Форма входа
 
 
 
Регистрация | Забыл пароль?
Категории
 
МИКРОСХЕМЫ КОМПЬЮТЕРА И МИКРОТЕХНОЛОГИЯ

 

Cуществующая программа изучения информатики в школе основывается преимущественно либо на сведениях прикладного характера, либо на теоретических посылах, в основе которых лежат методологическая (теория моделирования и т.п.) и математическая линии (двоичная логика, законы математической логики, основы программирования и т.д.). При этом как-то упускается физическая сущность информационных систем. В результате дети узнают много безусловно важных сведений, но не имеют представления о физике работы компьютера. Школьный предмет физика, в свою очередь, не дает никакой информации о том, какие физические процессы протекают в системном блоке компьютера. О них самые любопытные узнают из случайных источников в интернете, причем таких источников, понятных широкому кругу читателей, весьма мало – проверено мною. Остальные дети остаются в неведении о том, что происходит в железной коробке, именуемой системным блоком компьютера, что такое микросхема и откуда она произошла.  Более того, если спросить у старшеклассника, в чем состоит физический принцип работы компьютера, то ответит не каждый.

            А физический принцип его работы состоит в использовании ключевой схемы, которая как раз позволяет нам реализовать двоичный код, на основе которого и работает компьютер. Понятно, что схема эта в системном блоке находится не в единственном числе, а представлена в большом количестве микросхем высокой степени интеграции, в так называемых СБИС – сверхбольших интегральных схемах, в которых содержатся десятки миллионов ключевых схем. Расчетом и изготовлением СБИС занимается наука микроэлектроника, которая предполагает освоение высочайших технологических процессов. К сожалению, современные ученики школ имеют об этой науке самое поверхностное представление.

С момента появления первых полупроводниковых микросхем (начало 60-х годов) микроэлектроника прошла путь от простейших логических элементов до сложных цифровых устройств, изготавливаемых на одном полупроводниковом монокристалле площадью около 1 см2. Для обозначения микросхем со степенью интеграции выше 104 элементов на кристалле в конце 70-х годов появился термин "сверхбольшие интегральные схемы" (СБИС). Уже через несколько лет развитие этих микросхем стало генеральным направлением в микроэлектронике.

В начале своего развития электронная промышленность представляла собой отрасль техники, целиком основанную на операциях сборки, и позволяла реализовать весьма сложные функции путем объединения множества элементов в одном изделии. При этом значительная часть прироста стоимости изделий была связана с процессом сборки. Основными этапами этого процесса являлись этапы проектирования, выполнения и проверки соединений между электронными компонентами. Функции и размеры устройств, которые могли быть реализованы на практике, ограничивались количеством используемые компонентов, их физическими размерами и надежностью.

Развитие техники и технологии СБИС обусловило весьма существенные вменения в специфике электронной промышленности, заключающееся в совершенствовании процесса изготовления ИС и методов их проектирования, что привело к совершенствование микротехнологии. Уменьшение размеров полупроводниковых приборов позволяет одновременно добиться как улучшения характеристик ИС, формально определяемых законом пропорциональности размеров, так и улучшения их экономических (материальных и энергетических) показателей, связанных с уменьшением площади кристалла. В технологии СБИС степень интеграции превышает 215 элементов на кристалл. Уровень миниатюризации, который был использован при производстве процессора Intel Pentium в 1993 году, составлял 0,8 мкм, сейчас используются транзисторы с длиной канала 0,18 мкм, а в перспективе разработка устройств с длиной канала в 0,13 мкм, что вплотную приближается к пределу физических ограничений.

Полупроводниковая технология начала свое становление с 1946 года, когда Бардин и Шокли изобрели биполярный транзистор.

Исторически первым полупроводниковым материалом, использованным на ранних стадиях разработки полупроводниковых приборов, был германий. Совершенствование германиевой технологии сделало возможным создание ряда приборов, включая германиевые точечные и сплавные транзисторы. Однако вскоре германий был заменен кремнием, более дешевым и обладающим таким важным свойством, как возможность получения в окислительной среде тонкого, прочного и влагонепроницаемого диэлектрического слоя аморфной двуокиси кремния (SiO2).

