Размещено на http://www.allbest.ru/

Минобрнауки России

Федеральное государственное унитарное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)"

(СПбГЭТУ "ЛЭТИ")

Кафедра философии

Реферат

на тему: "История развития интегральной электроники"

Аспирант ОАО "НПП ЅРадар ММСЅ"

Попова А.Б.

Научный руководитель:

д. т. н., проф. Балашов В.М.

Санкт-Петербург 2015

Содержание

• Введение
• Глава 1. Основные направления развития микроэлектроники
• 1.1 Электроника и виды электроники
• 1.2 Развитие микроэлектронки
• Глава 2. Эволюция интегральной электроники
• 2.1 Интегральные схемы и этапы развития интегральной электроники
• 2.2 Роль тонкопленочной технологии в развитии интегральной электроники
• Заключение
• Литература

Введение

Зарождение и развитие микроэлектроники как нового научно-технического направления, обеспечивающего создание сложной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), непосредственно связаны с кризисной ситуацией, возникшей в начале 60-х годов, когда традиционные методы изготовления РЭА из дискретных элементов путем их последовательной сборки не могли обеспечить требуемую надежность, экономичность, энергоемкость время изготовления и приемлемые габариты РЭА.

Несмотря на малый срок своего существования, взаимосвязь микроэлектроники с другими областями науки и техники обеспечила необычайно высокие темпы развития этой отрасли и существенно сократила время для промышленной реализации новых идей. Этому способствовало также возникновение своеобразных обратных связей между разработкой интегральных схем, являющихся базой автоматизации производства и управления, и использованием этих разработок для автоматизации самого процесса проектирования, производства и испытаний интегральных схем.

Развитие микроэлектроники внесло коренные изменения в принципы конструирования РЭА и привело к использованию комплексной интеграции, которая состоит из: структурной или схемной интеграции (т. е. интеграции схемных функций в пределах единой структурной единицы); при степени интеграции порядка сотен и тысяч компонентов существующие приемы подразделения систем на компоненты, приборы, субсистемы и блоки, а также формы координации разработок компонентов, приборов и субсистем становятся уже малоэффективными; при этом центр тяжести перемещается в область схемотехники, что требует коренной перестройки способов реализации электронных систем с построением аппаратуры на супермодульном уровне.

Глава 1. Основные направления развития микроэлектроники

1.1 Электроника и виды электроники

Электроника - это наука, изучающая явления взаимодействия электронов и других заряженных частиц с электрическими, магнитными и электромагнитными полями, что является физической основой работы электронных приборов и устройств (вакуумных, газозарядных, полупроводниковых и других), используемых для передачи, обработки и хранения информации.

Охватывая широкий круг научно-технических и производственных проблем, электроника опирается на достижения в различных областях знаний. При этом, с одной стороны, электроника ставит перед другими науками и производством новые задачи, стимулируя их дальнейшее развитие, и с другой - снабжает их качественно новыми техническими средствами и методами исследований.

Основными направлениями развития электроники являются: вакуумная, твердотельная и квантовая электроника.

Вакуумная электроника - это раздел электроники, включающий исследования взаимодействия потоков свободных электронов с электрическими и магнитными полями в вакууме, а также методы создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется. К важнейшим направлениям исследования в области вакуумной электроники относятся: электронная эмиссия (в частности, термо- и фотоэлектронная эмиссия); формирование потока электронов и / или ионов и управления этими потоками; формирование электромагнитных полей с помощью устройств ввода и вывода энергии; физика и техника высокого вакуума и др.

Основные направления развития вакуумной электроники связаны с созданием электровакуумных приборов следующих видов: электронных ламп (диодов, триодов, тетродов и т.д.); электро-вакуумных приборов сверхвысокой частоты (например, магнетронов, клистронов, ламп бегущей и обратной волны); электроннолучевых и фотоэлектронных приборов (например, кинескопов, видиконов, электронно-оптических преобразователей, фотоэлектронных умножителей); газоразрядных приборов (например, тиратронов, газозарядных индикаторов).

Твердотельная электроника решает задачи, связанные с изучением свойств твердотельных материалов (полупроводниковых, диэлектрических, магнитных и др.), влиянием на эти свойства примесей и особенностей структуры материала; изучением свойств поверхностей и границ раздела между слоями различных материалов; созданием в кристалле различными методами областей с раз-личными типами проводимости; созданием гетеропереходов и монокристаллических структур; созданием функциональных устройств микронных и субмикронных размеров, а также способов измерения их параметров.

Основными направлениями твердотельной электроники являются: полупроводниковая электроника, связанная с разработкой различных видов полупроводниковых приборов, и микроэлектроника, связанная с разработкой интегральных схем.

Квантовая электроника охватывает широкий круг вопросов, связанных с разработкой методов и средств усиления и генерации электромагнитных колебаний на основе эффекта вынужденного излучения атомов и молекул. Основные направления квантовой электроники: создание оптических квантовых генераторов (лазеров), квантовых усилителей, молекулярных генераторов и др.

