Integrierte Schaltkreise werden heute auch durchaus als Hybrid-Varianten angeboten - herkömmliche (meist MSD-Bauelemente) werden mit hoch integrierten Bauelementen in eine Schaltung fast wörtlich "vergossen"

Die Integrationsdichte hat nichts mit dem Grad der Aktualität zu tun - auch heute werden noch niedrig integrierte Schaltkreise hergestellt und in der Klein- und Kleinstrationalisierung hocheffektiv eingesetzt - dabei erzielen gerade diese Bauelemente "Schweinepreise", faktisch sind sie ja eine Sonderfertigung - und die Fertigung "lohnt" sich erst im Stückzahlen von mehreren Millionen (z.B RAM's oder Prozessoren!!!)

Übersicht über Arten und Fertigungstechnologien von IS

Bipolare IS

• TTL-Technologie (Transistor-Transistor-Logik)

• LS-Technologie (Low-Power-Schottky TTL)

• I2L-Technologie (Integrated Injection-Logic)

• ECL-Technologie (Emitter-Coppled-Logic)

Unipolare IS

• MOS Hochvolt IS-Technologie (Metall-Oxyd-Semiconductor)

• MOS Niedervolt-Technologie

• pMOS-Silizium-Gate-Technology

• nMOS-Silizium-Gate-Technology

• CMOS-Technologie (Complement-Metall-Oxyd-Semiconductor)

• SOS-Technologie (Silicon On Saphir) für Uhrenfrequenzteiler

• VMOS-Technologie (Vertical-MOS) für sehr große Speicherbausteine

• DMOS-Technologie (Doubled-MOS) für extrem große Frequenzen

• CCD-Technik (Charge-Coupled-Device) für dynamische Schieberegister

• der erste Schaltkreis tauchte gleich im Bundle im GERACORD-Kassetten-Tonbandgerät auf (Typ nicht mehr bekannt - 's war kein tragbares)
• der erste Mikroprozessor - 'tschuldigung - 's war gleich 'n Controller, war in der Waschmaschine als Steuerteil - es handelte sich um einen U886 aus dem Funkwerk Erfurt
• der erste Schaltkreis im Auto war ein A283 - ein Mittelwellen-Reciver gekoppelt mit einem A210K (also schon mit Kühlkörper) als Endstufenverstärker im Trabant 601 S im Jahre 1987 (die Zündung war schon Thyristor-gesteuert) - die Elektronik war schon High-Tech - das Auto insgesamt wohl eher nicht. Trabbis mag ich heut' trotzdem mit Ausnahme ihres Gestanks.

