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Mikroelektronik

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Die Mikroelektronik ist ein Teilgebiet der Elektrotechnik bzw. der Elektronik, welches sich mit der Miniaturisierung von elektronischen Schaltungen befasst.

Die Mikroelektronik hat zwei Hauptmerkmale:

  • Integration (Im Detail: siehe 'Integrierte Schaltung'): Elektronische Schaltkreise werden auf einem gemeinsamen Substrat in einem gemeinsamen Fertigungsschritt erzeugt. Die Bausteine der Schaltungen bestehen zum größten Teil aus Transistoren, aber auch Widerständen, Kondensatoren und anderen Halbleiterbauelementen. Das gemeinsame Substrat ist ein Halbleitermaterial, meist ein sogenannter Wafer aus monokristallinem Silizium. Die Bauelemente werden in und auf dem Grundmaterial durch chemische und mechanische Umwandlungsprozesse der Halbleitertechnologie erzeugt.
  • Miniaturisierung: Die Bausteine der Schaltung (und damit die Schaltung als Ganzes) werden kontinuierlich verkleinert. Die Abmessungen eines Transistors liegen im Jahre 2004 deutlich unter einem Mikrometer. Damit lassen sich integrierte Schaltungen mit mehreren Millionen Transistoren auf einem Siliziumstück mit einer Kantenlänge von wenigen Millimetern realisieren.

Anwendungen

Bauelemente der Mikroelektronik wurden ursprünglich für die Anforderungen der Raumfahrt nach kleinen und leichten Bauteilen entwickelt. Sie sind heute in einer Vielzahl technischer Geräte und Einrichtungen zu finden:

An dieser Stelle kann nur eine exemplarische Auswahl genannt werden - es gibt sowohl in den genannten Gebieten eine Vielzahl weiterer Anwendungen als auch eine Reihe hier nicht genannter Anwendungsgebiete, wie Medizintechnik, Kommunikationstechnik, Gebäudetechnik und vieles mehr.

Bauelemente

Die mikroelektronischen Bauelemente lassen sich zunächst in zwei große Gruppe einteilen: Standardbausteine und Anwendungsspezifische:

  • Standard-ICs: lassen sich in einer Vielzahl von Anwendungen einsetzen, werden in großer Zahl produziert und sind teilweise auch tatsächlich durch Standardisierungskonsortien in ihrer Ausprägung festgelegt (Abgrenzung in der Praxis unscharf)
    • Mikroprozessor (MPU - Micro Processor Unit) - Schaltkreise, die keine eindeutig definierte Eingangs- zu Ausgangsrelation haben, sondern eine Abfolge von Operationsanweisungen - ein Programm - abarbeiten
    • Mikrocontroller (MCU - Micro Controller Unit) - Ein-Chip-Computersystem, das einen Mikroprozessor, verschiedene Schnittstellen und Speicher (RAM und ROM) enthält.
    • Digitale Signalprozessoren (DSP - Digital Signal Processor) - ähnlich einem Mikrocontroller, aber spezialisiert auf Signalverarbeitung (digitale Repräsentierungen analoger Daten, z.B. Musik)
    • Dynamische Speicherbausteine - preiswerte Speicherform, die vorwiegend als Arbeitsspeicher Verwendung findet
    • Flash-EEPROMs - nichtflüchtiger Speicher der nur blockweise geschrieben werden kann, häufig in Form von Speicherkarten zur Speicherung digitaler Musik, etc. eingesetzt
    • Andere Speicherbausteine: SRAM, ROM, PROM, EPROM ...
    • Programmierbare Logikbausteine (PLD - programmable logic devices) - integrierte Schaltkreise, die nach Fertigstellung noch für beliebige spezifische Logikfunktionen konfiguriert werden können
  • Anwendungsspezifische ICs: Schaltkreise, die für eine bestimmte Anwendung (z.B. Motorsteuerung im Auto) entworfen und gebaut sind und von ihrem Funktionsumfang keine andere Anwendung erlauben.
    • Applikationsspezifische Standardprodukte (ASSP - application specific standard product) - ein Logikschaltkreis, dessen Funktion fest definiert ist, der jedoch von mehreren Kunden genutzt werden kann (z.B. Applikationsprozessor für Handys)
    • Kundenspezifische Integrierte Schaltung (ASIC - application specific integrated circuit) - ein Logikschaltkreis, dessen Funktion ebenfalls fest definiert ist, der aber speziell für einen Kunden bzw. eine Anwendung entworfen und gebaut wird (In der Praxis werden mit diesem Begriff häufig auch alle festdefinierten Logikbausteine assoziiert - ASIC und ASSP)