Особенности приборов квантовой электроники следующие: высокая стабильность частоты колебаний, низкий уровень собственных шумов, большая мощность в импульсе излучения - которые позволяют использовать их для создания высокоточных дальномеров, квантовых стандартов частоты, квантовых гироскопов, систем оптической многоканальной связи, дальней космической связи, медицинской аппаратуры, лазерной звукозаписи и воспроизведения и др. Созданы даже миниатюрные лазерные указки для минимального сопровождения.

1.2 Развитие микроэлектронки

Микроэлектроника - это комплексная область знаний, объектом изучения и разработки которой являются функционально сложные ИС, их структура, технология, диагностика, надежность и эксплуатация. Микроэлектронные устройства целенаправленно воздействуют на электромагнитные процессы в твердом теле, что позволяет с высокой скоростью обрабатывать и длительно хранить информацию в достаточно малых объемах твердого тела.

Микроэлектроника формировалась на основе комплексного научного поиска и достижений инженерной практики соответственно требованиям научно-технического прогресса. Понятия и методы МЭ, возникшие и развивающиеся более 30 лет, широко используются в информатике, вычислительной технике, автоматике, физике твердого тела. Микроэлектроника стремительно прогрессирует в своем развитии и практическом использовании результатов и из узкоспециального направления превратилась в общефизическое.

Находясь как бы в пограничной области физики твердого тела, химии, электродинамики, радиофизики она приобрела свой обширный теоретический фундамент.

Как научное направление с определенным техническим воплощением. МЭ основана на идеях функциональной интеграции микроприборов на кристалле, планарной технологии интегрированных на шайбе кристаллов, групповой обработки материала шайбы и функционального контроля БИС ЗУ.

Функциональный контроль основан на синтезе идей, отражающих взаимосвязь физико-химических и электромагнитных процессов, происходящих в микроприборах, и функциональном (целенаправленном) преобразовании информационных сигналов.

Вследствие комплексного подхода функциональный контроль объединяет ряд научных направлений, создает технологические средства инженерной реализации, диагностики БИС и позволяет определить их надежность. Для понимания предпосылок появления функционального диагностического контроля БИС и его отличительных особенностей необходимо проследить переход от дискретной электроники (ДЭ) к микроэлектронике (МЭ), а также установить различие объектов контроля и диагностики.

До середины 1950-х гг. основным направлением развития электронной техники (ЭТ) была специализация ее элементной базы, включающая усовершенствование конструкции, миниатюризацию и улучшение параметров дискретных, электронных компонентов (активных и пассивных) электронной аппаратуры (ЭА). К ним относятся вакуумные приборы (лампы), сопротивления, конденсаторы, катушки индуктивности, панели, разъемы и др. Каждый из электронных компонентов (ЭК) изготовлялся самостоятельно и не был конструктивно и тем более функционально связан с другим.

Отсюда и название - дискретные элементы ЭА.

Указанный метод конструирования и производства ЭА имеет свои достоинства. К ним прежде всего относятся:

возможность индивидуального контроля каждого ЭК;

несложная процедура измерений и оценки годности ЭК с использованием элементарной контрольно-измерительной аппаратуры (КИА);

удобная настройка, позволяющая достичь требуемых электрических характеристик электронных блоков и в целом ЭА;

простота обнаружения и локализации дефектов как при настройке электронных блоков, так и в случае отказа ЭА в

процессе эксплуатации;

ремонтопригодность ЭА (доступность любого ЭК, возможность его замены в ЭА)

Все это способствует снижению брака готовой продукции и техническому контролю электронных компонентов и самой аппаратуры.

В начале 1950-х гг. появились первые ЭВМ общего назначения. В них также использовались вакуумные лампы для создания узлов, предназначенных для вычислений, управления, обработки и хранения информации. Эти ЭВМ были громоздки, неподвижны, выделяли большое количество тепловой энергии, что вызывало необходимость принудительного охлаждения. Они занимали большие залы и требовали постоянною обслуживания. Надежность эксплуатации ЭВМ была низкая, а стоимость производства - высокая.

Для хранения программ управления и вычислений емкость запоминающих устройств (ЗУ) непрерывно увеличивалась. Ускоренное же развитие науки, аэрокосмической и военной техники привело к возникновению серьезных проблем не только в изучении и управлении быстро протекающими процессами, но и в обработке информации больших объемов в короткие промежутки времени.

Технические результаты исследований в области физики к химии твердого тела, а также получения химически чистых полупроводников и ферромагнетиков, синтеза тонких слоев металлов II диэлектриков получили конкретное практическое применение. В конце 1950-х п. начали применять твердотельные ЭК - транзисторы (Тр) и диоды (Д) - дискретные навесные элементы, что позволило заметно снизить габариты, а также энергопотребление ЭВМ и, следовательно, уменьшить тепловыделение и повысить надежность.