Der Taschenrechnerschaltkreis leitete eine neue Etappe der Entwicklung ein. Für jedermann wurde die Leistungsfähigkeit der Großschaltkreise anschaulich demonstriert. Ein hochwertiger Taschenrechner zum Beispiel ein programmierbarer, geht heute weit über die Möglichkeiten älterer Tischrechner hinaus, benötigt wesentlich weniger Energie und findet bequem in der Jackentasche Platz. Der darin enthaltene Rechnerschaltkreis ist ein Halbleiterplättchen aus Silizium (Chip) mit einer Größe von nur 6 x 6 mm². Hohe Stückzahlen sind eine wesentliche Vorbedingung für eine rationelle Herstellung von Großschaltkreisen. Bauelemente zur Datenspeicherung im Großrechner werden in hohen Stückzahlen benötigt. Sie sind 40 mal kleiner, 6 mal schneller und 30 mal sparsamer im Energieverbrauch als die früher eingesetzten Ferritkernspeicher.
Die Konsumgüterindustrie weist ebenfalls hohe Stückzahlen auf. So ließ auch der Uhrenschaltkreis nicht lange auf sich warten. Er führte zu Quarzarmbanduhr, deren Genauigkeit von keiner mechanischen Uhr zu erreichen ist.
Die Herstellungstechnologien für solche integrierten Schaltkreise wurden ständig weiterentwickelt und vervollkommnet. Immer mehr Transistorfunktionen konnte man auf einem Halbleiterchip unterbringen. Man gelangte so zu einem Punkt, bei dem für jeden speziellen Anwendungsfall, zum Beispiel für einen Taschenrechner, eine spezifische Halbleiterschaltung notwendig war. Das erforderte jedes mal einen gewissen Zeitaufwand, war auch unrationell. Eine andere Lösung musste deshalb gefunden werden: Es entstand der Mikroprozessor. Er enthält auf kleinstem Raum ein Rechen- und ein Steuerwerk, deren interner Ablauf von außen mit einem Speicher beeinflussbar ist. Durch geschicktes Programmieren des Speichers kann sich nun der Anwender das passende Lösungsschema für jede Aufgabe selbst zusammenstellen Diese Eigenschaft bildete die Grundlage für eine rationelle Produktion. Die entscheidende Bedeutung liegt in der Verwendung des Mikroprozessors als eine Art Standard-Bauelement, das den jeweiligen Anforderungen durch ein Programm angepasst werden
kann. Die Ausbaufähigkeit macht ihn zu einem Kernstück zukünftiger Geräte. War früher bei Großanlagen, zum Beispiel in Stahlwerken, chemischen Betrieben, Banken, Versicherungsanstalten, eine Datenerfassung und Steuerung durch Großrechner bereits möglich, wird sie es nun über Mikroprozessoren auch für Kleingeräte und die Dinge des täglichen Lebens.
Die Hauptarbeit des Entwicklers liegt dann in der Programmierung, was zur Beschleunigung der Geräteentwicklung beiträgt. Die Fertigungszeit für ein Gerät sinkt, da mit zunehmender Integration die Bauteilzahl trotz vieler neuer Funktionen stark abnimmt. Auch sind Großschaltkreise betriebssicherer. Damit verringert sich die Gefahr von Ausfällen im Fertigungsablauf. Den größten Nutzen werden wir durch den Einsatz des Mikroprozessors am Arbeitsplatz erleben. Er ermöglicht dort Teil- und Vollautomatisierungen und übernimmt geistige Routinearbeit. Er kann qualifizierte Arbeiten des Drehers, Setzers, Kassierers, ja sogar des Konstrukteurs erleichtern und teilweise ersetzen.
Die Anwendungsmöglichkeiten für den Mikroprozessor sind nahezu unerschöpflich. Zum Beispiel Speichersysteme, Kleinrechner, Fernsprechwählautomaten, elektrische Meßeinrichtungen, Bordcomputer, Registrierkassen, Kopierautomaten, medizinische Analyseautomaten, Einrichtungen zur Patientenüberwachung auf Intensivstationen können durch ihn gesteuert werden. Der Bedienungskomfort von Waschmaschinen, Herden, Geschirrspülautomaten, Näh- und Strickmaschinen, Fernseh- und Hi-Fi-Geräten wird erhöht.

Die Halbleitertechnik ist weitgehend von Rohstoff- und Energie-Problemen unbelastet. Die beiden Hauptrohstoffe Silizium und Aluminium sind das zweit (27,7 Prozent) bzw. dritthäufigste (8,13 Prozent) Element der Erdkruste. Großschaltkreise, die 1.400.000 Transistoren enthalten, können heute schon mit der geringen Leistung von 2 mW betrieben werden.
Die moderne Halbleiterelektronik bietet sogar Teillösungen für Rohstoff- und Energieprobleme an. Der zunehmende Informationsaustausch führt zu einem immer höheren Papierverbrauch Datenübertragung über Telefon und Bildschirm, Benutzung der Austastlücken beim Fernsehen zur Übertragung von Zeitungsmeldungen, elektronische Notizbücher in der Form der Taschenrechner usw. werden in Zukunft den Papierbedarf einschränken helfen. Die Gebäudeheizung kann der Außentemperatur und dem Wärmebedarf der Einzelräume exakt angepasst werden, ebenso die Beleuchtung dem Tageslicht und der geforderten Beleuchtungsstärke am Arbeitsplatz. Eine mikrorechnergesteuerte Gangschaltung und Zündanlage ermöglicht, den Kraftstoffverbrauch beim Kraftfahrzeug zu senken und die Umweltbelastung durch Abgase zu verringern

