Навигация
Деякі особливості технології виготовлення інтегральних мікросхем
27811
знаков
1
таблица
4
изображения
4. Деякі особливості технології виготовлення інтегральних мікросхем
У описаній вище (п.7.1) планарній технології колектор біполярного транзистора утворюється з тієї частини напівпровідникової підкладки, якої не торкнувся технологічний процес. Однак, в інтегральній мікросхемі подібна ситуація неприпустима, оскільки колектори всіх транзисторів мікросхеми виявилися б сполученими між собою через спільну підкладку. Тому в ІМС необхідно передбачити ізоляцію колектора кожного транзистора від підкладки, на якій він (транзистор) вирощений. Найпростіший шлях до цього є застосування потрійної дифузії при виготовленні npn-транзистора на p-провідній кремнієвій підкладці. Першим вирощується n-шар, який служитиме колектором (рис.4). Потім послідовно вирощують p-провідну базову область та n+ -провідну область емітера. При експлуатації до підкладки треба прикласти від'ємний відносно до колектора потенціал, щоб на межі підкладки і колектора утворився непровідний запірний шар, який забезпечує їх електричну ізоляцію.
Однак, транзистори, виготовлені методом потрійної дифузії, мають певні недоліки. В структурі, зображеній на рис.4, колекторний n-шар, який формується на етапі першої дифузії, виявляється неоднорідним: концентрація домішок зростає від донної області до поверхні. Тому на границі з базовим шаром концентрація домішку буде дуже великою і пробивна напруга колекторного переходу буде порівняно низькою. До того ж, процес потрійної дифузії складний і довготривалий. Тому зараз застосовують звичайно дещо інший шлях виготовлення транзистора. Спочатку на поверхню p-провідної підкладки з газової фази нарощується так званий епітаксіальний монокристалічний шар n-провідного кремнію товщиною 10-15 мкм, кристалічна структура якого є продовженням кристалічної структури підкладки (рис.5а). Тим самим створюється р–n перехід, котрий надалі ізолюватиме транзистор від підкладки. Далі описаним вище методом дифузії, по периметру майбутнього транзистора у епітаксіальному шарі створюється р -область, яка повинна "прорости" через цей шар і зімкнутися з р-провідною підкладкою (рис.5б). В результаті утворюється "острівець" з n-провідністю, оточений з усіх боків p-провідним кремнієм. В цьому острівку, який називають кишенею, відомим вже способом вирощують біполярний й npn-транзистор (рис.5в). Далі потрібно потурбуватися лише про те, щоб потенціал підкладки завжди був негативнішим відносно потенціалу колектора будь-якого з транзисторів інтегральної мікросхеми. Таким же шляхом – виміщенням у кишені – ізолюються і пасивні елементи ІМС.
У інтегральних схемах на МОН-транзисторах проблем з ізоляцією не виникає, оскільки кожний МОН-транзистор – його виток, стік і канал, яким притаманний інший закон провідності ніж підкладці, – вже "відгороджений" від неї запертим p-n-переходом. Це одна з істотних переваг інтегральних мікросхем на МОН-транзисторах.
Немає проблем з ізоляцією елементів і в плівкових ІМС, оскільки там всі елементи вирощуються на підкладках з ізоляційного матеріалу – скла або кераміки.
Та ж ідея - створювати елементи ІМС на діелектричних підкладках – виявилась дуже плідною і в планарній технології, коли навчились вирощувати епітаксіальні шари кремнію на кристалічних діелектричних матеріалах, наприклад, на сапфірі. Кристалічна структура сапфіра, котрий сам є добрим діелектриком, дуже подібна до структури кремнію і вирощування на ній епітаксіального шару виявляється цілком можливим (рис.6а).
Потім в утвореному шарі кремнію витравлять канавки, які досягають
самої поверхні сапфіра (рис.6б). Утворюються ізольовані острівці – кишені, в яких вирощують npn-транзистори (рис.6в).
