Файл: 000810.pdf

С. М. Павлов

ОСНОВИ МІКРОЕЛЕКТРОНІКИ

Міністерство освіти і науки України Вінницький національний технічний університет

С. М. Павлов

ОСНОВИ МІКРОЕЛЕКТРОНІКИ

Навчальний посібник

Вінниця

ВНТУ

2010

1

УДК 621.382 ББК 33.852я73

П12

Рекомендовано до друку Вченою радою Вінницького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України (протокол №3 від 30.10.2008р.)

Рецензенти:

В. С. Осадчук, доктор технічних наук, професор В. М. Дубовий, доктор технічних наук, професор О. В. Грабчак, кандидат технічних наук, доцент

Павлов, С. М.

П12 Основи мікроелектроніки : навчальний посібник / С. М. Павлов.

–Вінниця : ВНТУ, 2010. – 224с.

Внавчальному посібнику викладені основні принципи і напрямки розвитку мікроелектроніки; проведена класифікація виробів мікроелектроніки і їх загальна характеристика; описані фізико-хімічні основи і технологія виготовлення напівпровідникових і гібридних ІМС.

УДК 21.382 ББК 33.852я73

© С. Павлов, 2010

2

4

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