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STORIA DELLA TECNOLOGIA, DELLA TECNOLOGIA, DEGLI OGGETTI INTORNO A NOI
Circuito integrato. Storia dell'invenzione e della produzione
Elenco / La storia della tecnologia, della tecnologia, degli oggetti che ci circondano Circuito (micro) integrato (IC, IC, m / s, circuito integrato inglese, IC, microcircuito), chip, microchip (microchip inglese, chip di silicio, chip - una lastra sottile - il termine originariamente si riferiva a una lastra di cristallo del microcircuito) - dispositivo microelettronico - un circuito elettronico di complessità arbitraria (cristallo), realizzato su un substrato semiconduttore (piastra o pellicola) e posto in una custodia non separabile, o senza di esso, se incluso nel microassieme.
La microelettronica è la più significativa e, come molti credono, la più importante conquista scientifica e tecnologica del nostro tempo. Può essere paragonato a punti di svolta nella storia della tecnologia come l'invenzione della stampa nel XVI secolo, la creazione della macchina a vapore nel XVIII secolo e lo sviluppo dell'ingegneria elettrica nel XIX. E quando oggi si parla di rivoluzione scientifica e tecnologica, si parla principalmente di microelettronica. Come nessun altro risultato tecnico dei nostri giorni, permea tutte le sfere della vita e rende realtà ciò che ieri era semplicemente impossibile da immaginare. Per esserne convinti, basti pensare a calcolatrici tascabili, radio in miniatura, comandi elettronici negli elettrodomestici, orologi, computer e computer programmabili. E questa è solo una piccola parte della sua portata! La microelettronica deve la sua origine e la sua stessa esistenza alla creazione di un nuovo elemento elettronico subminiaturizzato: un microcircuito integrato. L'aspetto di questi circuiti, in effetti, non era una sorta di invenzione fondamentalmente nuova: derivava direttamente dalla logica dello sviluppo dei dispositivi a semiconduttore. All'inizio, quando gli elementi semiconduttori stavano appena entrando in vita, ogni transistor, resistore o diodo veniva utilizzato separatamente, ovvero era racchiuso in una propria custodia individuale e incluso nel circuito utilizzando i suoi singoli contatti. Ciò è stato fatto anche in quei casi in cui era necessario assemblare molti circuiti simili dagli stessi elementi. A poco a poco, si è capito che era più razionale non assemblare tali dispositivi da elementi separati, ma produrli immediatamente su un chip comune, soprattutto perché l'elettronica a semiconduttore ha creato tutti i prerequisiti per questo. In effetti, tutti gli elementi a semiconduttore sono molto simili nella loro struttura tra loro, hanno lo stesso principio di funzionamento e differiscono solo per la disposizione reciproca delle regioni pn. Queste regioni pn, come ricordiamo, sono create introducendo impurità dello stesso tipo nello strato superficiale di un cristallo semiconduttore. Inoltre, è garantito un funzionamento affidabile e sotto tutti i punti di vista soddisfacente della stragrande maggioranza degli elementi semiconduttori con uno spessore dello strato di lavoro superficiale di millesimi di millimetro. I transistor più piccoli di solito utilizzano solo lo strato superiore di un cristallo semiconduttore, che è solo l'1% del suo spessore. Il restante 99% funge da supporto o substrato, poiché senza un substrato il transistor potrebbe semplicemente collassare al minimo tocco. Pertanto, utilizzando la tecnologia utilizzata per produrre i singoli componenti elettronici, è possibile creare immediatamente un circuito completo da diverse decine, centinaia e persino migliaia di tali componenti su un singolo chip. Il vantaggio di questo sarà enorme. In primo luogo, i costi diminuiranno immediatamente (il costo di un microcircuito è solitamente centinaia di volte inferiore al costo totale di tutti gli elementi elettronici dei suoi componenti). In secondo luogo, un tale dispositivo sarà molto più affidabile (come mostra l'esperienza, migliaia e decine di migliaia di volte), e questo è di enorme importanza, poiché la risoluzione dei problemi in un circuito di decine o centinaia di migliaia di componenti elettronici diventa un problema estremamente difficile . In terzo luogo, poiché tutti gli elementi elettronici di un circuito integrato sono centinaia e migliaia di volte più piccoli delle loro controparti in un circuito combinato convenzionale, il loro consumo di energia è molto inferiore e la loro velocità è molto più elevata. L'evento chiave che ha segnato l'arrivo dell'integrazione nell'elettronica è stata la proposta dell'ingegnere americano J. Kilby di Texas Instruments di ottenere elementi equivalenti per l'intero circuito, come registri, condensatori, transistor e diodi in un pezzo monolitico di puro silicio. Kilby creò il primo circuito integrato a semiconduttore nell'estate del 1958. E già nel 1961, la Fairchild Semiconductor Corporation ha prodotto i primi microcircuiti seriali per computer: un circuito di coincidenza, un registro semi-shift e un flip-flop. Nello stesso anno, la produzione di circuiti logici integrati a semiconduttore fu dominata dal Texas. L'anno successivo apparvero circuiti integrati di altre aziende. In breve tempo sono stati creati vari tipi di amplificatori in design integrato. Nel 1962, RCA