Как делают интегральные микросхемы

04.02.2003 Дмитрий Мурин Рубрика:Технологии

Как делают интегральные микросхемы

Собранный прототип интегральной схемы был продемонстрирован руководству Texas Instruments в конце августа 1958 года. К удивлению присутствующих, он оказался вполне сносно работающим

Самая престижная научная награда, Нобелевская премия по физике, обычно вручается ученым, которые внесли наибольший вклад в области фундаментальных исследований.

Поэтому присуждение премии 2000 года американскому инженеру-электротехнику Джеку Килби за работы прикладного характера вызвало немалое удивление в научном сообществе.

Однако удивление быстро сменилось осознанием того, что изобретение интегральной схемы представляет собой великолепный пример использования результатов фундаментальных исследований для создания новых инструментов, которые, в свою очередь, позволяют получать новые фундаментальные результаты.

Истоки

В начале 50-х годов представители оборонного и космического ведомств США первыми задумались над пределами прогресса ламповых систем.

И стали оказывать — сначала осторожно, а потом все более активно — финансовую поддержку проектам, направленным на построение полностью интегрированных электронных систем из твердотельных компонентов.

Это стало началом заката «ламповой эры», но философия электронной интеграции не претерпела существенных изменений и по-прежнему напоминала философию построения предложения.

В электронике, как в человеческой речи, есть массив стандартных элементов, различающихся по своим функциональным особенностям: фраза всегда состоит из существительных, прилагательных, глаголов, причастных оборотов, а электронная схема — из емкостей, сопротивлений, триодов и диодов. Комбинируя эти элементы, можно придавать фразе тот или иной смысл, а схеме «поручать» решение тех или иных задач.

Твердотельными компонентами должны были стать транзисторы.

Самые первые были изготовлены из монокристаллического германия и лишь значительно позже — к середине 50-х годов, когда в Texas Instruments была решена проблема роста монокристаллического кремния, транзисторы стали изготавливаться из этого кремния. Это само по себе сразу же стало коммерчески выгодным предприятием, несмотря на достаточно высокую по тем временам их стоимость (около 10 долл. за штуку).

1951 год ознаменовался тем, что Bell Labs провела свою первую конференцию по транзисторам и начала продавать патентные лицензии стоимостью 25 тыс. долл. на транзисторные технологии. Заинтересовались лицензией и в компании Centralab, где Килби и сделал первые шаги в направлении «германиевой» интеграции.

Однако Centralab не была той компанией, деятельность которой — производство слуховых аппаратов и пассивных телевизионных схем — могла бы заинтересовать военных в 1956 году, когда рынок военных кремниевых технологий становился перспективным.

Неизмеримо большими возможностями обладала Texas Instruments, где Килби проработал без малого 45 лет и в стенах которой в рамках военного заказа были созданы первые кремниевая и германиевая интегральные схемы.

Идея

Еще в конце 40-х годов в Centralab были разработаны основные принципы миниатюризации и созданы ламповые толстопленочные гибридные схемы. Схемы выполнялись на единой подложке, а зоны контактов или сопротивления получались простым нанесением на подложку серебряной или типографской угольной краски.

Когда же стала развиваться технология германиевых сплавных транзисторов, в Centralab было предложено монтировать бескорпусные приборы в пластиковую или керамическую оболочку, чем достигалась изоляция транзистора от окружающей среды. На этой основе можно было уже создавать транзисторные гибридные схемы, «печатные платы».

Но, по сути дела, это был прообраз современного решения проблемы корпусирования и выводов интегральной схемы.

К середине 50-х годов Texas Instruments имела все возможности для производства дешевых полупроводниковых материалов. Но если транзисторы или диоды изготовлялись из кремния, то резисторы в TI предпочитали делать из нитрида титана, а распределенные емкости — из тефлона.