Зараз робляться спроби вирощувати епітаксіальні плівки кремнію на алмазі, кристалічна структура якого також близька до структури кремнію. Окрім високих діелектричних властивостей, алмазу притаманна унікальна теплопровідність – вп'ятеро більша за теплопровідність міді. Це дуже важлива характеристика, оскільки відведення тепла є однією з причин, що обмежують мінімальні розміри елементів ІМС. Застосування алмазних підкладок сприятиме розв'язанню проблеми подальшого зменшення розмірів як окремих елементів ІМС, так і самих інтегральних схем у цілому.
Іншою істотною особливістю технології виготовлення мікросхем є те, що всі елементи ІМС створюються в єдиному технологічному процесі. Скажімо, всі резистори плівкової ІМС виготовляються одночасно, і, отже, мають однакову товщину та однаковий питомий опір матеріалу. Відрізнятися вони можуть лише довжиною і шириною шару за рахунок чого вони й мають різний опір. Або ж в ІМС, виготовлений за планарною технологією, робочий шар резистора вирощується водночас з базовим шаром транзистора і тому має ті ж самі електрофізичні параметри. Інакше кажучи, при виготовленні пасивних елементів ІМС вільність вибору значно менше ніж при конструюванні таких схем з дискретних деталей. В ІМС параметри пасивних елементів можна варіювати головним чином лише їх конфігурацією, тобто їх довжиною та шириною, а не товщиною шарів і електрофізичними властивостями матеріалу. В результаті номінали елементів ІМС виявляються в значній степені пов'язаними між собою та обмеженими за своїми значеннями. Так, наприклад, розглядаючи принципіальну схему будь-якої ІМС, можна переконатися в тому, що опір резисторів в ній лежить звичайно в межах 103-105 Ом. В схемах ІМС відсутні мегаомні опори. Немає також конденсаторів ємністю вище кількох тисяч пікофарад. Відсутні котушки індуктивності і, зрозуміло, трансформатори.
Ці обмеження визначають специфіку схемотехніки ІМС: при їх конструюванні намагаються знайти такі рішення, щоб елементи схеми не виходили за межі номіналів, прийнятних з точки зору технології. Коли ж застосування елемента з особливим "не технологічним" номіналом все ж виявляється неминучим, то шукають таке рішення, яке дозволило б "змоделювати" такий елемент схемотехнічними методами, або ж використовують зовнішні навісні компоненти та деталі.
5.Наслідки появи мікроелектроніки
3 появою інтегральних мікросхем була розв'язана та кризова ситуація в радіоелектроніці, яка стала назрівати наприкінці 50-х - початку 60-х років. Справа в тому, що протягом всього попереднього періоду розвиток радіоелектроніки відбувався екстенсивно: шляхом нарощуванням складності приладів та пристроїв, прямим збільшенням кількості деталей в їх схемах, приблизно на порядок за кожне десятиріччя. В результаті на вказаний строк кількість деталей у найбільш складних на той час приладах (наприклад, у електронно-обчислювальних машинах) сягала вже десятків і навіть сотень тисяч. Так, наприклад, вельми досконала на той час ЕОМ другого покоління типу БЭСМ-6 вимагала для свого розміщення площу в сотню квадратних метрів, вживала кілька десятків кВт електроенергії та коштувала десятки мільйонів крб.
Проте, найсерйознішою проблемою виявилася проблема забезпечення надійності – тобто безвідмовної роботи протягом тривалого часу, що завжди є основною вимогою до будь-якого пристрою чи системи. Кожний елемент або деталь взяті окремо можуть мати високий ступінь надійності. Однак, у їх сукупності надійність системи знижується пропорційно кількості елементів. Нехай, наприклад, окрема деталь має середній строк безвідмовної роботи в 100 років, тобто середня частота відмов дорівнює 10-6 год-1 (рік містить приблизно 104 годин).
Але оскільки частота відмов окремих деталей підсумовується, то період безвідмовної роботи пристрою, який складається з кількох сотень тисяч подібних деталей, становитиме лише кілька годин, тобто даний пристрій є практично непрацездатним. Боротьба за підвищення якості та надійності радіодеталей дала певні результати, проте стало очевидним, що колишній екстенсивний шлях розвитку радіоелектроніки є безперспективним.