Дискретные активные (Д, Тр), а также массивные (R, С, L) элементы продолжали совершенствоваться: уменьшались их размеры и энергопотребление, улучшался контроль, возрастала безотказность ЭК. Это позволило изменить и размеры функционально завершенных устройств - микромодулей, получивших вид этажерочной или плоской конструкции, в которой дискретные элементы соединяются посредством пайки или сварки. Испытатели сосредоточили свое внимание на контроле сигналов и обеспечении надежности. Так, расширение функциональной сложности ЭА требовало применения большого числа ЭК н, следовательно, увеличения паек, что снижало надежность. Контрольно-измерительная аппаратура не была автоматизирована, и полому контроль каждого ЭК для ЭА занимал много времени, что, в свою очередь, влияло на стоимость аппаратуры.

Быстро развивающиеся ветвью направления техники хранения и высокоскоростной обработки информации требовали обеспечения высокой надежности и длительной безотказной работы ЭА, эксплуатируемой в условиях различных внешних воздействий. При этом диапазон изменений воздействующих факторов весьма широк (он может включать и условия эксплуатации). Возникла необходимость создания РЭА, соответствующей требованиям технического прогресса. К ним относятся:

повышение функциональной сложности аппаратуры для решения задач управления процессами;

увеличение быстродействия при вычислениях и управлении процессами;

снижение массогабаритных характеристик аппаратуры;

уменьшение энергопотребления в процессе функционирования;

возрастание надежности;

понижение стоимости аппаратуры.

Новые характеристики ЭА могли быть реализованы только при существенной миниатюризации компонентов ЭА и исключении применения пайки. Производство малогабаритной ЭА, основанной на дискретных элементах, встретило принципиальные, непреодолимые технологические препятствия.

Следующий недостаток связан со сборочными операциями ЭА и дискретных элементов. Этот трудоемкий процесс не поддавался автоматизации, и стоимость ЭА оставалась высокой.

К недостаткам относится и множество внешних контактов на плате, т.е. незначительное число функций на один контакт.

К ограничивающим факторам такого принципа конструирования относится также большая протяженность коммутирующих цепей схемы, снижающая быстродействие и помехозащищенность ЭА.

Таким образом, дальнейшее совершенствование ЭА на дискретной элементной базе ограничивалось технологическими методами изготовления и контроля ЭК, а не причинами физического характера.

Рассмотренные ограничения принципа конструирования ЭА на дискретных элементах обнаружились при создании малогабаритных высоконадежных бортовых ЭВМ, быстродействие которых соизмеримо со скоростью протекания процессов в данных приборах (работающих в реальном масштабе времени). Это подтвердило необходимость совершенствования ЭА и повышения ее надежности как центральную проблему электронной техники. Была определена цель - микроминиатюризация в результате функциональной интеграции компонентов электронных схем на твердотельной основе, т.е. создание интегральных схем (ИС) путем интеграции ЭК. Для технического воплощения идеи микроминиатюризации ЭА на основе функциональной интеграции пассивных и активных ЭК требовались новые материалы и аппаратура, иные технологические принципы их реализации и контроля. Все однотипные компоненты ИС следует изготавливать одновременно в едином технологическом цикле, используя групповой метод обработки материалов, осуществляя контроль автоматически, на функциональном принципе. Это направление РЭ получило название микроэлектроники. Таким образом, основу микроэлектроники составляют следующие принципы:

ЭА создается на базе ИС с конструктивной и функциональной интеграцией микроприборов - ЭК;

физические процессы в микроприборах протекают в микрообъемах, в тонких слоистых структурах;

одновременное изготовление однотипных элементов конструкции микроприборов ИС с использованием планарной технологии и групповой обработки материала;

функциональный контроль ИС и тестовых схем.

Появлению первых микроэлектронных устройств - ИС предшествовали фундаментальные исследования и технические разработки в области физики твердого тела, химии и радиоэлектроники.

Глава 2. Эволюция интегральной электроники

2.1 Интегральные схемы и этапы развития интегральной электроники

Интегральная микросхема (ИС) - это микроэлектронное изделие, выполняющая функции преобразования и обработки сигналов, которое характеризуется плотной упаковкой элементов так, чтобы все связи и соединения между элементами представляли единое целое.

Составной частью ИС являются элементы, которые выполняют роль электрорадиоэлементов (транзисторов, резисторов и др.) и не могут быть выделены как самостоятельные изделия. При этом активными называют элементы ИМС, выполняющие функции усиления или другого преобразования сигналов (диоды, транзисторы и др.), а пассивными - элементы, реализующие линейную передаточную функцию (резисторы, конденсаторы, индуктивности).

Классификация интегральных микросхем:

По способу изготовления:

Пленочные: - тонкопленочные (толщина <10-6 м). - толстопленочные (толщина > 10-6 м).	гибридные: - тонкопленочные. - толстопленочные.	совмещенные	полупроводниковые: - монолитные - многокристальные. - на сапфировой подложке.

По степени интеграции.

Степень интеграции ИС является показателем сложности, характеризуемым числом содержащихся в ней элементов и компонентов. Степень интеграции определяется формулой

k=lg(N),

где k - коэффициент, определяющий степень интеграции, округляемый до ближайшего большего целого числа, а N - число элементов и компонентов, входящих в ИС.

