Microchips

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Die Herstellung von Mikrochips

Bei der Herstellung eines Mikrochips wird immer wieder ein spezieller Fotolack auf den Wafer, einer Scheibe aus Silicium, aufgebracht. Danach wird der Fotolack durch eine Maske, auf der sich die Schaltlogik befindet, mit UV-Licht bestrahlt. Der lichtempfindliche Fotolack wird dort zersetzt, wo das Licht auftrifft. Durch den Fotolack, den die Säuren bei späteren Vorgängen nicht angreifen, befindet sich jetzt die Schaltlogik von der Maske auf dem Wafer. Nun folgt immer je einer der Prozesse: Der Einbau von Fremdatomen durch einen Diffusionsprozess, Implantation von Fremdatomen durch Beschuss mit Ionen um das Silicium leitend zu machen, Ätzen von Vertiefungen in das Silicium, Aufwachsen einer isolierenden Siliciumdioxidschicht, Aufdampfen von Aluminium im Vakuum um elektrische Verbindungen zwischen den Transistoren, Dioden und Widerständen herzustellen u. schließlich das Entfernen des restlichen Fotolacks zur Vorbereitung des nächsten Prozesszykluses. Es folgen dann Hunderte einzelne Schritte mit denen man in und auf der Oberfläche eines Wafers Millionen funktionsfähiger Schaltkreise unterbringt.

Herstellungsprozess eines Mikrochips

Durch die vielen möglichen Fehlerquellen stellt sich die Frage, ob der Mikrochip funktionsfähig ist. Die mikroelektronischen Schaltkreise des Chips werden also nun getestet. Dann wird der Wafer in einzelne Chips zerlegt, die dann in ein Gehäuse eingebaut und elektrisch kontaktiert werden. Die gesamte Herstellung dauert über zwei Wochen. Dabei werden physikalische Verfahren von der optischen Abbildung bis zur Vakuumtechnologie angewandt. Die Mikrochips werden in staubfreien, klimatisierten Reinsträumen hergestellt. Ohne den Einsatz von Computern ist der Entwurf der Chips nicht mehr möglich. Der Computer übernimmt die Plazierung, Leitungsführung und Berechnung der Daten für die Maskenherstellung. Der fertige Entwurf wird mittels Computersimulation auf elektrisches Verhalten unter Grenzwerten und auf genügende Ausbeute in der Fertigung geprüft.

Das Silicon Valley

Das Silicon Valley verdankt seinen Namen dem Silizium. Es ist der Stoff, aus dem die Chips gebaut werden. 1971 hatte der Journalist Don Hoefler dem Tal seinen Namen gegeben. Damals war das 40 Meilen südöstlich von San Franzisko gelegene Silicon Valley noch eine ländliche Region gewesen. Einen ersten Anfang dieses Tals mit heute 3.000 “Innovationsschmieden” bildete die Story von David Packard und William Hewlett, die 1938 in einer kleinen Garage in Palo Alto die Weltfirma Hewlett-Packard gründeten. Einen zweiten Anfang nahm das “Tal der Talente”, als es dem Hochschullehrer Terman 1951 gelang, einen Teil des Campus der Stanford University für den Aufbau eines Gründerzentrums abzuzweigen. Der dritte Anfang war wahrscheinlich am folgenreichsten. 1954 siedelte der Miterfinder des Transistors (1947), William Shockley, von der Ostküste der USA in die Nähe der Universität um und gründete ein Labor. Ihm schlossen sich acht der begabtesten jungen Männer an, die gemeinsam mit dem Nobelpreisträger von 1956 ein Produktionsverfahren für Transistoren entwickeln wollten. Doch die Zauberlehrlinge überwarfen sich mit ihrem Meister. Sie setzten im Gegensatz zu Shockley auf Silizium als Werkstoff und gründeten 1957 die Firma Fairchild Semiconductors. Von nun an ging alles sehr schnell. In den 1960er-Jahren spaltete sich von Fairchild eine Fülle junger Unternehmen ab. Parallel mit Jack Kilby von Texas Instruments hatte Robert Noyce, Mitgründer von Fairchild, 1959 den Integrierten Schaltkreis (IC) erfunden. Diese Basisinnovation war der Anstoß für die Gründung von immer mehr Unternehmen im Silicon Valley. So gründete Noyce gemeinsam mit Gordon Moore in Santa Clara die Firma Intel, die von Andrew Grove in den 1990er-Jahren zum größten Halbleiterunternehmen der Welt ausgebaut wurde. Das Silicon Valley lockte nicht nur die größten Talente der USA, sondern der ganzen Welt an, u.a. auch den Deutschen Andreas von Bechtolsheim. Als Student der Stanford University hatte er 1981 die Idee, aus Standardbausteinen eine neue Art von Computern zu bauen: die Workstation. Er investierte 25.000 Dollar und fand Finanziers, so genannte Risikokapitalisten, mit deren Hilfe er 1982 Sun Microsystems Inc. in Mountain View gründete; wenige Jahre später war es bereits ein milliardenschweres Weltunternehmen.

