СР№6 Загальні відомості про інтегральні мікросхеми

План 

1 Поняття інтегральних мікросхем

2 Історія створення ІМС

3 Класифікація ІМС

4 Технологія виготовлення ІМС

 

1 Поняття інтегральних мікросхем

Мікроелектроніка — це галузь електроніки, що займається мініатюризацією електронної апаратури з метою зменшення її об’єму, маси, вартості, підвищення надійності та економічності на основі комплексу конструктивних, технологічних і схемних методів .

Інтегральна (мікро) схема (ІС, ІМС, м/сх , англ. Integrated circuit, IC, microcircuit), чіп, мікрочіп (англ. microchip , silicon chip , chip — тонка пластинка — спочатку термін ставився до платівці кристала мікросхеми) — мікроелектронний пристрій — електронна схема довільної складності, виготовлена ​​на напівпровідниковому кристалі (або плівці) і поміщена в нерозбірний корпус, або без такого, у разі входження до складу мікроскладення.

Часто під інтегральною схемою (ІС) розуміють власне кристал або плівку з електронною схемою , а під мікросхемою (МС) — ІС , укладену в корпус. Водночас вираз «чіп — компоненти» означає «компоненти для поверхневого монтажу» , на відміну від компонентів для пайки в отвори на платі. Тому правильніше говорити «чіп — мікросхема», маючи на увазі мікросхему для поверхневого монтажу. На сьогоднішній день більша частина мікросхем виготовляється в корпусах для поверхневого монтажу.

 

2 Історія створення ІМС

Винахід мікросхем почався з вивчення властивостей тонких оксидних плівок, що проявляються в ефекті поганої електропровідності при невеликих електричних напругах. Проблема полягала в тому, що в місці зіткнення двох металів не відбувалося електричного контакту або він мав полярні властивості. Глибокі вивчення цього феномена привели до винаходу діодів, а пізніше транзисторів і інтегральних мікросхем .

Напівпровідники — матеріали, які за своєю питомою провідністю займають проміжне місце між провідниками і діелектриками і відрізняються від провідників сильною залежністю питомої провідності від концентрації домішок, температури і різних видів випромінювання . Основною властивістю цих матеріалів є збільшення електричної провідності з ростом температури

Транзистор (від англ. Transfer — переносити і resistance — опір або transconductance — активна міжелектродному провідність і varistor — змінний опір) — електронний прилад з напівпровідникового матеріалу, звичайно з трьома висновками , що дозволяє вхідним сигналам керувати струмом в електричному ланцюзі. Зазвичай використовується для посилення, генерування та перетворення електричних сигналів.

 

3 Класифікація ІМС

— За ступенем інтеграції:

Безпосереднє відношення до технології виготовлення мікросхем має ступінь інтеграції. Базовим елементом ІМС є мікроскопічні транзисторні елементи (вентилі ), інтегровані в структуру ІМС, звану кристалом. Чим більше таких транзисторів інтегровано в кристал, тим більше функцій мікросхема здатна реалізувати.

ІМС з малим ступенем інтеграції SSI ( Small Scall Integration ) містять 10-100 вентилів на кристал /

ІМС середнього ступеня інтеграції MSI ( Medium Scall integration ) — від 100 до 1000 вентилів на кристал .

ІМС з високим ступенем інтеграції VLSI ( Very Large Scall Integration ) інтегрують від тисячі до мільйона вентилів на кристал .

Надвеликі ІМС ( НВІС ) з надвеликої ступенем інтеграції ULSI ( Ultra Large Scall Integration ) містять понад мільйон вентилів .

— Види ІМС:

Напівпровідникова мікросхема — всі елементи і міжелементні з’єднання виконані на одному напівпровідниковому кристалі (наприклад, з кремнію, германію, арсеніду галію ) .

Плівкова мікросхема — всі елементи і міжелементні з’єднання виконані у вигляді плівок: товстоплівкова інтегральна схема ; тонкоплівкова інтегральна схема .

Гібридна мікросхема — крім напівпровідникового кристала містить кілька безкорпусних діодів , транзисторів і (або) інших електронних компонентів , поміщених в один корпус.