Неудивительно, что многие тогда полагали, что при накопленном опыте создания гибридных схем нет проблем в сборке этих элементов, изготовленных по отдельности. А если удастся изготовить все элементы одинакового размера и формы и тем самым автоматизировать процесс сборки, то стоимость схемы будет значительно снижена.

Этот подход очень напоминает предложенный Генри Фордом процесс конвейерной сборки автомашин.

Таким образом, в основе доминировавших тогда схемных решений лежали различные материалы и технологии их изготовления.

Но англичанином Джеффом Даммером из Royal Radar Establishment в 1951 году было выдвинуто предположение о создании электроники в виде единого блока при помощи полупроводниковых слоев одного и того же материала, работающих как усилитель, резистор, емкость и соединенных вырезанными в каждом слое контактными площадками. Как это сделать практически, Даммер не указал.

Собственно, отдельные резисторы и емкости можно было делать из того же кремния, однако это было бы довольно дорогое производство.

Кроме того, кремниевые резисторы и емкости были бы менее надежны, чем компоненты, изготовленные по стандартным технологиям и из привычных материалов, тех же нитрида титана или тефлона.

Но так как все же имелась принципиальная возможность изготовить все компоненты из одного материала, то следовало бы подумать об их соответствующем электрическом соединении в одном образце.

24 июля 1958 года Килби сформулировал в лабораторном журнале концепцию, получившую название «Идеи монолита» (Monolithic Idea), в которой было указано, что «…

элементы схемы, такие как резисторы, конденсаторы, распределенные конденсаторы и транзисторы, могут быть интегрированы в одну микросхему — при условии, что они будут выполнены из одного материала…

Читайте также:  Лазерный уровень - устройство и принцип работы

В конструкции триггерной схемы все элементы должны изготавливаться из кремния, причем резисторы будут использовать объемное сопротивление кремния, а конденсаторы — емкости p-n-переходов».

Заслуга Килби — в практической реализации идеи Даммера.

Реализация

«Идея монолита» встретила снисходительно-ироничное отношение со стороны руководства Texas Instruments, где потребовали доказательств того, что подобная схема будет работоспособна.

Чтобы представить необходимые доказательства, прежде всего следовало убедиться в том, что будет работать схема, составленная из отдельных кремниевых элементов — транзистора на p-n-переходе, резисторов, нарезанных из стерженьков, и конденсаторов из пластины, которая была металлизирована с обеих сторон. Собранный прибор был продемонстрирован руководству компании в конце августа 1958 года. К удивлению присутствующих, он оказался вполне сносно работающим. Но это еще не была интегральная структура, скорее это была миниатюризированная «квазигибридная» схема.

Первой же действительно интегральной схемой, выполненной «с нуля», в одном куске полупроводника, оказалась германиевая триггерная схема. Здесь уже были использованы и объемное сопротивление Ge, и емкость p-n-перехода. Ее презентация состоялась в начале 1959 года. Вскоре Робертом Нойсом из Fairchild Semiconductor были продемонстрированы преимущества планарного технологического процесса.

Как Килби, так и Нойсу пришлось выслушать немало критических замечаний по поводу своих новаций.

Считалось, что практический выход интегральных схем будет очень низким, потому что всего 15% изготовляемых в то время транзисторов имели необходимый ресурс надежности.

Во-вторых, многие полагали, что в интегральных схемах используются неподходящие материалы, поскольку лучшие электронные компоненты тогда делались отнюдь не из полупроводников.

Все сомнения были отброшены, когда интегральные схемы были успешно использованы в военных программах США, в программах подготовки полета космического корабля «Аполлон» на Луну и разработки ракеты «Минитмен». В 1964 году был создан первый портативный калькулятор на интегральных схемах. Началось их коммерческое использование, чем и было окончательно продемонстрировано их право на существование.

Как делают микросхемы?

Что может быть проще, чем обычный песок, и что может сравниться по сложности с компьютерными микросхемами? Между тем кремний как раз и является исходным материалом для производства интегральных схем, которые сегодня управляют всеми электронными устройствами, начиная от суперкомпьютеров и заканчивая сотовыми телефонами и микроволновыми печами.

