Мікроелектроніка
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Мікроелектроніка

Мікроелектроніка, область електроніки, що займається створенням електронних функціональних вузлів, блоків і пристроїв в мікромініатюрном інтегрального виконання. Виникнення М. на початку 60-х рр. 20 ст було викликано безперервним ускладненням функцій електронної апаратури, збільшенням габаритів і підвищенням вимог до її надійності. Вживання в окремих пристроях декількох тисяч і десятків тисяч самостійно виготовлених електронних ламп, транзисторів, конденсаторів, резисторів, трансформаторів і ін., збірка їх шляхом з'єднання виводів паянням або зваркою робили апаратуру громіздкою, трудомісткою у виготовленні, недостатньо надійною в роботі, що вимагає значного вжитку електроенергії і так далі Пошуки доріг усунення цих недоліків привели до появи нових конструктивно-технологічних напрямів створення електронної апаратури: друкарського монтажу, модулів і мікромодулів, а потім і інтегральних схем (на базі групових методів виготовлення).

загрузка...

  Використовуючи досягнення в області фізики твердого тіла і особливо фізики напівпровідників, М. вирішує вказані проблеми не шляхом простого зменшення габаритів електронних елементів, а створенням конструктивно, технологічно і електрично зв'язаних електронних структур — функціональних блоків і вузлів. У них згідно з принциповою схемою конструктивно об'єднано велике число мікромініатюрних елементів і їх електричних з'єднань, що виготовляються в єдиному технологічному процесі. Такий процес, що став можливим завдяки запропонованому в 1959 планарному процесу здобуття напівпровідникових (ПП) приладів, передбачає вживання вихідної загальної заготівки (зазвичай у вигляді пластини з ПП матеріалу) для великого числа (~ 100—2000) однакових електронних функціональних вузлів, одночасно проходящих послідовний ряд технологічних операцій в ідентичних умовах ( мал. 1 ). Т. о., кожен такий вузол отримують не в результаті збірки з дискретних елементів, а у результаті поетапної групової інтегральної обробки багатьох однакових вузлів на одній пластині. В процесі обробки окремим ділянкам ПП матеріалу додаються властивості різних елементів і їх з'єднань, в цілому створюючих вузол, що виготовляється. Отриманий мікромініатюрний вузол, відокремлений від пластини і поміщений в корпус, називається інтегральною мікросхемою, або інтегральною схемою (ІС). У зв'язку з цим в М. змінюється само поняття елементу. Практично елементом стає ІС як неділимий виріб, що складається з 5 елементів і більш. ІС характеризується рівнем інтеграції — числом простих елементів в ній.

  Через специфіку — виключно високу точність проведення технологічних процесів і великого числа операцій — для виготовлення мікроелектронних виробів потрібні всілякі високоякісні ПП і інші матеріали і прецизійне технологічне устаткування. Базовим матеріалом ПП служить монокристалічний кремній. Технологічне устаткування повинне забезпечити виготовлення елементів ІС з точністю їх розмірів в межах одиниць і доль мікрометра.

  Відповідно до використовуваних конструктивно-технологічних і фізичних принципів в М. може бути виділено декілька напрямів, що взаємно перекриваються і доповнюючих один одного: інтегральна електроніка, вакуумна мікроелектроніка, оптоелектроніка і функціональна електроніка . Найбільший розвиток отримала інтегральна електроніка. З її появою відкрилися широкі можливості мікромініатюрізациі радіоелектронної апаратури, почався процес створення апаратури третього покоління — з вживанням ІС (перше покоління — на електровакуумних приладах, друге — на ПП приладах). Сфера застосування ІС тягнеться від обчислювальної техніки і космічних систем до побутової апаратури. Темпи зростання виробництва ІС виключно високі. Світова промисловість в 1972 випустила більше 1 млрд. ІС.

