Mikroelektronik

Begriff und Bedeutung

Mikroelektronik ist ein Teilgebiet der Elektronik, besonders der Halbleiterelektronik und Mikrotechnik. Sie umfasst Entwurf, Entwicklung und Herstellung stark verkleinerter elektronischer Schaltungen, heute vor allem integrierter Schaltungen (ICs). In diesen Schaltungen befinden sich Transistoren, Kondensatoren, Dioden, Widerstände und ihre Verdrahtung auf einem Halbleiter-Substrat, also einem gemeinsamen Trägermaterial.

Sie unterscheidet sich von der Mikrosystemtechnik, ergänzt diese aber heute. Schaltkreisfamilien wie TTL und CMOS verwenden unterschiedliche Funktionsprinzipien, etwa bipolare oder unipolare Transistoren. Dadurch unterscheiden sie sich beispielsweise bei Leistungsbedarf und Schaltgeschwindigkeit. Neben Standardschaltkreisen wie Mikrocontrollern und Speicherbausteinen können auch anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC) wirtschaftlich hergestellt werden.

Integration, Miniaturisierung und ihre Folgen

Die zwei Hauptmerkmale sind Integration und Miniaturisierung. Integration bedeutet, dass alle Bauelemente und Verdrahtungen einer Schaltung auf einem gemeinsamen Substrat zusammengefasst und zusätzlich in einem gemeinsamen Arbeitsprozess gefertigt werden. Miniaturisierung bedeutet die fortlaufende Verkleinerung der einzelnen Bauelemente und damit der gesamten Schaltung.

Transistoren waren anfangs größer als zehn Mikrometer. Für Intels beziehungsweise Samsungs 14-nm-FinFET-Technik lagen die physikalischen Gate-Längen 2017 bei etwa 30–24 nm. Dadurch lassen sich mehr als eine Milliarde Transistoren auf einem Siliziumstück mit typischerweise weniger als 10 mm Kantenlänge unterbringen. Kürzere Abstände ermöglichen höhere Taktfrequenzen; die elektrische Leistung steigt trotz größerer Rechenleistung nur geringfügig.

Die Kosten sinken vor allem, weil auf einem Wafer – einer Halbleiterscheibe von 4 bis 12 Zoll – gleichzeitig Hunderte bis Tausende Chips entstehen. Bei gleicher Wafergröße führen halbierte Chiplängen, also ein Skalierungsfaktor 2, näherungsweise zur vierfachen Zahl von Chips. Größere Wafer senkten die Kosten zusätzlich: Anfangs waren sie 2 oder 3 Zoll groß, 2009 meist 200 mm, bei AMD und Intel auch 300 mm. Die Umstellung verlangt jedoch hohe Investitionen.

Gordon Moore formulierte 1965 die Beobachtung, dass sich die Zahl der Transistoren auf einem Chip alle zwölf Monate, später alle achtzehn Monate verdopple. Ob dieser Trend angesichts steigender Prozesskosten und physikalischer Grenzen fortgesetzt werden kann, ist nicht sicher. Kleinere Transistoren und kürzere Leitungen verkürzen Signallaufzeiten. Gegenläufig erhöhen geringere Metall- und Isolationsschichtdicken die Koppelkapazitäten zwischen Leitungen; diese können als Laufzeitbremse wirken. Dünnere Gate-Isolation ermöglicht niedrigere Betriebsspannung und geringere Verlustleistung, doch die Verlustleistung pro Fläche steigt und die Wärmeabfuhr wird schwieriger. Mehr Funktionen auf einem Chip bedeuten außerdem weniger Lötverbindungen und damit höhere Zuverlässigkeit. Mobile batteriebetriebene Geräte wie Mobiltelefone und Notebooks wären ohne Verkleinerung und Integration nicht denkbar.

Geschichtliche Entwicklung

Vor integrierten Schaltungen bestanden elektronische Rechner aus Elektronenröhren. Der 1946 in Betrieb genommene ENIAC war ein universell einsetzbarer rein elektronischer Rechner, wog rund 27 Tonnen und enthielt 17.468 Elektronenröhren. Elektronenröhren waren fehleranfällig, brauchten Aufwärmzeit und hatten hohe Verlustleistungen. Batterieröhren ermöglichten zwar tragbare Funkgeräte, doch erst Transistoren und anschließend integrierte Schaltungen machten einen wesentlich stärkeren Miniaturisierungsschritt möglich.