Kliner, Jay Last, Victor Ginrich, Jean Hoerni, Sheldon Roberts, Julius Blank, Gordon E. Moore, Robert N. Noyce.

Die Dimensionen der Mikroelektronik

Vor dem Hintergrund der Abbildung eines 500-fach vergrößerten Vier-Mbit-Chips wird der Betrachter von den Dimensionen des täglichen Lebens in die Strukturen der Mikroelektronik geführt. Diese verwendet eine besondere Form der Materie, den Einkristall. Die Atome des Einkristalls sitzen auf festen Plätzen eines regelmäßigen Raumgitters. Materie in kristalliner Form entsteht auch in der Natur. Ein Bergkristall wächst in Tausenden von Jahren unter konstanten Bedingungen bis zur Länge von etwa einem Meter heran. Einkristalline Siliziumstäbe werden industriell in Größen von bis zu 30 cm Durchmesser und 200 cm Länge hergestellt. In dünne Scheiben geschnitten bilden sie als “Wafer” das Substrat, auf dem die mikroelektronischen Schaltelemente realisiert und miteinander verbunden werden. Die heute (1996) erreichbaren Strukturbreiten betragen 1/10.000 mm. Damit lassen sich digitale Speicher herstellen, die vier Millionen Informationseinheiten (Bits) auf einer Fläche von 20 mm2 unterbringen.

Mikroprozessoren gehören neben den Halbleiterspeichern zu den wesentlichen Produkten der Mikroelektronik (Pentium Pro, 1996)

Über die Breite einer Leiterbahn im Chip (1 µm) erstrecken sich immer noch 3000 Atome, die Kondensatorladung einer Speicherzelle besteht noch aus ca. 30.000 Elektronen. Der weiteren Miniaturisierung stehen also zunächst keine physikalischen Grenzen entgegen. Merkwürdig ist die strenge “Gesetzmäßigkeit”, nach der dies geschieht. Alle drei Jahre verdoppelt sich die Zahl der Bauelemente pro Fläche. Diese Regel des Mikroelektronik-Pioniers Gordon Moore hält seit über 20 Jahren an. Danach können wir im Jahr 2005 Bausteine mit vier Milliarden Bit Speicherkapazität erwarten. Heute benötigt man noch 1.000 Chips, um diese Informationsmenge elektronisch bereitzustellen.

Die zeitliche Entwicklung der Elektronik und Mikroelektronik wird in der Ausstellung durch vier “Meilensteine” dargestellt. Diese “Skulpturen” sind Weg- und Zeitmarken, die dem Besucher die zeitliche Orientierung in der Ausstellung erleichtern. Röhre, Transistor, integrierter Schaltkreis sowie die nahezu zeitgleichen INTEL-Entwicklungen 4004-Mikroprozessor und der dynamische Halbleiterspeicher (DRAM) 1103 verdeutlichen den Wandel der Technik in unserem Jahrhundert. (ak, sv, fh, mh)

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