Микроэлектроника

Микроэлектроника (далее М)область электроники, занимающаяся созданием электронных функциональных узлов, блоков и устройств в микроминиатюрном интегральном исполнении. Возникновение Микроэлектроника в начале 60-х гг. 20 в. было вызвано непрерывным усложнением функций электронной аппаратуры, увеличением габаритов и повышением требований к ее надежности. Применение в отдельных устройствах нескольких тысяч и десятков тысяч самостоятельно изготовленных электронных ламп, транзисторов, конденсаторов, резисторов, трансформаторов и др., сборка их путем соединения выводов пайкой или сваркой делали аппаратуру громоздкой, трудоемкой в изготовлении, недостаточно надежной в работе, требующей значительного потребления электроэнергии и т. д. Поиски путей устранения этих недостатков привели к появлению новых конструктивно-технологических направлений создания электронной аппаратуры: печатного монтажа, модулей и микромодулей, а затем и интегральных схем (на базе групповых методов изготовления).

Используя достижения в области физики твердого тела и особенно физики полупроводников, Микроэлектроника решает указанные проблемы не путем простого уменьшения габаритов электронных элементов, а созданием конструктивно, технологически и электрически связанных электронных структур — функциональных блоков и узлов. В них согласно принципиальной схеме конструктивно объединено большое число микроминиатюрных элементов и их электрических соединений, изготавливаемых в едином технологическом процессе. Такой процесс, ставший возможным благодаря предложенному в 1959 планарному процессу получения полупроводниковых (ПП) приборов, предполагает применение исходной общей заготовки (обычно в виде пластины из ПП материала) для большого числа (~ 100—2000) одинаковых электронных функциональных узлов, одновременно проходящих последовательный ряд технологических операций в идентичных условиях (рис. 1). Т. о., каждый такой узел получают не в результате сборки из дискретных элементов, а в итоге поэтапной групповой интегральной обработки многих одинаковых узлов на одной пластине. В процессе обработки отдельным участкам ПП материала придаются свойства различных элементов и их соединений, в целом образующих изготавливаемый узел. Полученный микроминиатюрный узел, отделенный от пластины и помещенный в корпус, называется интегральной микросхемой, или интегральной схемой (ИС). В связи с этим в Микроэлектроника изменяется само понятие элемента. Практически элементом становится ИС как неделимое изделие, состоящее из 5 элементов и более. ИС характеризуется уровнем интеграции — числом простейших элементов в ней.

В силу специфики — исключительно высокой точности проведения технологических процессов и большого числа операций — для изготовления микроэлектронных изделий требуются разнообразные высококачественные ПП и другие материалы и прецизионное технологическое оборудование. Базовым ПП материалом служит монокристаллический Технологическое оборудование должно обеспечить изготовление элементов ИС с точностью их размеров в пределах единиц и долей микрометра.

В соответствии с используемыми конструктивно-технологическими и физическими принципами в Микроэлектроника может быть выделено несколько взаимно перекрывающихся и дополняющих друг друга направлений: интегральная электроника, вакуумная микроэлектроника, оптоэлектроника и функциональная электроника. Наибольшее развитие получила интегральная электроника. С ее появлением открылись широкие возможности микроминиатюризации радиоэлектронной аппаратуры, начался процесс создания аппаратуры третьего поколения — с применением ИС (первое поколение — на электровакуумных приборах, второе — на ПП приборах). Область применения ИС простирается от вычислительной техники и космических систем до бытовой аппаратуры. Темпы роста производства ИС исключительно высоки. Мировая промышленность в 1972 выпустила более 1 млрд. ИС.

