集成电路

背景

集成电路，通常称为 IC，是一种电子电路和组件的微观阵列，已扩散或植入到半导体材料（如硅）的单晶或芯片的表面上。之所以称为集成电路，是因为元件、电路和基础材料都由一块硅制成或集成在一起，而不是分立电路，其中元件由不同的材料分开制成，然后再组装. IC 的复杂程度不一，从简单的逻辑模块和放大器到包含数百万个元件的完整微型计算机。

集成电路对我们生活的影响是巨大的。 IC已成为几乎所有电子设备的主要部件。与之前的真空管和晶体管相比，这些微型电路展示了低成本、高可靠性、低功率要求和高处理速度。集成电路微型计算机现在用作设备的控制器，例如机床、车辆操作系统以及以前使用液压、气动或机械控制的其他应用。由于 IC 微型计算机比以前的控制机制更小、更通用，它们允许设备响应更广泛的输入并产生更广泛的输出。它们也可以重新编程而无需重新设计控制电路。集成电路微型计算机非常便宜，甚至可以在儿童电子玩具中找到。

第一个集成电路是在 1950 年代后期创建的，以响应军方对用于导弹控制系统的微型电子设备的需求。当时，晶体管和印刷电路板 是最先进的电子技术。尽管晶体管使许多新的电子应用成为可能，但工程师仍然无法为复杂设备（如复杂的控制系统和手持式可编程计算器）所需的大量组件和电路制造足够小的封装。几家公司竞相在小型化电子产品方面取得突破性进展，而且他们的开发工作非常接近，以至于究竟哪家公司生产了第一个 IC 存在一些疑问。事实上，当集成电路最终于 1959 年获得专利时，该专利是共同授予在两个不同公司分别工作的两个人的。

1959 年 IC 发明后，可以集成到单个芯片中的元件和电路的数量在几年内每年都增加一倍。第一个集成电路仅包含多达十几个组件。生产这些早期 IC 的过程被称为小规模集成或 SSI。到 1960 年代中期，中等规模的集成公司 MSI 生产了具有数百个组件的 IC。紧随其后的是大规模集成技术（LSI），它生产具有数千个组件的 IC，并使第一台微型计算机成为可能。

第一个微型计算机芯片，通常称为微处理器，由英特尔公司于 1969 年开发。它于 1971 年作为英特尔 4004 投入商业生产。英特尔于 1979 年推出了他们的 8088 芯片，随后是英特尔 80286、80386 和 80486。在 1980 年代末和 1990 年代初，名称 286、386 和 486 为计算机用户所熟知，因为它们反映了计算能力和速度水平的提高。 Intel的Pentium芯片是该系列的最新款，体现了更高的水平。

集成电路
元件是如何形成的

在集成电路中，电阻器、电容器、二极管和晶体管等电子元件直接形成在硅晶体的表面上。如果首先了解这些组件是如何形成的一些基础知识，那么制造集成电路的过程将更有意义。

甚至在开发出第一个 IC 之前，人们就知道可以用硅制造常见的电子元件。问题是如何用同一块硅制造它们和连接电路？解决方案是通过添加其他称为掺杂剂的化学物质来改变或掺杂硅晶体表面微小区域的化学成分。一些掺杂剂与硅结合以产生掺杂剂原子具有一个可以放弃的电子的区域。这些被称为 N 个区域。其他掺杂剂与硅结合以产生掺杂剂原子有空间容纳一个电子的区域。这些被称为 P 区。当 P 区与 N 区接触时，它们之间的边界称为 PN 结。该边界只有 0.000004 英寸（0.0001 厘米）宽，但对集成电路元件的运行至关重要。

在 PN 结内，两个区域的原子以这样一种方式结合，以创建第三个区域，称为耗尽区，其中 P 掺杂剂原子捕获所有 N 掺杂剂额外电子，从而耗尽它们。导致的现象之一是，施加到 P 区的正电压会导致电流通过结流入 N 区，但施加到 N 区的类似正电压将导致很少或没有电流流过结回到 P 区。 PN 结根据施加电压的哪一侧进行导电或绝缘的能力可用于形成集成电路组件，该组件以与二极管和晶体管相同的方式引导和控制电流流动。例如，二极管就是一个简单的 PN 结。通过改变掺杂物的数量和类型，改变P区和N区的形状和相对位置，也可以形成模拟电阻和电容功能的集成电路元件。

