Ολοκληρωμένο κύκλωμα

Ολοκληρωμένο κύκλωμα (γνωστό και ως IC από το αγγλικό integrated circuit) ή απλά ολοκληρωμένο^[1] ονομάζεται ένα κύκλωμα συνδεδεμένων λογικών πυλών, δημιουργημένο πάνω σε ένα φύλλο.^[2] Η συντριπτική πλειονότητα των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων δημιουργούνται πάνω σε φύλλα ημιαγωγών, κατά κύριο λόγο πυριτίου. Το φύλλο (ημιαγωγού) ονομάζεται στα αγγλικά τσιπ (chip),^[2] από το οποίο προκύπτει μια εναλλακτική ονομασία του ολοκληρωμένου κυκλώματος. Όταν αυτό το φύλλο είναι της κλίμακας των μικρομέτρων ονομάζεται και μικροτσίπ.

Στη φάση κατασκευής τους τα ολοκληρωμένα κυκλώματα (τα οποία ακόμη δεν έχουν ολοκληρωθεί ώστε να λειτουργήσουν) ονομάζονται κύβοι και φτιάχνονται κατά εκατοντάδες πάνω σε πλακίδια.^[2]

Οι λογικές πύλες με την παρούσα τεχνολογία υλοποιούνται με παθητικά στοιχεία, οπότε τα ολοκληρωμένα κυκλώματα είναι παθητικά.

Ολοκληρωμένα κυκλώματα χρησιμοποιούνται σχεδόν σε κάθε στοιχείο ηλεκτρονικού εξοπλισμού που χρησιμοποιείται σήμερα και θεωρούνται επανάσταση στον τομέα της ηλεκτρονικής.

Το 1950 είχε εμφανιστεί η κρυσταλλοτρίοδος, ενώ είχαν κατασκευαστεί ηλεκτρονικοί υπολογιστές με λυχνίες κενού και κρυσταλλοτριόδους.^[1] Το πρόβλημα των μηχανικών εκείνης της εποχής ήταν ότι δεν υπήρχε αξιόπιστος τρόπος να κατασκευάζονται περίπλοκα και μεγάλα λογικά κυκλώματα, γνωστό και ως τυραννία των αριθμών.^[1] Το 1958 ο Τζακ Κίλμπυ, ερευνητής της εταιρίας Texas Instruments, ερευνώντας πυρετωδώς τρόπους για τη σμίκρυνση των ηλεκτρικών κυκλωμάτων εφηύρε το ολοκληρωμένο κύκλωμα, εφεύρεση για την οποία βραβεύθηκε με Βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 2000. Η ιδέα του ήταν να δημιουργούνται τα στοιχεία του κυκλώματος πάνω σε ένα φύλλο ημιαγωγού με μηχανοποιημένο και συστηματικό τρόπο, αντί να συνδέονται και να τοποθετούνται τα διάφορα στοιχεία του κυκλώματος με το χέρι. Η δημιουργία των στοιχείων γίνεται με νοθεύσεις άλλων στοιχείων και επιστρώσεις.

Η τεχνογνωσία για τη μαζική παραγωγή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων ήταν ακόμη ελλιπής, υπήρχαν διάφορα πρακτικά προβλήματα, όπως η σύνδεση των στοιχείων του ολοκληρωμένου.^[1] Ο Ρόμπερτ Νόις έλυσε αυτά τα προβλήματα,^[1] όπως την εφεύρεση μιας μεθόδου για τη μηχανοποιημένη προσθήκη μικρών μεταλλικών καλωδίων πάνω στους κύβους. Έτσι, ξεκίνησε η μαζική παραγωγή των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Ο Νόις συνίδρυσε την Intel, μια από τις πιο σημαντικές κατασκευάστριες ολοκληρωμένων κυκλωμάτων στον κόσμο.^[1]

Το ολοκληρωμένο κύκλωμα ήταν μια τομή στην ιστορία των υπολογιστών διαχωρίζοντάς την στα δύο. Υπάρχουν τέσσερις γενιές υπολογιστών, οι δύο πρώτες γενιά λυχνίας κενού και γενιά κρυσταλλοτριόδου δεν κατασκευάζονται από ολοκληρωμένα κυκλώματα, ενώ οι επόμενες δύο γενιά ολοκληρωμένου κυκλώματος και γενιά μικροεπεξεργαστή χρησιμοποιούν ολοκληρωμένα κυκλώματα και η τέταρτη χρησιμοποιεί το ολοκληρωμένο κύκλωμα μικροεπεξεργαστής.