На базе групповых методов изготовления, путем формирования необходимого количества электронных элементов и электрических связей между ними в объеме одного ПП были впервые созданы (1959—61) полупроводниковые ИС. В их производстве наиболее распространена планарно-эпитаксиальная технология, заимствованная из производства дискретных ПП приборов (см. Полупроводниковая электроника) и отличающаяся от него лишь дополнительными операциями по электрической изоляции отдельных элементов на ПП пластине и соединению всех элементов в в единый функциональный узел. Для изоляции используются методы создания вокруг элемента области ПП материала с противоположным типом проводимости (при этом образуется изолирующий р-n-переход, см. Электронно-дырочный переход) или слоя диэлектрика, например двуокиси Основные технологические операции планарно-эпитаксиальной технологии: механическая и обработка ПП пластин; эпитаксиальное наращивание на пластине слоя с необходимыми электрофизическими свойствами (типом проводимости, удельным сопротивлением и т. д.); фотолитография; легирование (например, посредством диффузии или ионного внедрения); нанесение металлических пленок — электродов, соединительных дорожек, контактных площадок (рис. 2).

Из всех перечисленных этапов технологического процесса наиболее ответственным является фотолитография. Она обеспечивает проведение избирательной обработки отдельных участков ПП пластины, например вытравливание "окон" в окисной пленке на пластине для проведения диффузии примесей. В этом процессе используется светочувствительный лак — фоторезист. Пленка фоторезиста, нанесенная на ПП пластину, облучается ультрафиолетовым светом через приложенную плотно к пластине фотомаску — т. н. фотошаблон, который представляет собой стеклянную пластинку с выполненным на ней повторяющимся рисунком, образованным непрозрачными и полупрозрачными участками (чаще всего слоя После облучения пленка фоторезиста подвергается селективному травлению, в результате чего на ПП пластине воспроизводится рисунок фотошаблона. Экспонирование фоторезиста проводится также и бесконтактным способом: проецированием рисунка на пластину. Перспективен метод экспонирования заданного рисунка электронным лучом (электронолитография).

При изготовлении полупроводниковых ИС требуется неоднократное проведение фотолитографического процесса с воспроизведением на пластине совмещающихся между собой различных рисунков. Для этого обычно используется набор из 7—8 фотошаблонов. Проектирование и изготовление фотошаблонов требует особо высокой точности и соблюдения в производственных цехах условий вакуумной гигиены (не более 3—5 пылинок размером около 0,5 мкм на 1 л воздуха): для получения сотен элементов микронных размеров в сотнях идентичных ИС, изготавливаемых одновременно на одной ПП пластине, фотошаблоны должны обеспечивать воспроизводимость размеров от одного рисунка к другому и их взаимную совмещаемость. Поэтому при проектировании и изготовлении фотошаблонов используется сложное прецизионное оборудование: координатографы с программным управлением от ЭВМ для вычерчивания оригинала рисунка с увеличением в сотни раз; различной конструкции фотоштампы для уменьшения рисунка-оригинала и его мультиплицирования (размножения).

Для формирования структур элементов в исходной ПП пластине проводится легирование примесями участков, подготовленных на этапе фотолитографии. Основным методом легирования является диффузия, например при помещении пластины на некоторое время в пары примеси при температуре 1100—1200 °С. Точность поддержания температуры, постоянство концентрации примеси у поверхности пластины, длительность процесса определяют распределение примеси по толщине пластины и соответственно параметры формируемого элемента. Кроме диффузии, легирование может производиться ионным внедрением (бомбардировкой пластины ионизированными примеси), которое является новым технологическим направлением, дополняющим и частично заменяющим диффузию. Полупроводниковые ИС имеют высокий уровень интеграции (до 10 000 элементов и более в одном ПП
Совершенствование технологии изготовления активных (диодных и транзисторных) элементов на пластинах ПП материала путем перехода на групповые методы стимулировало развитие техники печатного монтажа и пленочной технологии создания пассивных (резистивных, емкостных) микроминиатюрных компонентов, что послужило основой для разработки пленочных ИС. Пленочные ИС, как правило, являются чисто пассивными, т. к. нанесение монокристаллических ПП пленок для формирования активных элементов не обеспечивает необходимого их качества. Основой для пленочной ИС служит диэлектрическая, например керамическая, подложка. Различают толстопленочную технологию изготовления ИС — нанесение слоев проводящих, резистивных и диэлектрических паст толщиной от 1 до 25 мкм и тонкопленочную технологию — вакуумное напыление пленок толщиной до 1 мкм через металлические трафареты или вакуумное напыление в сочетании с последующей фотолитографической обработкой.

