Контакты
Главная / Операционные системы

Первая интегральная микросхема. Что такое интегральная микросхема (ИМС)

Статьи, партнеры Разное

История изобретения интегральной схемы

Первая логическая схема на кристаллах кремния была изобретена 52 года назад и содержала только один транзистор. Один из основателей компании Fairchild Semiconductor Роберт Нойс в 1959 году изобрел устройство, которое затем стало называться интегральной схемой, микросхемой или микрочипом. А почти на полгода раньше похожее устройство придумал инженер из компании Texas Instruments Джэк Килби. Можно сказать, что эти люди стали изобретателями микросхемы.

Интегральной микросхемой называется система из конструктивно связанных элементов, соединенных между собой электрическими проводниками. Также под интегральной схемой понимают кристалл с электронной схемой. Если интегральная схема заключена в корпус, то это уже микросхема.

Первая действующая интегральная микросхема была представлена Килби 12 сентября 1958. В ней использовалась разработанная им концепция, базирующаяся на принципе изоляции компонентов схемы p-n-переходами, изобретенном Куртом Леховеком.

Внешний вид новинки был немного страшноват, но Килби и не предполагал, что показанное им устройство положит начало всем информационным технологиям, иначе, по его словам, он сделал бы этот прототип покрасивее.

Но в тот момент важна была не красота, а практичность. Все элементы электронной схемы – резисторы, транзисторы, конденсаторы и остальные, - были размещены на отдельных платах. Так было до тех пор, пока не возникла мысль сделать всю схему на одном монолитном кристалле полупроводникового материала.

Самая первая интегральная микросхема Килби представляла собой маленькую германиевую полоску 11х1,5 мм с одним транзистором, несколькими резисторами и конденсатором. Несмотря на свою примитивность, эта схема выполнила свою задачу – вывела синусоиду на экран осциллографа.

Шестого февраля 1959 года Джэк Килби подал заявку на регистрацию патента на новое устройство, описанное им как объект из полупроводникового материала с полностью интегрированными компонентами электронной схемы. Его вклад в изобретение микросхемы был отмечен вручением ему в 2000 году Нобелевской премии в области физики.

Идея Роберта Нойса смогла решить несколько практических проблем, не поддавшихся интеллекту Килби. Он предложил использовать для микросхем кремний, а не германий, предложенный Джэком Килби.

Патенты были получены изобретателями в одном и том же 1959 году. Начавшееся между TI и Fairchild Semiconductor соперничество завершилось мирным договором. На взаимовыгодных условиях они создали лицензию на изготовление чипов. Но в качестве материала для микросхем выбрали все же кремний.

Производство интегральных схем было запущено на Fairchild Semiconductor в 1961 году. Они сразу заняли свою нишу в электронной промышленности. Благодаря их применению в создании калькуляторов и компьютеров в качестве отдельных транзисторов, дало возможность сделать вычислительные устройства более компактными, повысив при этом их производительность, значительно упростив ремонт компьютеров .

Можно сказать, что с этого момента началась эпоха миниатюризации, продолжающаяся по сей день. При этом абсолютно точно соблюдается закон, который сформулировал коллега Нойса Гордон Мур. Он предсказал, что число транзисторов в интегральных схемах каждые 2 года будет удваиваться.

Покинув Fairchild Semiconductor в 1968 году, Мур и Нойс создали новую компанию – Intel. Но это уже совсем другая история...

Интегральная (микро)схема (ИС, ИМС, м/сх, англ. integrated circuit, IC, microcircuit), чип, микрочип (англ. microchip, silicon chip, chip - тонкая пластинка - первоначально термин относился к пластинке кристалла микросхемы) - микроэлектронное устройство - электронная схема произвольной сложности (кристалл), изготовленная на полупроводниковой подложке (пластине или пленке) и помещенная в неразборный корпус, или без такового, в случае вхождения в состав микросборки.