Для количественной характеристики степени интеграции часто используют такие термины: если k ? 1, ИС называют простой ИС, если 1 < k ? 2 - средней ИС (СИС), если 2 < k ? 4 - большой ИС (БИС), если k ?4 - сверхбольшой ИС (СБИС).

Кроме степени интеграции используют еще такой показатель, как плотность упаковки элементов - количество элементов (чаще всего транзисторов) на единицу площади кристалла. Этот показатель характеризует главным образом уровень технологии, в настоящее время он составляет более 1000 элементов/мм².

Пленочные интегральные схемы - это интегральные схемы, элементы которых нанесены на поверхность диэлектрического основания в виде пленки. Их особенность - в чистом виде не существуют. Служат только для изготовления пассивных элементов - резисторов, конденсаторов, проводников, индуктивностей.

Рис. 1. Структура пленочной гибридной ИС: 1, 2 - нижний и верхний обкладки конденсатора, З - слой диэлектрика, 4 - проволочная соединительная шина, 5 - навесной транзистор, 6 - пленочный резистор, 7 - контактный вывод, 8 - диэлектрическая подложка

Гибридные ИС - это тонкопленочные микросхемы, состоящие из пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, контактных площадок) и дискретных активных элементов (диодов, транзисторов). Гибридная ИС, показанная на рис. 1, представляет собой диэлектрическую подложку с нанесенными на нее пленочными конденсаторами и резисторами и присоединенным навесным транзистором, база которого соединена с верхней обкладкой конденсатора шиной в виде очень тонкой проволочки.

В полупроводниковых ИС все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности кристалла полупроводника. Полупроводниковые ИС представляют собой плоский кристалл полупроводника (подложка), в поверхностном слое которого различными технологическими приемами сформированы эквивалентные элементам электрической схемы локальные области (диоды, транзисторы, конденсаторы, резисторы и др.), объединенные по поверхности пленочными металлическими соединениями (межсоединениями).

В качестве подложек полупроводниковых ИС служат круглые пластины кремния, германия или арсенида галлия, имеющие диаметр 60 - 150 мм и толщину 0,2 - 0,4 мм.

Полупроводниковая подложка является групповой заготовкой (рис. 2), на которой одновременно изготовляют большое количество ИС.

Рис. 2. Групповая кремниевая пластина: 1 - базовый срез, 2 - отдельные кристаллы (чипы)

После завершения основных технологических операций ее разрезают на части - кристаллы 2, называемые также чипами. Размеры сторон кристаллов могут быть от З до 10 мм. Базовый срез 1 пластины служит для ее ориентации при различных технологических процессах.

Структуры элементов полупроводниковой ИС - транзистора, диода, резистора и конденсатора, изготовляемых соответствующим легированием локальных участков полупроводника методами планарной технологии, показаны на рис. 3, а-г. Планарная технология характеризуется тем, что все выводы элементов ИС располагаются в одной плоскости на поверхности и одновременно соединяются в электрическую схему тонкопленочными межсоединениями. При планарной технологии проводится групповая обработка, т. е. в течение одного технологического процесса на подложках получают большое количество ИС, что обеспечивает высокие технологичность и экономичность, а также позволяет автоматизировать производство.

Рис. 3. Структуры элементов полупроводниковой ИС: а - транзистора, б - диода, в - резистора, г - конденсатора, 1 - тонкопленочный контакт, 2 - слой диэлектрика, З - эмиттер; 4 - база, 5 - коллектор, 6 - катод, 7 - анод, 8 - изолирующий слой; 9 - резистивный слой, 10 - изолирующий слой, 11 - пластина, 12, 14 - верхний и нижний электроды конденсатора, 13 - слой диэлектрика

В совмещенных ИС (рис. 4), являющихся вариантом полупроводниковых, на кремниевой подложке создают полупроводниковые и тонкопленочные элементы. достоинство этих схем состоит в том, что в твердом теле технологически трудно изготовлять резисторы заданного сопротивления, так как оно зависит не только от толщины легированного слоя полупроводника, но и от распределения удельного сопротивления по толщине. Доводка сопротивления до номинального значения после изготовления резистора также представляет значительные трудности. Полупроводниковые резисторы обладают заметной температурной зависимостью, что осложняет разработку ИС.

Рис. 4. Структура совмещенной ИС: 1 - пленка диоксида кремния, 2 - диод, З - пленочные внутрисхемные соединения, 4 - тонкопленочный резистор, 5, 6, 7 - верхний и нижний электроды тонкопленочного конденсатора и диэлектрик, 8 - тонкопленочные контакты, 9 - транзистор, 10 - кремниевая пластина.

Кроме того, в твердом теле также весьма трудно создавать конденсаторы. Для расширения номинальных значений сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов полупроводниковых ИС, а также улучшения их рабочих характеристик разработана основанная на технологии тонких пленок комбинированная технология, называемая технологией совмещенных схем. В этом случае активные элементы ИС (можно и некоторые некритичные по номинальному сопротивлению резисторы) изготовляют в теле кремниевого кристалла диффузионным методом, а затем вакуумным нанесением пленок (как в пленочных ИС) формируют пассивные элементы - резисторы, конденсаторы и межсоединения.