Die Voraussetzung für den heutigen Stand der Halbleitertechnik liegt in einer neuartigen sich stürmisch entwickelnden Technologie. Sie beansprucht wenig Material und Arbeitskraft und ermöglicht hohe Produktionszahlen. Die Investitionskosten für technische Verfahren in der Mikroelektronik sind aber sehr groß. Durch hohe Stückzahlen amortisieren sie sich jedoch schnell. Das Tempo der Entwicklung der Halbleitertechnologie, die in der Geschichte der Technik einzig dasteht, lässt in Zukunft mit einer noch weitergehenden - Senkung der Herstellungskosten E
rechnen. Zwei grundsätzliche Ziele zeichnen sich ab: Senken der Herstellungskosten und verbessern der Bauelementearameter.

Bei der Herstellung eines Mikrochips wird immer wieder ein spezieller Fotolack auf den Wafer, einer Scheibe aus Silizium, 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 Silizium leitend zu machen, Ätzen von Vertiefungen in das Silizium, Aufwachsen einer isolierenden Siliziumdioxidschicht, 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 Prozesszyklus. 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 Platzierung, 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.

Geldnöte und Interkontinentalraketen

Silicon Valley verdankt seine Geburt eigentlich den Geldnöten der Stanford University. Gegründet wurde diese naturwissenschaftlich leistungsfähigste, aber auch politisch konservativste USA-Universität Ende des 19. Jahrhunderts durch den kalifornischen Eisenbahnkönig Leland Stanford. 1951 beschloss die Universitätsleitung, einen Teil ihres Geländes für 99 Jahre an Industriefirmen zu verpachten, deren wissenschaftsintensives Produktionsprofil einer technischen Universität nützlich sein könnte. So entstand der erste "Forschungspark" der USA, in dem sich der Rüstungsgigant Lockheed - Hersteller der ersten Interkontinentalraketen - prompt mit einer Fabrik niederließ.

• mit seinen 23 000 Beschäftigten ist das Unternehmen heute größter Nachfrager nach Mikroelektronik.

• Mikroelektronik - das heißt heute: geballte Intelligenz auf extrem kleinem Raum

• moderne Layouttechniken bringen Speichervolumen nahezu unvorstellbarer Größe (lange werden auf 2 Chips die Kapazitäten von Großrechnern eingebettet)

• die Busbreiten künftiger Prozessorgenerationen werden sich entsprechend dem Stand von heute gerechnet in wenigen Jahren verdoppelt haben.

Damals kehrte auch William Shockley, einer der Erfinder des Transistors, von der Ostküste der Vereinigten Staaten zu seinem Geburtsort Palo Alto in das verheißungsvolle Tal zurück.
1957 machte sich sein talentiertester Mitarbeiter, Robert Noice, selbständig und gründete eine der Stammfirmen des Silizium-Tals - die Fairchild Semiconduktor. Schon bald stand sie auf festen Füßen. Die Ursache war ein Auftragsschub für die Elektronikindustrie infolge des "Sputnik-Schocks". Aus dieser ersten Chip-Fabrik gingen weitere Unternehmen hervor. 1968 rief Noice den Konzern Intel ins Leben, in dessen Labors der erste Mikroprozessor entwickelt wurde. Zurückblickend gesteht der Firmengründer:

"Der Kampf um die Miniaturisierung von Schaltkreisen wurde vom Pentagon und der NASA eröffnet."

Denkfabriken und Vampire

Silicon Valley ist auch der Geburtsort der Heimcomputer, entscheidender Entwicklungen in der Lasertechnik, in hohem Maße der Taschenrechner, Videospiele, Digitaluhren sowie unzähliger anderer Produkte. Heute sind dort rund 1350 High-Tech-Betriebe tätig - 750 Halbleiterfirmen, 200 Computergesellschaften und 400 Firmen für elektronisches Zubehör, deren monotone Flachbauten und Standardhallen die berühmten Mandelbaumplanagen von einst vertrieben haben.
Elegant dagegen die Hauptquartiere der 87 Unternehmen, die zum Big Business gehören. Die Vermögensberaterfirma Thompson Tuckman Anderson Inc. zählte hier 15 200 Millionäre. 1985 lag der Jahresumsatz in der USA-Elektronikindustrie bei 100 Milliarden Dollar, davon entfielen allein auf Silicon Valley 40 Milliarden.
Das Direktorium der Stanford University hatte seinerzeit zutreffend kalkuliert. Dicht geflochten ist heute das weit gespannte Netz der Universität zu Hochtechnologie-Unternehmen. 1981 wurde von ihr unter anderem das Center for Integrated Systems (CIS) gegründet. Es soll so genannte integrierte Systeme in Form von Hochleistungschips entwickeln. Bruce Nussbaum schrieb über diesen Chip:

