집적 회로

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배경

일반적으로 IC라고 하는 집적 회로는 실리콘과 같은 반도체 재료의 단결정 또는 칩 표면에 확산되거나 주입된 전자 회로 및 구성 요소의 미세한 배열입니다. 구성 요소를 다른 재료와 별도로 만들어 나중에 조립하는 개별 회로와 달리 구성 요소, 회로 및 기본 재료가 모두 단일 실리콘 조각으로 함께 만들어지기 때문에 집적 회로라고 합니다. . IC는 단순한 논리 모듈 및 증폭기에서 수백만 개의 요소를 포함하는 완전한 마이크로컴퓨터에 이르기까지 복잡성이 다양합니다.

집적회로가 우리 삶에 미치는 영향은 막대합니다. IC는 거의 모든 전자 장치의 주요 구성 요소가 되었습니다. 이러한 소형 회로는 이전의 진공관 및 트랜지스터에 비해 저렴한 비용, 높은 신뢰성, 낮은 전력 요구 사항 및 높은 처리 속도를 입증했습니다. 집적 회로 마이크로컴퓨터는 이제 공작 기계, 차량 운영 체제 및 이전에 유압, 공압 또는 기계 제어가 사용되었던 기타 애플리케이션과 같은 장비의 컨트롤러로 사용됩니다. IC 마이크로컴퓨터는 이전 제어 메커니즘보다 더 작고 더 다양하기 때문에 장비가 더 넓은 범위의 입력에 응답하고 더 넓은 범위의 출력을 생성할 수 있습니다. 또한 제어 회로를 재설계하지 않고도 재프로그래밍할 수 있습니다. 집적 회로 마이크로컴퓨터는 너무 저렴하여 어린이용 전자 장난감에서도 볼 수 있습니다.

최초의 집적 회로는 미사일 제어 시스템에 사용되는 소형 전자 장치에 대한 군대의 요구에 따라 1950년대 후반에 만들어졌습니다. 당시 트랜지스터 및 인쇄 회로 기판 최첨단 전자 기술이었다. 트랜지스터가 많은 새로운 전자 응용 프로그램을 가능하게 했지만 엔지니어는 정교한 제어 시스템 및 휴대용 프로그래밍 가능 계산기와 같은 복잡한 장치에 필요한 많은 수의 구성 요소와 회로를 위한 충분히 작은 패키지를 만들 수 없었습니다. 여러 회사가 소형 전자 제품의 돌파구를 만들기 위해 경쟁했으며 개발 노력이 너무 가까웠으므로 실제로 어느 회사가 첫 번째 IC를 생산했는지에 대한 질문이 있습니다. 사실, 집적 회로가 1959년에 마침내 특허를 받았을 때, 특허는 서로 다른 두 회사에서 따로 일하는 두 사람에게 공동으로 수여되었습니다.

1959년 IC가 발명된 후 단일 칩에 통합할 수 있는 부품과 회로의 수는 몇 년 동안 매년 두 배로 증가했습니다. 첫 번째 집적 회로에는 최대 12개의 구성 요소만 포함되었습니다. 이러한 초기 IC를 생산한 프로세스를 소규모 통합 또는 SSI라고 합니다. 1960년대 중반까지 중간 규모 통합인 MSI는 수백 개의 부품으로 구성된 IC를 생산했습니다. 그 다음에는 수천 개의 부품으로 IC를 생산하고 최초의 마이크로컴퓨터를 가능하게 한 대규모 통합 기술(LSI)이 뒤따랐습니다.

종종 마이크로프로세서라고 불리는 최초의 마이크로컴퓨터 칩은 1969년 Intel Corporation에 의해 개발되었습니다. Intel 4004라는 이름으로 1971년에 상업 생산에 들어갔습니다. Intel은 1979년에 8088 칩을 도입했으며 Intel 80286, 80386 및 80486이 그 뒤를 이었습니다. 1980년대 후반과 1990년대 초반에 286, 386, 486이라는 명칭은 컴퓨터 사용자들에게 컴퓨팅 능력과 속도의 증가하는 수준을 반영하는 것으로 잘 알려져 있었습니다. Intel의 Pentium 칩은 이 시리즈의 최신 제품이며 더 높은 수준을 반영합니다.

집적 회로
구성 요소가 형성되는 방법

집적 회로에서 저항, 커패시터, 다이오드 및 트랜지스터와 같은 전자 부품은 실리콘 결정의 표면에 직접 형성됩니다. 집적 회로를 제조하는 과정은 이러한 구성 요소가 어떻게 형성되는지에 대한 몇 가지 기본 사항을 먼저 이해한다면 더 이해가 될 것입니다.