— За видом оброблюваного сигналу:

Аналогові мікросхеми — вхідні і вихідні сигнали змінюються за законом безупинної функції в діапазоні від позитивної до негативної напруги харчування.

Цифрові мікросхеми — вхідні і вихідні сигнали можуть мати два значення :логічний нуль або логічна одиниця, кожному з яких відповідає певний діапазон напруги.

Аналого-цифрові мікросхеми сполучають у собі форми цифрової й аналогової обробки сигналів. У міру розвитку технологій одержують усе більше поширення.

 

4 Технологія виготовлення ІМС

4.1 Виготовлення підкладки

Виробництво ІМС з високим ступенем інтеграції, наприклад, мікропроцесорів (МП), які містять десятки мільйонів елементарних транзисторів, здійснюється на заводах, що нагадують лабораторії з дуже високими вимогами до чистоти. Велика частина операцій з виробництва інтегральних мікросхем з кремнієвих пластин виконується робототехнікою в автоматичному програмному режимі.

З очищеного кремнію » вирощується » великий монокристал циліндричної форми. Циліндр монокристала ріжеться на дуже тонкі пластини, які потім використовуються як підкладки для виготовлення кристалів ІМС.

Кремнієва пластина — підкладка для виготовлення мікросхем

Технологічні проектні норми (конструктивні норми або топологічні розміри ) виражаються в частках мікрона (мкм) і показують, які мінімально — допустимі розміри елементів топології мікросхеми. Наприклад , норма 0,25 мкм означає, що ефективна довжина каналу зв’язку між вентилями кристала становить 0,25 мкм — така дистанція пробігу струму між двома транзисторами. Чим коротше канал, тим вище швидкодія, менше споживання струму і нагрівання елементів (виділення тепла). Чим менше норма, тим щільніше набивка мікросхеми елементами і менше паразитні ємності.

Виготовлення ІМС нерозривно пов’язане з фотолітографією — автоматичним процесом експонування і травлення ділянок пластин, підготовлених під впливом ультрафіолетового світла. Сучасна фотолітографічна машина здатна обробити за одну годину кілька десятків 8 -дюймових напівпровідникових пластин.

На одному з початкових етапів виготовлення ІМС на кремнієвій підкладці під впливом високої температури і кисню вирощується перший, дуже тонкий шар двоокису кремнію. Він служить прекрасним ізолятором і захищає поверхню пластини при фотолітографії .

Потім підкладка покривається захисним фотослоем (фоторезистом). Фоторезист — світлочутливе речовина, яка під впливом опромінення ультрафіолетовим світлом стає розчинним. Згодом непотрібні ділянки фоторезиста і плівки окислів можна видалити ( витравити ) з поверхні пластини в незахищених від облучення ультрафіолетом місцях. При цьому оголюються ділянки чистого кремнію.

4.2  Експонування

Для експонування використовується фотомаски, що представляють прецизійний фотошаблон, який виготовлений з квадратної пластинки на кварцовому склі, покритому хромом. На такий фотопластинці фотохімічним способом формується високоточний малюнок шару , що складається з прозорих ділянок .

Засвічування пластини через фотомаски ( а ) і травлення (б)

 

Різні фотомаски беруть участь в процесі виробництва мікросхем на всіх етапах фотолітографії. Для створення кожного шару кристала використовується своя маска. Загальна кількість таких шарів — кілька десятків.

По мітках, заздалегідь сформованим на поверхні пластини , в спеціальній установці світлочутливий шар засвічується ультрафіолетовим світлом через систему лінз і через маску із зменшенням таким чином , що на пластині виходить зображення елементів кристала в масштабі 1:1. Потім пластина зсувається , експонується наступний фрагмент кристала і т.д., поки на підкладці не будуть оброблені всі фрагменти .

4.3 Травлення

В результаті експонування хімічний склад ділянок світлочутливого шару , не захищених фотомаскою, змінюється. Це дозволяє видалити їх (під впливом рентгенівських променів, за допомогою відповідних хімікатів та інших методів).

