集成电路工作原理以及制作集成电路的六个步骤
集成电路工作原理以及制作集成电路的六个步骤
集成电路是现代电子设备的核心组件，从计算机到智能手机，从家用电器到汽车，都离不开它的支持。那么，集成电路究竟是如何工作的？它是如何制造出来的？本文将为您详细解答这些问题。
打开电视或收音机的后盖，您会看到印刷电路板（PCB）构建 ：有点像电子街道地图，上面有小的电子组件（例如电阻器和电容器）就像微型金属街道一样。
电路板适用于小型家电，但是如果您尝试使用相同的技术来制造复杂的电子机器，例如计算机，您很快就会遇到障碍。即使是最简单的计算机，也需要八个电子开关来存储单个字节（字符）的信息。因此，如果您要构建一台仅具有足够内存来存储此段的计算机，则对于单个段，您需要查看大约750个字符的8倍，大约6000个开关。如果是成年拇指大小的一个真空管，您就会得到一台非常巨大并且耗电量也巨大的机器，该机器需要一个的单独的微型电厂才能保持运转。
1947年，三位美国物理学家发明了晶体管，这种情况有所改善。晶体管只是真空管和继电器的一小部分，使用的功率少得多，可靠性更高。但是当在复杂电路中将所有这些晶体管连接在一起的问题。
照片：集成电路可以安装在印刷电路板（PCB）中，就像绿色的一样。注意将两个不同IC的“分支”（端子）链接在一起的细线。其他走线将IC链接到常规电子组件，例如电阻器和电容器。您可以将轨道视为“街道”，在完成有用的操作（组件本身）的“建筑物”之间建立路径。集成电路中还有一个电路板的小型化版本：在硅晶片的表面上以微观形式创建轨迹。
集成电路改变了这一切。基本思想是采用一个完整的电路，其中包含所有的许多组件以及它们之间的连接，并在硅片的表面上以微观微小的形式重建整个电路。这是一个非常聪明的主意，它使各种“微电子”小工具成为可能，从数字手表和袖珍计算器到带有内置卫星导航的火箭和导弹。
摩尔定律
1960年代和1970年代，集成电路彻底改变了电子和计算领域。首先，工程师们在所谓的小规模集成（SSI）中将数十个组件放在芯片上。紧随其后的是中等规模集成（MSI），在一个面积相同的区域中有数百个组件。大约在1970年左右，大规模集成（LSI）带来了成千上万个组件。
1965年，领先的芯片制造商英特尔公司的戈登·摩尔（Gordon Moore）注意到，芯片上的组件数量大约每隔一两年就会翻一番。“最初的预测是10年，我认为这是一段漫长的历程。但是这十年来，集成电路从60个组件变为60,000个组件— 10年翻了一千倍。并且这个速度将要持续50年。”
摩尔定律的五十年：图表显示了从1970年到现在的普通微芯片晶体管数量的指数增长。
半导体
传统上，人们认为材料可分为两类：一类是使电流很容易流过的材料（导体），另一类是不绝缘的材料（绝缘子）。 金属占导体的大部分，而塑料，木材和玻璃等非金属是绝缘体。实际上，事情要比这复杂得多，特别是当涉及元素周期表中间的某些元素（第14和15组）时，尤其是硅和锗。通常，在绝缘体中，如果我们在称为掺杂的过程中向它们添加少量杂质，则可以使这些元素的行为更像导体。如果将锑添加到硅中，则可以给它提供比通常多一些的电子，并具有导电的能力。以这种方式“掺杂”的硅称为n型。加入硼代替锑，然后除去硅中的一些电子，留下作为“负电子”工作的“空穴”，以相反的方式携带正电流。。并排放置n型和p型硅区域会形成结，在结处电子会以非常有趣的方式工作-这就是我们创建二极管，晶体管和存储器等基于半导体的电子组件的方式。
硅片
制造集成电路的过程中有一个大开始了 单晶硅的，形状像长固体管，这是“萨拉米切片”到薄光盘（约光盘的尺寸）被称为晶片。晶圆被标记为许多相同的正方形或矩形区域，每个区域将组成一个硅芯片（有时称为微芯片）。然后，通过掺杂表面的不同区域以将它们转变为n型或p型硅，在每个芯片上创建成千上万个组件。掺杂是通过各种不同的过程完成的。在其中一种称为溅射的方法中，掺杂材料的离子像枪一样从子弹中射向硅晶片。另一个过程称为气相沉积 涉及将掺杂材料作为气体引入并使其冷凝，以便杂质原子在硅晶片的表面上形成薄膜。分子束外延 是沉积的一种更为精确的形式。