Микроэлектроника - наиболее значительное и, как считают многие, важнейшее научно-техническое достижение современности. Сравнить ее можно с такими поворотными событиями в истории техники, как изобретение книгопечатания в XVI веке, создание паровой машины в XVIII веке и развитие электротехники в XIX. И когда сегодня речь заходит о научно-технической революции, то в первую очередь имеется в виду именно микроэлектроника. Как ни одно другое техническое достижение наших дней, она пронизывает все сферы жизни и делает реальностью то, что еще вчера было просто невозможно себе представить. Чтобы убедиться в этом, достаточно вспомнить о карманных микрокалькуляторах, миниатюрных радиоприемниках, электронных управляющих устройствах в бытовых приборах, часах, компьютерах и программируемых ЭВМ. И это лишь небольшая часть области ее применения!

Своим возникновением и самим существованием микроэлектроника обязана созданию нового сверхминиатюрного электронного элемента - интегральной микросхемы. Появление этих схем, собственно, не было каким-то принципиально новым изобретением - оно прямо вытекало из логики развития полупроводниковых приборов. Поначалу, когда полупроводниковые элементы только входили в жизнь, каждый транзистор, резистор или диод использовался по отдельности, то есть заключался в свой индивидуальный корпус и включался в схему при помощи своих индивидуальных контактов. Так поступали даже в тех случаях, когда приходилось собирать множество однотипных схем из одних и тех же элементов.

Постепенно пришло понимание того, что подобные устройства рациональнее не собирать из отдельных элементов, а сразу изготавливать на одном общем кристалле, тем более что полупроводниковая электроника создавала для этого все предпосылки. В самом деле, все полупроводниковые элементы по своему устройству очень похожи друг на друга, имеют одинаковый принцип действия и различаются только взаиморасположением p-n областей.

Эти p-n области, как мы помним, создаются путем внесения однотипных примесей в поверхностный слой полупроводникового кристалла. Причем надежная и со всех точек зрения удовлетворительная работа подавляющего большинства полупроводниковых элементов обеспечивается при толщине поверхностного рабочего слоя в тысячные доли миллиметра. В самых миниатюрных транзисторах обычно используется только верхний слой полупроводникового кристалла, составляющий всего 1% его толщины. Остальные 99% выполняют роль носителя или подложки, так как без подложки транзистор просто мог разрушиться от малейшего прикосновения. Следовательно, используя технологию, применяемую для изготовления отдельных электронных компонентов, можно сразу создать на одном кристалле законченную схему из нескольких десятков, сотен и даже тысяч таких компонентов.

Выигрыш от этого будет огромный. Во-первых, сразу снизятся затраты (стоимость микросхемы обычно в сотни раз меньше, чем совокупная стоимость всех электронных элементов ее составляющих). Во-вторых, такое устройство будет гораздо надежнее (как показывает опыт, в тысячи и десятки тысяч раз), а это имеет колоссальное значение, поскольку поиск неисправности в схеме из десятков или сотен тысяч электронных компонентов превращается в чрезвычайно сложную проблему. В-третьих, из-за того, что все электронные элементы интегральной микросхемы в сотни и тысячи раз меньше своих аналогов в обычной сборной схеме, их энергопотребление намного меньше, а быстродействие - гораздо выше.

Ключевым событием, возвестившем приход интегрализации в электронику, явилось предложение американского инженера Дж. Килби из фирмы "Texas Instruments" получать эквивалентные элементы для всей схемы, такие как регистры, конденсаторы, транзисторы и диоды в монолитном куске чистого кремния. Первую интегральную полупроводниковую схему Килби создал летом 1958 года. А уже в 1961 году фирма "Fairchild Semiconductor Corporation" выпустила первые серийные микросхемы для ЭВМ: схему совпадений, полусдвигающий регистр и триггер. В том же году производство полупроводниковых интегральных логических схем освоила фирма "Texas".

В следующем году появились интегральные схемы других фирм. В короткое время в интегральном исполнении были созданы различные типы усилителей. В 1962 году фирма RCA разработала интегральные микросхемы матриц памяти для запоминающих устройств ЭВМ. Постепенно выпуск микросхем был налажен во всех странах - эра микроэлектроники началась.

Исходным материалом для интегральной микросхемы обычно служит необработанная пластина из чистого кремния. Она имеет сравнительно большие размеры, так как на ней одновременно изготавливают сразу несколько сотен однотипных микросхем. Первая операция состоит в том, что под воздействием кислорода при температуре 1000 градусов на поверхности этой пластины формируют слой двуокиси кремния. Оксид кремния отличается большой химической и механической стойкостью и обладает свойствами прекрасного диэлектрика, обеспечивающего надежную изоляцию расположенному под ним кремнию.

