集積回路製造の包括的なプロセス

集積回路の製造には、通常はシリコンで作られる基板層の上に半導体材料の非常に薄い表面層を作成するプロセスが含まれます。基板層は原子レベルで化学的に変更され、トランジスタ、コンデンサ、抵抗器、ダイオードなどのさまざまなタイプの回路コンポーネントの機能を作り出すことができます。これは、抵抗器やトランジスタなどの個々のコンポーネントを接続用ブレッドボードに手作業で取り付けて複雑な回路を形成していた以前の回路設計に比べて進歩したものです。集積回路製造プロセスは非常に小さいコンポーネントで動作するため、マイクロチップ製造施設でのさまざまなフォト リソグラフィーとエッチング プロセスを通じて、2011 年現在、数十億個のコンポーネントを数平方センチメートルの領域に作成できます。

集積回路 (IC) チップは文字通り半導体材料の層であり、すべての回路コンポーネントが一連の製造プロセスで相互接続されているため、すべてのコンポーネントを個別に製造して後で組み立てる必要がなくなりました。マイクロチップ集積回路の最も初期の形式は 1959 年に製造され、数十個の電子部品の粗雑なアセンブリでした。しかし、集積回路製造の洗練度は指数関数的に増加し、1960 年代までに IC チップ上のコンポーネントは数百になり、最初の真のマイクロプロセッサが作成された 1969 年までにコンポーネントは数千になりました。 2011 年の時点での電子回路には、数百万個のトランジスタ、コンデンサ、その他の電子部品を搭載できる長さまたは幅が数センチメートルの IC チップが搭載されています。コンピュータ システム用のマイクロプロセッサと、主にトランジスタを含むメモリ モジュールは、2011 年時点で最も洗練された形式の IC チップであり、1 平方センチメートルあたり数十億個のコンポーネントを搭載することができます。

集積回路製造におけるコンポーネントは非常に小さいため、コンポーネントを作成する唯一の効果的な方法は、光にさらされてウェーハ表面での反応を伴う化学エッチング プロセスを使用することです。回路用にマスクまたは一種のパターンが作成され、それを通してフォトレジスト材料の薄層でコーティングされたウェーハの表面に光が照射されます。このマスクを使用すると、ウェハのフォトレジストにパターンをエッチングし、高温でベークしてパターンを固化させることができます。次に、フォトレジスト材料は、フォトレジスト材料がポジティブ化学反応物質であるかネガティブ化学反応物質であるかに応じて、表面の照射領域またはマスクされた領域のいずれかを除去する溶解溶液に曝露される。後に残るのは、紫外線や X 線など、使用される光の波長の幅で相互接続されたコンポーネントの微細な層です。

マスキング後の集積回路製造では、シリコンのドーピング、または材料表面への通常リンまたはホウ素原子の個々の原子の注入が行われ、結晶上の局所領域に正または負の電荷が与えられます。これらの帯電領域は P 領域および N 領域として知られ、それらが交わる場所で伝送接合を形成し、PN 接合として知られる汎用電気コンポーネントを作成します。このような接合の幅は、2011 年の時点でほとんどの集積回路で約 1,000 ～ 100 ナノメートルであり、各 PN 接合は人間の赤血球とほぼ同じサイズで、幅はおよそ 100 ナノメートルになります。 PN 接合を作成するプロセスは、さまざまな種類の電気的特性を示すように化学的に調整されており、接合がトランジスタ、抵抗、コンデンサ、またはダイオードとして機能することが可能になります。

集積回路上のコンポーネントとコンポーネント間の接続は非常に微細なレベルであるため、プロセスが故障してコンポーネントに欠陥がある場合、修復できないためウェハ全体を廃棄する必要があります。 2011 年現在、ほとんどの最新の IC チップは、最終的なチップ自体を作成し、より多くの処理能力を与えるために、互いに積み重ねられ、相互に接続された集積回路の多くの層で構成されているという事実によって、このレベルの品質管理はさらに高いレベルに引き上げられています。回路を機能的かつ信頼性の高いものにするために、絶縁層と金属相互接続層も各回路層の間に配置する必要があります。

集積回路の製造プロセスでは多くの不良チップが生成されますが、電気試験や顕微鏡検査に合格し、最終製品として機能するチップは非常に貴重であるため、プロセスの収益性が高くなります。集積回路は、コンピューターや携帯電話からテレビ、音楽プレーヤー、ゲーム システムなどの家庭用電化製品に至るまで、2011 年現在使用されているほぼすべての最新の電子機器を制御しています。また、自動車や航空機の制御システムや、デジタル目覚まし時計から環境サーモスタットに至るまで、ユーザーに一定レベルのプログラミング機能を提供するその他のデジタル デバイスの必須コンポーネントでもあります。

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ソースへのリンク

• https://www.kpsec.freeuk.com/components/ic.htm
• https://www.pbs.org/transistor/background1/events/icinv.html
• https://www.thoughtco.com/history-of-integrated-circuit-aka-microchip-1992006