当然，制造将数百，数百万或数十亿个组件封装到指甲大小的硅芯片上的集成电路比听起来要复杂和复杂得多。想象一下，当您在微观（有时甚至是纳米）范围内工作时，甚至可能造成一点污渍 。这就是为什么半导体是在称为洁净室的一尘不染的实验室环境中制造的，在 洁净室中，空气被严格过滤，工人必须穿各种防护服通过气闸进出。
尽管制作芯片非常复杂，但实际上只有六个单独的步骤（其中一些重复多次）。过程如下：
一个简单的艺术品，展示了制造硅微芯片的六个关键步骤：制造晶圆，掩膜，蚀刻，掺杂，测试和封装。
制作晶圆：我们将纯硅晶体生长成长圆柱体，然后将它们像萨拉米香肠一样切成薄片，每个薄片最终都会切成很多芯片。
掩膜：我们加热晶圆，以在二氧化硅上进行涂覆，然后使用紫外线（蓝色）添加称为光致抗蚀剂的坚硬保护层。
蚀刻：我们使用化学试剂去除一些光致抗蚀剂，从而制作出一种模板图案，显示出我们想要的n型和p型硅区域。
掺杂：我们用包含杂质的气体加热蚀刻的晶片，以形成n型和p型硅区域。随后可能会进行更多的掩膜和蚀刻。
测试：从计算机控制的测试机到每个芯片上的端子的长金属连接引线。任何不起作用的芯片都会被标记。
包装：将所有可以正常工作的芯片从晶圆上切下来，然后包装成塑料保护性块，准备用于计算机和其他电子设备。
谁发明了集成电路？
您可能已经在书中读到IC由Jack Kilby（1923–2005）和 Robert Noyce（1927–1990）联合开发。实际上，Kilby和Noyce或多或少地是在同一时间独立提出了这个主意，引发了一场激烈的争夺发明权利的斗争。
两个人怎么能在完全相同的时间发明相同的东西？
到1950年代中期，全球范围内（尤其是军事领域）已经发现了电子计算机的巨大潜力，而对于像Kilby和Noyce这样的有远见的人来说，需要一种更好的方法来构建和连接大型晶体管数量。Kilby想到德州仪器（Texas Instruments）这一整体原理的想法：尝试在硅芯片上构建电子电路的所有不同部分。1958年9月12日，他用锗（一种类似于硅的半导体元素）芯片手工建造了世界上第一个粗制集成电路，第二年德州仪器（Texas Instruments）申请了该想法的专利。
同时，在另一家名为Fairchild Semiconductor的公司（由最初为晶体管先驱William Shockley工作的一小组成员组成）中，同样出色的Robert Noyce正在尝试自己的微型电路。1959年，他使用了一系列称为平面工艺的摄影和化学技术 （这是由同事Jean Hoerni刚开发的）来生产第一种实用的集成电路，飞兆半导体随后尝试将该方法申请专利。
并排比较了德州仪器（TI）的杰克·基尔比（Jack Kilby）和飞兆半导体公司（Fairchild Semiconductor）的罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）从1959年以来的集成电路专利图。
这两个人的工作有相当多的重叠，德州仪器（Texas Instruments）和飞兆半导体（Fairchild）在1960年代的大部分时间里在法庭上为谁真正开发了集成电路而展开斗争。最终，在1969年，两家公司同意分享这个想法。
如今，这两个人入选了国家发明家名人堂（1982年，基尔比（Kilby），次年的诺伊斯（Noyce）），并且2000年诺贝尔物理学奖获得了一半的奖励，正如基尔比在书中非常慷慨地指出如果诺伊斯没有在十年前死于心脏病发作，那么诺伊斯肯定也会拥有这份荣耀。
尽管基尔比被认为是一位杰出的科学家，但诺伊斯的成就却具有更大的意义。1968年，他与戈登·摩尔（Gordon Moore，1929年）共同创立了英特尔电子公司，并于1974年开发了微处理器（单芯片计算机）。与IBM，微软，苹果公司和其他先驱公司一起，英特尔倍受赞誉帮助将更便宜的个人计算机带入我们的家庭和工作场所。多亏Noyce和Kilby，以及后来建立工作的出色工程师，如今全球范围内正在使用大约20亿台计算机，其中许多已集成到手机，便携式卫星导航设备和其他电子产品中。