Следующий шаг - внесение примесей для создания зон p или n проводимости. Для этого оксидную пленку удаляют с тех мест пластины, которые соответствуют отдельным электронным компонентам. Выделение нужных участков происходит с помощью процесса, получившего название фотолитографии. Сначала весь слой оксида покрывают светочувствительным составом (фоторезистом), который играет роль фотографической пленки - его можно засвечивать и проявлять. После этого через специальный фотошаблон, содержащий рисунок поверхности полупроводникового кристалла, пластину освещают ультрафиолетовыми лучами.

Под воздействием света на слое оксида формируется плоский рисунок, причем незасвеченные участки остаются светлыми, а все остальные - затемненными. В том месте, где фоторезистор подвергся действию света, образуются нерастворимые участки пленки, стойкие к кислоте. Затем пластину обрабатывают растворителем, который удаляет фоторезист с засвеченных участков. С открывшихся мест (и только с них) слой оксида кремния вытравливают с помощью кислоты.

В результате в нужных местах оксид кремния растворяется и открываются "окна" чистого кремния, готовые к внесению примесей (лигированию). Для этого поверхность подложки при температуре 900-1200 градусов подвергают воздействию нужной примеси, например, фосфора или мышьяка, для получения проводимости n-типа. Атомы примеси проникают в глубь чистого кремния, но отталкиваются его оксидом. Обработав пластину одним видом примеси, готовят ее для лигирования другим видом - поверхность пластины вновь покрывают слоем оксида, проводят новую фотолитографию и травление, в результате чего открываются новые "окошки" кремния.

Вслед за тем следует новое лигирование, например бором, для получения проводимости p-типа. Так на всей поверхности кристалла в нужных местах образуются p и n области. Изоляция между отдельными элементами может создаваться несколькими способами: такой изоляцией может служить слой оксида кремния, можно также создавать в нужных местах запирающие p-n переходы.

Следующий этап обработки связан с нанесением токопроводящих соединений (токопроводящих линий) между элементами интегральной схемы, а также между этими элементами и контактами для подключения внешних цепей. Для этого на подложку напыляют тонкий слой алюминия, который оседает в виде тончайшей пленки. Ее подвергают фотолитографической обработке и травлению, аналогичным описанным выше. В результате от всего слоя металла остаются только тонкие токопроводящие линии и контактные площадки.

В заключение всю поверхность полупроводникового кристалла покрывают защитным слоем (чаще всего, силикатным стеклом), который затем удаляют с контактных площадок. Все изготовленные микросхемы подвергаются строжайшей проверке на контрольно-испытательном стенде. Дефектные схемы помечаются красной точкой. Наконец кристалл разрезается на отдельные пластинки-микросхемы, каждая из которых заключается в прочный корпус с выводами для присоединения к внешним цепям.

Сложность интегральной схемы характеризуется показателем, который получил название степени интеграции. Интегральные схемы, насчитывающие более 100 элементов, называются микросхемами с малой степенью интеграции; схемы, содержащие до 1000 элементов, - интегральными схемами со средней степенью интеграции; схемы, содержащие до десятка тысяч элементов, - большими интегральными схемами. Уже изготавливаются схемы, содержащие до миллиона элементов (они называются сверхбольшими). Постепенное повышение интеграции привело к тому, что схемы с каждым годом становятся все более миниатюрными и соответственно все более сложными.

Огромное количество электронных устройств, имевших раньше большие габариты, умещаются теперь на крошечной кремниевой пластинке. Чрезвычайно важным событием на этом пути стало создание в 1971 году американской фирмой "Интел" единой интегральной схемы для выполнения арифметических и логических операций - микропроцессора. Это повлекло за собой грандиозный прорыв микроэлектроники в сферу вычислительной техники.

Читайте и пишите полезные

полупроводника . Осуществление этих предложений в те годы не могло состояться из-за недостаточного развития технологий.