Neben dieser Systematik wird eine Gruppe von Bauelementen meist extra aufgeführt:

  • Analoge ICs: integrierte Schaltungen, die analoge Signale, wie Spannungen oder Ströme, direkt - d.h. ohne Umwandlung in digitale Signale - verarbeiten.

Fertigungstechnik

Man unterscheidet die Festkörpertechnik (auch: monolithische Fertigung) von den Filmtechniken.

  • Bei der Festkörpertechnik werden die Bauelemente auf ein Halbleitersubstrat, meist einkristallines Silizium - so genannte Wafer, aufgebracht. Die Strukturen der Schaltungen werden dabei durch Fotolithografie definiert und mit physikalischen und chemischen Prozessen entweder strukturiert oder einer lokalen Veränderung der Materialeigenschaften unterzogen. Durch das Einbringen von Fremdatomen (Dotierung) in das Silizium entstehen zum Beispiel leitende und nichtleitende Gebiete, legt man darüber in geeigneter Form eine Leiterbahn, die durch eine sehr dünne Oxid-Isolierschicht von diesen Gebieten getrennt ist, entsteht ein Transistor. Auf einem Wafer werden in der Regel mehrere Integrierte Schaltkreise (auch engl. Chip) gleichzeitig hergestellt. Die Chips werden getrennt ( in der Form als Die bezeichnet) und üblicherweise in ein Gehäuse (engl.: Package) eingebaut. Die Anschlüsse des Gehäuses werden über dünne Gold- oder Aluminiumdrähte (Bonddraht) mit den sogenannten Pads der integrierten Schaltung verbunden (Bonding). Das Gehäuse schützt die Chips, führt die Wärme ab und kann auf einer Leiterplatte zusammen mit anderen Bauteilen, auch weiteren ICs, eingesetzt werden. Im Detail: siehe Halbleitertechnologie
  • Die Dünnfilmtechnik und Dickfilmtechnik, bei denen Bauteile auf einen Film aufgebracht oder eingebettet und verbunden werden, haben nur noch für Spezialanwendungen (Hochfrequenztechnik) Bedeutung. Als Hybridtechnik bezeichnet man die Kombination der Filmtechnik und Festkörpertechnik. Dabei werden in Festkörpertechnik hergestellte Halbleiterchips auf einem Trägermaterial aufgebracht und dann in Filmtechnik darauf z.B. Verbindungsleitungen und passive Bauelemente realisiert.

Entwicklung mikroelektronischer Bauelemente

Beim Chipentwurf geht es darum, die Grundelemente der mikroelektronischen Schaltungen - Transistoren, Passive Bauteile, Leiterbahnen - logisch zu der gewünschten Funktion zu verknüpfen, geometrisch auf der Siliziumfläche anzuordnen und physikalisch ihr Verhalten zu modellieren. Die spezifischen Charakteristika der Mikroelektronik haben dazu geführt, dass sich ein spezieller Entwurfsprozess ausgebildet hat.