Превращение песка в крошечные устройства, включающие в себя миллионы компонентов, — величайшее достижение ученых и инженеров, казавшееся совершенно невозможным всего полвека тому назад, до изобретения в 1947 году сотрудниками лаборатории Bell Labs транзистора.

Кремний — естественный полупроводник. При определенных условиях он способен проводить электричество, в других же случаях выступает в роли изолятора. Электрические свойства кремния можно изменять, добавляя в него различные примеси. Этот процесс называется легированием.

Подобные добавки превращают кремний в идеальный материал для изготовления транзисторов — простейших устройств, видоизменяющих электрические сигналы.

Транзисторы могут также выполнять функции переключателей, комбинация которых позволяет реализовать логические операции «и», «или», «не».

Микросхемы выпускаются на заводах, в строительство которых необходимо вложить многие миллиарды долларов. На заводе песок плавится и очищается, превращаясь в однородные слитки кремния с чистотой 99,9999%.

Специальные ножи разрезают слитки на пластины толщиной с мелкую монету и диаметром в несколько дюймов. Пластины очищаются и шлифуются. Каждая из них служит для изготовления множества микросхем.

Этот и последующий этапы выполняются в так называемой «чистой» комнате, в которой особо тщательно следят за отсутствием пыли и других инородных тел.

Непроводящий слой диоксида кремния на поверхности кремниевой пластины расширяется и покрывается светочувствительным химическим соединением.

Это соединение (фоторезист) подвергается воздействию ультрафиолетового облучения через специальный шаблон, или маску, для закрепления участков, обработанных излучением. Необработанные области протравливаются горячим газом, который обнажает подложку диоксида кремния, находящуюся внизу. Подложка и нижний слой кремния вытравливаются для получения пластины нужной толщины.

Как делают интегральные микросхемы

Фоторезист, задействованный в процессе фотолитографии, впоследствии удаляется, оставляя на микросхеме рельефные выступы, конфигурация которых повторяет схему цепи, представленную в маске.

Электрическую проводимость отдельных компонентов микросхемы также можно изменить за счет легирования их специальным химическим составом при высокой температуре и давлении.

Процедура фотолитографии с использованием различных масок, за которой следует вытравливание и легирование, повторяется для каждой микросхемы многократно. Таким образом на каждом этапе мы получаем все более сложную интегральную схему.

Для формирования проводников, которые связывают отдельные компоненты, вытравленные ранее на микросхеме, она покрывается тонким слоем металла (как правило, это алюминий или медь). После этого путем литографии и вытравливания удаляется весь металл, за исключением тоненьких проводников. Иногда на микросхему накладывается несколько слоев проводников, разделенных стеклянными изоляторами.

Как создавалась интегральная схема

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями

Технологические материалы для высокотемпературных микросхем

20 Декабря 2017

Продолжается активное внедрение электроники в разнообразные изделия, выпускаемые и эксплуатируемые различными отраслями промышленности. Электроника позволяет упростить некоторые системы, сделать их более компактными, дает возможность удалённо следить за их состоянием в режиме реального времени.

Как делают интегральные микросхемыРис. 1. Зависимость тока в режиме ожидания от температуры и типа подложки для микросхемы статической памяти SRAM

В некоторых отраслях (добыча полезных ископаемых, автомобилестроение, авиакосмическая промышленность) требуется работа электроники при повышенных температурах1. Обычно за «повышенную температуру» принимается диапазон от +150 до +300 °C. Существуют примеры и более высокотемпературных устройств, но мы, говоря о «высокотемпературной электронике», будем придерживаться именно этого диапазона.

Читайте также:  Применение энергосберегающих ламп может привести к экологической катастрофе?

Основным элементом любого устройства электроники является интегральная микросхема (ИМС).

Ее составные части — кристалл, выводы, корпус, связующие материалы — как по отдельности, так и в соединении друг с другом чувствительны к температуре.