"Er bildet das Herzstück in der Strategie des Pentagon ... Aus dem ganzen Projekt wird eine ganz neue Generation von Chips hervorgehen, die das Fundament für die elektronische Kriegführung bilden."

An diesem Forschungsauftrag sind 18 Konzerne beteiligt. Neben Intel und Hewlett Packard auch das größte Computer - Monopolunternehmen der Welt, IBM. Jedes Jahr werden hier rund 100 auf diesen Hochleistungschip spezialisierte Diplomingenieure mit dem Mastergrad und 30 Doktoringenieure ausgebildet. Ehrgeizige junge Wissenschaftler können sich mit nahezu unbegrenztem Aufwand offen der Rüstungsforschung widmen. Während die Reagan-Regierung ihre Staatszuschüsse für die zivile Nutzung stoppte, stellte sie neben anderen Zuwendungen einen Millionenfonds für Sonderstipendien bereit; damit sollten besonders Begabte in die Rüstungsforschung gelockt werden.

Leben wie vor der Dampfwalze

Schwere internationale und nationale Konkurrenzschlachten werden geführt. Neun von zehn Neugründungen in diesem "verlockenden Tal" gehen innerhalb von zwei Jahren pleite. Das US-Wirtschaftsmagazin "Business Week" schrieb am 28. Februar 1983: "Gäbe es Geister von gescheiterten Neugründungen, dann würde es in den Lüften von Silicon Valley von Gespenstern eingegangener Firmen nur so wimmeln." Mark Larsen, Vertriebsmanager der Intel Corp., schildert den permanenten Balanceakt Aufstieg und Fall so:

"In Silicon Valley lebt man wie einer, der ständig vor einer Dampfwalze wegrennt. Aber wehe, man setzt sich hin - dann wird man plattgedrückt."

Gleich einem Alptraum lastet dieser gnadenlose Konkurrenzkampf auf den Arbeitern und Angestellten, den Ingenieuren und Wissenschaftlern. Wer versagt, wird gefeuert. Manager, Wissenschaftler oder Techniker merken ihre Entlassung so: Wenn sie ihr Büro betreten wollen, es aber nicht können, weil ein neues Türschloss eingebaut ist. So soll verhindert werden, dass sie vielleicht noch Informationen für die Konkurrenz mitgehen lassen.
Längst ist in Silicon Valley der Mythos gestorben, dass hier der Tüchtige Erfolg hat. Robert Howard kennt die andere Seite des so genannten verlockenden Tales:

"Für die Arbeitskräfte in der Fertigung, die Hälfte der Beschäftigten, bedeutet Silicon Valley nur schlecht bezahlte Jobs ohne Aufstiegschancen, nervtötende und stupide Arbeit und einige der gesundheitsschädlichsten Arbeitsplätze der USA."

soweit zum ideologisch vorbelasteten Teil, der aber dadurch in der Gesamtdarstellung nicht falsch wird - es war eben die Zeit und es waren die Verhältnisse - die Zahlen sowie Aussagen stimmen schon, was wiederum heute gern in der Aussage vergessen wird

