מעגל משולב

מעגל משולב (מכונה גם שבב או צ'יפ; באנגלית: integrated circuit, IC) הוא מעגל חשמלי קטן העובד בעזרת טרנזיסטורים. טרנזיסטור הוא רכיב אלקטרוני שמאפשר לשלוט בזרם חשמלי. בשבבים מודרניים יש עשרות מיליארדי טרנזיסטורים, והקווים שלהם קטנים מאוד, עד ננומטרים בודדים. בפוטוליתוגרפיה (שיטה להדפסת דפוסים זעירים על משטח) הושגה בשנת 2023 עובי קו בסיסי של כ־3 ננומטר.

המעגל המשולב הומצא על ידי ג'ק קילבי ב־1958. המצאה זו זיכתה אותו בפרס נובל לפיזיקה ב־2000. המעגלים המשולבים הקטינו רכיבים, שיפרו יעילות ואיפשרו ייצור המוני. כיום הם נמצאים כמעט בכל מוצר אלקטרוני: מחשבים, טלפונים סלולריים, לוויינים ומכשירי חשמל ביתיים.

מעגלים משולבים מיוצרים על גבי מצע (substrate), בדרך כלל צורן חד־גבישי, בצורה של פרוסות שטוחות שנקראות וופר (wafer). הייצור ההמוני מבוסס על פוטוליתוגרפיה: בכל שלב מדפיסים על הוופר תבנית (מסיכה) שמגדירה אילו אזורים יעברו שינוי.

התהליך הכללי כולל שלבים מרכזיים:
1) ציפוי הוופר בפוטו־רסיסטור, חומר רגיש לאור שמגיב לחשיפה.
2) חשיפת הוופר לאור שעובר דרך המסיכה, כך נחשפים אזורים מסוימים.
3) איקול סלקטיבי (הסרה) של חלק מהפוטו־רסיסטור לפי הצורך.
4) ביצוע פעולות כימיות או פיזיות על האזורים החשופים, למשל השתלת חומרים או חיתוך שכבות.
בסוף חותכים את הוופר לפיסות נפרדות, כל פיסה היא שבב מוכן.

באמצעות תהליכים אלה בונים רכיבים חשמליים וחיבורים על השבב, בדרך־כלל ממתכות כמו אלומיניום או נחושת. לדוגמה, ליצירת קבל מעגל משולב צריך שתי שכבות מוליכות ושכבה מבודדת ביניהן. לאחר הייצור מבצעים בדיקות תקינות לשבב.

הרעיון הוצע כבר ב־1952 על ידי ג'פרי דאמר, אך נחשב אז קשה ליישום. ג'ק קילבי בנה ב־1959 מעגל על פרוסת גרמניום, ורוברט נויס ב־1961 ייצר שבב צורן. בדורות הראשונים היו עשרות טרנזיסטורים בלבד (SSI), וזה שימש במחשבים כמו אלו של תוכנית אפולו. בשנות ה־60 וה־70 המעגלים גדלו ל־מאות ואחר־כך לעשרות אלפי רכיבים (MSI, LSI). ב־1971 יצא מיקרו־מעבד Intel 4004 עם כ־2,300 טרנזיסטורים. משנות ה־80 ועד היום דובר על VLSI, שילוב בקנה מידה גדול מאוד.
ניסיונות לשלב כל המחשב על וופר אחד (WSI) בשנות ה־80 לא צלחו, אך תרמו לגישה הנפוצה כיום של System-on-a-Chip (SoC), שבה מרכיבים רבים עוצבו על אותו שבב.

מעגלים משולבים מתחלקים לאנלוגיים, דיגיטליים ומעורבים (Mixed signal). הם יכולים להכיל מרכיבים בודדים ועד מיליוני רכיבים. החוק שמדבר על גדילת המורכבות הוא חוק מור, האומר שכמות הרכיבים בשבב מוכפלת בערך כל 18 חודשים.

בשנות ה־80 הופיעו מעגלים ניתנים לתכנות (FPGA). כלומר, המשתמש יכול להגדיר את תפקודם אחרי הייצור. טכניקות הייצור שימשו גם ליצירת MEMS (מערכות מיקרו־מכאניות), התקנים זעירים שמשמשים במדפסות, בחיישנים ובמכשירי ניווט. ב־1998 הושתל לראשונה שבב תת־עורי בבני אדם לצרכי ניסוי. בשנת 2021 נרשם מחסור עולמי משמעותי בשבבים, בין היתר בגלל ביקוש גבוה בתעשיות הרכב והמחשוב.

בהתאם להסכמי TRIPS, ישראל חוקקה ב־1999 חוק להגנת מעגלים משולבים. החוק מגן על הטופוגרפיה התלת־ממדית של מעגלים מקוריים ומאסר העתקה ללא רשות. הפטנט או הזכות נמשכת עד 10 שנים מיום תחילת ההפצה המסחרית. אם הטופוגרפיה נוצרה חמש שנים או יותר לפני ההפצה, ההגנה יכולה להימשך עד 15 שנה מיום יצירתה.

מעגל משולב נקרא גם שבב או צ'יפ. זה מעגל חשמלי קטן שעובד בעזרת טרנזיסטורים. טרנזיסטור הוא חלק שמסייע לזרם חשמל לעבור או להפסיק.

שבבים מיוצרים על פרוסות שטוחות של צורן שנקראות וופרים. משתמשים בשיטה שנקראת פוטוליתוגרפיה. פוטוליתוגרפיה היא הדפסת תמונות זעירות על המשטח בעזרת אור ומסיכות. שמים חומר רגיש לאור (פוטו־רסיסטור), חושפים לאור דרך מסיכה, מורידים חלקים, ועושים פעולות כימיות. לבסוף חותכים לפרוסות קטנות, כל פרוסה היא שבב.

ג'ק קילבי המציא את המעגל המשולב בסוף שנות ה־50. אחר כך רוברט נויס עבד עם צורן. מעגלים ראשונים היו עם כמה טרנזיסטורים בלבד. בשנות ה־70 הופיע המיקרו־מעבד הראשון של אינטל. מאז השבבים הפכו להרבה יותר קטנים וחזקים.

יש שבבים אנלוגיים, דיגיטליים ושלביים (מעורבים). כמה שבבים ניתנים לתכנות (FPGA), משתמש יכול לשנות את התפקיד שלהם. חוק מור אומר שכמות החלקים בשבב גדלה מהר עם השנים.

מעגלים וטכנולוגיות קרובות שימשו גם ליצירת MEMS, חלקים זעירים שמשמשים בחיישנים ומדפסות. ב־1998 הושתל לראשונה שבב מתחת לעור של אדם. ב־2021 היה מחסור גדול בשבבים בעולם.

ב־1999 חוקקו בישראל חוקים שמגנים על העיצובים של השבבים. אסור להעתיק את הצורה התלת־ממדית של המעגל בלי רשות. ההגנה קיימת לתקופה מוגדרת כדי לשמור על היוצר.