Элементная база электроники развивается непрерывно возрастающими темпами. Каждое поколений, появившись в определенный момент времени, продолжает совершенствоваться в наиболее оправданных направлениях. Развитие изделий электроники от поколения к поколению идет в направлении их функционального усложнения, повышения надежности и срока службы, уменьшения габаритных размеров, массы, стоимости и потребляемой энергии, упрощения технологии и улучшения параметров электронной аппаратуры.

Становление микроэлектроники как самостоятельной науки стало возможным благодаря использованию богатого опыта и базы промышленности, выпускающей дискретные полупроводниковые приборы. Однако по мере развития полупроводниковой электроники выяснились серьезные ограничения применения электронных явлений и систем на их основе. Поэтому микроэлектроника про-должает продвигаться быстрыми темпами как в направлении совершенствования полупроводниковой интегральной технологии, так и в направлении использования новых физических явлений. радиоэлектронный интегральный микросхема

Изделия микроэлектроники: интегральные микросхемы различной степеней интеграции, микросборки, микропроцессоры, мини- и микро-ЭВМ - позволили осуществить проектирование и промышленное производство функционально сложной радио- и вычислительной аппаратуры, отличающейся от аппаратуры предыдущих поколений лучшими параметрами, более высокими надежностью и сроком службы, меньшими потребляемой энергией и стоимостью. Аппаратура на базе изделий микроэлектроники находит широкое применение во всех сферах деятельности человека.

Созданию систем автоматического проектирования, промышленных роботов, автоматизированных и автоматических производственных линий, средств связи и многому другому способствует микроэлектроника.

Первый этап

К первому этапу относится изобретение в 1809 году русским инженером Ладыгиным лампы накаливания.

Открытие в 1874 году немецким ученым Брауном выпрямительного эффекта в контакте металл-полупроводник. Использование этого эффекта русским изобретателем Поповым для детектирования радиосигнала позволило создать ему первый радиоприемник. Датой изобретения радио принято считать 7 мая 1895 г. когда Попов выступил с докладом и демонстрацией на заседании физического отделения русского физико-химического общества в Петербурге. В разных странах велись разработки и исследования различных типов простых и надежных обнаружителей высокочастотных колебаний - детекторов.

Второй этап

Второй этап развития электроники начался с 1904 г. когда английский ученый Флеминг сконструировал электровакуумный диод. За ним последовало изобретение первой усилительной лампы - триода в 1907 году.

1913 - 1919 годы - период резкого развития электронной техники. В 1913 г. немецкий инженер Мейснер разработал схему лампового регенеративного приемника и с помощью триода получил незатухающие гармонические колебания.

В России первые радиолампы были изготовлены в 1914 году в Санкт-Петербурге консультантом русского общества беспроволочного телеграфирования Николаем Дмитриевичем Папалекси, будущим академиком АН СССР.

Третий этап

Третий период развития электроники - это период создания и внедрения дискретных полупроводниковых приборов, начавшийся с изобретения точечного транзистора. В 1946 году при лаборатории "Белл Телефон" была создана группа во главе с Уильямом Шокли, проводившая исследования свойств полупроводников на Кремнии и Германии. Группа проводила как теоретические, так и экспериментальные исследования физических процессов на границе раздела двух полупроводников с различными типами электрической проводимости. В итоге были изобретены: трехэлектродные полупроводниковые приборы - транзисторы. В зависимости от количества носителей заряда транзисторы были разделены на:

- униполярные (полевые), где использовались однополярные носители.

- биполярные, где использовались разнополярные носители (электроны и дырки).

Изобретение транзисторов явилось знаменательной вехой в истории развития электроники и поэтому его авторы Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли были удостоины нобелевской премии по физике за 1956 г.

Появление микроэлектроники

С появлением биполярных полевых транзисторов начали воплощаться идеи разработки малогабаритных ЭВМ. На их основе стали создавать бортовые электронные системы для авиационной и космической техники. Так как эти устройства содержали тысячи отдельных электрорадиоэлементов и постоянно требовалось все большее и большее их увеличение, появились и технические трудности. С увеличением числа элементов электронных систем практически не удавалось обеспечить их работоспособность сразу же после сборки, и обеспечить, в дальнейшем, надежность функционирования систем. Проблема качества монтажно-сборочных работ стало основной проблемой изготовителей при обеспечении работоспособности и надежности радиоэлектронных устройств. Решение проблемы межсоединений и явилось предпосылкой к появлению микроэлектроники. Прообразом будущих микросхем послужила печатная плата, в которой все одиночные проводники объединены в единое целое и изготавливаются одновременно групповым методом путем стравливания медной фольги с плоскостью фольгированного диэлектрика. Единственным видом интеграции в этом случае являются проводники. Применение печатных плат хотя и не решает проблемы миниатюризации, однако решает проблему повышения надежности межсоединений. Технология изготовления печатных плат не дает возможности изготовить одновременно другие пассивные элементы кроме проводников. Именно поэтому печатные платы не превратились в интегральные микросхемы в современном понимании. Первыми были разработаны в конце 40х годов толстопленочные гибридные схемы, в основу их изготовления была положена уже отработанная технология изготовления керамических конденсаторов, использующая метод нанесения на керамическую подложку через трафареты паст, содержащих порошок серебра и стекла.

