ВСТУП
Сучасний етап розвитку радіоелектроніки (radio electronics) характеризується широким застосуванням інтегральних мікросхем (ІМС) у всіх радіотехнічних системах і апаратурі. Це пов'язано із значним ускладненням вимог і завдань, вирішуваних радіоелектронною апаратурою, що привело до зростання числа елементів в ній. За кожне десятиліття число елементів в апаратурі збільшується в 5 – 20 разів. Складні комплекси апаратури і системи, що розробляються зараз, містять мільйони і десятки мільйонів елементів. В цих умовах виключно важливе значення відіграють проблеми підвищення надійності апаратури і її елементів, мікромініатюризації електрорадіокомпонентів і комплексної мініатюризації апаратури. Всі ці проблеми успішно вирішує мікроелектроніка. Інтегральна і функціональна мікроелектроніка є фундаментальною базою розвитку всіх сучасних систем радіоелектронної апаратури. Вони дозволяють створювати новий вид апаратури – інтегральні радіоелектронні пристрої.
Мікроелектроника (microelectronics) – один з магістральних напрямів в радіоелектроніці, і рівень її розвитку значною мірою визначає рівень, науково-технічного прогресу країни.
Застосовують два основні методи виготовлення ІМС: напівпровідниковий і плівковий.
Перший метод полягає в локальному обробленні мікроділянок напівпровідникового кристала і доданні їм властивостей, характерних функціям окремих елементів і їх з'єднань – напівпровідникова інтегральна мікросхема (semi-conducting integral microcircuit).
Напівпровідникова інтегральна мікросхема звичайно є кристалом кремнію, в приповерхневому шарі якого за допомогою методів напівпровідникової технології сформовані області, еквівалентні елементам електричної схеми, а також з'єднання між ними. Оскільки початковий кремній має певну провідність, для ізоляції елементів один від одного вживають спеціальні заходи. Технологічні процеси виготовлення напівпровідникових інтегральних мікросхем носять груповий характер, тобто одночасно виготовляється велике число ІМС.
Другий метод заснований на використовувані пошарового нанесення тонких плівок різних матеріалів на загальну підкладку (underlayer) при одночасному формуванні на них схемних елементів і їх з'єднань (плівкові інтегральні мікросхеми).
У найближчому майбутньому слід чекати значних успіхів при реалізації методу функціональних приладів. Цей метод заснований на потенційній можливості певного приладу виконувати функції складних електронних схем при безпосередньому використовуванні фізичних явищ в твердих тілах. Є всі підстави припускати, що будуть розроблені і створені
5
прості у виготовленні прилади, які замінять колишні схеми з великою кількістю класичних елементів. Так, наприклад, як функціональний прилад давно застосовують резонатор на п’єзоелектричному кристалі. Цей прилад еквівалентний вузлу, що містить котушки індуктивності, конденсатори, резистори і з’єднувальні провідники, хоча не можна визначити, яка частина кристала виконує функцію того або іншого елементу.
Використовування спеціальних матеріалів також відкриває можливості виготовлення приладів, що виконують комплексні логічні функції (complex logical function і функції пам'яті (functions memory). Ці функції може безпосередньо здійснювати монолітна феритова, кріогенна або фероелектрична пластина при відповідному зменшенні кількості окремих елементів і з'єднань, що доводяться на виконувану ними функцію. Проте слід зазначити, що широкепрактичнезастосуванняфункціональнихІМСвиявитьсяможливимтоді, коли будуть розроблені методи синтезу приладу з наперед заданими функціями.
Сучасна мікроелектроніка продовжує розвиватися швидкими темпами. При цьому основним напрямом залишається подальше вдосконалення напівпровідникової інтегральної мікроелектроніки. Відбувається значне зростання ступеня інтеграції як за рахунок зменшення розмірів елементів, так і за рахунок збільшення розмірів базового кристала. Успіхи в розвитку цього напряму обумовленізначнимудосконаленнямгруповоїтехнології інтегральних мікросхем. В першу чергу сюди слід віднести: прогрес електронного матеріалознавства, поліпшення якості технологічного і контрольного устаткування, поява і розвиток якісно нових технологій (електронна і іонна літографія, молекулярнаепітаксія, гетероепітаксія, іонно-плазмоватехнікаіін.).