최초의 IC가 개발되기 전에도 일반적인 전자 부품이 실리콘으로 만들어질 수 있다는 것은 알려져 있었습니다. 문제는 동일한 실리콘 조각에서 회로와 연결 회로를 만드는 방법이었습니다. 해결책은 도펀트라고 하는 다른 화학 물질을 추가하여 실리콘 결정 표면의 작은 영역의 화학적 조성을 변경하거나 도핑하는 것이었습니다. 일부 도펀트는 실리콘과 결합하여 도펀트 원자가 포기할 수 있는 하나의 전자를 갖는 영역을 생성합니다. 이를 N 영역이라고 합니다. 다른 도펀트는 실리콘과 결합하여 도펀트 원자가 하나의 전자를 취할 수 있는 영역을 생성합니다. 이를 P 영역이라고 합니다. P 영역이 N 영역과 접할 때 이들 사이의 경계를 PN 접합이라고 합니다. 이 경계는 너비가 0.000004인치(0.0001cm)에 불과하지만 집적 회로 구성 요소의 작동에 중요합니다.

PN 접합 내에서 두 영역의 원자는 공핍 영역이라고 하는 세 번째 영역을 생성하는 방식으로 결합합니다. 결과적으로 발생하는 현상 중 하나는 P 영역에 양의 전압이 인가되면 전류가 접합을 통해 N 영역으로 흐를 수 있지만 N 영역에 유사한 양의 전압이 인가되면 전류가 거의 흐르지 않거나 전혀 흐르지 않는다는 것입니다. P 영역으로 다시 접합. 전압이 인가되는 쪽에 따라 전도 또는 절연하는 PN 접합의 이러한 능력은 다이오드 및 트랜지스터와 동일한 방식으로 전류 흐름을 지시하고 제어하는 ​​집적 회로 구성요소를 형성하는 데 사용할 수 있습니다. 예를 들어 다이오드는 단순히 단일 PN 접합입니다. 도펀트의 양과 유형을 변경하고 P 및 N 영역의 모양과 상대적 배치를 변경함으로써 저항 및 커패시터의 기능을 에뮬레이트하는 집적 회로 구성요소도 형성될 수 있습니다.

디자인

일부 집적 회로는 표준 기성품으로 간주될 수 있습니다. 일단 설계되면 더 이상의 설계 작업이 필요하지 않습니다. 표준 IC의 예로는 전압 조정기, 증폭기, 아날로그 스위치, 아날로그-디지털 또는 디지털-아날로그 변환기가 있습니다. 이러한 IC는 일반적으로 다양한 전자 제품의 인쇄 회로 기판에 통합하는 다른 회사에 판매됩니다.

다른 집적 회로는 고유하며 광범위한 설계 작업이 필요합니다. 예를 들면 컴퓨터를 위한 새로운 마이크로프로세서가 있습니다. 이 디자인 작업은 최종 디자인을 달성하기 위해 새로운 재료와 새로운 제조 기술의 연구 개발이 필요할 수 있습니다.

원자재

순수 실리콘은 대부분의 집적 회로의 기초입니다. 이는 전체 칩에 대한 베이스 또는 기판을 제공하고 집적 회로 구성요소를 구성하는 N 및 P 영역을 제공하기 위해 화학적으로 도핑됩니다. 규소는 100억 개의 원자 중 하나만 불순물이 될 수 있을 정도로 순수해야 합니다. 이것은 모래 열 통에 있는 설탕 한 알과 맞먹는 양입니다. 이산화규소는 IC 커패시터의 절연체 및 유전체 재료로 사용됩니다.

전형적인 N형 도펀트는 인과 비소를 포함합니다. 붕소와 갈륨은 전형적인 P형 도펀트입니다. 알루미늄은 일반적으로 다양한 IC 부품 사이의 커넥터로 사용됩니다. 집적 회로 칩에서 실장 패키지까지 가는 와이어 리드는 알루미늄 또는 금일 수 있습니다. 장착 패키지 자체는 세라믹 또는 플라스틱 재료로 만들 수 있습니다.

제조
프로세스

수백 개의 집적 회로가 하나의 얇은 실리콘 조각에서 동시에 만들어진 다음 개별 IC 칩으로 절단됩니다. 제조 공정은 공기를 여과하여 이물질을 제거하는 클린룸으로 알려진 엄격하게 통제된 환경에서 이루어집니다. 방에 있는 소수의 장비 작업자는 보푸라기 없는 의복, 장갑, 머리와 발 덮개를 착용합니다. 일부 IC 부품은 특정 주파수의 빛에 민감하기 때문에 광원도 필터링됩니다. 제조 공정은 만드는 집적 회로에 따라 다를 수 있지만 다음과 같은 공정이 일반적입니다.

