu byť hliník alebo zlato. Samotný montážny obal môže byť vyrobený z keramických alebo plastových materiálov.

Výrobný proces

Stovky integrovaných obvodov sa vyrábajú súčasne na jednom tenkom pláte kremíka a potom sa rozdeľujú na jednotlivé čipy integrovaných obvodov. Výrobný proces sa uskutočňuje v prísne kontrolovanom prostredí známom ako čistá miestnosť, kde sa vzduch filtruje, aby sa odstránili cudzie častice. Každý z operátorov zariadenia v miestnosti nosí špeciálne prachotesné odevy, rukavice a pokrývky hlavy a chodidiel, ktoré po sebe nezanechávajú vlákna. Pretože niektoré komponenty integrovaných obvodov sú citlivé na určité frekvencie svetla, filtrujú sa aj zdroje svetla. Aj keď sa výrobné procesy môžu líšiť v závislosti od vyrábaného integrovaného obvodu, nasledujúci proces je typický.

Príprava kremíkovej doštičky

1. Valcový ingot kremíka s priemerom približne 3,8 až 10,2 cm je držaný vertikálne vo vákuovej komore, ktorá ho obklopuje vysokoteplotnou vyhrievacou špirálou. Začínajúc v hornej časti valca sa kremík zahrieva na teplotu topenia asi 1400 ° C. Aby sa zabránilo kontaminácii, zahrievaná oblasť je obsiahnutá iba povrchovým napätím roztaveného kremíka. Ako sa región topí, všetky nečistoty v kremíku sa stanú mobilnými. Ohrievacia špirála sa pomaly pohybuje po celej dĺžke valca a nečistoty sa prenášajú spolu s roztavenou oblasťou. Keď vyhrievacia špirála dosiahne dno, takmer všetky nečistoty boli zametané a sú tam koncentrované. Spodok sa potom odreže a zanechá valcovitý ingot z čisteného kremíka.
2. Tenký okrúhly plát z kremíka sa odreže z ingotu pomocou presného rezacieho stroja nazývaného krájač oblátok. Každý rez je hrubý asi 0,01 až 0,025 palca (0,004 až 0,01 cm). Povrch, na ktorom sa majú vytvoriť integrované obvody, je vyleštený.
3. Povrchy oblátky sú potiahnuté vrstvou oxidu kremičitého, aby sa vytvoril izolačný základ a aby sa zabránilo oxidácii kremíka, ktorá by spôsobila nečistoty. Oxid kremičitý sa tvorí vystavením doštičky prehriatej vodnej pare pri asi 1 000 ° C (1 830 ° F) za tlaku niekoľkých atmosfér, aby sa umožnilo reakcii kyslíka vo vodnej pare s kremíkom. Hrúbka vrstvy oxidu kremičitého sa riadi reguláciou teploty a dĺžky expozície.

Maskovanie

1. Zložitá a vzájomne prepojená konštrukcia obvodov a komponentov sa pripravuje podobným postupom, aký sa používa na výrobu dosiek s plošnými spojmi. Pre integrované obvody sú však rozmery omnoho menšie a nad sebou sa prekrýva veľa vrstiev. Dizajn každej vrstvy sa pripravuje na počítačom podporovanom kresliacom stroji a obraz sa vytvorí v maske, ktorá sa opticky zmenší a prenesie na povrch oblátky. Maska je v niektorých oblastiach nepriehľadná av iných jasná. Na obrázkoch sú zobrazené všetky zopár stoviek integrovaných obvodov.
2. Kvapka fotorezistového materiálu sa umiestni do stredu kremíkovej doštičky a doštička sa rýchlo točí, aby sa fotorezist rozptýlil po celom povrchu. Fotorezist sa potom pečie, aby sa odstránilo rozpúšťadlo.
3. Potiahnutá oblátka sa potom umiestni pod masku prvej vrstvy a ožaruje sa svetlom. Pretože priestory medzi obvodmi a komponentmi sú také malé, ultrafialové svetlo s veľmi krátkou vlnovou dĺžkou sa používa na vytlačenie malých priehľadných oblastí masky. Na ožarovanie fotorezistu sa niekedy používajú aj lúče elektrónov alebo röntgenové lúče.
4. Maska sa odstráni a časti fotorezistu sa rozpustia. Ak sa použije pozitívny fotorezist, potom sa ožarované oblasti rozpustia. Ak sa použije negatívny fotorezist, zostanú ožarované oblasti. Odkryté oblasti sa potom buď chemicky leptajú, aby sa otvorila vrstva, alebo sa podrobia chemickému dopovaniu, aby sa vytvorila vrstva P alebo N oblastí.

Doping - atómová difúzia

• Jedným zo spôsobov pridávania dopantov na vytvorenie vrstvy P alebo N oblastí je atómová difúzia. Pri tomto spôsobe sa dávka doštičiek umiestni do pece vyrobenej z kremennej trubice obklopenej vyhrievacím prvkom. Doštičky sa zahrievajú na prevádzkovú teplotu asi 816 až 1205 ° C) a dopantová chemikália sa privádza do inertného plynu. Keď dopant a plyn prechádzajú cez doštičky, dopant sa ukladá na horúce povrchy ponechané exponované maskovacím procesom. Táto metóda je vhodná na dotovanie relatívne veľkých plôch, ale nie je presná pre menšie oblasti. Existujú tiež problémy s opakovaným použitím vysokých teplôt, keď sa pridávajú následné vrstvy.