  На базі групових методів виготовлення, шляхом формування необхідної кількості електронних елементів і електричних зв'язків між ними в об'ємі одного ПП кристала були вперше створені (1959—61) напівпровідникові ІС. У їх виробництві найбільш поширена планарно-епітаксіальна технологія, запозичена з виробництва дискретних приладів (див. Напівпровідникова електроніка ) ПП і що відрізняється від нього лише додатковими операціями по електричній ізоляції окремих елементів на ПП пластині і з'єднанню всіх елементів в кристалі в єдиний функціональний вузол. Для ізоляції використовуються методи створення довкола елементу області ПП матеріалу з протилежним типом провідності (при цьому утворюється той, що ізолює р-n -переход, див.(дивися) Електронно-дірковий перехід ) або шару діелектрика, наприклад двоокиси кремнію. Основні технологічні операції планарно-епітаксіальної технології: механічна і хімічна обробка ПП пластин; епітаксіальне нарощування на пластині шаруючи з необхідними еоектрофізичними властивостями (типом провідності, питомим опором і т. д.); фотолітографія ; легування (наприклад, за допомогою дифузії або іонного впровадження ) ; нанесення металевих плівок — електродів, сполучних доріжок, контактних майданчиків ( мал. 2 ).

  Зі всіх перерахованих етапів технологічного процесу найбільш відповідальною є фотолітографія. Вона забезпечує проведення виборчої обробки окремих ділянок ПП пластини наприклад витравлення «вікон» в окисній плівці на пластині для проведення дифузії домішок. У цьому процесі використовується світлочутливий лак — фоторезіст . Плівка фоторезіста, нанесена на ПП пластину, опромінюється ультрафіолетовим світлом через прикладену щільно до пластини фотомаску — т.з. фотошаблон, який є скляною пластинкою з виконаним на ній малюнком, що повторюється, утвореним непрозорими і напівпрозорими ділянками (частіше за весь шар хрому). Після опромінення плівка фоторезіста піддається тому, що селективному труїть, внаслідок чого на ПП пластині відтворюється малюнок фотошаблону. Експонування фоторезіста проводиться також і безконтактним способом: проектуванням малюнка на пластину. Перспективний метод експонування заданого малюнка електронним променем (електронолітографія).

  При виготовленні напівпровідникових ІС потрібне неодноразове проведення процесу фотолітографії з відтворенням на пластині різних малюнків, що поєднуються між собою. Для цього зазвичай використовується набір з 7—8 фотошаблонів. Проектування і виготовлення фотошаблонів вимагає особливо високої точності і дотримання у виробничих цехах умов вакуумної гігієни (не більше 3—5 порошинок розміром близько 0,5 мкм на 1 л повітря): для здобуття сотень елементів мікронних розмірів в сотнях ідентичних ІС, що виготовляються одночасно на одній ПП пластині, фотошаблони повинні забезпечувати відтворюваність розмірів від одного малюнка до іншого і їх взаємну совмещаємость. Тому при проектуванні і виготовленні фотошаблонів використовується складне прецизійне устаткування: координатографи з програмним управлінням від ЕОМ(електронна обчислювальна машина) для викреслювання оригінала малюнка із збільшенням в сотні разів; різній конструкції фотоштампи для зменшення малюнка-оригінала і його мультиплікують (розмноження).

  Для формування структур елементів у вихідній пластині ПП проводиться легування домішками ділянок, підготовлених на етапі фотолітографії. Основним методом легування є дифузія, наприклад при приміщенні пластини кремнію на деякий час в пари домішки при температурі 1100—1200 °С. Точність підтримки температури, постійність концентрації домішки в поверхні пластини, тривалість процесу визначають розподіл домішки по товщині пластини і відповідно параметри формованого елементу. Окрім дифузії, легування може вироблятися іонним впровадженням (бомбардуванням пластини іонізованими атомами домішки), яке є новим технологічним напрямом, доповнюючим і частково замінюючим дифузію. Напівпровідникові ІС мають високий рівень інтеграції (до 10 000 елементів і більш в одному ПП кристалі).