실리콘 웨이퍼 준비

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1 직경 약 1.5 ~ 4.0인치(3.8 ~ 10.2cm)의 원통형 실리콘 잉곳을 고온 가열 코일이 둘러싸고 있는 진공 챔버 내부에 수직으로 고정합니다. 실린더의 상단에서 시작하여 실리콘은 약 2550°F(1400°C)의 융점까지 가열됩니다. 오염을 피하기 위해 가열된 영역은 용융된 실리콘의 표면 장력에 의해서만 포함됩니다. 영역이 녹으면서 실리콘의 불순물이 이동하게 됩니다. 가열 코일은 실린더의 길이 아래로 천천히 이동하고 불순물은 용융 영역을 따라 운반됩니다. 가열 코일이 바닥에 도달하면 거의 모든 불순물이 휩쓸려 거기에 집중됩니다. 그런 다음 바닥을 잘라서 정제된 실리콘의 원통형 잉곳을 남깁니다.

2 웨이퍼 슬라이서라는 정밀 절단기를 사용하여 얇고 둥근 실리콘 웨이퍼를 잉곳에서 절단합니다. 각 조각의 두께는 약 0.01~0.025인치(0.004~0.01cm)입니다. 집적 회로가 형성될 표면이 연마됩니다.

3 웨이퍼 표면은 이산화규소 층으로 코팅되어 절연 베이스를 형성하고 불순물을 유발할 수 있는 실리콘 산화를 방지합니다. 이산화규소는 수증기의 산소가 실리콘과 반응할 수 있도록 여러 압력 분위기에서 웨이퍼를 약 1830°F(1000°C)의 과열 증기에 노출시켜 형성됩니다. 온도와 노출 길이를 제어하면 이산화규소 층의 두께가 제어됩니다.

마스킹

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4 회로 및 구성 요소의 복잡하고 상호 연결된 설계는 인쇄 회로 기판을 만드는 데 사용되는 것과 유사한 프로세스에서 준비됩니다. 그러나 IC의 경우 치수가 훨씬 작고 서로 겹쳐진 많은 층이 있습니다. 각 레이어의 디자인은 컴퓨터 기반 제도 기계에서 준비되고 이미지는 광학적으로 축소되어 웨이퍼 표면에 전사될 마스크로 만들어집니다. 마스크는 특정 영역에서는 불투명하고 다른 영역에서는 투명합니다. 여기에는 웨이퍼에 형성될 수백 개의 집적 회로 모두에 대한 이미지가 있습니다.

5 실리콘 웨이퍼의 중앙에 포토레지스트 물질을 한 방울 떨어뜨리고 웨이퍼를 빠르게 회전시켜 전체 표면에 포토레지스트를 분포시킨다. 그런 다음 포토레지스트를 구워서 용매를 제거합니다.

6 코팅된 웨이퍼를 첫 번째 레이어 마스크 아래에 놓고 빛을 조사합니다. 회로와 구성 요소 사이의 공간이 너무 작기 때문에 매우 짧은 파장의 자외선을 사용하여 마스크의 작은 투명 영역을 스퀴즈합니다. 전자빔이나 X선은 포토레지스트를 조사하는 데 사용되기도 합니다.

7 마스크가 제거되고 포토레지스트의 일부가 용해됩니다. 포지티브 포토레지스트가 사용된 경우 조사된 영역이 용해됩니다. 네거티브 포토레지스트를 사용한 경우 조사된 영역이 남습니다. 덮이지 않은 영역은 화학적으로 에칭되어 층을 열거나 P 또는 N 영역의 층을 생성하기 위해 화학적 도핑을 받습니다.

도핑 — 원자 확산

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8 P 또는 N 영역의 층을 생성하기 위해 도펀트를 추가하는 한 가지 방법은 원자 확산입니다. 이 방법에서는 웨이퍼 배치를 가열 요소로 둘러싸인 석영 튜브로 만든 오븐에 넣습니다. 웨이퍼는 다음의 작동 온도로 가열됩니다. 약 1500-2200°F(816-1205°C)에서 도펀트 화학 물질이 운반됩니다. 불활성 가스. 도펀트와 가스가 웨이퍼를 통과할 때 도펀트는 마스킹 프로세스에 의해 노출된 뜨거운 표면에 증착됩니다. 이 방법은 비교적 큰 영역을 도핑하는 데 적합하지만 작은 영역에는 정확하지 않습니다. 연속적인 층이 추가됨에 따라 고온을 반복적으로 사용하는 데에도 몇 가지 문제가 있습니다.