Doping - implantácia iónov

• Druhou metódou na pridávanie dopantov je iónová implantácia. Pri tomto spôsobe sa dopantový plyn, ako napríklad fosfín alebo chlorid boritý, ionizuje, aby sa získal lúč vysokoenergetických dopantových iónov, ktoré sa spaľujú v špecifických oblastiach doštičky. Ióny prenikajú do doštičky a zostávajú implantované. Hĺbku prieniku je možné regulovať zmenou energie lúča a množstvo dopantu je možné regulovať zmenou prúdu lúča a času expozície. Celý proces sa schematicky podobá vystreleniu lúča v katódovej trubici. Táto metóda je tak presná, nevyžaduje maskovanie - iba ukazuje a vystrelí dopant tam, kde je to potrebné. Je však oveľa pomalší ako proces atómovej difúzie.

Vytváranie po sebe nasledujúcich vrstiev

• Proces maskovania a leptania alebo dopingu sa opakuje pre každú nasledujúcu vrstvu v závislosti od použitého dopingového procesu, až kým nie sú všetky čipy integrovaných obvodov úplné. Niekedy je položená vrstva oxidu kremičitého, aby poskytovala izolátor medzi vrstvami alebo komponentmi. Toto sa uskutočňuje procesom známym ako chemické nanášanie pár, pri ktorom sa povrch oblátky zahreje na asi 400 ° C a reakciou medzi plynným silánom a kyslíkom sa vytvorí vrstva oxidu kremičitého. Konečná vrstva oxidu kremičitého utesňuje povrch, konečné leptanie otvára kontaktné body a vrstva hliníka sa ukladá na vytvorenie kontaktných vankúšikov. V tomto bode sa jednotlivé integrované obvody testujú na elektrickú funkciu.

Vytváranie jednotlivých integrovaných obvodov

• Tenká doštička je ako kúsok skla. Stovky jednotlivých čipov sa oddelia vyrezaním  jemným kosoštvorcovým rezacím nástrojom a potom sa doštička vystaví tlaku, aby sa každý čip oddelil. Tie integrované obvody, ktoré neprešli elektrickým testom, sa zahodia. Inšpekcia pod mikroskopom odhalí ďalšie integrované obvody, ktoré boli poškodené separačným procesom, a tie sa tiež vyradia.
• Dobré integrované obvody sú jednotlivo spojené do ich montážneho balenia a tenké vodiče sú pripojené buď ultrazvukovým spojením alebo termokompresiou. Montážny obal je označený identifikačným číslom dielu a ďalšími dodatočnými informáciami.
• Dokončené integrované obvody sú zapečatené v antistatických plastových vreckách, prepravných trubiciach, alebo páskach, ktoré sa majú skladovať alebo odosielať konečnému užívateľovi.

Kontrola kvality

Napriek kontrolovanému prostrediu a používaniu presných nástrojov je vždy vyradené značne veľké množstvo čipov  a aj integrovaných obvodov. Aj keď percento vyradených čipov v priebehu rokov neustále klesalo, úloha výroby vzájomne prepletenej mriežky mikroskopických obvodov a súčastí je stále náročná a určité množstvo vyradení je nevyhnutné.

Nebezpečné materiály a recyklácia

Okrem toho, že používané prísady ako gálium a arzén vysoko toxické a nebezpečné látky,ich skladovanie, použitie a likvidácia sa musí prísne kontrolovať.

Pretože čipy integrovaných obvodov sú také všestranné, objavil sa významný recyklačný priemysel. Mnoho integrovaných obvodov a ďalšie elektronické komponenty sú odstránené z inak zastaralého zariadenia, testované a opätovne predané na použitie v iných zariadeniach.

Budúcnosť integrovaného obvodu

Je ťažké s istotou povedať, čo bude pre integrovaný obvod platiť budúcnosti. Zmeny v technológii od vynálezu zariadenia boli rýchle, ale vývojové. V architektúre alebo usporiadaní obvodov na čipe sa vykonalo veľa zmien, ale integrovaný obvod stále zostáva na báze kremíka.

Ak dôjde k takémuto výraznému skoku, môže ďalší veľký pokrok v rozvoji elektronických zariadení znamenať úplne novú technológiu obvodov. Vždy bolo známe, že sú možno lepšie zariadenia ako najlepší mikroprocesor. Ľudský mozog napríklad spracováva informácie oveľa efektívnejšie ako ktorýkoľvek iný počítač a niektorí futuristi špekulovali, že ďalšia generácia procesných obvodov bude skôr biologická než minerálna. V tomto okamihu sú také záležitosti vecou fikcie. Neexistujú žiadne bezprostredné známky toho, že by integrovaný obvod mohol byť ohrozeným druhom, alebo by mu hrozilo vyhynutie.

Použité zdroje

Knihy :

Braithwaite, Nicholas a Graham Weaver, Eds. Electronic Materials. Butterworths, 1990.

Gibilisco, Stan. International Encyclopedia of Integrated Circuits, 2nd ed. Tab Books, a Division of McGraw-Hill, 1992.

Spinks, Brian. Introduction to Integrated-Circuit Layout. Prentice-Hall, 1985.

Poznámka: Aj keď boli pre písanie článku použité podklady staršieho dáta, sú vývojové údaje aktuálne aj pre dnešnú dobu a pre súčastné trendy v oblasti vývoja  a výroby integrovaných obvodov.
Obrázok : Intel 4004