Der Transistoreffekt wird allgemein John Bardeen, Walter Brattain und William B. Shockley zugeschrieben; sie erhielten 1956 den Physiknobelpreis. Brattain beobachtete am 16. Dezember 1947 bei Bell Telephone Laboratories eine Stromverstärkung. Der erste funktionierende Bipolartransistor nutzte einen n-dotierten Germaniumkristall mit drei Elektroden; zwei davon lagen etwa 50 μm auseinander. Transistoren benötigten weder Vakuum noch Aufwärmzeit, und es wurde keine Wärmeentwicklung beobachtet. Ideen zum Feldeffekttransistor waren bereits 1925 von Lilienfeld, 1934 von Heil und 1945 von Heinrich Welker veröffentlicht worden, konnten wegen unzureichender Herstellungsverfahren aber nicht umgesetzt werden.

Ab Mitte der 1960er Jahre verdrängte Silizium Germanium; 2009 beruhten etwa 95 % aller mikroelektronischen Schaltungen auf Silizium. Entscheidend waren die Eigenschaften von Siliziumdioxid: Es haftet gut auf Silizium, ist elektrisch geeignet, chemisch stabil gegenüber Wasser und kann durch thermische Oxidation mit guten Grenzflächeneigenschaften erzeugt werden. Das ermöglichte stabilere Transistoren, funktionierende MIS-Feldeffekttransistoren und das Planarverfahren.

Integrierte Schaltkreise verbinden Halbleiterbauelemente und Verdrahtung auf einem Substrat. Jack Kilby und Robert Noyce erfanden und patentierten das Konzept Ende der 1950er Jahre unabhängig. Kilbys Patent von 1959 zeigte Transistoren und Widerstände auf einem Germaniumsubstrat. Noyces Ansatz nutzte das Planarverfahren und fotolithografische sowie Diffusionsprozesse. 1961 erschien der erste kommerzielle IC: ein Fairchild-Flipflop mit vier Bipolartransistoren und fünf Widerständen. Wichtige weitere Entwicklungen waren MOSFETs von Martin M. Atalla und Dawon Kahng 1960, CMOS von Frank Wanlass 1963 und die erste DRAM-Speicherzelle von Robert H. Dennard 1967.

1970/71 erschienen nahezu gleichzeitig Intel 4004, TI TMS 1000 und Garrett AiResearch CADC als erste Mikroprozessoren. Schaltungen mit einigen tausend Bauelementen hießen LSI; 1979 folgte VLSI mit etwa zwei Größenordnungen höherer Transistordichte. Heute werden auch Prozessoren, Speicher und Schnittstellen als System-on-a-Chip (SoC) auf einem Chip kombiniert. Unter 100 nm, etwa bei 90 nm in Massenproduktion 2002, 45 nm 2008 und 5 nm 2020, gewinnen Effekte der Nanoelektronik, Nanotechnologie und Spintronik an Bedeutung. Neue Ansätze betreffen unter anderem Kohlenstoffnanoröhren, optische Verbindungen in SoCs, organische Elektronik, Bioelektronik, Terahertztechnik und Quantentechnologie.

Arten von Schaltkreisen und Anwendungen

Mikroelektronische Schaltungen lassen sich nach Einsatzbereich und Signalart einteilen. Standardschaltkreise beziehungsweise applikationsspezifische Standardprodukte (ASSP) sind in vielen Anwendungen einsetzbar und werden in großen Stückzahlen produziert. ASICs sind dagegen für eine bestimmte Anwendung entworfen, etwa eine Motorsteuerung im Auto. Die Grenze kann fließend sein, weil manche ASICs eingeschränkt umprogrammierbar sind.

Analoge ICs verarbeiten kontinuierlich veränderliche Spannungen oder Ströme; typische Standard-ICs mit geringer Funktionsintegration sind Operationsverstärker und Spannungsregler. Digitale ICs verarbeiten Signale mit einer endlichen Anzahl möglicher Werte und stellten 2009 die größte Gruppe dar. Dazu gehören programmierbare Logikbausteine (PLD), Speicher wie ROM, PROM, DRAM und Flash sowie digitale Signalprozessoren, Mikrocontroller und Mikroprozessoren. ADCs wandeln analoge in digitale Signale um, DACs digitale in analoge. Sensoren können mitsamt Anpassungselektronik und digitaler Schnittstelle integriert sein, beispielsweise Temperatur- oder optische Bildsensoren.

Bauelemente werden meist als auf Leiterplatten montierbare SMDs eingesetzt. Daneben gibt es steckbare bedrahtete THDs und ungehäuste Nacktchips. THDs bleiben nötig, wenn keine SMD-Bauform verfügbar ist oder diese die elektrische Belastbarkeit zu stark einschränkt.

Mikroelektronik wurde ursprünglich für kleine und leichte Raumfahrtbauteile entwickelt. Sie ist heute unter anderem Grundlage für CPU, RAM, Controller, Schnittstellen und Halbleiterspeicher in Computern und Servern, für Maschinensteuerungen und Automatisierung, Unterhaltungselektronik, Motorsteuerungen und Airbags in Fahrzeugen sowie Telefonie, Datenkommunikation und Mobilfunk. Weitere genannte Bereiche sind Medizin- und Gebäudetechnik.