ha sviluppato circuiti integrati di array di memoria per dispositivi di archiviazione per computer. A poco a poco, la produzione di microcircuiti fu stabilita in tutti i paesi: iniziò l'era della microelettronica. Il materiale di partenza per un circuito integrato è solitamente un wafer di silicio grezzo. Ha dimensioni relativamente grandi, poiché su di esso vengono prodotte contemporaneamente diverse centinaia di microcircuiti dello stesso tipo. La prima operazione è che sotto l'influenza dell'ossigeno a una temperatura di 1000 gradi, sulla superficie di questa piastra si forma uno strato di biossido di silicio. L'ossido di silicio è caratterizzato da un'elevata resistenza chimica e meccanica e ha le proprietà di un eccellente dielettrico, fornendo un isolamento affidabile al silicio che si trova sotto di esso. Il passo successivo è l'introduzione di impurità per creare zone di conduzione p o n. Per fare ciò, la pellicola di ossido viene rimossa da quei punti della piastra che corrispondono ai singoli componenti elettronici. La selezione delle aree desiderate avviene mediante un processo chiamato fotolitografia. Innanzitutto, l'intero strato di ossido è ricoperto da un composto fotosensibile (photoresist), che svolge il ruolo di una pellicola fotografica: può essere illuminato e sviluppato. Successivamente, attraverso una speciale fotomaschera contenente un pattern superficiale di un cristallo semiconduttore, la lastra viene illuminata con raggi ultravioletti. Sotto l'influenza della luce, sullo strato di ossido si forma uno schema piatto, con le aree non illuminate che rimangono chiare e tutto il resto - oscurato. Nel luogo in cui la fotoresistenza è stata esposta alla luce, si formano aree insolubili del film resistenti agli acidi. Il wafer viene quindi trattato con un solvente che rimuove il fotoresist dalle aree esposte. Dai luoghi aperti (e solo da essi), lo strato di ossido di silicio viene inciso con acido. Di conseguenza, l'ossido di silicio si dissolve nei punti giusti e si aprono "finestre" di silicio puro, pronte per l'introduzione di impurità (legatura). Per fare ciò, la superficie del substrato a una temperatura di 900-1200 gradi viene esposta all'impurità desiderata, ad esempio fosforo o arsenico, per ottenere conduttività di tipo n. Gli atomi di impurità penetrano in profondità nel silicio puro, ma vengono respinti dal suo ossido. Dopo aver elaborato la lastra con un tipo di impurità, viene preparata per la legatura con un altro tipo: la superficie della lastra viene nuovamente ricoperta da uno strato di ossido, vengono eseguite una nuova fotolitografia e incisione, a seguito delle quali nuove "finestre" di silicio aperto. Segue una nuova legatura, ad esempio con boro, per ottenere conducibilità di tipo p. Pertanto, le regioni p e n si formano nei punti giusti sull'intera superficie del cristallo. L'isolamento tra i singoli elementi può essere creato in diversi modi: uno strato di ossido di silicio può fungere da tale isolamento, oppure è possibile creare anche giunzioni pn bloccanti nei punti giusti. La fase successiva di elaborazione è associata all'applicazione di connessioni conduttive (linee conduttive) tra gli elementi del circuito integrato, nonché tra questi elementi e contatti per il collegamento di circuiti esterni. Per fare ciò, sul supporto viene spruzzato un sottile strato di alluminio, che si deposita sotto forma di una pellicola molto sottile. Viene sottoposto a lavorazioni fotolitografiche e ad incisione, simili a quelle sopra descritte. Di conseguenza, dall'intero strato di metallo rimangono solo sottili linee conduttive e cuscinetti. Infine, l'intera superficie del cristallo semiconduttore è ricoperta da uno strato protettivo (il più delle volte, vetro silicato), che viene poi rimosso dai pad. Tutti i microcircuiti prodotti sono sottoposti ai più severi controlli al banco di controllo e prova. I circuiti difettosi sono contrassegnati da un punto rosso. Infine, il cristallo viene tagliato in piastre di microcircuito separate, ciascuna delle quali è racchiusa in una robusta custodia con cavi per il collegamento a circuiti esterni. La complessità di un circuito integrato è caratterizzata da un indicatore chiamato grado di integrazione. I circuiti integrati con più di 100 elementi sono detti microcircuiti con un basso grado di integrazione; circuiti contenenti fino a 1000 elementi - circuiti integrati con un grado medio di integrazione; circuiti contenenti fino a decine di migliaia di elementi - grandi circuiti integrati. Si stanno già realizzando circuiti contenenti fino a un milione di elementi (si chiamano super-large). Il progressivo aumento dell'integrazione ha portato al fatto che ogni anno i circuiti diventano sempre più miniaturizzati e, di conseguenza, sempre più complessi. Un numero enorme di dispositivi elettronici che avevano grandi dimensioni ora si adattano a una minuscola lastra di silicio. Un evento estremamente importante lungo questo percorso è stata la creazione nel 1971 da parte dell'azienda americana Intel di un unico circuito integrato per l'esecuzione di operazioni aritmetiche e logiche: il microprocessore. Ciò ha portato a una grandiosa svolta della microelettronica nel campo della tecnologia informatica. Autore: Ryzhov KV
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