В конце 1958 года и в первой половине 1959 года в полупроводниковой промышленности состоялся прорыв. Три человека, представлявшие три частные американские корпорации, решили три фундаментальные проблемы, препятствовавшие созданию интегральных схем. Джек Килби из Texas Instruments запатентовал принцип объединения, создал первые, несовершенные, прототипы ИС и довёл их до серийного производства. Курт Леговец из Sprague Electric Company изобрёл способ электрической изоляции компонентов, сформированных на одном кристалле полупроводника (изоляцию p-n-переходом (англ. P–n junction isolation )). Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor изобрёл способ электрического соединения компонентов ИС (металлизацию алюминием) и предложил усовершенствованный вариант изоляции компонентов на базе новейшей планарной технологии Жана Эрни (англ. Jean Hoerni ). 27 сентября 1960 года группа Джея Ласта (англ. Jay Last ) создала на Fairchild Semiconductor первую работоспособную полупроводниковую ИС по идеям Нойса и Эрни. Texas Instruments , владевшая патентом на изобретение Килби, развязала против конкурентов патентную войну, завершившуюся в 1966 году мировым соглашением о перекрёстном лицензировании технологий.

Ранние логические ИС упомянутых серий строились буквально из стандартных компонентов, размеры и конфигурации которых были заданы технологическим процессом. Схемотехники, проектировавшие логические ИС конкретного семейства, оперировали одними и теми же типовыми диодами и транзисторами. В 1961-1962 гг. парадигму проектирования сломал ведущий разработчик Sylvania Том Лонго, впервые использовав в одной ИС различные конфигурации транзисторов в зависимости от их функций в схеме. В конце 1962 г. Sylvania выпустила в продажу первое семейство разработанной Лонго транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) - исторически первый тип интегральной логики, сумевший надолго закрепиться на рынке. В аналоговой схемотехнике прорыв подобного уровня совершил в 1964-1965 годах разработчик операционных усилителей Fairchild Боб Видлар .

Первая отечественная микросхема была создана в 1961 году в ТРТИ (Таганрогском Радиотехническом Институте) под руководством Л. Н. Колесова . Это событие привлекло внимание научной общественности страны, и ТРТИ был утверждён головным в системе минвуза по проблеме создания микроэлектронной аппаратуры высокой надёжности и автоматизации её производства. Сам же Л. Н. Колесов был назначен Председателем координационного совета по этой проблеме.

Первая в СССР гибридная толстоплёночная интегральная микросхема (серия 201 «Тропа») была разработана в 1963-65 годах в НИИ точной технологии («Ангстрем »), серийное производство с 1965 года. В разработке принимали участие специалисты НИЭМ (ныне НИИ «Аргон») .

Первая в СССР полупроводниковая интегральная микросхема была создана на основе планарной технологии , разработанной в начале 1960 года в НИИ-35 (затем переименован в НИИ «Пульсар») коллективом, который в дальнейшем был переведён в НИИМЭ («Микрон »). Создание первой отечественной кремниевой интегральной схемы было сконцентрировано на разработке и производстве с военной приёмкой серии интегральных кремниевых схем ТС-100 (37 элементов - эквивалент схемотехнической сложности триггера , аналога американских ИС серии SN -51 фирмы Texas Instruments ). Образцы-прототипы и производственные образцы кремниевых интегральных схем для воспроизводства были получены из США. Работы проводились в НИИ-35 (директор Трутко) и Фрязинским полупроводниковым заводом (директор Колмогоров) по оборонному заказу для использования в автономном высотомере системы наведения баллистической ракеты . Разработка включала шесть типовых интегральных кремниевых планарных схем серии ТС-100 и с организацией опытного производства заняла в НИИ-35 три года (с 1962 по 1965 год). Ещё два года ушло на освоение заводского производства с военной приёмкой во Фрязино (1967 год) .

Параллельно работа по разработке интегральной схемы проводилась в центральном конструкторском бюро при Воронежском заводе полупроводниковых приборов (ныне - ). В 1965 году во время визита на ВЗПП министра электронной промышленности А. И. Шокина заводу было поручено провести научно-исследовательскую работу по созданию кремниевой монолитной схемы - НИР «Титан» (приказ министерства от 16.08.1965 г. № 92), которая была досрочно выполнена уже к концу года. Тема была успешно сдана Госкомиссии, и серия 104 микросхем диодно-транзисторной логики стала первым фиксированным достижением в области твердотельной микроэлектроники, что было отражено в приказе МЭП от 30.12.1965 г. № 403.