Der Physiker Jack Kilby suchte für seine Erfindung des Integrierten Schaltkreisen eine Anwendung, die das Potenzial seiner Entdeckung beweisen sollte. Erst Ende März 1967 wurde er fündig: Der kleine Rechner war geboren.
VON CHRISTOPH DERNBACH DALLAS/PADERBORN - Es muss den TIS-Physiker Jack Kilby fast in de Wahnsinn getrieben haben, das sein damaliger Arbeitgeber Texas Instruments den Wert seiner bahnbrechenden Erfindung nicht zur Kenntnis nahm. Im Sommer 1958, während seine Laborkollegen in den Sommerferien weilten, hatte er mit improvisierter Ausrüstung den integrierten Schaltkreis entwickelt, den ersten Mikrochip der Welt. Es sollte noch einmal fast zehr Jahre dauern, bis er mit dem Prototyp eines ersten Taschenrechners eine Perspektive für den Mikrochip aufzeigen konnte.
Kilby kam auf die Idee, Transistoren, Widerstände und Kondensatoren in einer einzigen Schaltung auf Basis eines Halbleiters zu vereinen. Er montierte 1958 den ersten „Integrierten Schaltkreis“ auf einem Glasplättchen mit einem Stück Germanium und mit Drähten dran.
Für seine Erfindung des Integrierten Schaltkreises wurde Kilby 1982 in die Ruhmeshalle der amerikanischen Erfinder aufgenommen und fand seinen Platz neben Thomas Edison und den Brüdern Wright. Im Jahr 2000 erhielt er den Physik-Nobelpreis. Doch Ende der 1950er-Jahre taten sich nicht nur die TI-Bosse damit schwer, das Potenzial der Erfindung konkret zu erkennen. Die ICs seien auf Fachkongressen eher als Kuriosität gehandelt worden, erinnerte sich Kilby später.
Um ein konkretes Anwendungsbeispiel für den Mikrochip vorlegen zu können, machte sich Kilby 1966 mit seinen Kollegen Jerry Merryman und James Van Tessel daran, den ersten Taschenrechner der Welt zu konstruieren. Vor 50 Jahren, am 29. März 1967, stellte Kilby seinen „Cal Tech“ dem Direktor von Texas Instruments vor. Der schwarze Aluminiumkasten war fast so dick wie ein Wörterbuch und wog zweieinhalb Pfund. Auch damals hätte er eigentlich in keine Hosentasche gepasst. Doch er konnte immerhin mit Batterien unabhängig vom Stromnetz betrieben werden.
„Cal Tech“, der erste elektronische Taschenrechner der Welt. FOTO:
Der „Cal Tech“ konnte sechsstellige Zahlen addieren, subtrahieren, multiplizieren und dividieren. Komplexere Funktionen beherrschte der Kasten allerdings nicht. Und so zeigte sich die TI-Führungsriege zunächst nur mäßig beeindruckt. Kilby musste zum zweiten Mal hinnehmen, dass eine große Erfindung von ihm quasi ignoriert wurde.
Immerhin ermöglichte die TI-Führung, dass der japanische Konzern Canon den „Cal Tech“ in eine Serienproduktion überführte. Canon brachte im April 1970 in Japan den „Pocketronic“ heraus, bei dem die Zahlen ebenfalls nicht elektronisch angezeigt, sondern auf einem kleinen Streifen Thermopapier ausgedruckt wurden. Auf den US-Markt kam der Rechner Anfang 1971 und kostete knapp 400 Dollar.
Auch der Siegeszug der Personal Computer konnte den Taschenrechner-Boom nicht bremsen: 1999 wurden laut GfK-Marktforscher 4,4 Millionen Taschenrechner in Deutschland abgesetzt. Im vergangenen Jahr wurden in Deutschland trotz Handy-Apps immerhin noch 2,6 Millionen Geräte verkauft. (dpa)

http://www.meilensteine-der-elektronik.de/50-jahre-taschenrechner-der-cal-tech-von-texas-instruments-a-588806/

CMOS-Technologie

Zukunftsmusik: sechs Tendenzen zeigen sich in der Zukunft auf:

• Verringerung der Batteriebetriebsspannungen
• Erhöhung des Integrationsgrades auf Silizium
• Mehrebenenarchitekturen
• neue Halbleitermaterialien (z. B. Gallium-Arsenid)
• Erhöhung der Grenzfrequenzen
• Vergrößerung der Silizium-Scheiben

TTL-IC-74 -Standard-Liste sowie deren russische Äquivalente

CMOS-IC-4000 -Standard-Liste sowie deren russische Äquivalente

Grobraster zur Fertigung eines Transistors in der Epitaxie-Planar-Technologie - wie sie für alle TTL-Schaltkreise bis heute (2005) unverändert angewandt wird