  • Der Produktion eines Chips gehen sehr hohe Einmalkosten (NRE - non recurring engineering costs) voraus (z.B. Maskenkosten / siehe Fotolithografie). Auch ist eine Reparatur eines integrierten Schaltkreises nur sehr eingeschränkt möglich und produktiv nicht praktikabel. Daher ist es von großer Bedeutung, dass der Entwurf nur mit wenigen Überarbeitungen zum gewünschten Produkt führt. Das hat zur Folge, dass zu einem erheblichen Anteil Simulations- und Verifikationsschritte den Entwicklungsverlauf bestimmen - im Jahre 2004 machen sie etwa die Hälfte des Entwicklungsaufwandes für den Schaltkreis aus - mit steigender Tendenz.
  • Die Verkleinerung und steigende Integration führen zu einer immensen Anzahl von realisierbaren Funktionselementen (= meist Transistoren; mehrere Millionen im Jahre 2004) in einer integrierten Schaltung. In diesem Umfang können die Transistoren nicht mehr mit vertretbaren Aufwand 'von Hand' in eine Schaltung umgesetzt werden. Daher gewinnt die Entwurfsautomatisierung immer weiter an Bedeutung. In vielen Fällen beschreibt der Chipentwickler die gewünschte Schaltung nur noch in einer 'Hochsprache' (vergleichbar der höheren Programmiersprache in der Informatik, übliche Ausprägungen: VHDL, Verilog), der Computer errechnet daraus die Schaltnetze und platziert die Transistoren (unter menschlicher Mitwirkung und Kontrolle).
  • Die fortschreitende Miniaturisierung treibt sowohl die Strukturierungsprozesse als auch die realisierten Funktionsbausteine, wie Transistoren und Leiterbahnen, an ihre physikalischen Grenzen. Um ersterem zu begegnen, wird im Entwurfsprozess in steigendem Umfang Software eingesetzt, die die physikalischen Grenzeffekte, wie z.B. die optische Beugung bei der Fotolithografie simuliert und den Schaltungsentwurf so modifiziert, dass diese Effekte ausgeglichen werden. Um den Miniaturisierungeffekten bei den Bauelementen entgegenzuwirken, kommen fortlaufend neue Simulations- und Modellierungsverfahren zum Chipentwurfsprozess hinzu: zum Beispiel Simulationen des Spannungsabfalls in langen Versorgungsnetzen, Simulation der parasitären kapazitativen Kopplung benachbarter Leiterbahnen ...

Gründe und Folgen der Miniaturisierung

Seit Gordon Moore 1965 das nach ihm benannte 'Gesetz' formulierte, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip alle zwölf Monate (später achtzehn Monate) verdopple, hat die Mikroelektronik tatsächlich sowohl in Hinblick auf Integrationsdichte als auch bei der Verkleinerung der Strukturen kontinuierliche Fortschritte gemacht.

Der Treiber für die Verkleinerung der Strukturen ist die Senkung der Fertigungskosten. Die Fertigung von Mikrochips erfolgt auf Halbleiterscheiben (Wafer) konstanter Größe (tatsächlich gibt es eine Evolution der Scheibengrösse über die Zeit, aber die ist für diese Betrachtung hinreichend langsam). Daher lassen sich die Fertigungskosten zunächst als Summe der Prozesskosten pro Wafer beschreiben (mit einer gewissen Abstraktion und unter Vernachlässigung der Kosten für Test und Gehäusung der ICs). Insofern gibt es auf die Fertigungskosten pro Chip zwei Hebel:

  • Anzahl der Chips pro Wafer
  • Summe der Kosten für die strukturierenden und eigenschaftsändernden Prozesse pro Wafer

Ersteres nimmt durch die Minimierung der Strukturbreite überproportional zu (Flächenreduktion = Längenmassreduktion^2 + bessere Randausnutzung - nichtlineare Effekte). Zweiteres (die Prozesskosten der Strukturierungsprozesse und die Anzahl notwendiger Prozessschritte) nehmen jedoch mit steigender Miniaturisierung meist ebenfalls zu. Bis heute (2004) hat die Halbleiterindustrie damit eine durchschnittliche Fertigungskostenreduktion von 30% pro Jahr erreicht. Ein mögliches Szenario kann es sein, dass die Zunahme der Prozesskosten bei Annäherung an physikalische Grenzen nicht mehr hinreichend durch die Einsparung der Chipfläche kompensiert werden kann und der Fortschritt in der Miniaturisierung sich dadurch verlangsamt bzw. endet.