Уровни проектирования

В настоящее время (2014 г.) большая часть интегральных схем проектируется при помощи специализированных САПР , которые позволяют автоматизировать и значительно ускорить производственные процессы , например, получение топологических фотошаблонов.

Классификация

Степень интеграции

В зависимости от степени интеграции применяются следующие названия интегральных схем:

  • малая интегральная схема (МИС) - до 100 элементов в кристалле,
  • средняя интегральная схема (СИС) - до 1000 элементов в кристалле,
  • большая интегральная схема (БИС) - до 10 тыс. элементов в кристалле,
  • сверхбольшая интегральная схема (СБИС) - более 10 тыс. элементов в кристалле.

Ранее использовались также теперь уже устаревшие названия: ультрабольшая интегральная схема (УБИС) - от 1-10 млн до 1 млрд элементов в кристалле и, иногда, гигабольшая интегральная схема (ГБИС) - более 1 млрд элементов в кристалле. В настоящее время, в 2010-х, названия «УБИС» и «ГБИС» практически не используются, и все микросхемы с числом элементов более 10 тыс. относят к классу СБИС.

Технология изготовления

  • Полупроводниковая микросхема - все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния , германия , арсенида галлия , оксида гафния).
  • Плёночная интегральная микросхема - все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок :
    • толстоплёночная интегральная схема;
    • тонкоплёночная интегральная схема.
  • Гибридная микросхема (часто называемая микросборкой ), содержит несколько бескорпусных диодов, бескорпусных транзисторов и(или) других электронных активных компонентов. Также микросборка может включать в себя бескорпусные интегральные микросхемы. Пассивные компоненты микросборки (резисторы , конденсаторы , катушки индуктивности) обычно изготавливаются методами тонкоплёночной или толстоплёночной технологий на общей, обычно керамической подложке гибридной микросхемы. Вся подложка с компонентами помещается в единый герметизированный корпус.
  • Смешанная микросхема - кроме полупроводникового кристалла содержит тонкоплёночные (толстоплёночные) пассивные элементы, размещённые на поверхности кристалла.

Вид обрабатываемого сигнала

Технологии изготовления

Типы логики

Основным элементом аналоговых микросхем являются транзисторы (биполярные или полевые). Разница в технологии изготовления транзисторов существенно влияет на характеристики микросхем. Поэтому нередко в описании микросхемы указывают технологию изготовления, чтобы подчеркнуть тем самым общую характеристику свойств и возможностей микросхемы. В современных технологиях объединяют технологии биполярных и полевых транзисторов, чтобы добиться улучшения характеристик микросхем.

  • Микросхемы на униполярных (полевых) транзисторах - самые экономичные (по потреблению тока):
    • МОП -логика (металл-оксид-полупроводник логика) - микросхемы формируются из полевых транзисторов n -МОП или p -МОП типа;
    • КМОП -логика (комплементарная МОП-логика) - каждый логический элемент микросхемы состоит из пары взаимодополняющих (комплементарных) полевых транзисторов (n -МОП и p -МОП).
  • Микросхемы на биполярных транзисторах :
    • РТЛ - резисторно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ);
    • ДТЛ - диодно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ);
    • ТТЛ - транзисторно-транзисторная логика - микросхемы сделаны из биполярных транзисторов с многоэмиттерными транзисторами на входе;
    • ТТЛШ - транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки - усовершенствованная ТТЛ, в которой используются биполярные транзисторы с эффектом Шоттки ;
    • ЭСЛ - эмиттерно-связанная логика - на биполярных транзисторах, режим работы которых подобран так, чтобы они не входили в режим насыщения, - что существенно повышает быстродействие;
    • ИИЛ - интегрально-инжекционная логика.
  • Микросхемы, использующие как полевые, так и биполярные транзисторы:

Используя один и тот же тип транзисторов, микросхемы могут создаваться по разным методологиям, например, статической или динамической .