Der Einbauvorgang von Fremdatomen in das Kristallgitter heißt Dotieren. Um die nötigen Fremdstoffe in den Einkristall an bestimmte Stellen mit festgelegter Konzentration zu versetzen, können verschiedene Dotierungsverfahren angewendet werden.
Man kann den Siliziumkristal! phosphor- oder borhaltigen Dämpfen aussetzen. Bei Temperaturen von 1200 °C wandern die Fremdatome durch die Wärmebewegung von selbst in das oberflächennahe Gebiet des Kristalls ein. Diese Eigenbewegung wird Diffusion genannt und kann durch genaue Abdeckung von Teilen der Oberfläche, Regelung der Temperatur und Zeitdauer des Vorgangs exakt beherrscht werden.
Das jüngste Dotierungsverfahren ist die Ionenimplantation. Hier schießt man die Fremdstoffe in der Form von Ionen in den Kristall hinein. Sie werden im Innern abgebremst und erreichen eine speziell gewünschte Tiefenverteilung. Durch die sehr geringe Seitenstreuung der Ionen kann man das Dotierungsgebiet sehr genau abgrenzen. Allerdings entstehen im Kristall auch Strahlenschäden, die aber durch eine nachträgliche Wärmebehandlung wieder auszugleichen sind.
Es kann auch eine neue ebenfalls einkristalline Schicht auf der Oberfläche des Siliziumkristalls aufwachsen. Durch dieses Verfahren der Epitaxie werden Siliziumhalogenide in einer Wasserstoffatmosphäre bei einer hohen Temperatur reduziert. Der Kristall muss auf etwa 1200 °C erhitzt werden, wobei sich das aus der künstlichen Atmosphäre abscheidende Silizium an seiner Oberfläche anlagert. Man kann der Gasatmosphäre vorher genau dosierte Mengen der Fremdstoffe zusetzen und erreicht in der aufgewachsenen Schicht exakt die gewünschte Störstellenkonzentration.

Eine Störung setzt Ordnung voraus, die hier aus einem wohlgebauten, hochreinen Siliziumeinkristall besteht. Die sichere Beherrschung der gewollten aber nur geringfügigen Verunreinigung erfordert eine enorme Reinheit des Ausgangsmaterials. Der stark verunreinigte Quarz (Siliziumdioxid) wird, chemisch aufbereitet, erreicht aber dadurch nur eine Reinheit von 98 Prozent. Die notwendige Höchstreinheit ist das Ergebnis
sich anschließender physikalischer Verfahren.
Danach wird der reine, aber noch aus vielen kleinen Siliziumkristallen bestehende zylinderförmige Stab in einer nach oben wandernden Zone aufgeschmolzen (Zyklus 0). Beim Wiedererstarren der Schmelze setzt sich die einkristalline Ordnung des im unteren Halter angebrachten Mutterkristalls fort und ermöglicht den Wachstumsvorgang. Wenn die Schmelzzone den ganzen polykristallinen Stab durchwandert hat, ist ein gleichmäßig ausgebildeter störungsfreier Einkristall entstanden. Man kann aber auch dotiertes polykristallines Material verwenden und so dem Einkristall ein n- oder p-Leitungsverhalten vorgeben.

Eine Spezialsäge, die mit Diamantstaub besetzt ist, zerlegt den Siliziumstab in Scheiben. Die hohe Oberflächenrauhigkeit ermöglicht jedoch keine kleinen Strukturen, die ein Schaltkreis aufweisen muss. So wird anschließend durch Läppen, mechanisches Polieren und Polierätzen eine spiegelglatte Oberfläche erreicht, die aber auch sehr eben sein muss.