Кремниевые полупроводниковые приборы по сравнению с германиевыми имеют ряд преимуществ:

  •  p-n переходы обладают низкими токами утечки, что определяет более высокие пробивные напряжения;
  • у кремния более высокая область рабочих температур (до 150 и 70 градусов Цельсия соответственно), что делает приборы на его основе менее чувствительными к перегреву;
  • кремний является технологически удобным материалом: его легко обрабатывать, на нем легко получать диэлектрические окисные пленки, которые затем успешно используются в технологических циклах;
  • кремниевая технология является менее затратной. Получение химически чистого кремния в 10 раз дешевле, чем германия.

Вышеперечисленные преимущества кремниевой технологииимеют место в связи со следующими его особенностями:

  • большое содержание кремния в виде минералов в земной коре (25% от ее массы);
  • простота его добычи (содержится в обычном речном песке и кремнеземе) и переработки;
  • существование "родного" не растворимого в воде окисного слоя  хорошего качества;
  • Исходным сырьем для микроэлектронной промышленности является электронный поликристаллический кремний, из которого затем получают монокристаллические слитки, обладающие необходимыми электрофизическими свойствами.

Получение кремниевых кристаллов с нужными параметрами достигается с помощью специального оборудования. Это установки с высокотехнологичным процессом. В процессе работы из установки извлекают кремниевый слиток диаметром 20 - 50 см и длиной до 3 метров. Для получения из него кремниевых пластин заданной ориентации и толщиной в несколько десятых долей миллиметра производят сложные технологические операции, в результате которых получают пластины диаметром 15 - 40 см, толщиной 0.5 - 0.65 мм с одной зеркальной поверхностью.

Затем следует процесс, именуемый эпитаксией.

Эпитаксия - выращивание тонких монокристаллических слоев на монокристаллических подложках. Существует 2 вида эпитаксии:

  • автоэпитаксия. Процесс называют автоэпитаксиальным или гомоэпитаксиальным, если материал слоя и подложки идентичен, например, кремний выращивают на кремнии.
  • гетероэпитаксия. Процесс называют гетероэпитаксиальным, если материал слоя и подложки отличается.

Материал подложки в этом процессе выполняет роль затравочного кристалла. Причиной появления эпитаксиальной технологии послужила необходимость совершенствования процесса изготовления биполярных транзисторов. Эти приборы обычно формируются в объеме полупроводниковой подложки с большим удельным сопротивлением r, определяющим высокое напряжение пробоя база - коллектор. Эпитаксиальное выращивание кремния из парогазовой фазы обычно проводят в реакторе, изготовленном из стеклообразного кварца, на помещенном внутри него пьедестале (подложкодержателе). Пьедестал служит для установки подложек и их нагрева во время процесса. Выращивание кремния проводится в потоке парогазовой смеси при высоких температурах. Газ разлагается на поверхности пластины и на нее осаждаются атомы кремния. Разложение кремнесодержащих компонент происходит пиролитически, т.е. только за счет тепла. Все вещества, поступающие в реактор, являются газами, отсюда и название "химическое осаждение из газовой фазы".

Кроме этой технологии существует молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ), которая проводится в вакууме и основана на взаимодействии нескольких молекулярных пучков с нагретой монокристаллической подложкой.

Преимущества этого метода:

  • Низкая температура процесса. Снижение температуры процесса позволяет получать качественные тонкие слои.
  • Высокая точность управления уровнем легирования. Легирование при использовании данного метода является безинерционным (в отличие эпитаксии из газовой фазы), что позволяет получать сложные профили легирования.

МЛЭ используется для изготовления пленок и слоистых структур при создании лавиннопролетных диодов, переключающих СВЧ-диодов, полевых транзисторов с барьером Шоттки, интегральных оптических структур. Метод молекулярно-лучевой эпитаксии перспективен для создания схем, в которых существенную роль играют слоистые структуры субмикронных размеров.

Далее для производства СБИС используется метод осаждения диэлектрических пленок. Эти пленки:

  • формируют проводящие участки внутри схемы,
  • выполняют роль электрического изолятора между металлами,
  • защищают поверхность от воздействия окружающей среды.

Наиболее распространены метод осаждения из парогазовых смесей при атмосферном и пониженном давлении и плазмохимическое осаждение из парогазовых смесей.

При этом к осаждаемым пленкам предъявляются особые требования:

  • толщина пленки должна быть однородной в каждом приборе и на всех подложках, обрабатываемых во время одного технологического процесса,
  • структура и состав пленки должны быть полностью контролируемы и воспроизводимы,
  • метод осаждения должен быть безопасен, полностью воспроизводим, должен обеспечивать возможность автоматизации и быть дешевым.

