מעגל משולב

מעגל משולב באריזת פלסטיק על־גבי מעגל מודפס.

מעגל משולב ורכיביו

מעגל משולב (לעיתים מכונה: שְׁבָב, ג'וק או צִ'יפּ, באנגלית: integrated circuit או IC) הוא מעגל חשמלי הפועל בעזרת טרנזיסטורים. מספר הטרנזיסטורים בכל מעגל משולב יכולים להגיע לעשרות מיליארדים, וגודלו יכול להגיע עד לננומטרים בודדים. בתהליך ייצור השבבים מתנהל בין החברות מרוץ למיזעורם. בתחילת 2023 הפוטוליתוגרפיה (רוחב הקו הבסיסי) של השבבים הגיעה ל-3 ננומטר.

המעגל המשולב הומצא על ידי ג'ק קילבי ב-1958 אשר זיכה אותו בפרס נובל לפיזיקה בשנת 2000 והאיץ את מהפיכת המזעור האלקטרוני שהחלה עם הופעת הטרנזיסטור כעשור לפני כן. למעגלים משולבים יתרונות רבים, כגון הממדים הקטנים, יעילות גבוהה והאפשרות לייצור המוני.

שבבים אלה נמצאים כיום בכמעט כל מכשיר אלקטרוני: מחשבים, שרתים, טלפונים סלולריים, לוויינים, ואף מוצרי צריכה ביתיים כמכונות כביסה ומקררים.

ייצור

מעגלים משולבים מיוצרים על גבי מצע (Substrate), העשוי מחומר מוליך למחצה - בדרך כלל צורן חד־גבישי, ועבור יישומים ייחודיים, גליום ארסניד או אינדיום-פוספיד. בשיטות הייצור ההמוני משתמשים בדרך כלל בפרוסה של חומר הבסיס, שצורתה עיגול קטוּם. בשל צורתה השטוחה, פרוסה זו מכונה בעגה המקצועית Wafer, רקיק באנגלית (ראו פרוסת סיליקון).

שיטת הייצור ההמוני של מעגלים משולבים מבוססת על טכניקות ננוליתוגרפיה של צילום, ונקראת פוטוליתוגרפיה. בשיטה זו, עבור כל שלב בתהליך מיוצרת תבנית (Pattern) או מסיכה בעגה מקצועית, המתארת את אזורי ההשפעה של אותו תהליך על פני הפרוסה.

כל שלב בתהליך הייצור מחולק לשלבי המשנה הבאים:

1. ציפוי הפרוסה בחומר רגיש לאור, הנקרא פוטו-רסיסטור. חומר זה משנה את תכונותיו בעקבות חשיפה לאור – האזורים שנחשפו יגלו תכונות שונות מאלה שלא נחשפו לאור.
2. חשיפת הפרוסה לאור, העובר דרך מסיכה. המסיכה גורמת לכך שרק חלקים מסוימים של הפרוסה ייחשפו לאור.
3. איכול סלקטיבי של הפוטו-רסיסטור. הפרוסה מוטבלת בחומר המאכל אך ורק חלקים מסוימים מהפוטו-רסיסטור – או את אלה שנחשפו, או את אלה שלא נחשפו (בתלות בחומר המשמש כפוטו-רסיסטור, ובטיב החומר המאכל).
4. ביצוע פעולה כימית או פיזית על הפרוסה. בשלב זה, חלקים מסוימים של הפרוסה מכוסים בפוטו-רסיסטור, ומוגנים בפני הפעולה הכימית או הפיזית המופעלת עליו. כך, הפעולה הכימית או הפיזית משפיעה רק על חלקים מסוימים של הפרוסה, ויוצרת בו מבנים בעלי תכונות חשמליות.
5. חיתוך הפרוסה לפיסות, שכל אחת מהן היא מעגל משולב נפרד.

במהלך תהליך הייצור, מופעלות על הפרוסה פעולות כימיות ופיזיות שונות, בהן:

• ריבוץ (דפוזיציה) (Deposition) – תהליך של השמת שכבות נוספות של חומרים שונים, כגון מתכות על גבי הבסיס. הריבוץ יכול להיות כימי, כלומר מבוסס על תגובה כימית, או פיזיקלי, כלומר, מבוסס על תופעות פיזיקליות שונות, כמו נידוף, בו מנדפים את החומר המבוקש על מנת לקבל שכבות שלו באזורים נבחרים על גבי הפרוסה.
• איכול (Etching) – זהו השלב של הרחקת חומרים עודפים מהבסיס על מנת ליצור את המסיכה. מבחינים בין איכול רטוב (איכול בעזרת חומרים נוזליים, לרוב תמיסות), לבין איכול יבש (איכול בעזרת גז או פלזמה).
• אילוח (Doping) – הוספת זיהומים למוליך למחצה על מנת לשנות את מוליכותו החשמלית.
• חימצון
• גידול שכבות דקות

בעזרת התהליכים המתוארים לעיל ניתן ליצור את המרכיבים השונים של המעגל ואת החיבורים שביניהם, העשויים בדרך-כלל אלומיניום או נחושת. כך, למשל, על-מנת ליצור קבל בטכנולוגיית המעגל המשולב, יש ליצור שתי שכבות מוליכות, אשר ביניהן שכבה מבודדת. בתום תהליך ייצור השבב, הוא מועבר לבדיקה על-מנת לוודא שהשבב מתפקד בצורה תקינה.

היסטוריה

הרעיון של מעגל משולב הוצע לראשונה בשנת 1952 על ידי מהנדס בשם ג'פרי דאמר (Geoffrey Dummer) שעבד ב"חברה המלכותית לאותות ורדארים" בבריטניה. אך רעיונותיו נראו בזמנו לא מציאותיים, לכן לא הצליח להשיג מימון ממשלתי או פרטי .