Вирішення всіх цих проблем стало можливим завдяки мікроелектроніці, яка на той час тільки-но робила перші кроки. Інтегральні мікросхеми виявились здатними виконувати ті ж функції, що й електронні пристрої, зібрані з дискретних деталей, але при цьому вони були на кілька порядків менше за вагою, габаритами, енергоспоживанням та вартістю. Що ж до надійності, то як показала практика, мікросхеми, виготовлені за добре відпрацьованою технологією, мають приблизно таку ж надійність, як і окрема дискретна радіодеталь. Висока надійність ІМС забезпечується високою чистотою вихідних матеріалів, їх фізико-хімічною сумісністю, груповим характером та суворим контролем параметрів технологічного процесу, а також мінімальним застосуванням ручної праці.
Як показник надійності звичайно приймають гарантований час безвідмовної роботи. У більшості випадків цей час для окремої ІМС становить не менше 104 годин. Вважається, що імовірність безвідмовної роботи за цей строк має становити 0,999. Отже, частота відмов ІМС середнього ступеня інтеграції (СМС) є величиною порядку
10-7...10-8 год-1. На основі СМС були створені ЕОМ третього покоління, а на основі ВІС та НВІС – четвертого покоління. Сучасна персональна ЕОМ, яку можна віднести до четвертого або п’ятого покоління, за своїми можливостями лише не набагато поступається згадуваній вище БЭСМ-6, хоч її розміри, енергоспоживання та вартість набагато менше відповідних параметрів БЭСМ-6. Що ж до надійності подібних персональних ЕОМ, то вона приблизно така ж як у інших побутових радіоелектронних приладів (телевізорів, радіопрогравачів тощо), що відповідає частоті відмов порядку одного разу за кілька років.
Створення інтегральних мікросхем може бути яскравим прикладом того, як поодинокий, і здавалося б, суто спеціальний винахід або вдосконалення здатні привести до радикальних змін у обрисі цілого технічного напрямку та галузі промисловості, викликати великі соціальні наслідки і навіть накласти певний відбиток на розвиток цивілізації.
Поява мікроелектронної технології змінили насамперед обрис самої радіоелектронної промисловості. Кропітка та малокваліфікована праця сотень тисяч складальників-монтажників радіосхем була замінена високопродуктивною та висококваліфікованою роботою небагатьох операторів на технологічних лініях по виготовленню ІМС. Різко скоротилась собівартість складних радіоелектронних пристроїв, їх вага та розміри при одночасному зростанні їх надійності. Все це зробило можливим масове виготовлення та застосування радіоелектронних пристроїв, які раніше випускались лише як коштовні унікальні вироби, або взагалі були недоступні для виготовлення та придбання.
Прикладом можуть бути персональні ЕОМ, які тепер стали предметом масового виробництва. Заснована на ІМС "інтелектуальна" автоматика широко проникає в промисловість (наприклад, станки з цифровим керуванням, обробляючі центри), підвищуючи продуктивність та змінюючи умови роботи на підприємствах різноманітного профілю. Електронна автоматика входить і в наші оселі у вигляді побутової електро- та радіоапаратури нового покоління (наприклад, пральних машин з програмним керуванням), полегшуючи домашню працю і зберігаючи сили та час для іншої більш інтелектуальної діяльності. Широке застосування електронно-лічильних машин в науці, виробництві і керуванні незмірно розширює інтелектуальні можливості людини і відкриває нові шляхи для комунікації та обміну інформацією. Передбачити соціальні та культурні наслідки цього процесу дуже важко. Винахід ІМС у багатьох відношеннях нагадує винахід книгодрукування п’ятсот років тому. І те і друге виникло як результат об'єднання окремих розрізнених елементів в певні цілісні блоки. Підготовка до виробництва ІМС подібно до підготовки книги до видання i вимагає великих інтелектуальних зусиль на складання і проектування та матеріальних витрат на технологічну підготовку. Зате вже на стадії виробництва можливе тиражування ідентичних виробів в необмежених кількостях. Більш того, як видання книги, так і виробництво ІМС себе виправдовують та окупаються лише при масовому виробництві та великих серіях.