КМОП и ТТЛ (ТТЛШ) технологии являются наиболее распространёнными логиками микросхем. Где необходимо экономить потребление тока, применяют КМОП-технологию, где важнее скорость и не требуется экономия потребляемой мощности применяют ТТЛ-технологию. Слабым местом КМОП-микросхем является уязвимость к статическому электричеству - достаточно коснуться рукой вывода микросхемы, и её целостность уже не гарантируется. С развитием технологий ТТЛ и КМОП микросхемы по параметрам сближаются и, как следствие, например, серия микросхем 1564 сделана по технологии КМОП, а функциональность и размещение в корпусе как у ТТЛ технологии.

Микросхемы, изготовленные по ЭСЛ-технологии, являются самыми быстрыми, но и наиболее энергопотребляющими, и применялись при производстве вычислительной техники в тех случаях, когда важнейшим параметром была скорость вычисления. В СССР самые производительные ЭВМ типа ЕС106х изготавливались на ЭСЛ-микросхемах. Сейчас эта технология используется редко.

Технологический процесс

При изготовлении микросхем используется метод фотолитографии (проекционной, контактной и др.), при этом схему формируют на подложке (обычно из кремния), полученной путём резки алмазными дисками монокристаллов кремния на тонкие пластины. Ввиду малости линейных размеров элементов микросхем, от использования видимого света и даже ближнего ультрафиолетового излучения при засветке отказались.

Следующие процессоры изготавливали с использованием УФ-излучения (эксимерный лазер ArF, длина волны 193 нм). В среднем внедрение лидерами индустрии новых техпроцессов по плану ITRS происходило каждые 2 года, при этом обеспечивалось удвоение количества транзисторов на единицу площади: 45 нм (2007), 32 нм (2009), 22 нм (2011) , производство 14 нм начато в 2014 году , освоение 10 нм процессов ожидается около 2018 года.

В 2015 году появились оценки, что внедрение новых техпроцессов будет замедляться .

Контроль качества

Для контроля качества интегральных микросхем широко применяют так называемые тестовые структуры .

Назначение

Интегральная микросхема может обладать законченной, сколь угодно сложной, функциональностью - вплоть до целого микрокомпьютера (однокристальный микрокомпьютер).

Аналоговые схемы

  • Фильтры (в том числе на пьезоэффекте).
  • Аналоговые умножители .
  • Аналоговые аттенюаторы и регулируемые усилители .
  • Стабилизаторы источников питания: стабилизаторы напряжения и тока .
  • Микросхемы управления импульсных блоков питания.
  • Преобразователи сигналов.
  • Схемы синхронизации .
  • Различные датчики (например, температуры).

Цифровые схемы

  • Буферные преобразователи
  • (Микро)процессоры (в том числе ЦП для компьютеров)
  • Микросхемы и модули памяти
  • ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы)

Цифровые интегральные микросхемы имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми:

  • Уменьшенное энергопотребление связано с применением в цифровой электронике импульсных электрических сигналов. При получении и преобразовании таких сигналов активные элементы электронных устройств (транзисторов) работают в «ключевом» режиме, то есть транзистор либо «открыт» - что соответствует сигналу высокого уровня (1), либо «закрыт» - (0), в первом случае на транзисторе нет падения напряжения , во втором - через него не идёт ток . В обоих случаях энергопотребление близко к 0, в отличие от аналоговых устройств, в которых большую часть времени транзисторы находятся в промежуточном (активном) состоянии.
  • Высокая помехоустойчивость цифровых устройств связана с большим отличием сигналов высокого (например, 2,5-5 В) и низкого (0-0,5 В) уровня. Ошибка состояния возможна при таком уровне помех, когда высокий уровень интерпретируется как низкий и наоборот, что маловероятно. Кроме того, в цифровых устройствах возможно применение специальных кодов , позволяющих исправлять ошибки.
  • Большая разница уровней состояний сигналов высокого и низкого уровня (логических «0» и «1») и достаточно широкий диапазон их допустимых изменений делает цифровую технику нечувствительной к неизбежному в интегральной технологии разбросу параметров элементов, избавляет от необходимости подбора компонентов и настройки элементами регулировки в цифровых устройствах.