Die hohe konstante Fertigungskostenreduktion in der Mikroelektronik war ein wesentlicher Innovationsmotor der letzten dreißig Jahre in einer Vielzahl von Branchen - nicht allein in der Elektronik und Computertechnik (siehe Anwendungen).

Neben der Kostensenkung gibt es aber auch andere Effekte der Miniaturisierung:

  • Kleinere Schaltelemente, die bei verringerter Spannung betrieben werden haben auch eine wesentlich verringerte Verlustleistung (Die Verlustleistung pro Fläche steigt jedoch -> schlechtere Wärmeabfuhr). Ohne Verkleinerung und Integration wäre batteriebetriebene, mobile Elektronik nicht denkbar, wie sie heute allgegenwärtig ist: Mobiltelefon, Notebook, PDA ...
  • Kleinere Transistoren haben verbesserte Schaltzeit, kürzere Leiterbahnen verkürzte Signallaufzeiten: durch die Verkleinerung werden immer schnellere und damit meist auch leistungsfähigere Schaltungen möglich.
  • Höhere Integration (mehr Funktionen in einem Chip) bedeutet weniger Bauelemente auf einer Leiterplatte und damit erhöhte Zuverlässigkeit durch weniger Lötverbindungen.

Ökonomie

Der Industriezweig, der sich mit der Herstellung von mikroelektronischen Bauteilen beschäftigt - die Halbleiterindustrie - zeigt zwei Eigenschaften, die ihn von anderen unterscheidet.

  • Große Skaleneffekte: Halbleiterfabriken für die Massenfertigung von Bausteinen der jeweils kleinstmöglichen Strukturgrößen sind erst ab einer gewissen Größe rentabel. Weiterhin sind diese Fabriken um Größenordnungen teurer als vergleichbare Fertigungsstätten anderer Branchen: heute (2004) liegen die Kosten für Bau und Ausrüstung einer Hochvolumenfabrik auf dem Stand der Technik bei etwa US$ 2 Milliarden. Beides zusammen führt zu dem sogenannten Schweinezyklus: Es gibt nur eine vergleichsweise geringe Anzahl an aktuellen Halbleiterfabriken weltweit. Wenn es der Branche gut geht (d.h. in der Regel, wenn das Angebot an Halbleiterbausteinen geringer ist als die Nachfrage), baut sie ihre Fertigungskapazitäten aus, weil die meisten Unternehmen nur dann die Summen für den Ausbau aufbringen können. Jede neue Fabrik, die in Produktion geht, erhöht das Weltmarktvolumen verfügbarer Bausteine gleich um Prozentpunkte, da sie ja aus Rentabilitätsgründen sehr groß sein müssen. Der schlagartige Anstieg verfügbaren Volumens führt zu einem entsprechend starken Preisverfall der Bauelemente, der sich wieder einschwingt, sobald die Nachfrage das Angebot wieder eingeholt hat. Durch den Preisverfall sind viele Unternehmen eine Zeit lang nicht in der Lage ihre Fertigungskapazitäten auszubauen - es läuft auf die nächste Verknappung des Angebotes zu. Dann wiederholt sich der Zyklus.
  • Zuschreibung strategischer Bedeutung: Viele Staaten schreiben der Halbleiterindustrie strategische Bedeutung zu. Meist begründet sich das in dem "Keimzelleneffekt" für andere Hochtechnologien: im Umfeld von Halbleiterindustrien entwickeln sich nicht nur hochqualifizierte Zulieferer aus der Chemie und dem Anlagenbau, sondern auch aus den Abnehmerindustrien der Bauelemente, zum Beispiel die Computer- und Elektronikindustrie. In einigen Fällen wird die strategische Bedeutung auch militärisch begründet: so schätzen die USA die Bedeutung der Mikroelektronik für Rüstungsprogramme so wichtig ein, dass sowohl Geräte zur Herstellung aktueller ICs als auch die Schaltungsentwürfe und sogar die Schaltungsentwicklungssoftware Gegenstand ihrer Exportkontrolllisten sind. Diese hoch eingeschätzte Bedeutung hat zur Folge, dass eine Vielzahl von Staaten die Ansiedelung der Halbleiterindustrie in vielerlei Weise fördern: von Anschubfinanzierungen, besonderen Steuergestaltungen, staatlichen Kreditgarantien bis zu staatlich geförderter Forschung an universitären und industriellen Forschungszentren, etc. Diese Förderungen sind auch gelegentlich Gegenstand von ökonomischen Auseinandersetzungen zwischen Staaten und Unternehmen - so geschehen zuletzt im Jahre 2003: nachdem dem DRAM-Hersteller Hynix vorgeworfen wurde über die Maßen vom südkoreanischen Staat in seiner Finanzkrise gestützt worden zu sein, erwirkten die USA, die europäische Union und zuletzt Japan Strafzölle auf die Produkte dieses Unternehmens, wogegen Südkorea protestierte.
  • Geschäftsmodelle: Wie in vielen anderen Branchen auch gibt es den Vollhersteller - Integrated Device Manufacturer (IDM) genannt. Ein IDM erstellt das Produktdesign, entwickelt die Fertigungstechnologie, fertigt das Bauteil und verkauft es selbst. Daneben gibt es jedoch auch noch die "Fabless Design Houses" und "Foundries". Fabless Design Houses erstellen das Produktdesign entsprechend der Vorgaben der Foundry, die es später fertigen wird und verkaufen das fertige Produkt. Die Foundry entwickelt die Fertigungstechnologie, stellt ihren Kunden technologiespezifische Hifsmittel zum Chipentwurf (EDA) bereit und fertigt die ICs. Kombinationen dieser Geschäftsmodelle und Nischenmodelle sind in der Praxis auch zu finden.