Пленочная ИС со смонтированными на ней бескорпусными дискретными ПП приборами (диодами, транзисторами) и бескорпусными полупроводниковыми ИС называется гибридной ИС (рис. 3). Ее пассивная часть может быть выполнена многослойной, в виде набора керамических подложек со слоями пленочных элементов. После спекания подложек получается монолит с многослойным расположением электрически соединенных между собой пассивных элементов. Бескорпусные активные элементы монтируются на верхней поверхности монолита.

Кроме полупроводниковых и пленочных ИС, изготавливают т. н. совмещенные ИС. Активные элементы в них выполняются в объеме ПП подложки по планарно-эпитаксиальной технологии, а пассивные элементы и электрические соединения наносятся в виде тонких пленок на поверхность монолитной структуры. По уровню интеграции совмещенные ИС приближаются к полупроводниковым.

Изготавливают также многокристальные ИС с высоким уровнем интеграции, в которых несколько полупроводниковых ИС объединяются на диэлектрической подложке пленочными соединениями в сложнейшее электронное устройство. Его функциональное назначение может соответствовать отдельному блоку или даже системе, например вычислительной машине настольного типа.

Сочетание пленочной технологии получения пассивных элементов и использование в качестве активных элементов электровакуумных приборов в микроминиатюрном исполнении привело к появлению вакуумных ИС и нового направления — вакуумной микроэлектроники. Вакуумная ИС может быть выполнена как в виде пленочной ИС с навесными микроминиатюрными электровакуумными приборами, так и в виде устройства, все компоненты которого помещены в вакуум. В отличие от ПП ИС вакуумные ИС имеют повышенную стойкость к воздействию космического излучения; их плотность упаковки достигает 20—30 элементов в 1 см³.

Все виды ИС по функциональному признаку делятся на 2 больших класса: цифровые (логические) ИС и линейные ИС. Цифровые ИС предназначены для работы в логических устройствах, в частности они применяются в ЭВМикроэлектроника К линейным относятся все остальные ИС, предназначенные в основном для линейного (в конечном счете) преобразования электрических сигналов (усиления, модуляции, детектирования и т. д.), хотя они могут включать в себя такие нелинейные элементы, как генераторы синусоидальных колебаний, преобразователи частоты и др.

Дальнейшее развитие Микроэлектроника идет главным образом в двух направлениях: повышение уровня интеграции и плотности упаковки в ИС, ставших традиционными; изыскание новых физических принципов и явлений для создания электронных устройств со схемотехническим или даже системотехническим функциональным назначением. Первое направление привело к уровням интеграции, характеризующимся многими тысячами элементов в одном корпусе ИС с микронными и субмикронными размерами отдельных элементов. Второе направление может позволить отказаться от дальнейшего повышения уровня интеграции ИС (из-за конструктивной сложности), снизить рассеиваемую мощность, увеличить быстродействие аппаратуры и др. Это новое направление в целом приобретает название функциональной микроэлектроники — электроники комбинированных сред с использованием таких явлений, как оптические явления в твердом теле (оптоэлектроника) и взаимодействие потока электронов с акустическими волнами в твердом теле (акустоэлектроника), а также с использованием свойств сверхпроводников, свойств магнетиков и полупроводников в полупроводниках (магнетоэлектроника) и др.

Лит.: Интегральные схемы, пер. с англ., Микроэлектроника, 1970; Микроэлектроника. Сб. ст., в. 1—5, Микроэлектроника, 1967—72.

А. А. Васенков, И. Е. Ефимов.

	Copyright © 1999-2023 Oval.ru, All Rights Reserved.