도핑 — 장기 이식

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9 도펀트를 추가하는 두 번째 방법은 이온 주입입니다. 이 방법에서는 포스핀 또는 삼염화붕소와 같은 도펀트 가스가 이온화되어 웨이퍼의 특정 영역에서 발사되는 고에너지 도펀트 이온 빔을 제공합니다. 이온은 웨이퍼를 관통하여 주입된 상태로 유지됩니다. 투과 깊이는 빔 에너지를 변경하여 제어할 수 있으며 도펀트의 양은 빔 전류 및 노출 시간을 변경하여 제어할 수 있습니다. 도식적으로 전체 프로세스는 구부러진 음극선관에서 빔을 발사하는 것과 유사합니다. 이 방법은 매우 정확하여 마스킹이 필요하지 않습니다. 필요한 곳에 도펀트를 가리키고 쏘기만 하면 됩니다. 그러나 원자 확산 과정보다 훨씬 느립니다.

연속 레이어 만들기

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10 모든 집적회로 칩이 완성될 때까지 사용된 도핑 공정에 따라 마스킹 및 에칭 또는 도핑 공정을 연속적인 각 층에 대해 반복한다. 때때로 이산화규소 층이 층이나 구성요소 사이에 절연체를 제공하기 위해 놓입니다. 이것은 웨이퍼 표면이 약 752°F(400°C)로 가열되고 가스 실란과 산소 사이의 반응이 이산화규소 층을 증착하는 화학 기상 증착으로 알려진 프로세스를 통해 수행됩니다. 최종 이산화규소 층은 표면을 밀봉하고, 최종 에칭은 접점을 열고, 알루미늄 층이 증착되어 접점 패드를 만듭니다. 이 시점에서 개별 IC의 전기적 기능이 테스트됩니다.

개별 IC 만들기

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11 얇은 웨이퍼는 유리 조각과 같습니다. 수백 개의 개별 칩이 미세한 다이아몬드 선의 크로스해칭을 통해 분리됩니다. 절단기를 절단한 다음 웨이퍼에 응력을 가하여 각 칩이 분리되도록 합니다. 전기 테스트에 실패한 IC는 폐기됩니다. 현미경으로 검사하면 분리 과정에서 손상된 다른 IC가 드러났고 이들 역시 폐기되었습니다.

12 우수한 IC는 장착 패키지에 개별적으로 결합되며 가는 와이어 리드는 초음파 결합 또는 열압착 방식으로 연결됩니다. 장착 패키지에는 식별 부품 번호 및 기타 정보가 표시되어 있습니다.

13 완성된 집적 회로는 정전기 방지 비닐 봉투에 밀봉되어 보관되거나 최종 사용자에게 배송됩니다.

품질 관리

통제된 환경과 정밀 도구의 사용에도 불구하고 많은 수의 집적 회로 칩이 거부됩니다. 리젝트 칩의 비율은 수년에 걸쳐 꾸준히 감소했지만, 미세한 회로와 부품의 격자를 엮어 만드는 작업은 여전히 ​​어렵고 일정량의 리젝트가 불가피합니다.

위험 물질 및
재활용

도펀트인 갈륨과 비소 등은 유독성 물질이므로 보관, 사용 및 폐기를 엄격하게 통제해야 합니다.

집적 회로 칩은 매우 다재다능하기 때문에 중요한 재활용 산업이 생겨났습니다. 많은 IC 및 기타 전자 부품은 다른 방식으로 사용하지 않는 장비에서 제거되고 테스트를 거쳐 다른 장치에 사용하기 위해 재판매됩니다.

미래

집적 회로의 미래가 어떻게 될지 확실히 말하기는 어렵습니다. 장치의 발명 이후 기술의 변화는 빠르지만 진화적입니다. 칩의 아키텍처 또는 회로 레이아웃이 많이 변경되었지만 집적 회로는 여전히 실리콘 기반 설계로 남아 있습니다.

전자 장치의 발전에서 다음으로 큰 도약이 도래한다면 완전히 새로운 회로 기술이 포함될 수 있습니다. 최고의 마이크로프로세서보다 더 나은 장치는 항상 가능한 것으로 알려져 있습니다. 예를 들어, 인간의 두뇌는 어떤 컴퓨터보다 훨씬 효율적으로 정보를 처리하며 일부 미래학자들은 차세대 프로세서 회로가 광물이 아니라 생물학적일 것이라고 추측했습니다. 이 시점에서 그러한 문제는 픽션의 내용입니다. 집적 회로가 멸종 위기에 처해 있다는 즉각적인 징후는 없습니다.