Um die Dotierung auf eng begrenzte kleine Zonen, deren Grenzen in der Größe von etwa 10^-6 m (!) eingehalten werden müssen, zu beschränken, müssen Masken vorhanden sein, die die anderen Teile der Oberfläche vor eindringenden Fremdatomen schützen. Man lässt deshalb auf die Scheibenoberfläche eine Schicht von Siliziumdioxid aufwachsen, die zugleich als Schutz vor Verunreinigung der Luft und wenn nötig auch zur Isolation dient.
Zum Einbringen der Störatome sind aber an bestimmten Stellen Fenster nötig. Ein fotolithografisches Verfahren entfernt dort die Oxidschicht. Dazu wird auf die Oxidschicht der Siliziumscheibe eine Fotolackschicht aufgebracht Diese wird dann über eine darüber liegende Fotomaske, auf der die gewünschte Struktur abgebildet ist, mit UV-Licht belichtet. Bei der Entwicklung werden die belichteten Stellen des Fotolacks aufgelöst. An den so freiliegenden Stellen wird anschließend das Siliziumoxid weggeätzt. Die restliche Lackschicht kann jetzt entfernt werden. Während des Diffusionsprozesses dringen die Fremdstoffe durch die Fenster der Oxidmaske und bilden an de Oberfläche eitle Siliziumverbindung. Von hier aus diffundieren sie in den Halbleiterkristall hinein und bestimmen dort das Leitungsverhalten. Im n-leitenden Kristall entstehen p-leitende Inseln (Zyklus 1). Umgekehrt beim Feldeffekttransistor vom n-Kanal-Anreicherungstyp: Hier bilden sich in der p-leitenden Scheibe n-leitende Inseln (vgl. Abb. hier)
Bleiben wir bei der Herstellung des Feldeffekttransistors:
Die Steuerelektrode (Gate) wird durch eine feine Oxidschicht isoliert. Es ist günstig, zunächst an dieser Stelle die gesamte Oxidschicht als Gate-Wanne wegzuätzen und eine hauchdünne Oxidschicht neu aufwachsen zu lassen. Abschließend wird eine vollständig abdeckende Aluminiumschicht aufgedampft. Die Struktur der Zwischenverbindungen entsteht aber erst durch einen ähnlichen fotolithografischen Prozess wie für die Oxidmaske. Dabei werden die Gebiete zwischen den Leitbahnen weggeätzt.

Durch die Zwischenverbindungen schließen sich die Schaltelemente zu Einzelschaltkreisen zusammen. Es bildet sich ein Raster auf der Scheibe, bei der die Schaltkreise wie die Briefmarken an einem Briefmarken bogen zusammenhängen und erst nach einer Funktionsprüfung vereinzelt werden. Zur Prüfung jedes einzelnen Schaltkreises dienen sehr feine Testerspitzen, mit denen der kleine Schaltkreis an die Prüfeinrichtung angeschlossen werden kann. Nach der Abschlussprüfung kennzeichnen rote Tintenpunkte die Ausschussstücke (Schluss-Zyklus 1).

Die Scheibe wird anschließend in Einzelschaltkreise (Chips) zerlegt. Die rot markierten Chips müssen ausgesondert werden. Der Chip wird danach zum Beispiel auf einen gestanzten Anschlusskamm aufgelötet und die Chip- und Gehäuseanschlüsse durch dünne Aluminium- oder Golddrähte verbunden. Der Chip auf dem Steg des Kammes kann zum Beispiel anschließend mit Kunststoff umhüllt werden, der dann das Gehäuse für den Baustein bildet (Zyklus II).

Der Epitaxie-Planar-Transistor (vgl. Abb. hier) hat einen durch Epitaxie gebildeten n-dotierten Kollektor. Die Dotierung der begrabenen Schicht, des Isolierrahmens, der Basis, des Emitters und des Kollektorkontaktes geschieht durch mehrfache Diffusionsprozesse. Diesen müssen noch Oxydations- und fotolithografische Prozesse vorausgehen. Für die Herstellung eines MOS-Schaltkreises war dagegen wie eben beschrieben nur eine einzige Diffusion nötig. Aber modernere Schaltkreise mit höherer Qualität, beispielsweise CMOS-Schaltkreise, verlangen auch mehrere Diffusionsschritte. Weitere viele Nebenprozesse, die hier nicht erwähnt wurden, bilden zusammen mit den genannten Hauptprozessen eine lange und komplizierte Verfahrenskette. Die Herstellung eines
Schaltkreises erfordert somit einen sehr hohen technologischen Aufwand.

Dr. Karl-Heinz Niklowitz in JUGEND + TECHNIK Heft 12/1981