Процес видалення областей шару для формування багатошарової структури з певними якостями називається травленням.

Засвічений фоторезист віддаляється спеціальним розчинником, діоксид засвіченою області витравляється хімічними препаратами, після чого видаляються всі непотрібні області фотослоя .

4.4 Багатошарове структурування

Щоб відокремити готовий шар від нового, на отриманому малюнку мікросхеми вирощується додатковий тонкий шар діоксиду кремнію.

Після цього наноситься шар полікристалічного кремнію і ще один фотослой. Ультрафіолет пропускається крізь відповідний малюнок другої маски і висвічує фоторезист . Виконується травлення та очищення від залишків фотослоя .

Експонування і травлення — багатоетапні операції, завдяки яким на підкладці формуються всі елементи кристала. Ці операції виконуються за допомогою декількох наборів хімікатів, що дозволяють зняти шари фоторезиста і діоксиду . Процеси протікають при накладенні великого числа всіляких шаблонів.

Між елементами малюнка на кристалі створюється так звані «кишені». Через «кишені» в кристал вводяться різні домішки, призначені для отримання областей кремнію з різними електричними властивостями провідності «p» і «n» — типів .

Поверхня пластини піддається ретельному очищенню, що оберігає кристал від попадання елементів , здатних його зіпсувати.

4.5 Завершальні операції

На одному із завершальних етапів у спеціальній термокамері виконується іонна імплантація домішок на підкладку. В «кишені» кристала вводиться невелика кількість необхідних домішок.

Дифузія іонів домішок призводить до зміни атомної структури кремнію і в об’ємі кристала мікроскопічних вентилів (елементарних транзисторів). Для формування «p» — областей використовуються бор, галій, алюміній, для створення «n» — областей — сурма , миш’як , фосфор.

Наприкінці цього етапу на поверхню кристала наноситься все та ж захисна плівка з діоксиду кремнію товщиною близько одного мікрона.

Для міжшарових з’єднань в шарах витравлюються спеціальні «вікна» , що заповнюються атомами металу. Після нанесення фоторезисту, засвічення і витравлювання на кристалі залишаються металеві смужки — провідні області. В якості металевих з’єднань шарів зазвичай використовується алюміній.

У ІМС встановлюються зв’язки між безліччю шарів. Число шарів залежить від ступеня складності мікросхеми. Таким чином , формується складна тривимірна схема .

У результаті складного виробничого циклу на одній кремнієвій пластині «вирощуються» сотні ідентичних ІМС. Сформовані кристали мікросхеми ретельно тестуються . Потім з пластини-підкладки вирізаються кондиційні за результатами тестування кристали. На заключному етапі кристал монтується в корпус , підключається до висновків і герметизується .

В даний час велика частина інтегральних схем проектується за допомогою спеціалізованих САПР , які дозволяють автоматизувати і значно прискорити виробничі процеси, наприклад отримання топологічних фотошаблонів .

 

Процес виготовлення процесора за допомогою фотолітографії


Додаткові матеріали:

1. Відео «Виробництво інтегральних мікросхем»


Контрольні питання:

1 Що таке мікроелектроніка?

2 Що таке напівпровідники ?

3 Що таке транзистори ?

4 Що показує ступінь інтеграції?

5 Як підрозділяються ІМС за ступенем інтеграції?

6 Які є види ІМС ?

7 Які є ІМС за видом обробляє мого сигналу ?

8 Назвіть етапи виробництва ІМС ?

9 Що собою представляє процес фотолітографії ?

10 Що собою представляє процес експонування?

11 Що собою представляє процес травлення?

12 Які операції проводяться з ІМС на завершальних операціях ?


Література:
1 Максимов Н.В., Партыка Т.Л., Попов И.И. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем: Учебник. – М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2005. – 512 с.
2 В. Гуров, В. Чуканов. Видеокурс: Логические и арифметические основы и принципы работы ЭВМ -Открытый Интернет Университет Информационных технологий, http://www.intuit.ru/‎
3 Э. Таненбаум.Архитектура компьютера.5-е издание, Питер, 2007. – 830 с.