Geschichte

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

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.

Insofern gibt es auf die Fertigungskosten pro Chip zwei Hebel:.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).

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

Bis heute (2004) hat die Halbleiterindustrie damit eine durchschnittliche Fertigungskostenreduktion von 30% pro Jahr erreicht. Zweiteres (die prozesskosten der Strukturierungsprozesse und die Anzahl notwendiger Prozessschritte) nehmen jedoch mit steigender Miniaturisierung meist ebenfalls zu.Ersteres nimmt durch die Minimierung der Strukturbreite überproportional zu (Flächenreduktion = Längenmassreduktion^2 + bessere Randausnutzung - nichtlineare Effekte). 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.