Geschichte

Die entscheidende Grundlage für die Mikroelektronik wurde 1948 mit der Erfindung des Transistors gelegt. Ab 1961 wurden erste integrierte Schaltkreise mit wenigen Bipolartransistoren und Widerständen realisiert. In den 1970er Jahren wurden höhere Transistordichten mit einigen tausend Bauelementen realisiert. Dies wird als Großintegration (LSI Large Scale Integration) bezeichnet. Die bipolaren Transistoren wurden durch Feldeffekttransistoren FETs, meist in der Form von leicht herstellbaren MOSFETS (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) ersetzt. 1979 begann die Größtintegration (VLSI Very Large Scale Integration) mit heute mehreren Millionen Transistorfunktionen und früher unerreichbaren Taktfrequenzen von mehreren Gigahertz. Die Größe des Einzelbauteils ist dabei unter einem Mikrometer. Zunehmend werden auch ganze Systeme (Kombination mehrerer Baugruppen, wie Prozessoren, Schnittstellenschaltungen und Speichern) auf einem einzelnen Chip realisiert (SoC System on Chip).

Zukünftige Entwicklungen

  • Nanoelektronik: Unterschreiten die Strukturgrössen die 100 Nanometer-Grenze (2004 sind sie bereits bei 90 nm), so spricht man formal bereits von Nanotechnologie (Definition der US Regierung). Im engeren Sinne ist jedoch eher gemeint, dass besondere Materialeigenschaften genutzt werden, die erst auftreten, wenn sich die Strukturabmessungen in der Nähe der Molekül- bzw. der Atomgröße bewegen. Zu solchen Strukturen zählen zum Beispiel Leitungsbahnen oder Transistoren aus Kohlenstoffnanoröhren oder Isolationen aus Self Assembling Monolayern.

Literatur

  • Simon M. Sze: Physics of Semiconductor Devices 2. Auflage. John Wiley and Sons (WIE) 1981; ISBN: 0471056618
  • Ulrich Hilleringmann, Silizium-Halbleitertechnologie, Teubner 2004, ISBN 3519301490
  • Ulrich Tietze, Christoph Schenk, Eberhard Gamm, Halbleiter-Schaltungstechnik, Springer 2002, 12. Auflage, ISBN 3540428496
  • Michael Reisch, Halbleiter-Bauelemente, Springer 2004, ISBN 3540213848

Siehe auch

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