Тонкопленочная технология производства интегральных микросхем включает в себя нанесение в вакууме на гладкую поверхность диэлектрических подложек тонких пленок различных материалов (проводящих, диэлектрических, резистивных).

Четвертый этап

В 1960 году Роберт Нойс из фирмы Fairchild предложил и запатентовал идею монолитной интегральной схемы и, применив планарную технологию изготовил первые кремниевые монолитные интегральные схемы.

Семейство монолитных транзисторно-транзисторных логических элементов с четырьмя и более биполярными транзисторами на одном кристалле кремния было выпущено фирмой Fairchild уже в феврале 1960 года и получило название "микрологика". Планарная технология Хорни и монолитная технология Нойса заложили в 1960 году фундамент развития интегральных микросхем, сначала на биполярных транзисторах, а затем 1965-85 гг. на полевых транзисторах и комбинациях тех и других.

Два директивных решения принятых в 1961-1962 гг. повлияли на развитие производства кремниевых транзисторов и ИС. Решение фирмы IBM (Нью-Йорк) по разработке для перспективной ЭВМ не ферромагнитных запоминающих устройств, а электронных ЗУ (запоминающих устройств) на базе n-канальных полевых транзисторов (металл-окисел-полупроводник - МОП). Результатом успешного выполнения этого плана был выпуск в 1973г. универсальной ЭВМ с МОП ЗУ - IBM- 370/158. Директивные решения фирмы Fairchild предусматривающие расширение работ в полупроводниковой научно-исследовательской лаборатории по исследованию кремниевых приборов и материалов для них.

Тем временем в июле 1968 г. Гордон Мур и Роберт Нойс уходят из отделения полупроводников фирмы Fairchild и 28 июня 1968 года организуют крохотную фирму Intel из двенадцати человек, которые арендуют комнатку в Калифорнийском городе Маунтин Вью. Задача, которую поставили перед собой Мур, Нойс и примкнувший к ним специалист по химической технологии - Эндрю Гроув, использовать огромный потенциал интеграции большого числа электронных компонентов на одном полупроводниковом кристалле для создания новых видов электронных приборов.

В 1997 году Эндрю Гроув стал "человеком года", а возглавляемая им компания Intel, ставшая одной из ведущих в силиконовой долине в Калифорнии, стала производить микропроцессоры для 90% всех персональных компьютеров планеты. Появление интегральных микросхем сыграла решающую роль в развитие электроники положив начало новому этапу микроэлектроники. Микроэлектронику четвертого периода называют схематической, потому что в составе основных базовых элементов можно выделить элементы эквивалентные дискретным электро-радиоэлементам и каждой интегральной микросхеме соответствует определенная принципиальная электрическая схема, как и для электронных узлов аппаратуры предыдущих поколений.

Интегральные микросхемы стали называться микроэлектронные устройства, рассматриваемые как единое изделие, имеющее высокую плотность расположения элементов эквивалентных элементам обычной схемы. Усложнение, выполняемых микросхемами функций, достигается повышением степени интеграции.

Настоящее электроники

В настоящее время микроэлектроника переходит на качественно новый уровень - наноэлектронику.

Наноэлектроника в первую очередь базируется на результатах фундаментальных исследований атомных процессов в полупроводниковых структурах пониженной размерности. Квантовые точки, или нульмерные системы, представляют собой предельный случай систем с пониженной размерностью, которые состоят из массива атомных кластеров или островков нанометровых размеров в полупроводниковой матрице, проявляющих самоорганизацию в эпитаксиальных гетероструктурах.

Одним из возможных работ связанных с наноэлеткроникой является работы по созданию материалов и элементов ИК-техники. Они востребованы предприятиями отрасли и являются основой для создания в ближайшем будущем систем "искусственного" (технического) зрения с расширенным, по сравнению с биологическим зрением, спектральным диапазоном в ультрафиолетовой и инфра-красной областях спектра. Системы технического зрения и фотонные компоненты на наноструктурах, способные получать и обрабатывать огромные массивы информации, станут основой принципиально новых телекоммуникационных устройств, систем экологического и космического мониторинга, тепловидения, нанодиагностики, робототехники, высокоточного оружия, средств борьбы с терроризмом и т.д. Применение полупроводниковых наноструктур значительно уменьшит габариты устройств наблюдения и регистрации, уменьшит энергопотребление, улучшит стоимостные характеристики и позволит использовать преимущества массового производства в микро- и наноэлектронике ближайшего будущего.