Во многом долговременная и стабильная работа микросхемы при высоких температурах зависит от выбора технологических материалов для её производства, который происходит на стадии проектирования.

Для понимания сложности работы ИМС при повышенных температурах необходимо вспомнить базовые закономерности физики твёрдого тела:

  • рост проводимости при увеличении температуры в полупроводниках;
  • увеличение скорости диффузии;
  • уменьшение пробивного напряжения в диэлектриках.

Рост проводимости приводит к значительному увеличению токов утечек. Как следствие, растёт потребляемая мощность, и ещё более увеличивается тепловыделение. При высоких температурах стандартная изоляция между транзисторами ИМС с помощью p-n переходов становится неэффективной2.

Вместо этого необходимо применять изоляцию канавками (trench), заполненными SiO2 либо иным диэлектриком или их композицией. Если кристалл микросхемы изготавливается на основе кремния, то разумно использовать пластины «кремний на изоляторе» (КНИ). Это позволит сократить утечки через подложку (Рис 1).

Коммерчески доступны пластины производства компании Icemos Technology, где диэлектрические канавки формируются в пластине КНИ согласно топологии заказчика (Tаблица 1). Такие структуры называются TSOI (Trenched Silicon on Insulator).

Другим вариантом решения проблемы возрастания токов утечки является использование широкозонных полупроводников: GaN, SiC и других3.

Таблица 1 Типичные свойства пластин TSOI (КНИ с канавками), изготавливаемых компанией Icemos Technology

Параметр Единица измерения Значение
Диаметр мм 100, 125, 150
Толщина несущей пластины мкм 350 — 1000
Легирование n-тип: P, Sb, As
p-тип: B
Удельное сопротивление Ом*см ≈0,001 — 10000
Ориентация (100), (110), (111)
Скрытый диэлектрик SiO2
Толщина скрытого диэлектрика мкм 0,2 — 5,0
Толщина приборного слоя мкм 1,5 — 100
Ширина изолирующей канавки мкм ≥2
Аспектное отношение изолирующей канавки 15:1
Толщина изолирующего SiO2 в канавке мкм 0,1 — 1,0
Заполнение канавки после изоляции мкм Poly Si
Метод финальной планаризации поверхности CMP

Увеличение скорости диффузии при повышенных температурах приводит к нежелательным явлениям. Во-первых, происходит дальнейшая диффузия примесей в полупроводнике. Во-вторых, увеличивается скорость электромиграции металла контактных площадок. В-третьих, существует риск взаимной диффузии на границах разных материалов с образованием новых фаз и химических соединений.

В целом, увеличение скорости диффузии оказывает значительное влияние не только на уровень полупроводникового кристалла, но и на уровень всего электронного узла, работающего в условиях повышенной температуры.

Все это необходимо учитывать при проектировании ИМС, выбирая оптимальные профили и топологию легирования, материалы с низкой скоростью взаимной диффузии, неподверженные образованию химических соединений.

Проблема возрастания пробивного напряжения в диэлектриках решается лишь конструктивно — увеличением их толщины.

Материалы для корпусирования

Монтаж кристалла

Для монтажа кристаллов микросхем используют полимерные материалы на основе эпоксидных смол, а также металлические и стеклянные припои.

Обычные эпоксидные клеи неприменимы для высокотемпературных приложений из-за постепенной деградации их основы4. Вместо них используют припой, например, Au80Sn20 в виде преформ или пасты, например, Indalloy #182. Но он не всегда приемлем из-за высокой стоимости. Привлекательной альтернативой эпоксидному клею и сплаву Au80Sn

В россии начато производство микросхем и транзисторов, аналогов продукции mitsubishi и fuji

41360

20.03.2019, Ср, 13:50, Мск , Дмитрий Степанов

В Брянске начато серийное производство транзисторов и микросхем с проектными нормами 500 нм, предназначенных для цифровой техники. Ранее Фонд развития промышленности предоставил предприятию льготный заем в размере 200 млн руб. на реализацию этого проекта.

