Autor Thema: Mikrochips: was sieht man da eigentlich?  (Gelesen 642 mal)

Horst Wörmann

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Mikrochips: was sieht man da eigentlich?
« am: Februar 19, 2020, 20:04:27 Nachmittag »
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.

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Re: Mikrochips: was sieht man da eigentlich?
« Antwort #1 am: Februar 19, 2020, 20:43:31 Nachmittag »
Guten Abend Horst,

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

Viele Grüße,

Michael

Bob

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Re: Mikrochips: was sieht man da eigentlich?
« Antwort #2 am: Februar 19, 2020, 21:10:07 Nachmittag »
Hallo Horst,
danke für den tollen Bericht! Du hast diesen abstrakten Zusammenhang wirklich anschaulich dargestellt.

Viele Grüße,

Bob

Horst Wörmann

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Re: Mikrochips: was sieht man da eigentlich?
« Antwort #3 am: Februar 21, 2020, 12:20:59 Nachmittag »
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

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Re: Mikrochips: was sieht man da eigentlich?
« Antwort #4 am: Februar 21, 2020, 13:22:54 Nachmittag »
Möchte wissen, ob sich sonst noch jemand für diese Dinger interessiert.
sehr sogar!
immer her mit mehr! :)

Leider braucht man ja ein leistungsfähiges Auflichtmikroskop dazu, und das ist nicht sehr verbreitet.

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

Bildung ist das was uns vom Tier unterscheidet.

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reblaus

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Re: Mikrochips: was sieht man da eigentlich?
« Antwort #5 am: Februar 21, 2020, 14:22:41 Nachmittag »
Lieber Horst -

große Freude auch bei mir, dass Du Deine Sachkenntnisse zur Verfügung stellst!
Nachdem bei mir nur Elektronikbastlerkenntnisse auf dem Niveau des letzten Jahrtausends vorhanden sind und ich bislang nur mal Chips aus jenen Zeiten unter dem Mikroskop hatte, war ich ja fast erschrocken wie winzig die Strukturen auf modernen Chips sind.
Obwohl mir ja theoretisch bekannt war, dass sich heutzutage darauf Milliarden von Transistoren tummeln, kann ich mir erst jetzt was drunter vorstellen obwohl ich es emotionell trotzdem nicht fassen kann, dass so was funktionieren kann ...
Ich nehme an, dass ich wenigstens bei der folgenden Strukture mit "Widerstand" richtig geraten habe? Wenn ja - welcher Widerstandswert könnte das denn ungefähr sein?

Eine Doppelbahn des Mäanders ist etwa 2,5 µm breit
(Foto mit EpiplanNeo 20x HD, leichte Nachhilfe mit DIC):


Hier ein Ausschnitt aus der Ecke rechts unten, mit einer "Lötfahne" des Widerstands


Viele Grüße

Rolf










Horst Wörmann

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Re: Mikrochips: was sieht man da eigentlich?
« Antwort #6 am: Februar 21, 2020, 18:29:04 Nachmittag »
Lieber Rolf,

das sieht tatsächlich sehr nach Widerstand aus. Mich wundert aber, daß der so groß geraten ist. Hilfreich wäre zu wissen, welcher Chip das war, bzw. welche Funktion. Sicher ein Analog-Chip. Den Widerstandswert kann man nicht ohne Kenntnisse der Struktur angeben, d.h. Querschnitt und Dotierung kennt man nicht. Ich darf mal unseren Physiker aus dem Institut für Detektorphysik zitieren:
"Nicht jeder Chiphersteller macht diese technischen Details zugänglich. Und wenn, dann auch meist nur auf Basis einer Nichtverbereitungsklausel (non disclosure agreement). ... Diese Verfahren bleiben auch vor uns Chipdesignern verborgen".

Mit dem oben gezeigten Pinch-Widerstand könnte man auf kleinerer Fläche zwar höhere Widerstandswerte erzeugen, aber die Genauigkeit ist schlechter.

Vielleicht kannst Du noch die Chip-Bezeichung herausfinden?