  Вдосконалення технології виготовлення активних (діодних і транзисторних) елементів на пластинах ПП матеріалу шляхом переходу на групові методи стимулювало розвиток техніки друкарського монтажу і плівкової технології створення пасивних (резистивних, ємкісних) мікромініатюрних компонентів, що послужило основою для розробки плівкових ІС. Плівкові ІС, як правило, є чисто пасивними, оскільки нанесення монокристалічних ПП плівок для формування активних елементів не забезпечує необхідного їх якості. Основою для плівкової ІС служить діелектрична, наприклад керамічна, підкладка. Розрізняють товстоплівкову технологію виготовлення ІС — нанесення шарів провідних, резистивних і діелектричних паст завтовшки від 1 до 25 мкм і тонкоплівкову технологію — вакуумне напилення плівок завтовшки до 1 мкм через металеві трафарети або вакуумне напилення у поєднанні з подальшою обробкою фотолітографії.

  Плівкова ІС із змонтованими на ній безкорпусними дискретними приладами (діодами, транзисторами) ПП і безкорпусними напівпровідниковими ІС називається гібридною ІС ( мал. 3 ). Її пасивна частина може бути виконана багатошаровою, у вигляді набору керамічних підкладок з шарами плівкових елементів. Після спікання підкладок виходить моноліт з багатошаровим розташуванням електрично сполучених між собою пасивних елементів. Безкорпусні активні елементи вмонтовуються на верхній поверхні моноліту.

  Окрім напівпровідникових і плівкових ІС, виготовляють т.з. поєднані ІС. Активні елементи в них виконуються в об'ємі ПП підкладки за планарно-епітаксіальною технологією, а пасивні елементи і електричні з'єднання наносяться у вигляді тонких плівок на поверхню монолітної структури. По рівню інтеграції поєднані ІС наближаються до напівпровідникових.

  Виготовляють також багатокристальні ІС з високим рівнем інтеграції, в яких декілька кристалів напівпровідникових ІС об'єднуються на діелектричній підкладці плівковими з'єднаннями в складний електронний пристрій. Його функціональне призначення може відповідати окремому блоку або навіть системі, наприклад обчислювальній машині настільного типа.

  Поєднання плівкової технології здобуття пасивних елементів і використання як активні елементи електровакуумних приладів в мікромініатюрном виконання привело до появи вакуумних ІС і нового напряму — вакуумної мікроелектроніки. Вакуумна ІС може бути виконана як у вигляді плівкової ІС з навісними мікромініатюрнимі електровакуумними приладами, так і у вигляді пристрою, всі компоненти якого поміщені у вакуум. На відміну від ПП ІС вакуумні ІС мають підвищену стійкість до дії космічного випромінювання; їх щільність упаковки досягає 20—30 елементів в 1 см 3 .

  Всі види ІС за функціональною ознакою діляться на 2 великих класу: цифрові (логічні) ІС і лінійні ІС. Цифрові ІС призначені для роботи в логічних пристроях, зокрема вони застосовуються в ЕОМ(електронна обчислювальна машина). До лінійних відносяться всі інші ІС призначені в основному для лінійного (кінець кінцем) перетворення електричних сигналів (посилення, модуляції, детектування і т. д.), хоча вони можуть включати такі нелінійні елементи, як генератори синусоїдальних коливань, перетворювачі частоти і ін.