המעגלים המשולבים הראשונים נוצרו בנפרד על ידי ג'ק קילבי בשנת 1959 (המעגל הראשון הזה כלל רק טרנזיסטור אחד ומספר מרכיבים אחרים על פרוסת גרמניום) ורוברט נויס בשנת 1961 (זהו הצ'יפ הראשון שהיה עשוי צורן).

הדור הראשון של מעגלים משולבים כלל עשרות בודדות של טרנזיסטורים, ולכן כונה SSI (Small-Scale Integration). מעגלים מדור זה היוו גורם חיוני במחשבים ששימשו את תוכנית אפולו. הביקוש הרב וההשקעות הממשלתיות הביאו להתפתחותה של טכנולוגיית המעגל המשולב ולירידה דרסטית במחירים של המעגלים - במהלך שלוש שנים, מ־1960 עד 1963, ירד מחירו של מעגל בודד מ־1000 דולר עד 25 דולר.

השלבים הבאים בהתפתחותם של מעגלים משולבים היו MSI ‏(Medium-Scale Integration) בסוף שנות ה־60, הדור של מעגלים שכללו מאות טרנזיסטורים, ו־LSI (Large-Scale Integration) באמצע שנות ה־70, שלב שבו המעגלים היו מורכבים מעשרות אלפי רכיבים. בשנת 1971 יצרה אינטל את המיקרו-מעבד הראשון, Intel 4004, אשר כלל 2,300 טרנזיסטורים.

השלב הסופי בתהליך ההתפתחות של מעגלים משולבים, משנות ה־80 ועד ימינו, הוא VLSI ‏(Very-Large-Scale Integration).

מאז, נעשו מספר ניסיונות להגדיל את מורכבותם של מעגלים משולבים. בשנות ה־80 המאוחרות מספר מהנדסים ניסו ליישם את טכניקת WSI ‏(Wafer-Scale Integration), כלומר, לשלב על פלטה אחת את כל הרכיבים של המחשב. אומנם ניסיונות אלה נכשלו, אך הם היוו בסיס לגישת ה-SOC (System-on-a-chip). לפי גישה זו, רכיבים שונים שנוצרו בנפרד וחוברו בעזרת מעגל מודפס, עתה מעוצבים על אותו השבב שכולל מרכיבים שונים.

סיווג ומורכבות

מעגלים משולבים מתחלקים למעגלים אנלוגיים, דיגיטליים ומעורבים (Mixed signal), ויכולים לכלול מאחד עד מיליוני התקנים אלקטרוניים, כגון שערים לוגיים, פליפ פלופים ועוד. מגמת העלייה במורכבות המעגלים מתוארת בחוק מור, אשר גרסתו המודרנית קובעת כי כמות הרכיבים האלקטרוניים במעגל משולב מכפילה את עצמה כל 18 חודשים.

התפתחויות נוספות

בשנות ה-80 הופיעו מעגלים משולבים הניתנים לתכנות (FPGA) - כלומר, מעגלים אשר התפקידים הלוגיים שלהם יכולים להיקבע על ידי המשתמש, ולא על ידי מייצר המעגל.

הטכניקות המשוכללות, המשמשות לייצור מעגלים משולבים, קיבלו שימוש חדש בטכנולוגיית ה-MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems), טכנולוגיה של יצירת מכונות מזעריות. ההתקנים המיוצרים בטכנולוגיה זו, בגודל מיקרומטרים ספורים ועד מילימטרים ספורים, נמצאים בימינו בשימוש צבאי ומסחרי רחב - למשל, במדפסות הזרקת דיו, מדי לחץ ותאוצה, מכשירי ניווט ועוד. MEMS, אשר עם הזמן מקטינה את ממדיה, מהווה, לדעת הרבים, שער לננוטכנולוגיה העתידית.

בשנת 1998, הושתל לראשונה שבב תת-עורי בבן אדם, כחלק מהניסוי השבב שימש לפתיחת דלתות והדלקת אורות.

בשנת 2021 התפתח מחסור משמעותי באספקה עולמית של שבבים שנבע בין היתר מביקוש גובר של יצרניות הרכב והמחשבים.

הגנה משפטית

בהתאם להסכם הטריפס, שעליו חתמה ישראל, בשנת 1999 נחקק בישראל חוק להגנת מעגלים משולבים שבו ניתנת הגנה על הקניין הרוחני שבמעגלים משולבים. החוק אוסר על העתקה של טופוגרפיה תלת-ממדית של מעגל משולב, ובלבד שמדובר בטופוגרפיה מקורית, ללא הסכמת בעליה. זכות בלעדית זו קיימת למשך עשר שנים מיום תחילת ההפצה המסחרית של מעגלים הכוללים את הטופוגרפיה, או אם הטופוגרפיה נוצרה חמש שנים ויותר לפני ההפצה המסחרית, למשך חמש עשרה שנה מיום יצירתה.

ראו גם

• CMOS - הטכנולוגיה העיקרית כיום לייצור של מעגל משולב.
• קטימת אות שעון

קישורים חיצוניים

• "מעבדים, אלקטרוניקה וקצת כימיה", באתר HWzone - אודות תהליך היצור של מעבדים
• חגי עמית, "ייתכן שהתחלנו למצות את יכולות הייצור של שבבי הסיליקון. כמה אפשר למזער אותם?", באתר TheMarker‏, 5 באפריל 2024
• מעגל משולב, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• מעגלים מכללים, דף שער בספרייה הלאומית