Entwurf, Fertigung und Prüfung

Ein ungehäuster einzelner Chip heißt Die und kann mehrere Milliarden Transistoren enthalten. Seine Entwicklung umfasst Design, Simulation, Verifizierung und Fertigungsvorbereitung. Die Einmalkosten, die non recurring engineering costs (NRE-Kosten), etwa für Fotolithografie-Masken, sind hoch; produktive Reparaturen von ICs sind kaum möglich. Deshalb soll ein Entwurf mit möglichst wenigen Redesigns funktionieren. Simulations- und Verifikationsschritte machten 2004 etwa die Hälfte des Entwicklungsaufwands aus. Wiederverwendbare Bibliotheken und frei programmierbare FPGAs für digitale sowie FPAAs für analoge Schaltungen helfen, Kosten zu verteilen.

Digitale Schaltungsblöcke werden häufig in VHDL oder Verilog beschrieben. Der Computer erzeugt daraus Schaltnetze und platziert Transistoren. Analoge Schaltungen werden mit vielen Simulationen, beispielsweise SPICE, für verschiedene Temperaturen, Spannungen und Prozessvariationen untersucht; Monte-Carlo-Analysen erfassen statistische Variationen. Layout-Extraktion berücksichtigt parasitäre Elemente. Weitere Werkzeuge behandeln beispielsweise optische Beugung bei der Fotolithografie mittels optical proximity correction (OPC), Spannungsabfall in Versorgungsnetzen (IR drop), kapazitive Kopplung und static timing analysis (STA). Für günstige Prototypen können mehrere Chip-Layouts auf einem Multi Project Wafer (MPW) kombiniert werden.

Die Herstellung erfolgt in Reinräumen, weil Partikel unter 0,1 µm komplette Schaltkreise beschädigen können. Wafer bestehen meist aus hochreinem einkristallinem Silizium; mehr als 99 % der ICs nutzen es. Aus einer Siliziumschmelze wird meist durch das Czochralski-Verfahren ein Ingot gezogen, anschließend in 0,5–1,5 mm dünne Wafer gesägt. Massenproduktionswafer haben 150, 200 oder 300 mm Durchmesser und Oberflächenrauheiten von wenigen Atomlagen.

Im Front-End entstehen aktive Bauelemente und die Metallisierung durch Schichtaufbau, Schichtabtrag, Fotolithografie und Dotierung. Nach dem Front-End werden ICs meist auf dem Wafer mit Nadeltestern geprüft, um Ausschuss nicht zu verkappen. Im Back-End wird der Wafer in Dies gesägt; diese werden kontaktiert, etwa durch Chip- oder Drahtbonden, und in Gehäuse eingebracht. Das Gehäuse schützt vor Umwelteinflüssen und erleichtert die Verwendung. Nach einem abschließenden Funktionstest werden Chips unter anderem nach Güteklassen sortiert. Tests auf Automatic Test Equipment laufen automatisiert, können bei hochintegrierten Prozessoren aber nahezu so teuer wie die Herstellung sein. Dickschicht-Hybridschaltkreise verbinden mehrere Chips auf einem Trägermaterial; Multi-Chip-Module bringen mehrere ICs in einem Gehäuse unter.

Wirtschaftliche Struktur

Die Halbleiterindustrie ist von starken Skaleneffekten geprägt: Fabriken für die Massenfertigung kleinster Strukturen sind nur ab großer Größe wirtschaftlich. Bau und Ausrüstung einer Hochvolumenfabrik kosteten 2004 etwa 2 Milliarden USD. Daraus entsteht der sogenannte Schweinezyklus: Bei knappen Bausteinen wird Kapazität ausgebaut; jede große neue Fabrik steigert das Weltangebot deutlich und kann Preise stark senken. Danach verhindern niedrige Preise weiteren Ausbau, bis erneut Knappheit entsteht.

Viele Staaten betrachten die Branche als strategisch, weil sie Zulieferer aus Chemie und Anlagenbau sowie Abnehmerindustrien wie Computer- und Elektronikindustrie fördert; teilweise wird auch ihre militärische Bedeutung betont. Als Geschäftsmodelle nennt der Artikel den Integrated Device Manufacturer (IDM), der Design, Fertigungstechnologie, Produktion und Verkauf selbst übernimmt, sowie Fabless Design Houses und Foundries. Fabless-Unternehmen entwerfen und verkaufen Chips; Foundries entwickeln die Technologie, stellen Entwurfswerkzeuge bereit und fertigen die ICs für Kunden.