Viele Grüße
Horst

smashIt

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Re: Mikrochips: was sieht man da eigentlich?
« Antwort #7 am: Februar 21, 2020, 19:25:51 Nachmittag »
das ist doch kein mäander (oder ich habe einen knick in der optik  :o )

die beiden seiten greifen kammförmig ineinander.
da wäre mein tipp ein kondensator?  :-\
« Letzte Änderung: Februar 21, 2020, 19:28:55 Nachmittag von smashIt »
MfG,
Chris

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reblaus

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Re: Mikrochips: was sieht man da eigentlich?
« Antwort #8 am: Februar 21, 2020, 19:48:40 Nachmittag »
Da möchte ich nichts ausschließen!
Wenn ich allerdings die dunklen Streifen als Leiterbahnen interpretiere, dann kann ich diesen zwischen den beiden Anschlusspunkten (pink/blau) über diese Wendepunkte (?) (grau-grün) ohne Unterbrechung folgen. Bei zwei kammförmigen Strukturen würde man eigentlich auch erwarten, dass deren  Anschlusspunkte sich in dem Quadrat diagonal gegenüberliegen und nicht auf der einen Seite sitzen.

@ Horst -

da es sich um eines der fantastischen Präparate von Carsten W. handelt ist das korrekt mit Typangabe beschriftet -
es sollte sich um den Fujitsu-Microcontroller MB96F346RSB handeln!

Gruß

Rolf

Horst Wörmann

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Re: Mikrochips: was sieht man da eigentlich?
« Antwort #9 am: Februar 24, 2020, 22:22:27 Nachmittag »
Lieber Rolf,

den geannten Fujitsu-Microcontroller habe ich nicht, aber ich bin auf einem NXP161A1 USB-Controller fündig geworden. Hier erkennt man sehr schön die Widerstandsstruktur, im Anaglyphenbild erschließt sich auch die räumliche Struktur. Das ist eindeutig ein Widerstand, so wie er auch im Lehrbuch steht.


Bild 1: Widerstand; Plan-Neofluar 100x/1,30 Öl, Auflicht-Hellfeld, ohne Pol, Stack 15 Bilder, Stackhöhe ca. 6 µm, Bildebenenabstand berechnet ca. 0,4 µm, picolay. Die grünlichen Widerstandsstreifen sind etwa 1,2 µm breit.


Bild 2: wie Bild 1, mit picolay erzeugtes Anaglyphenbild. Man erkennt (hoffentlich) die unterschiedlichen Höhenlagen, die metallischen Verbindungen sind oben.

Vielleicht kannst Du bei Deinen kammförmigen Strukturen mal eine höhere Vergrößerung einsetzen; so etwas Kammförmiges gibt es auch als Kondensator, aber in dreidimensionaler Anordnung, also mit gewissermaßen übereinandergestapelten Kämmen. Das ist aber mikroskopisch nicht erkennbar.
Eine andere Ausführung mit mehreren kleineren, zusammengeschalteten Kondensatoren zeigt Bild 3, genannt "common centroid capacitor". Durch die Verdrahtung erhält man ganzzahlige Vielfache des Einzelkondensators. Möglicherweise verwendet für die internen Oszillatoren in dem Chip.


Bild 3: Kondensatoren-Array. Plan-Neofluar 100x/1,30 Öl, DIK, Stackhöhe 4,5 µm, 10 Ebenen, picolay.

Alles bei maximaler Vergrößerung, was wegen der Oberflächenpassivierung (Glas oder Polyimid?) nicht so ganz einfach ist.

Viele Grüße aus Bonn
Horst

Fahrenheit

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Re: Mikrochips: was sieht man da eigentlich?
« Antwort #10 am: Februar 26, 2020, 07:37:40 Vormittag »
Lieber Horst,

sehr schöne Idee und tolle Umsetzung! Ich habe Deinen Thread mit großem Interesse gelesen und freue mich auf die Daten für unsere Webseite. ;)

Herzliche Grüße
Jörg
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Arbeitsmikroskop: Leica DMLS
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Für draussen: Leitz HM