Российская компания «Кремний ЭЛ» запустила в Брянске серийное производство транзисторов и интегральных схем для цифровой техники: смартфонов, ноутбуков, фотоаппаратов и другой аппаратуры.

По словам генерального директора «Кремний ЭЛ» Олега Данцева, в проект по состоянию на март 2019 г. вложено более 1 млрд руб. Это собственные и заемные средства предприятия. 200 млн руб. в 2017 г. компании предоставил Фонд развития промышленности (ФРП) на льготных условиях.

К 2022 г. планируется выпустить продукцию на сумму свыше 825 млн руб. (15 млн. единиц изделий в год).

Основными потребителем готовой продукции в компании видят таких отечественных производителей техники как ПТЗ «Телта» – пермский телефонный завод, концерны «Вега», «Созвездие», «Авиаприборостроение» – предприятия радиоэлектронного комплекса России (входят в «Ростех»), разработчик систем ПВО «Алмаз-антей», а также «Роскосмос» и «Росатом».

На данный момент доля иностранных производителей на рынке транзисторов и интегральных микросхем в микрокорпусах, которые используются в блоках вторичного питания, по оценке компании, превышает 95%. Предложив рынку отечественные аналоги продукции Infineon, Fuji Electric, Semikron и Mitsubishi, компания рассчитывает поспособствовать снижению данного показателя до уровня 30%.

Новая продукция

Новая продукция предприятия включает транзисторы и микросхемы с проектными нормами 500 нм в малогабаритных полимерных корпусах типа SOT-23 и SOT-89 для поверхностного монтажа, которые используются в блоках вторичного питания различной радиоэлектронной техники.

Интегральные микросхемы линейных стабилизаторов напряжения с проектными нормами 500 нм в малогабаритных металлополимерных корпусах типа SOT-23

В частности, налажен выпуск микросхем супервизоров вторичного электропитания – специальных электронных схем, которые позволяют осуществлять непрерывный контроль напряжения. Подобные компоненты необходимы устройствам с питанием от батареи (смартфоны, ноутбуки), а также многим другим электронным приборам, которые даже при работе от сети чувствительным к изменению напряжения источника.

Читайте также:  Применение катушек индуктивности

В планах компании – освоить новое серийное производство интегральных микросхем и транзисторов с проектными нормами 350 нм, уже для более сложных изделий.

Как потрачены деньги ФРП

В 2017 г. Фонд развития промышленности предоставил брянскому производителю заем на сумму 200 млн рублей по программе «Конверсия». Проект «Кремний ЭЛ» стал первым открытым производством в рамках этой программы в регионе, запущенным с привлечением займа ФРП.

Средства планировалось пустить на реализацию проекта по модернизации существующего производства интегральных микросхем, транзисторов и диодов с целью уменьшения проектных норм при серийном производстве с 700 до 500 нм и освоения новых малогабаритных металлополимерных корпусов. Общая стоимость проекта составила 400 млн руб.

С помощью заемных средств компания приобрела современное оборудование, в том числе сканирующий электронный микроскоп KLA-Tencor CD-SEM 8100 XP, многоканальную измерительную систему KLA-Tencor Surfscan 6200, систему нанесения и проявления D-SPIN 60A, установку безмаскового совмещения и экспонирования Heidelberg Instruments MLA150, а также линию сборки.

Установка безмаскового совмещения и экспонирования Heidelberg Instruments MLA150

По словам Олега Данцева, использование приобретенного оборудования позволило улучшить временные и частотные характеристики изделий, повысить процент выхода годных изделий, уменьшить размеры кристалла, снизить трудоемкость и материалоемкость изготовления. Конкретные цифры в компании не называют.

Напомним, ФРП по программе «Конверсия» предоставляет займы предприятиям ОПК на проекты, направленные на производство высокотехнологичной продукции гражданского и двойного назначения. Займы от 200 до 750 млн руб. выдаются сроком на 5 лет под 1% годовых в первые три года и 5% годовых – в остальные годы.