На различных стадиях изготовления СБИС находит широкое применение двуокись кремния SiO2 благодаря своим уникальным электрофизическим свойствам. Среди преимуществ, обуславливающих использование этого диэлектрика, следует выделить то, что SiO2 является "родным" материалом для кремния, легко из него получается и удаляется, не растворяется в воде, легко контролируется.

Пленки SiO2 в микроэлектронной промышленности получают путем окисления кремния. Под окислением полупроводников понимают процесс их взаимодействия с окисляющими агентами: кислородом, водой, озоном и т.д.

Дальнейший технологический процесс создания полупроводника называется диффузией. Диффузия в полупроводниках - это процесс последовательного перемещения атомов примеси в кристаллической решетке, обусловленной тепловым движением. Для изготовления р-n перехода используется химическая диффузия атомов, которые вводятся в кристаллическую решетку вещества для изменения его электрофизических свойств.

Способы диффузии:

  • диффузия из химического истока в парообразной форме при высоких температурах,
  • диффузия из легированных окислов,
  • диффузия из ионно-имплантированных слоев с последующим отжигом (проводится для активирования имплантации атомов и уменьшения числа дефектов).

Изучение диффузии ведется в направлении создания на основе экспериментальных данных точных моделей, способных предсказывать протекание процесса диффузии путем теоретического анализа. Конечная цель этого анализа - определение электрических характеристик полупроводниковых приборов на основе параметров технологического процесса расчетным путем.

Следующий этап изготовления – ионная имплантация. Ионной имплантацией (ионным легированием) называется процесс внедрения в мишень ионизованных атомов с энергией, достаточной для проникновения в ее приповерхностные области. Успешное применение ионной имплантации определяется главным образом возможностью предсказания и управления электрическими и механическими свойствами формируемых элементов при заданных условиях имплантирования. Наиболее распространенным применением ИИ в технологии формирования СБИС является процесс ионного легирования кремния.

Затем приступают к «фотографическому» этапу процесса, который называется оптической литографией. Основными методами оптического экспонирования являются контактный, бесконтактный и проекционный. Чаще всего используют последний метод, который позволяет полностью исключить повреждения поверхности шаблона. Шаблон вычерчивается на обычном листе бумаги, затем изображение топологического рисунка шаблона проецируется на покрытую резистом пластинку, которая расположена на расстоянии нескольких сантиметров от шаблона. Для достижения высокого разрешения отображается только небольшая часть рисунка шаблона. Это небольшая отражаемая область сканируется или перемещается по поверхности пластины. В сканирующих проекционных устройствах печати шаблон и пластина синхронно перемещаются. С помощью этого метода достигается разрешение порядка 1,5 мкм ширины линий и расстояния между ними. Проекционные устройства печати, в которых изображение на шаблоне перемещается над поверхностью пластины, называют фотоштампами. При использовании этих устройств печати шаблон содержит топологию одного кристалла большого размера или нескольких кристаллов малых размеров, которые увеличены до десяти раз. Изображение этой топологии или структуры уменьшается и проецируется на поверхность пластины. После экспонирования одного элемента кристалла пластина сдвигается или перемещается на столике с интерферометрическим управлением по осям XY к следующему элементу одного кристалла, и процесс повторяется. С помощью уменьшающих проекционных фотоштампов можно получить разрешение ~1 мкм.

В большинстве современных проекционных систем печати оптические элементы являются настолько совершенными, что их характеристики точности отображения ограничены дифракционными эффектами, а не аберрацией линз. Эти устройства печати называют системами с дифракционным ограничением.

Существуют и более современные технологические процессы: электронно-лучевая (ЭЛЛ) и рентгеновская литография. Первая из них использует электронные пучки для облучения поверхности пластины с целью нанесения рисунка. Это позволяет применять для процесса компьютеры, что дает возможность обойтись без шаблона. Поэтому электронно-лучевые сканирующие системы могут быть использованы как для изготовления шаблонов, так и для непосредственной прорисовки на пластине. Эти установки имеют высокое пространственное расширение и точность совмещения, приближающиеся к 0,1 мкм. Электронно-лучевая литография (ЭЛЛ) для изготовления шаблонов имеет явные преимущества даже в тех случаях, когда для совмещения шаблона с подложкой и экспонирования резиста применяется способ фотолитографии. ЭЛЛ обеспечивает превосходное разрешение линий оригинала, давая возможность улучшить качество шаблона. Время, которое уходит на кодирование чертежа шаблона в цифровой вид и последующее его изготовление под управлением компьютера, значительно меньше времени, которое требуется для процесса фотоуменьшения. Дополнительным преимуществом является то, что при изменении чертежа достаточно просто модифицировать программу компьютера.