设计

一些集成电路可以被认为是标准的、现成的项目。设计完成后，无需进一步的设计工作。标准 IC 的示例包括电压调节器、放大器、模拟开关和模数或数模转换器。这些 IC 通常出售给其他公司，这些公司将它们集成到各种电子产品的印刷电路板中。

其他集成电路是独一无二的，需要大量的设计工作。一个例子是用于计算机的新型微处理器。这项设计工作可能需要研发新材料和新制造技术才能实现最终设计。

原材料

纯硅是大多数集成电路的基础。它为整个芯片提供基础或衬底，并进行化学掺杂以提供构成集成电路组件的 N 和 P 区域。硅必须非常纯净，以至于每 100 亿个原子中只有一个是杂质。这相当于十桶沙子中的一粒糖。二氧化硅在 IC 电容器中用作绝缘体和介电材料。

典型的 N 型掺杂剂包括磷和砷。硼和镓是典型的 P 型掺杂剂。铝通常用作各种 IC 组件之间的连接器。从集成电路芯片到其安装封装的细线引线可以是铝或金。安装封装本身可以由陶瓷或塑料材料制成。

制造
过程

在单个薄硅片上同时制造数百个集成电路，然后将其切割成单独的 IC 芯片。制造过程在一个严格控制的环境中进行，称为洁净室，在那里空气被过滤以去除异物。房间里的少数设备操作员穿着无绒衣服、手套和头和脚覆盖物。由于某些 IC 组件对某些频率的光敏感，因此甚至对光源也进行了过滤。尽管制造工艺可能因所制造的集成电路而异，但以下工艺是典型的。

准备硅片

• 1 直径约 1.5 至 4.0 英寸（3.8 至 10.2 厘米）的圆柱形硅锭垂直放置在真空室中，周围环绕着高温加热线圈。从圆柱体的顶部开始，硅被加热到大约 2550°F (1400°C) 的熔点。为避免污染，加热区域仅受熔融硅的表面张力限制。随着该区域熔化，硅中的任何杂质都变得可移动。加热线圈沿筒体长度缓慢移动，杂质随熔化区域一起携带。当加热盘管到达底部时，几乎所有的杂质都被扫过并集中在那里。然后将底部切掉，留下一个圆柱形的纯化硅锭。
• 2 使用称为晶片切片机的精密切割机从硅锭上切下一块薄的圆形硅晶片。每片约 0.01 至 0.025 英寸（0.004 至 0.01 厘米）厚。将要形成集成电路的表面被抛光。
• 3 晶片表面涂有一层二氧化硅，以形成绝缘基底并防止硅的任何氧化而导致杂质。二氧化硅是通过在几个大气压下将晶片置于大约 1830°F (1000°C) 的过热蒸汽中形成的，以允许水蒸汽中的氧气与硅反应。控制暴露的温度和长度控制二氧化硅层的厚度。

掩蔽

• 4 电路和组件的复杂和互连设计是在类似于用于制造印刷电路板的过程中准备的。然而，对于 IC 而言，尺寸要小得多，并且有许多层相互叠加。每一层的设计都是在计算机辅助绘图机上准备的，图像被制成掩模，经过光学缩小并转移到晶片表面。面罩在某些区域是不透明的，而在其他区域是透明的。它具有要在晶片上形成的所有数百个集成电路的图像。
• 5 将一滴光刻胶材料放在硅晶片的中心，然后快速旋转晶片，使光刻胶分布在整个表面上。然后烘烤光刻胶以除去溶剂。
• 6 然后将涂覆的晶片置于第一层掩模下并用光照射。由于电路和元件之间的空间非常小，因此使用波长非常短的紫外光挤过掩模上微小的透明区域。有时也使用电子束或 X 射线来照射光刻胶。
• 7 去除掩模并溶解部分光刻胶。如果使用正性光刻胶，则被照射的区域将被溶解。如果使用负光刻胶，则被照射的区域将保留。然后对未覆盖的区域进行化学蚀刻以打开一层，或者进行化学掺杂以创建一层 P 或 N 区域。