Аналого-цифровые схемы

  • цифро-аналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП);
  • трансиверы (например, преобразователь интерфейса Ethernet );
  • модуляторы и демодуляторы ;
    • радиомодемы
    • декодеры телетекста, УКВ-радио-текста
    • трансиверы Fast Ethernet и оптических линий
    • Dial-Up модемы
    • приёмники цифрового ТВ
    • сенсор оптической «мыши»
  • микросхемы питания электронных устройств - стабилизаторы, преобразователи напряжения, силовые ключи и др.;
  • цифровые аттенюаторы ;
  • схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ);
  • генераторы и восстановители частоты тактовой синхронизации;
  • базовые матричные кристаллы (БМК): содержит как аналоговые, так и цифровые схемы;

Серии микросхем

Аналоговые и цифровые микросхемы выпускаются сериями. Серия - это группа микросхем, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенные для совместного применения. Микросхемы одной серии, как правило, имеют одинаковые напряжения источников питания, согласованы по входным и выходным сопротивлениям, уровням сигналов.

Корпуса

Специфические названия

Правовая защита

Законодательство России предоставляет правовую охрану топологиям интегральных микросхем. Топологией интегральной микросхемы является зафиксированное на материальном носителе пространственно-геометрическое расположение совокупности элементов интегральной микросхемы и связей между ними (ст. 1448

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

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

  • 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:

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/мм 2 .

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.

Настоящ ее электроник и

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

...

Подобные документы

    Понятие, области, основные разделы и направления развития электроники. Общая характеристика квантовой, твердотельной и вакуумной электроники, направления их развития и применения в современном обществе. Достоинства и недостатки плазменной электроники.

    реферат , добавлен 08.02.2013

    Каталитические и некаталитические реакции, метод анодирования, метод электрохимического осаждения пленок для интегральной электроники. Сущность метода газофазного осаждения для получения покрытия из AlN. Физикохимия получения пленочных покрытий.

    курсовая работа , добавлен 29.04.2011

    Использование параметрических феррорезонансных стабилизаторов напряжения. Конструктивно-технологическое исполнение интегральной микросхемы. Расчет интегрального транзистора и его характеристики. Разработка технических требований и топологии микросхемы.

    курсовая работа , добавлен 15.07.2012

    Исследование зарождения и этапов развития твердотельной электроники. Научные открытия Майкла Фарадея, Фердинанда Брауна (создание беспроволочной телеграфии). Кристаллический детектор Пикарда - "кошачий ус". Разработка детектора-генератора О.В. Лосевым.

    реферат , добавлен 09.12.2010

    Разработка топологии изготовления бескорпусной интегральной микросборки на основе тонкопленочной технологии. Схемотехнические данные и используемые материалы. Разработка коммутационной схемы соединений. Расчет тонкопленочных элементов микросборки.

    курсовая работа , добавлен 07.08.2013

    Разработка усилителя слабых сигналов в виде интегральной микросхемы (ИМС) в корпусе. Выбор технологии изготовления. Расчет геометрических размеров и топологии элементов интегральной микросхемы. Выбор навесных компонентов, типоразмера платы и корпуса.

    курсовая работа , добавлен 29.10.2013

    Создание интегральных схем и развитие микроэлектроники по всему миру. Производство дешевых элементов электронной аппаратуры. Основные группы интегральных схем. Создание первой интегральной схемы Килби. Первые полупроводниковые интегральные схемы в СССР.

    реферат , добавлен 22.01.2013

    Основные принципы построения АМ-ЧМ приемников. Анализ схемы электрической принципиальной ИМС TA2003. Разработка физической структуры кристалла, технологического маршрута изготовления и топологии интегральной микросхемы. Компоновка элементов и блоков.

    дипломная работа , добавлен 01.11.2010

    Электрические параметры интегральной микросхемы (ИМС). Расчет параметров модели полевого транзистора с управляющим p-n-переходом. Моделирование схемы включения истокового повторителя. Разработка топологии и технологического маршрута изготовления ИМС.

    дипломная работа , добавлен 29.09.2010

    Этапы развития информационной электроники. Усилители электрических сигналов. Развитие полупроводниковой информационной техники. Интегральные логические и аналоговые микросхемы. Электронные автоматы с памятью. Микропроцессоры и микроконтроллеры.

Когда и кем была создана первая микросхема? а то мне говорят,что оптические приборы не позволяли лазером "нарезать" на монокристал

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 монолит (Monolithic Idea), в которой было указано, что <... p-n-="">Заслуга Килби - в практической реализации идеи Даммера.