  Подальший розвиток М. йде головним чином в двох напрямах: підвищення рівня інтеграції і щільності упаковки в ІС, що стали традиційними; дослідження нових фізичних принципів і явищ для створення електронних пристроїв з схемотехнікою або навіть системотехнічеським функціональним призначенням. Перший напрям привів до рівнів інтеграції, що характеризуються багатьма тисячами елементів в одному корпусі ІС з мікронними і субмікронними розмірами окремих елементів. Другий напрям може дозволити відмовитися від подальшого підвищення рівня інтеграції ІС (із-за конструктивної складності), понизити розсіювану потужність збільшити швидкодію апаратури і ін. Це новий напрям в цілому набуває назви функціональної мікроелектроніки — електроніки комбінованих середовищ з використанням таких явищ, як оптичні явища в твердому телі (оптоелектроніка) і взаємодія потоку електронів з акустичними хвилями в твердому телі (акустоелектроніка), а також з використанням властивостей надпровідників, властивостей магнетиків і напівпровідників в магнітних напівпровідниках (магнетоелектроника) і ін.

 

  Літ.: Інтегральні схеми, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1970; Мікроелектроніка. Сб. ст., ст 1—5, М., 1967—72.

  А. А. Васенков, І. Е. Ефімов.

Мал. 3. Гібридна інтегральна схема із знятою кришкою корпусу (2 ідентичних операційних підсилювача з 33 компонентамі в кожному). На підставі корпусу розміщена керамічна підкладка розміром 29´39 мм з виконаними на ній тонкоплівковими резисторами (1) і сполучними токоведущимі доріжками (2); до контактних майданчиків (3) плівкової інтегральної схеми приєднані навісні елементи — безкорпусні транзистори (4), конденсатори (5); зовнішні контактні майданчики (6) інтегральної схеми сполучені з виводами корпусу (7).

Мал. 1а. Кремнієва пластина діаметром 60 мм з виготовленими на ній ~2000 однакових структур інтегральних схем: дефектні структури на пластині помічені фарбою (крапки і штрихи).

Мал. 1б. Кремнієва пластина. Показаний в збільшеному вигляді кристал з окремою структурою; його розміри 1,2´1,2 мм . 1 — сполучна токоведущая доріжка; 2 — діод; 3 — резистор; 4 — контактний майданчик; 5 — транзистор.

Мал. 2. Послідовність основних технологічних операцій одного із способів виготовлення напівпровідникових ІС: А — підготовка (шліфовка, поліровка) пластини кремнію з провідністю n -тіпа; Б — окислення кремнію в атмосфері сухого кисню; У — фотолітографія (фотогравіювання шару оксиду кремнію, розтин «вікон» в нім); Г — дифузія сурми або миш'яку через «вікна» в оксиді для здобуття високопровідної області «прихованого» шару кремнію n -тіпа (1) під колектором майбутнього транзистора і базою діода; Д — епітаксіальне нарощування кремнію — нанесення шару кремнію n -тіпа (2): Е — ізолююча дифузія для здобуття взаємної електричної ізоляції майбутніх елементів інтегральної схеми (їй передує окислення епітаксіального шару і селективне видалення окисної плівки за допомогою фотолітографії) — дифузія бору, в результаті якої епітаксіальний шар розділяється на окремі острівці кремнію n-тіпа (3), оточені кремнієм р -тіпа; Ж, З — формування елементів інтегральної схеми в ізольованих областях кремнію послідовним проведенням ще двох дифузій домішок через розкривані за допомогою фотолітографії «вікна» в додатково нанесеній окисній плівці кремнію [друга дифузія — дифузія бору — виробляється для створення базових областей (4) транзисторів, p - n -переходов і областей резисторів, при третій дифузії — дифузії фосфору — формуються емітерні області транзисторів (5)]; І — розтин «вікон» в оксиді кремнію під контакти з областями колектора, емітера і бази транзисторів, р - і n - областями діодів і з резисторами; До — створення внутрішньосхемних з'єднань за допомогою вакуумного напилення на поверхню пластини плівки алюмінію, яка потім селективно труїться з допомогою фотолітографії; збережені ділянки алюмінію (6) утворюють електроди елементів, сполучні доріжки і контактні майданчики для під'єднування структури інтегральної схеми до виводів корпусу.