Подібні також і соціальні наслідки цих двох винаходів. Сприяючи удосконаленню засобів виробництва та інтенсифікації обміну інформацією вони призводять кінець-кінцем до нового витку розвитку цивілізації, зумовленого можливістю якісного підвищення матеріального, інтелектуального та культурного рівня всього людства.
Література
1. Петров К.С. Радіоматеріали, радіокомпоненти і електроніка: Навчальний посібник для вузів. – Спб: Пітер, 2003. – 512 с.
2. Опадчий Ю.Ф. і ін. Аналогова і цифрова електроніка: Підручник для вузів / Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.І. Гуров; Під. ред. О.П. Глудкина. М.: Гаряча Лінія – Телеком, 1999. – 768 с.
3. Акимов Н.Н. і ін. Резистори, конденсатори, трансформатори, дроселі, комутаційні пристрої РЕА: Довідник / Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренок. Мн.: Білорусь, 2004. – 591 с.
4. Вікіпедія — вільна енциклопедя.
[1] Фотошаблон виготовляється фотографічним способом: він подібний до негатива, з якого роблять позитивні відбитки.
[2] Тут описана робота з так званим негативним фоторезистором. Позитивний фоторезист, навпаки, під впливом світла стає легко розчинним в спеціальних рідинах – проявниках. Для цього фотошаблон має бути позитивом, на якому розташуванню майбутніх вікон відповідають прозорі місця.
[3] Як видно із схеми, для успішної її роботи між виводами 1 та 11 потрібно додатково подключити конденсатор ємністю в 100 мкФ, який неможливо виготовити за описаною вище технологією.
[4] Так наприклад, основою калькулятора Б3-34 є кристал розміром 5х5 мм, на якому розміщена ВІС, що складається з 2100 транзисторів.
[5] До речі, слід зауважити, що і в планарній технології методи плівкової технології застосовуються для виготовлення контактних площинок, з’єднувальних провідників та затворів у МОН-транзисторах, а також у так званій епітаксіальній технології, про яку мова йтиме далі.
Похожие работы
... . Варять не більше 20 хв. М'ясний порошок — однорідна маса, отримана подрібненням сухого м'яса, колір світло-коричневий. Варять не більше 5 хв. Волога в порошку не більше 10%, упаковка герметична. ЛЕКЦІЯ ПО ТОВАРОЗНАВСТВУ РИБИ 1.Характеристика сімейств риб Промислові риби класифікують по декількох ознаках. По способу і місцю життя риби ділять на морських, прісноводих, напівпрохідні і прох ...
... . Зв’язок контекстно-вільної граматики із автоматом з магазинною пам’яттю. 4. Вхідні і вихідні мови САПР Вимоги до вхідних і вихідних мов САПР. Їх особливості. Ознайомлення із системою автоматизованого проектування на прикладі САПР. IV. Методи синтезу та оптимізації 1. Основні поняття, визначення, постановка та розв’язок найпростіших оптимізаційних задач Основні відомості про об'єкт ...
... вам найбільше? - То чи сподобався вам сьогоднішній урок і чим? Вже дзвінок нам дав сигнал, Для перерви час настав, Тож не буду вас тримати, Біжіть швидше відпочивати. VI. Домашнє завдання. Урок № 2 Тема. Обчислювальні прилади. Мета. Донести до дітей інформацію, як появились перші обчислювальні прилади, зокрема машина «Паскаліна», хто її створив; навчити грати гру лабіринт, а також ...
... також унікальні історичні утворення, обмежені просторово-часовими рамками, що відрізняються характером свого відношення до світу природи, суспільства, самої людини. У руслі культурологічного підходу цивілізація розглядається як соціально-культурне утворення, основу якого складає унікальна однорідна культура, що є свого роду «перетином» культури і суспільства. Спроби зрозуміти відношення поняття « ...
0 комментариев