Рентгеновская литография является разновидностью оптической бесконтактной печати, в которой длина волны экспонирующего облучения лежит в диапазоне 0.4 - 5 нм. Несмотря на то, что при рентгеновской литографии используется бесконтактная экспонирующая система, проявление дифракционных эффектов уменьшено за счет малой длины волны рентгеновского излучения. Основная причина разработки метода рентгеновской литографии заключалась в возможности получения высокого разрешения и в то же время высокой производительности оборудования. Кроме того, за счет малой величины энергии мягкого рентгеновского излучения уменьшается проявление эффектов рассеяния в резистах и подложке, следовательно, нет необходимости в коррекции.

Поскольку рентгеновские лучи практически не поглощаются загрязнениями, состоящими из компонентов с малым атомным номером, то наличие загрязнений на шаблоне не приводит к возникновению дефектов рисунка на резисте. Кроме того, вследствие низкого поглощения рентгеновского излучения рентгеновский резист большой толщины может быть однородно экспонирован на всю толщину, в результате чего в его объеме у окон формируются вертикальные стенки, точно повторяющие рисунок шаблона.

Рентгеновская литография обеспечивает наилучшие условия для достижения субмикронного разрешения при высокой производительности обработки пластин. При использовании существующих резистов и рентгеновских источников пластины полностью могут быть экспонированы за 1 минуту с разрешением <0.5 мкм.

Затем рисунок будущей микросхемы методом специального травления закрепляется на подложке.

Далее наступает процесс металлизации. Он  заключается в реализации межкомпонентных соединений с низким сопротивлением и создании контактов с низким сопротивлением к высоколегированным областям p- и n- типа и слоям поликристаллического кремния. В кремниевых МОП и биполярных СБИС в настоящее время для металлизации часто используют алюминий и его сплавы. Это обусловлено его низким удельным сопротивлением при комнатной температуре (2.7 мкОм·см) и низкой стоимостью. Для металлизации используются также золото и многокомпонентные соединения.

Затем существуют две стадии монтажа кристаллов – соединение твердыми припоями, специальным клеем или ультразвуковой сваркой и вторая стадия – проволочное, автоматизированное и методом перевернутого кристалла. Подробности процесса рассматривать здесь не будем, но следует заметить, что этот этап изготовления СБИС тоже технологически достаточно сложен и требует специальных знаний и оборудования, как и все приведенные здесь процессы.

Последний этап – контроль и диагностика полученных микросхем.

Обзор процесса изготовления СБИС приведен здесь в очень кратком виде для того, чтобы учитель мог ознакомить школьников с ним и пояснить, что такое микротехнологии и микроэлектроника, ведь в школьном учебнике этих данных нет, хотя современному учащемуся эти знания необходимы  уже в школе.

Теперь перейдем к первичной ячейке каждой СБИС – ключевой схеме.

В простейшем виде ключевая схема представляет собой обыкновенный выключатель: щелкнули ним – включился свет, еще раз щелкнули – выключился. Если считать, что включенный свет – это цифра 1, а выключенный – 0, то в данном случае реализуется двоичный код. Этот код – основа работы компьютера, что мы знаем из введения в информатику. В каждой микросхеме компьютера содержатся миллионы таких «выключателей», и их работа строго упорядочена. Называют их здесь ключами, поскольку они, как и обыкновенные ключи, то закрывают путь протекающему через них току, то открывают. Каждый такой ключ представляет собой микроскопическую электронную схему. В упрощенном виде ее можно представить так:

 на рисунке видно, что отпущенной кнопке будет соответствовать высокий уровень напряжения на выходе - условно 1, а нажатой - низкий, то есть условно 0. Если состояние самой кнопки закодировать как 0 - отпущена, 1 - нажата, то получим такую таблицу истинности:

Кнопка

Выход

0 (отпущена)

1

1 (нажата)

0

 

 

 

 

Элементарный электронный ключ на транзисторе представлен следующей схемой:

 

                                                                                          

 

 

 

U упр.