Успіхи технології (technology) мікроелектроніки дозволили створити мікро-ЕОМ на одній великій інтегральній схемі (ВІС). На одному кристалі такої мікро-ЕОМ розміщуються центральний процесор, пам'ять з довільною вибіркою, постійна пам'ять, синхронізатор і схеми введеннявиведення.
Найбільш перспективними приладами, що створюються на основі ВІС, можна вважати мікропроцесор (microprocessor). Появу мікропроцесорів пов’язують з революційним стрибком в електронній техніці. Завдяки широким можливостям цих приладів налічується велика кількість областей їх застосування, практично у всіх областях техніки.
Упровадження в промисловість різних типів роботів, що почалося, ставить перед мікроелектронікою нові проблеми, в першу чергу оснащення роботів штучним інтелектом і забезпечення їх сенсорними системами, здатними забезпечити адекватні реакції робота на зміни зовнішніх умов. Це досить складні проблеми, проте успіхи сучасної мікроелектроніки, в першу чергу розроблення надвеликих інтегральних схем, дозволяють вести глибокі дослідження в цьому напрямі.
6
1 ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ І НАПРЯМИРОЗВИТКУ МІКРОЕЛЕКТРОНІКИ
1.1 Етапи розвитку електроніки
Електроніка (electronic) – наука про взаємодію електронів з електромагнітними полями і методи створення електронних приладів, пристроїв, в яких ця взаємодія використовується для перетворення електромагнітної енергії, передавання, оброблення і зберігання інформації.
Практичними завданнями електроніки є: розроблення електронних приладів і пристроїв, що виконують різні функції в системах перетворення і передавання інформації, в системах управління, в обчислювальній техніці, а також в енергетичних пристроях; розроблення наукових основ електронних приладів технології, що використовує електронні і іонні процеси.
На базі досягнень електроніки розвивається промисловість, яка випускає електронну апаратуру для різних видів зв'язку, автоматики, телебачення, радіолокації, обчислювальної техніки, систем управління технологічними процесами, світлотехніки, інфрачервоної техніки, рентгенотехніки і ін.
Головними етапами розвитку електроніки є вакуумна (vacuum) твердотільна (solid) і квантова (quantum) електроніка. Кожний етап поділяється на ряд розділів і напрямів. Розділ об'єднує комплекси однорідних фізико-хімічних явищ і процесів, які мають фундаментальне значення для розроблення багатьох класів електронних приладів даного етапу. Напрям охоплює методи конструювання і розрахунку електронних приладів, подібних за принципами дії або виконуваними функціями.
Найшвидкими темпами розвивається твердотільна електроніка. Твердотільні електронні прилади пройшли шлях розвитку від довгохвильових транзисторів і детекторів НВЧ до великих і надвеликих інтегральних мікросхем, що є базою сучасної обчислювальної техніки і її численних застосувань. На цьому шляху довелося долати труднощі як принципового, так і технологічного характеру. Вибіріточнелегуванняматеріалів, атакожотриманняконструкційз мікронними і субмікронними розмірами викликали розвиток таких складних технологічних напрямів, як фото і електронна літографія, іонна імплантація. Створення інтегральних мікросхем і інших твердотільних приладів виявилося неможливим без отримання ряду нових напівпровідникових (semi-conductor) і діелектричних (dielectric) особливочистихматеріалів.
Весь період розвитку елементної бази електроніки в радіорадіоелектронній апаратуріможнаподілитиначотирипокоління:
а) дискретна електроніка на електровакуумних приладах; б) дискретна електроніка на напівпровідникових приладах; в) інтегральна мікроелектроніка
7
на інтегральних мікросхемах; г) інтегральна мікроелектроніка на функціональнихприладах.
У першому поколінні елементної бази електроніки роль активних елементів виконували різні електровакуумні прилади. Як пасивні елементи застосовували резистори (resistor), конденсатори (capacitor), котушки індуктивності, трансформатори, з'єднувачі, перемикачі і інші дискретні радіодеталі. Радіоелектронну апаратуру (РЕА) збирали з окремих дискретних елементів, які механічно зміцнювалися на спеціальних панелях і електрично з'єднувалися між собою дротяними провідниками за допомогою паяння або зварки. Пізніше була розроблені друкарські плати, які були надійнішими, забезпечували велику відтворюваність параметрів РЕА і відносну легкість автоматизаціївиробництва.