Несколько слов о «Кремний ЭЛ»

В «Кремний ЭЛ» себя называют правопреемниками Брянского завода полупроводниковых приборов, основанного в 1958 г. Сейчас компания выпускает свыше 1,2 тыс. номенклатурных единиц изделий микроэлектронной техники, и более 90% выпускаемой ею продукции используется в оборонно-промышленном комплексе.

По данным Единой информационной системы в сфере закупок, за АО «Группа Кремний ЭЛ» числится 580 госконтрактов на общую сумму около 2,545 млрд руб. Один из самых крупных заказчиков – Минпромторг России. К примеру, в 2016 г.

компания заключила с ведомством четырехлетний контракт на «разработку и освоение серийного производства на отечественном предприятии серии импульсных понижающих стабилизаторов с регулируемым и фиксированными выходными напряжениями» на сумму 380 млн руб.

  • Короткая ссылка
  • Распечатать

Компоненты интегральных микросхем

Интегральные микросхемы являются основными компонентами любого вычислительного устройства. Основными составляющими таких микросхем являются электрические схемы, в которых все компоненты находятся на одном полупроводнике или чипе, который как правило, сделанный из кремния.

Интегральные микросхемы позволяют компьютерам образовывать инструкции и выполнять математические операции. Хотя большинство интегральных микросхем крошечные по размеру, но они невероятно сложные и включают в себя четыре основных компонента.

Сегодня многие радиодетали пользуются большим спросом и часто можно увидеть объявления с фразой «куплю радиодетали» или «куплю микросхемы». Итак, давайте более подробно рассмотрим основные компоненты интегральных микросхем.

Полупроводники

Как мы уже указали выше, основным материалом, из которого делают интегральные микросхемы, является кремний, который имеет определенную проводимость (например, способность проводить электричество), где-то между изолятором и металлом.

С повышением температуры, такая проводимость возрастает, поэтому компьютерные компоненты зачастую имеют радиаторы, чтобы избавится от избыточного тепла. Так если кремний становится слишком проводимый, то компоненты компьютера могут слишком перегружаться.

Полупроводниковые материалы позволяют электрическому току проходить через сформированную микросхему во все компоненты электронного устройства.

Резисторы

Покупка резисторов, также, сегодня пользуется достаточно большим спросом. Так резистор является небольшим электронным компонентом, который выполняет функцию сопротивления электронному току.

Более крупные резисторы выглядят в виде цилиндров, но в современных интегральных схемах они слишком малы, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом.

В качестве компонентов цепи, резисторы способствуют уменьшению тока, протекающего в следующих компонентах микросхемы в количестве, которое необходимо для должного функционирования.

Резисторы особо полезны, когда микросхема имеет возможность принимать ввод с аналогичного (не цифрового) источника, например, в случае с радиоантенной.

Диоды

Диоды являются электронными компонентами, которые позволяют току «путешествовать» только в одном направлении за один раз. Это позволяет им выступать в качестве переключателей и выражать инструкции в двоичной форме (например, да/нет или 1/0). Так вы можете встретить объявление «куплю переключатели», а не «куплю диоды».

Также, диод должен обеспечить, чтобы определенный участок цепи достиг определенного напряжения для активации. В тот момент, когда диод «открывает» проход для тока, ток проходит на следующий участок интегральной микросхемы. Компьютер интерпретирует «открытие» и «закрытие» участков цепи, двоичной системой программирования.

Транзисторы

Каждый компонент микросхемы можно купить, хоть он и имеет очень маленькие размеры. Так и в данном случае, вы всегда найдете массу объявлений с текстом «куплю транзисторы».

Транзисторы усиливают или переключают пути, на которых ток проходит в цепи. Это позволяет компьютерам обрабатывать различные наборы процессов. Так транзисторы могут выступать в качестве «ворот» для электрического тока.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector