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Mikrochips: was sieht man da eigentlich?

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Horst Wörmann:
Liebe Chips-Freunde,

im Beitrag vom 31. Januar zu diesem Thema kam die Frage auf: was sieht man eigentlich auf den Chips?

Bei den älteren Chips ist das noch recht einfach herauszufinden; die internen Schaltpläne waren damals in den Datenblättern enthalten, und die einzelnen Elemente sind vergleichsweise riesengroß.

Ich habe mich mal an einem der allerersten Operationsverstärker (OpAmp) versucht, dem 709 von 1965, mit 14 Transistoren und 15 Widerständen, also gut überschaubar. Die einzelnen Komponenten sind dem Schaltplan gut zuzuordnen.


Bild 1: OpAmp 709, Übersicht; Chipgröße 966 x 960 µm. Auflicht Hellfeld

Hier der zugehörige Schaltplan:

Bild 2: OpAmp 709, interner Schaltplan. Nur bipolare Transistoren und Widerstände.


Bild 3: OpAmp 709; Zuordnung der Einzelkomponenten zum Schaltplan; nicht alle Widerstände sind eingezeichnet. Etwas überkontrastiert, damit man die rechteckigen Einzelelemente besser erkennt. Auflicht DIK

Die Widerstände identifiziert man sofort anhand der schmalen, streifenförmigen Mäander, z.B. R1 und R2 mit je 25 kOhm. Deutlich komplexer sind die Transistoren, hier mal vergrößert und um 90° gedreht die beiden npn-Eingangstransistoren Q1 und Q2 aus der Ecke unten links. Auf der linken Seite schematisch der innere Aufbau des npn-Transistors aus verschieden dotierten Zonen.


Bild 4: Op Amp 709. Eingangstransistoren Q1 und Q2; Auflicht Hellfeld. Links vereinfachter Querschnitt, nicht maßstäblich.

Diese Struktur ist nicht eben, wie das folgende Stereobild zeigt:


Bild 5: Stereobild rot/cyan; Stack 10 Bilder, Stackhöhe 5,18 µm, Ebenenabstand ca 0,52 µm, picolay

Im Stereobild scheinen die hellen Aluminium-Leiterbahnen über dem Substrat zu schweben;
Sie liegen in Wirklichkeit auf der in Bild 4 in schwarz angedeuteten transparenten SiO2-Isolierschicht. Gut erkenbar die Vertiefungen zur Kontaktierung der Halbleiterzonen.
Alles recht einfach zu deuten (und hoffentlich richtig…).

Nun hatte der 709 reichlich Nachteile, die Frequenzkompensation mußte extern verdrahtet werden; manchmal funktionierte das auch. Der verbesserte Nachfolger von 1968, der den Älteren unter uns (also fast allen) wohlbekannte 741, enthält denn auch schon einen internen Kondensator zur Kompensation, das ist die große helle Fläche:


Bild 6: OpAmp 741 - Kondensator (Bildbreite 1103 µm).
Die Kapazität beträgt immerhin 30 pF. So winzig wie er ist (0,163 mm²) hätte ich mit Femtofarad gerechnet.

Der Nachteil sowohl der Widerstände als auch der Kondensatoren ist der große Flächenverbrauch, versucht man also möglicht zu vermeiden. Daß das hier auch Widerstände sind, erschließt sich nicht so ohne  weiteres:


Bild 7: OpAmp 741; zwei Pinch-Widerstände, oben ein Widerstandsstreifen aus p-Silicium. Bildbreite 267 µm.

Die beiden bläulichen Rechtecke sind 50 kOhm-Pinch-Widerstände, die Verbindung zwischen den Alubahnen besteht aus einer p-Siliciumschicht, die Rechtecke sind aus n+-Silicium, engen den Stromfluß gewissermaßen ein - weniger Querschnitt, höherer Widerstand. Außerdem gibt es noch schaltungstechnische Kniffe wie Stromspiegel, die das passive Baulement Widerstand durch aktive, viel kleinere Elemente, nämlich Transistoren, ersetzen.

Ab dieser Generation sind die Chips farbig, bedingt durch die geringeren Schichtdicken in der Größenordnung der Lichtwellenlänge (siehe Beitrag: „Warum sind die Chips bunt vom 22.01.20). Bei den neuesten Generationen gibt es auch keine Farbe mehr, die Schichten sind nunmehr zu dünn.

Was gibt es sonst noch zu sehen? Z.B. Passermarken zur Maskenjustierung. Hier auf einem alten NE555 aus DDR-Produktion mit etwas verrutschten Masken:


Bild 8: NE555; Justiermarken. Bildbreite 198 µm.

Fehlen noch Feldeffektransistoren und Logik-Gatter: demnächst auf unserer Webseite.

Die Analyse neuerer Chips ist ein hoffnungsloses Unterfangen. Was man sieht, sind nur die Verbindungsleitungen in 10 Schichten übereinander; die Milliarden Transistoren darunter sind nichts mehr für die Lichtmikroskopie. Grafisch aber durchaus interessant, wie das letzte Bild (9) einer mittelamerikanischen Tempelanlage zeigt (ein allerneuester Chip aus dem Bonner Museum; Bildbreite 665 µm).



Und damit viele Grüße aus Bonn
Horst

Michael L.:
Guten Abend Horst,

ein toller Beitrag, vielen Dank für diese detaillierte und hochinteressante Darstellung!

Viele Grüße,

Michael

Bob:
Hallo Horst,
danke für den tollen Bericht! Du hast diesen abstrakten Zusammenhang wirklich anschaulich dargestellt.

Viele Grüße,

Bob

Horst Wörmann:
Hallo Bob & Michael,

vielen Dank für euer Lob.
Möchte wissen, ob sich sonst noch jemand für diese Dinger interessiert. Leider braucht man ja ein leistungsfähiges Auflichtmikroskop dazu, und das ist nicht sehr verbreitet.

Viele Grüße
Horst

smashIt:

--- Zitat von: Horst Wörmann am Februar 21, 2020, 12:20:59 Nachmittag ---Möchte wissen, ob sich sonst noch jemand für diese Dinger interessiert.
--- Ende Zitat ---
sehr sogar!
immer her mit mehr! :)


--- Zitat von: Horst Wörmann am Februar 21, 2020, 12:20:59 Nachmittag ---Leider braucht man ja ein leistungsfähiges Auflichtmikroskop dazu, und das ist nicht sehr verbreitet.
--- Ende Zitat ---

die hürde habe ich leider erst teilweise genommen :(
aber ich lasse nicht locker ;)

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