Друге покоління елементної бази електроніки з'явилося з винаходом транзисторів (transistor) в 1948 р. американськими ученими Бардіном і Браттейном. Перші транзистори були точковими, їх р-n-переходи одержували в місці контакту з напівпровідником двох заточених дротів. Проте точкові контакти були нестабільними. Цей недолік був усунений в сплавних транзисторах, отримання р-n-переходів яких засновано на взаємодії рідкої фази вплавного електрода, що містить легуючий елемент, з твердим напівпровідником. Сплавні транзистори відрізнялися великими переходами, низькою відтворюваністю параметрів і неможливістю отримання базових областей шириною менше 10 мкм. Потім у виробництво були впроваджені транзистори з дифузійними переходами, параметри яких більш відтворні, а ширина бази може бути зменшена до 0,2–0,3 мкм.
Третє покоління елементної бази електроніки – інтегральні мікросхеми– пов'язані з появою плівкової технології, яка в поєднанні з планарною технологією дала можливість в мікрооб'ємах твердого тіла виготовляти величезну кількість активнихприладів.
Четверте покоління елементної бази електроніки складають функціональні мікросхеми, прилади і вузли. В структурі цих приладів важко або неможливо виділити елементи, еквівалентні традиційним дискретним компонентам (транзистори, діоди (diode), конденсатори (capacitor), резистори
(resistor) і ін.). Прилади функціональної мікроелектроніки принципово відрізняються від елементів всіх попередніх поколінь. Тут проводиться інтеграція різних об'ємних і поверхневих фізичних явищ, завдяки чому може бути подоланий бар'єр конструктивної складності сучасних інтегральних мікросхем.
1.2 Основні положення і принципи мікроелектроніки
Мікроелектроніка дозволяє вирішити проблеми різкого підвищення надійності електронної апаратури, значного зменшення її габаритів, маси, споживаної енергії і вартості. В мікроелектроніці відмовляються від
8
застосування дискретних радіокомпонентів. Використовуючи досягнення фізики твердого тіла, металургії надчистих матеріалів і електронного машинобудування на основі якісно нової технології, в мікрооб'ємах твердого тіла формують складні електронні вузли – інтегральні мікросхеми.
Інтегральною мікросхемою (integral microcircuit) – називають мікроелектронний виріб, що виконує певну функцію перетворення і оброблення сигналів і має високу щільність пакування електрично з’єднаних елементів (або елементів і компонентів) і кристалів, які з точки зору вимог до випробувань, приймання, поставки і експлуатації розглядається як єдине ціле. Щільність пакування елементів в мікросхемі може досягати сотень тисяч елементів в одному кристалі.
Часто замість терміну інтегральна мікросхема (ІМС) використовуються терміни інтегральна схема (ІС) або просто мікросхема. Інтегральна мікросхема містить елементи і компоненти.
Елементом (element) інтегральної мікросхеми називається частина ІМС, що реалізовує функцію якого-небудь простого електрорадіоелементу (наприклад, транзистора, діода, резистора, конденсатора) Ця частина виконана нероздільно від кристала ІМС (або її підкладки). Елемент не може бути відокремлений від ІМС як самостійний виріб, тому його не можна випробувати, упакувати і експлуатувати.
Компонентом (component) інтегральної мікросхеми також називається частина ІМС, що реалізовує функції якого-небудь електрорадіоелементу. Проте ця частина перед монтажем була самостійним виробом в спеціальній упаковці (комплектуючий виріб). Компонент у принципі може бути відокремлений від виготовленої ІМС.
Апаратуру, в якій в основному використовуються вироби мікроелектроніки, називають мікроелектронною. Підвищення надійності мікроелектронної апаратури пояснюється використовуванням при виготовленні інтегральних мікросхем спеціальної технології, при якій застосовуються особливо чисті матеріали, а весь процес виготовлення протікає в умовах, що виключають можливість забруднень. Крім того, внутрішні з'єднання інтегральних мікросхем захищені міцним покриттям, а їх малі габарити дозволяють створювати міцні і компактні вузли і блоки апаратури, здатні витримувати великі механічні навантаження. Висока надійність інтегральних мікросхем обумовлена також меншим числом з'єднань.
Застосування інтегральних мікросхем і мікропроцесорів дозволяє зменшити габарити апаратури і її масу на два порядки і більше. Це пояснюється тим, що елементи інтегральних мікросхем досить малі – їх розміри складають одиниці і десяті частки мікрометра. Малі габарити інтегральних мікросхем і мале споживання ними електричної енергії
9