Выход

0 (нет)

1

1 (подано)

0

 

 

 

При подаче Uynp. на базу транзистор открывается, сопротивление перехода коллектор-эмиттер резко падает, поэтому потенциал между точками 2 и 3 становится практически равным нулю (логический 0). Если Uynp. не посту­пает на базу, то сопротивление этого перехода очень велико: транзистор за­крыт. Потенциал Uвых. при этом почти равен +Uпит (логическая 1). Для предотвращения режи­ма короткого замыкания между точка­ми 1 и 3 при параллельном включении электронного ключа служит Rн., а для ликвидации перегрузки перехода база - эмиттер напряжением управления служит Rorp.

Ключи широко применяются в компьютерной технике как электронные коммутаторы различного назначения, их выпускают в виде микросхем. Микросхема  содержит в своем корпусе транзисторы, резисторы и другие радиоэлементы, получаемые в результате приведенной в статье микротехнологии. В зависимо­сти от числа элементов различают микросхемы малой степени интегра­ции (до 100 элементов на 1 см площади), средней (до 1000), большой (до 10000) и сверх­большой ( свыше 10000 ) степени ин­теграции - СБИС. В современных электронно-вычислительных машинах (компьютерах) применяют только СБИС, что позволяет значительно уменьшить  размеры компьютеров.

В ключах выходной сигнал (выходная функция) полностью определяется входными переменными и не зависит от предыдущего состояния схемы. Од­нако зачастую приходится учитывать и такое состояние, например, в запоми­нающих устройствах. В этом случае применяют разновидность ключевых электронных схем, называемую триг­гером. Триггер (от англ. Trigger - за­щелка, курок) - это логическое уст­ройство с обратными связями. Логи­ческими устройствами принято счи­тать такие, в основу работы которых положена двоичная система счисле­ния, и в которых реализуются функ­ции математической логики. Отсюда и обобщенное название логических элементов, микросхем и создаваемых на их базе приборов и устройств - циф­ровые. В общем случае ЭВМ «различа­ет» цифры 0 и 1, как величины элек­трического потенциала: электрический сигнал небольшой (десятые доли воль­та) или нулевой величины определяет­ся, как логический нуль, а сигнал с по­тенциалом (напряжением) в несколько вольт - логическая единица. Так как в принципе триггеры — это элементы, имеющие устойчивые со­стояния, то на их основе часто соз­дают запоминающие устройства, на­пример ПЗУ (постоянные запоминаю­щие устройства), которые хранят ин­формацию и при выключении напря­жения питания. Одним из примеров такого устройства можно считать флэш-память, получившую в настоящее время широкое распространение, а также твердые флэш-диски для портативных компьютеров, не имеющие в себе механических блоков, и оперативная память мобильных телефонов.

Современная микроэлектроника достигла поразительных результатов благодаря рассмотренным выше высоким технологиям изготовления микросхем: к примеру, современный мобильный телефон – это многофункциональное устройство, представляющее собой компьютер в миниатюре.

                        Литература:  

  1. Технология СБИС / Под ред. Зи С. М. - М.: Мир, 1986. 1, 2 т.
  2. Аваев Н. А., Наумов Ю. Е. Элементы сверхбольших интегральных схем. - М.: Радио и связь, 1986. - 168 с.: ил.
  3. Таури Я. Основы технологии СБИС. - М.: Радио и связь. 1985. 480 с.
  4. Маллер Р., Кейминс Т. Элементы интегральных схем. - М.: 1989. 630 с.
  5. Готра З. Ю. Справочник по технологии микроэлектронных устройств. - Львов: Каменяр, 1986. 287 с.: рис., табл.
  6. Алексеенко А. Г., Шагурин И. И. Микросхемотехника. - М.: Радио и связь, 1982. - 414 с.
  7. Наумов Ю. Е. Интегральные логические схемы. - М.: Сов. радио, 1970. - 432 с.
  8. Введение в фотолитографию / Под ред. Лаврищева В. П. - М.: Энергия, 1977. 400 с.
  9. Курносов А. И., Юдин В. В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. - М.: Высш. шк., 1979. 272 с.
  10. Электронно-лучевая технология в изготовлении микроэлектронных приборов / Под ред. Дж. Р. Брюэра. М.: Радио и связь. 1984. 336 с.