2.2 Роль тонкопленочной технологии в развитии интегральной электроники

Тонкопленочное направление интегральной электроники основано на последовательном наращивании пленок различных материалов на общем основании (подложке) с одновременным формированием из этих пленок микро деталей (резисторов, конденсаторов, контактных площадок и др.) и внутрисхемных соединений.

Сравнительно недавно полупроводниковые (твердые) и тонкопленочные гибридные ИС рассматривались как конкурирующие направления в развитии интегральной электроники. В последние годы стало очевидно, что эти два направления отнюдь не исключают, а скорее, наоборот, взаимно дополняют и обогащают друг друга. Более того, до сегодняшнего дня не созданы (да, видимо, в этом и нет необходимости) интегральные схемы, использующие какой-либо один вид технологии. Даже монолитные кремниевые схемы, изготавливаемые в основном по полупроводниковой технологии, одновременно применяют такие методы, как вакуумное осаждение пленок алюминия и других металлов для получения внутрисхемных соединений, т.е. методы, на которых основана тонкопленочная технология.

Большим достоинством тонкопленочной технологии является ее гибкость, выражающаяся в возможности выбора материалов с оптимальными параметрами и характеристиками и в получении по сути дела любой требуемой конфигурации и параметров пассивных элементов. При этом допуски, с которыми выдерживаются отдельные параметры элементов, могут быть доведены до 1-2%. Это достоинство особенно эффективно проявляется в тех случаях, когда точное значение номиналов и стабильность параметров пассивных компонентов имеют решающее значение (например, при изготовлении линейных схем, резистивных и резистивно-емкостных схем, некоторых видов фильтров, фазочувствительных и избирательных схем, генераторов и т. п.).

В связи с непрерывным развитием и совершенствованием как полупроводниковой, так и тонкопленочной технологии, а также ввиду все большего усложнения ИС, что выражается в увеличении числа компонентов и усложнении выполняемых ими функций, следует ожидать, что в ближайшем будущем будет происходить процесс интеграции технологических методов и приемов и большинство сложных ИС будут изготовляться на основе совмещенной технологии. При этом можно получить такие параметры и такую надежность ИС, которых нельзя достигнуть при использовании каждого вида технологии в отдельности. Например, при изготовлении полупроводниковой ИС все элементы (пассивные и активные) выполняются в одном технологическом процессе, поэтому параметры элементов оказываются взаимосвязанными. Определяющими являются активные элементы, так как обычно в качестве конденсатора используется переход база - коллектор транзистора, а в качестве резистора - диффузионная область, получающаяся при создании базы транзистора. Нельзя оптимизировать параметры одного элемента, не изменив одновременно характеристики других. При заданных характеристиках активных элементов изменять номиналы пассивных элементов можно лишь изменением их размеров.

При использовании совмещенной технологии активные элементы изготовляются чаще всего методами планарной технологии в пластине кремния, а пассивные годами тонкопленочной технологии на окисленной поэлементны (резисторы, а иногда и конденсаторы) - поверхности той же самой кремниевой пластины. Однако процессы изготовления активной и пассивной частей ИС разнесены по времени. Поэтому характеристики пассивных элементов в значительной мере независимы и определяются выбором материала, толщиной пленок и их геометрией. Поскольку транзисторы совмещенной ИС находятся внутри подложки, размеры такой схемы могут быть значительно уменьшены по сравнению с гибридными ИС, которые используют дискретные активные элементы, занимающие сравнительно много места на подложке.

Схемы, изготовленные по совмещенной технологии, имеют целый ряд несомненных достоинств. Так, например, при этом имеется возможность получения на малой площади резисторов с большой величиной и малым температурным коэффициентом сопротивления, имеющих очень узкую ширину и большое поверхностное сопротивление. Контроль скорости осаждения в процессе получения резисторов позволяет изготовить их с очень высокой точностью. Резисторам, полученным путем осаждения пленок, не свойственны токи утечки через подложку даже при высоких температурах, а сравнительно большая теплопроводность подложки препятствует возможности появления в схемах участков с повышенной температурой.

Заключение

Для современного этапа развития интегральной электроники характерны тенденции дальнейшего повышения рабочих частот и уменьшения времени переключения, увеличения надежности, снижения затрат на материалы и процесс изготовления ИС.

Снижение стоимости ИС требует разработки качественно новых принципов их изготовления с использованием процессов, в основе которых лежат близкие по характеру физико-химические явления, что, с одной стороны, является предпосылкой для последующей интеграции однородных технологических операций производственного цикла и, с другой стороны, открывает принципиальные возможности управления всеми операциями от ЭВМ. Необходимость качественных изменений в технологии и технического перевооружения отрасли диктуется также переходом к следующему этапу развития микроэлектроники - функциональной электронике, в основе которой лежат оптические, магнитные, поверхностные и плазменные явления, фазовые переходы, электронно-фононные взаимодействия, эффекты накопления и переноса заряда и др.

Критерием "прогрессивности" технологического процесса наряду с улучшением параметров и характеристик самого изделия является высокая экономическая эффективность, определяемая рядом частных, взаимосвязанных критериев, обеспечивающих возможность построения комплектов полностью автоматизированного высокопроизводительного оборудования с длительным сроком эксплуатации.