兴奋剂 — 原子扩散

• 8 添加掺杂剂以创建 P 或 N 区层的一种方法是原子扩散。在该方法中，一批晶片被放置在由石英管制成的烘箱中，该石英管被加热元件包围。晶片被加热到工作温度 大约 1500-2200°F (816-1205°C)，掺杂化学物质被携带在一个惰性气体。当掺杂剂和气体通过晶片时，掺杂剂沉积在掩蔽工艺留下的热表面上。这种方法适用于掺杂较大的区域，但对较小的区域不准确。随着连续层的添加，重复使用高温也存在一些问题。

兴奋剂 — 离子植入

• 9 添加掺杂剂的第二种方法是离子注入。在该方法中，掺杂剂气体，如磷化氢或三氯化硼，被电离以提供一束高能掺杂剂离子，这些离子束在晶片的特定区域发射。离子穿透晶片并保持注入状态。穿透深度可以通过改变束能量来控制，掺杂剂的量可以通过改变束电流和曝光时间来控制。从原理上讲，整个过程类似于在弯曲的 阴极射线管中发射光束。 这种方法非常精确，不需要掩蔽——它只是将掺杂剂指向并喷射到需要的地方。然而，它比原子扩散过程慢得多。

制作连续图层

• 10 根据所使用的掺杂工艺，对每个连续层重复掩膜和蚀刻或掺杂工艺，直到所有集成电路芯片都完成。有时会铺设一层二氧化硅以在层或组件之间提供绝缘体。这是通过一种称为化学气相沉积的过程完成的，其中晶片的表面被加热到大约 752°F (400°C)，并且气体硅烷和氧气之间的反应会沉积一层二氧化硅。最后的二氧化硅层密封表面，最后的蚀刻打开接触点，并沉积一层铝以制作接触垫。此时，将测试各个 IC 的电气功能。

制作个人 IC

• 11 薄晶片就像一块玻璃。数百个单独的芯片通过用细 菱形 划出一条交叉线来分隔开 切割器，然后将晶片置于压力下，使每个芯片分离。那些未通过电气测试的 IC 将被丢弃。在显微镜下检查发现了在分离过程中损坏的其他 IC，这些也被丢弃了。
• 12 好的 IC 被单独焊接到它们的安装封装中，细线引线通过超声波焊接或热压连接。安装包标有识别部件号和其他信息。
• 13 完成的集成电路密封在防静电塑料袋中，以便储存或运送给最终用户。

质量控制

尽管环境受控并使用精密工具，但仍有大量集成电路芯片被拒绝。尽管这些年来废品率一直在稳步下降，但制作一个由微观电路和元件交织而成的晶格的任务依然艰巨，一定量的废品在所难免。

有害物质和
回收

掺杂剂镓和砷等是有毒物质，必须严格控制其储存、使用和处置。

由于集成电路芯片用途广泛，一个重要的回收产业如雨后春笋般涌现。许多 IC 和其他电子元件从过时的设备中移除、测试并转售以用于其他设备。

未来

很难确定集成电路的未来会怎样。自该设备发明以来，技术的变化是迅速的，但也是不断进化的。芯片上的架构或电路布局已经发生了许多变化，但集成电路仍然是基于硅的设计。

电子设备进步的下一个重大飞跃，如果要实现这样的飞跃，可能涉及全新的电路技术。比最好的微处理器更好的设备一直被认为是可能的。例如，人脑处理信息的效率比任何计算机都要高，一些未来学家推测下一代处理器电路将是生物的，而不是矿物的。在这一点上，这些事情都是虚构的。目前没有迹象表明集成电路有任何灭绝的危险。