Mikroelektronik

Mikroelektronik, als Teilbereich der Elektrotechnik, widmet sich der Erzeugung elektronischer Schaltkreise, die hauptsächlich Widerstände, Kondensatoren und Transistoren auf einem gemeinsamen Substrat, auch als Chip bekannt, integrieren (integrierte Schaltung – IC/Integrated Circuit). Diese Bauteile werden im Zuge eines einheitlichen Herstellungsprozesses miniaturisiert. Ursprünglich für die Raumfahrt entwickelt, sind Bauelemente der Mikroelektronik heute allgegenwärtig.

Die Miniaturisierung und der gemeinsame Herstellungsprozess ermöglichen nicht nur eine kostengünstigere Produktion, sondern gewährleisten auch Zuverlässigkeit durch weniger Lötstellen und eine präzise beherrschbare Fertigung. Die Verkleinerung resultiert zudem in einer erheblich reduzierten Verlustleistung und verbesserten Schaltzeiten. Aufgaben, die früher durch einfache analoge Schaltungen und Relaissteuerungen realisiert wurden, finden heute ihre Entsprechung in integrierten digitalen Versionen wie Signalprozessoren und Mikroprozessoren. Trotz der Notwendigkeit von mehreren Hunderttausend Transistoren ist eine kostengünstige Realisierung möglich.

Die Festkörpertechnik, auch als monolitische Fertigung bekannt, unterscheidet sich von den Filmtechniken. Hierbei werden Bauelemente auf ein Halbleitersubstrat, vorwiegend einkristallines Silizium, mithilfe von Belichtungsmasken und Ätzverfahren aufgebracht (Photolithographie). Auf einem Wafer, einem Substrat, werden mehrere Schaltungen simultan erzeugt, wobei jede einzelne als Chip bezeichnet wird. Diese Chips werden üblicherweise in Gehäuse eingebaut, deren Anschlüsse durch dünne Golddrähte mit der integrierten Schaltung verbunden sind. Diese Gehäuse dienen dem Schutz der Chips, der Wärmeableitung und können zusammen mit anderen Bauteilen, einschließlich weiteren ICs, auf herkömmlichen gedruckten Schaltungen eingesetzt werden.

Die Dünnfilmtechnik und Dickfilmtechnik, bei denen Bauteile auf einen Film aufgebracht oder eingebettet und verbunden werden, haben lediglich für Spezialanwendungen, insbesondere in der Hochfrequenztechnik, Relevanz. Hybridtechnik beschreibt die Kombination von Filmtechnik und Festkörpertechnik, bei der Halbleiterchips einen Teil der Bauelemente der Filmtechnik ausmachen.

Die Umsetzung erster Schaltkreise mit wenigen bipolaren Transistoren und Widerständen erfolgte ab 1961. In den 1970er Jahren wurden höhere Packungsdichten mit mehreren tausend Bauelementen erreicht, was als Großintegration (LSI Large Scale Integration) bezeichnet wird. Bipolare Transistoren wurden durch Feldeffekttransistoren (FETs), vornehmlich in Form von leicht herstellbaren MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor FET), ersetzt. Ab 1979 begann die Ära der Größtintegration (VLSI Very Large Scale Integration) mit heute mehreren Millionen Transistorfunktionen und bisher unerreichbaren Taktfrequenzen im Bereich von mehreren Gigahertz. Die Größe des Einzelbauteils liegt dabei unter einem Mikrometer. Es erfolgt zunehmend die Realisierung kompletter Geräte und Systeme auf einem einzelnen Chip (SoC System on Chip).

Aktuell wird die Nanoelektronik vorangetrieben, um eine noch höhere Bauelementedichte zu ermöglichen. Hierbei sind einzelne Bauelemente durch wenige Moleküle oder Atome realisiert, wobei die Bauteilgrößen im Bereich von Nanometern liegen (im Gegensatz zu Mikrometern bei der Mikroelektronik). Die Nanotechnik erfordert jedoch einen Ansatz, der über einfache Verkleinerung hinausgeht. Die kleinsten Bauteile in der Mikroelektronik bestehen aus mehreren Hunderttausend Atomen und beruhen auf den Grundlagen der Festkörperphysik. Die Nanoelektronik hingegen erfordert die Anwendung der Physik einzelner Atome. Die Genauigkeit der Photolithographieverfahren ist dabei durch die verwendete Lichtwellenlänge beschränkt und erreicht bereits die physikalische Grenze von 0.1-0.5 µm.