Наиболее важными частными критериями являются:

универсальность, т. е. возможность проведения всего (или подавляющего числа операций) производственного цикла с помощью одних и тех же технологических приемов;

непрерывность, являющаяся предпосылкой для последующей интеграции (объединения) целого ряда технологических операций производственного цикла, сочетаемая с возможностью использования одновременной групповой обработки значительного количества изделий или полуфабрикатов;

высокая скорость проведения всех основных операций технологического процесса или же возможность их интенсификации, например, в результате воздействия электрических и магнитных полей, лазерного излучения и др.;

воспроизводимость параметров на каждой операции и высокий процент выхода как полуфабрикатов, так и годных изделий;

технологичность конструкции изделия или полуфабриката, соответствующая требованиям автоматизированного производства (возможности автоматизированной загрузки, базирования, монтажа, сборки и др.), что должно найти свое отражение в простоте формы, а также ограниченности допусков на габаритные и базовые размеры;

формализация, т. е. возможность составления (на основе аналитических зависимостей параметров изделия от параметров технологического процесса) математического описания (алгоритма) каждой технологической операции и последующего управления всем технологическим процессом с помощью ЭВМ;

адаптивность (жизненность) процесса, т. е. способность длительного существования в условиях непрерывного появления и развития новых конкурентоспособных процессов и возможность быстрого перестраивания оборудования под изготовление новых видов изделий без существенных капитальных затрат.

Большинству из перечисленных критериев удовлетворяют процессы, использующие электронные и ионные явления, происходящие в вакууме и разреженных газах, с помощью которых можно производить:

ионное распыление металлов, сплавов, диэлектриков и полупроводников с целью получения пленок различной толщины и состава, межсоединений, емкостных структур, межслойной изоляции, межслойной разводки;

ионное травление металлов, сплавов, полупроводников и диэлектриков с целью удаления отдельных локализованных участков при получении конфигурации ИС;

плазменное анодирование с целью получения окисных пленок;

полимеризацию органических пленок в местах, облученных электронами, с целью получения органических изоляционных слоев;

очистку и полировку поверхности подложек;

выращивание монокристаллов;

испарение материалов (в том числе тугоплавких) и перекристаллизацию пленок;

микрофрезерование пленок;

микросварку и микропайку с целью подсоединения выводов ИС, а также герметизацию корпусов;

бесконтактные методы контроля параметров ИС.

Общность физико-химических явлений, на которых базируются перечисленные процессы показывает принципиальную возможность их последующей интеграции с целью создания новой технологической базы высокопроизводительного автоматизированного производства интегральных схем и приборов функциональной электроники.

Литература

1. Росардо Л. Физическая энергетика и микроэлектроника. - М.: Высшая школа, 1991.

2. Ферри Д., Эйкерс Л., Гринич Э. Электроника ультрабольших интегральных схем. - М.: Мир, 1991.

3. Броудай И., Мерей Дж. Физические основы микротехнологии. - М.:Мир,1985.

4. Херман М. Полупроводниковые сверхрешетки. - М.: Мир, 1989.

5. Лихарев К.К., Семенов В.К., Зорин А.Б. Новые возможности для сверхпроводниковой электроники. "Итоги науки и техники", сер. "Сверхпроводимость". - М.: 1989.

6. Беккер Я.М., Гуревич А.С. Новый изоляционный материал и его применение в кабелях связи. - Лен. Промышленность, 1958, №5-6, с.89.

7. Буа Д., Розеншер Э. Физические границы возможного в микроэлек-тронике. "Физика зарубежом", сер. А. - М.: Мир, 1991.

8. 3ентуит Э. Физика поверхности. - М.: Мир, 1990.

9. Беккер Я.М., Берг И.В. Изготовление миниатюрных интегральных элементов памяти с помощью излучения ОКГ/Сб. "Использование оптических квантовых генераторов в приборостроении". - ЛДНТП,1967, с.10.

10. Семенов Ю.Г., Контроль качества. - М.: Высшая школа, 1990.

11. Ефимов И.Е., Кальман И.Г., Мартынов Е.И. Надежность твердых интегральных схем. - М: Изд-во стандартов, 1979.

12. Чирихин С.Н. Средства автоматизации приборостроения диагностических знаний в экспертных системах. - "Зарубежная радиоэлектроника", 1991, №8, с.7.

13. Беккер Я.М. Молекулярная электроника Учеб.пособие. - ЛИТМО, 1990.

14. Марголин В.И., Жарбеев В.А., Тупик В.А. Физические основы микроэлектроники из-во: Академия, 2008 - 400 с.

15. Беккер Я.М., Ткалич В.Л. Диагностика, контроль и прогнозирование надежности БИС ЗУ, СПб, СПб ГУ ИТМО, 2005 г.

16. Нанотехнологии в электронике. Под редакцией Чаплытина Ю.А. - М.: Техносфера, 2005 - 448 с.

Размещено на Allbest.ru

...