integrert krets

Integrert krets, en brikke av et halvledermateriale, som oftest silisium, som inneholder en komplett elektronisk krets. Brikkens størrelse er 2,5 cm² eller mindre, og kan inneholde opptil flere millioner mikroskopisk små enkeltkomponenter som er forbundet til hverandre med et ledningsmønster av metall på overflaten. Basiskomponenten i integrerte kretser er transistoren. Integrerte kretser brukes innen alle områder av elektronikken. Noen av de vanligste er mikroprosessorer, elektroniske hukommelser og forskjellige kretser til kommunikasjon.

En integrert krets består av områder av n- og p-dopet silisium i et tredimensjonalt mønster som ligger like under silisiumbrikkens overflate. På overflaten ligger et isolerende sjikt av silisiumdioksid med hull der hvor kontaktpunktene til de underliggende transistorene skal være. Oppå dette sjiktet ligger et ledningsmønster av aluminium som forbinder de enkelte transistorene slik at de utgjør den ønskede elektroniske kretsen. Tykkelsen av hele strukturen er få mikrometer, mens detaljstørrelsen i brikkens plan kan være ned til få tidels mikrometer.

Utgangspunktet for produksjon er sylinderformet krystallisk silisium. Materialet er ekstremt rent, og består av én eneste krystall med svært få gitterfeil. Denne sylinderen, som er 20-30 cm i diameter, deles opp i løvtynne skiver (eng. wafers). Hver skive gir plass til et stort antall brikker (eng. chips) med integrerte kretser, men gjennomløper det meste av produksjonsprosessen som en enhet.

Produksjonsprosessen består av mange trinn. Et antall prosesstrinn utgjør en dopingsyklus, som gjentas flere ganger. En dopingsyklus består i at hele skiven først belegges med et oksidbelegg ved at den varmes i en ovn med oksygenatmosfære slik at silisiumet oksideres. Deretter etableres et mønster av en spesiell lakk på skiven. Dette mønsteret overføres fra en film, gjerne kalt maske, ved fotografiske teknikker. De deler av oksidsjiktet som ikke er beskyttet av lakken, etses deretter bort hvorpå lakken fjernes. Man har derved fått et oksidsjikt med en rekke åpninger i. Skiven varmes i en ovn, og dopingmaterialet føres inn i ovnen i gassform. Der hvor silisiumet er blottlagt, vil dopingmaterialet diffundere inn i silisiumet, slik at et område under åpningen blir p- eller n-type. Områdets dybde og dopinggrad kontrolleres ved temperatur, tid og mengde av dopingmateriale i atmosfæren. Ved å gjenta dopingsyklusen en rekke ganger, hver gang med forskjellig mønster, og vekselvis med akseptor- og donordopingmateriale, bygger man opp det tredimensjonale mønsteret som utgjør transistorene.

En integrert krets er beskrevet av et antall fotografiske mønstre, masker. Til hvert trinn i produksjonsprosessen hører en maske. På grunn av at detaljstørrelsen i disse maskene nå er nede i få tidels mikrometer, settes det ekstreme krav til de fotografiske prosessene som benyttes. Det er for eksempel ikke mulig å benytte synlig lys siden det har en bølgelengde rundt 0,5 mikrometer og derfor ville gi et altfor diffust bilde. Man benytter derfor røntgenstråler, som har mye kortere bølgelengde.

På grunn av at dimensjonene er så små må produksjonen foregå i ekstremt rene omgivelser. Det bygges egne rom for dette. Når transistorene er laget, oksideres skiven, og man etser hull der hvor tilkoblingspunktene til transistorene skal være. Deretter legger man en film av ledende materiale på skiven. Ved hjelp av fotografiske teknikker belegges filmen med et lakkmønster, og den uønskede delen etses bort, slik at man får dannet forbindelser mellom transistorene. Dette trinnet gjentas flere ganger for å gi flere lag med ledningsføring. Til slutt har man en skive med et antall brikker med ferdige integrerte kretser.

Kretsene blir testet ved at et antall tynne sonder plasseres på en brikkes tilkoblingspunkter. Disse sondene sitter på et testapparat som er styrt av en datamaskin. Ved å sende inn signaler på noen av sondene og måle kretsens respons på de øvrige sondene, kan man teste kretsens funksjon. Alle brikkene på skiven testes suksessivt på denne måten; de som er defekte merkes med en liten fargeklatt. Når testingen er ferdig, blir de defekte brikkene fjernet.

Brikkene monteres deretter i kapsler av metall, keramikk eller plast. Disse kapslene har et antall tilkoblingsben. Brikkenes tilkoblingspunkter kobles til kapslenes ben med tynne gulltråder. Når denne prosessen, kalt bonding, er fullført, lukkes kapselen hermetisk. Til slutt testes den ferdig kapslede integrerte kretsen på nytt.

Testingen av de integrerte kretsene er blitt et stadig større problem etter hvert som kretsenes kompleksitet har økt. Det er f.eks. praktisk umulig å teste de mest avanserte mikroprosessorene ved å sende inn en sekvens av signaler på inngangen, for så å måle responsen på utgangene, fordi det settet med signalkombinasjoner (ofte kalt testvektorer) man må benytte for å teste alle funksjoner, blir så formidabelt stort at det ville ta håpløst lang tid å utføre. Dette problemet har man løst ved å legge inn hjelpekretser i de integrerte kretsene. Disse har til oppgave å teste at kretsen virker og blir bare aktivert under testingen, siden har de ingen funksjon.

De første integrerte kretsene kom i slutten av 1960-årene, og inneholdt da 10–20 transistorer. Graden av integrasjon har siden økt svært raskt, og nå (februar 2009) inneholder de mest komplekse integrerte kretsene mer enn to milliarder transistorer. Denne utviklingen er kjent som Moores lov og har hittil ikke vist noen tegn til å avta.