Η εξέλιξη των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων ακολουθεί τον νόμο του Μουρ, το πλήθος των κρυσταλλοτριόδων ανά τετραγωνική ίντσα ενός ολοκληρωμένου κυκλώματος διπλασιάζεται κάθε 18 μήνες.

Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα διακρίνονται σε τέσσερις κατηγορίες SSI, MSI, LSI και VLSI, ανάλογα με τον αριθμό των λογικών πυλών από τα οποία αποτελούνται.

• SSI: Μικρής κλίμακας ολοκλήρωσης ((ολοκληρωμένα) κυκλώματα) είναι τα ολοκληρωμένα κυκλώματα τα οποία περιλαμβάνουν μία με είκοσι λογικές πύλες.^[2] Περιέχουν τις μεμονωμένες λογικές πύλες που μπορεί να χρειάζεται ένα απλό κύκλωμα.
• MSI: Μεσαίας κλίμακας ολοκλήρωσης είναι τα ολοκληρωμένα κυκλώματα τα οποία περιλαμβάνουν είκοσι με 200 λογικές πύλες.^[2] Περιέχουν λειτουργικές δομικές μονάδες ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.^[2]
• LSI: Μεγάλης κλίμακας ολοκλήρωσης είναι τα ολοκληρωμένα κυκλώματα τα οποία περιλαμβάνουν 200 με περίπου 200.000 λογικές πύλες.^[2]
• VLSI: Πολύ μεγάλης κλίμακας ολοκλήρωσης είναι τα ολοκληρωμένα κυκλώματα τα οποία περιλαμβάνουν πολλές λογικές πύλες.

Η περιγραφόμενη μέθοδος περιγράφει τη συνήθη μηχανοποιημένη μέθοδο κατασκευής ολοκληρωμένου κυκλώματος πάνω σε φύλλο πυριτίου. Η μέθοδος αυτή ονομάζεται φωτολιθογραφία, μία μέθοδος που στηρίζεται στις επιστρώσεις, τις μάσκες την ακτινοβόληση.

Αρχικά, υπάρχει ένα πλακίδιο μονοκρυσταλλικού πυριτίου, δηλαδή ένα πολύ λεπτό επίπεδο φύλλο. Πάνω στο φύλλο θεωρούνται εκατοντάδες κύβοι. Κάθε κύβος δέχεται διαδοχικά την ίδια διαδικασία, ώστε να χρησιμοποιείται η ίδια μάσκα για εκατοντάδες κύβους, αν και μερικές εταιρίες προσφέρονται να δημιουργήσουν πλακίδια διαφορετικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων για να εξυπηρετήσουν ανάγκες μικρής ζήτησης.

Το φύλλο επιστρώνεται με φωτοευαίσθητο φιλμ.^[1] Πάνω από το φύλλο τοποθετείται μια μάσκα και ύστερα ακτινοβολείται με υπεριώδη ακτινοβολία.^[1] Η μάσκα προστατεύει τις περιοχές του φύλλου που δεν πρέπει να αλλάξουν, ενώ δεν προστατεύει τις περιοχές που χρειάζονται διαμόρφωση.^[1] Μετά από αυτή τη διαδικασία το φιλμ εμφανίζεται και απομακρύνεται από τις ακτινοβολημένες περιοχές.^[1] Οι απροστάτευτες περιοχές δέχονται κάποια επεξεργασία, όπως νόθευση.

Η παραπάνω διαδικασία επαναλαμβάνεται μέχρι να δημιουργηθούν όλα τα στοιχεία του κυκλώματος.^[1] Στο τέλος το φύλλο επιμεταλλώνεται, επαναλαμβάνεται η παραπάνω διαδικασία και το απροστάτευτο τμήμα του μετάλλου απομακρύνεται με οξύ.

Το τελικό αποτέλεσμα είναι πάνω στο πλακίδιο να έχει δημιουργηθεί ένα μοτίβο από ολοκληρωμένα κυκλώματα. Οι κύβοι ελέγχονται αν λειτουργούν πάνω στο πλακίδιο.^[2]

Ύστερα το πλακίδιο διαμελίζεται στα ολοκληρωμένα, αφαιρούνται αυτά που δε λειτουργούν. Το κάθε ολοκληρωμένο συνδέεται με τους ακροδέκτες του κουτιού, συσκευάζεται, ελέγχεται για τελευταία φορά και αν λειτουργεί σωστά είναι έτοιμο.