3.2. Микроэлектроника. Статья в Большой советской энциклопедии

Васенков А.А., Ефимов И.Е.

Микроэлектроника, область электроники, занимающаяся созданием электронных функциональных узлов, блоков и устройств в микроминиатюрном интегральном исполнении. Возникновение Микроэлектроники в начале 60-х гг. 20 в. было вызвано непрерывным усложнением функций электронной аппаратуры, увеличением габаритов и повышением требований к её надёжности. Применение в отдельных устройствах нескольких тысяч и десятков тысяч самостоятельно изготовленных электронных ламп, транзисторов, конденсаторов, резисторов, трансформаторов и др., сборка их путём соединения выводов пайкой или сваркой, делали аппаратуру громоздкой, трудоёмкой в изготовлении, недостаточно надёжной 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 твёрдого тела и особенно физики полупроводников, Микроэлектроника решает указанные проблемы не путём 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, отделённый от пластины и помещенный в корпус, называется интегральной микросхемой, или интегральной схемой (ИС). В связи с этим в Микроэлектронике 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.

Рис. 1.
а – Кремниевая пластина диаметром 60 мм с изготовленными на ней ~2000 одинаковых структур интегральных схем: дефектные структуры на пластине помечены краской (точки и штрихи).
б – Показан в увеличенном виде кристалл с отдельной структурой; его размеры 1,2*1,2 мм. 1 – соединительная токоведущая дорожка; 2 – диод; 3 – резистор; 4 – контактная площадка; 5 – транзистор.

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 кремний. 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 Микроэлектронике 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 её 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, путём формирования необходимого количества электронных элементов и электрических связей между ними в объёме одного ПП кристалла 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 кристалле 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 кремния. Основные технологические операции планарно-эпитаксиальной технологии: механическая и химическая 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 плёнок – электродов, соединительных дорожек, контактных площадок (рис. 2).

Рис. 2.

Последовательность основных технологических операций одного из способов изготовления полупроводниковых ИС: А – подготовка (шлифовка, полировка) пластины кремния с проводимостью n-типа; Б – окисление кремния в атмосфере сухого кислорода; В – фотолитография (фотогравировка слоя окисла кремния, вскрытие «окон» в нём); Г – диффузия сурьмы или мышьяка через «окна» в окисле для получения высокопроводящей области «скрытого» слоя кремния n-типа (1) под коллектором будущего транзистора и базой диода; Д – эпитаксиальное наращивание кремния – нанесение слоя кремния n-типа (2): Е – изолирующая диффузия для получения взаимной электрической изоляции будущих элементов интегральной схемы (ей предшествует окисление эпитаксиального слоя и селективное удаление окисной плёнки с помощью фотолитографии) – диффузия бора, в результате которой эпитаксиальный слой разделяется на отдельные островки кремния n-типа (3), окруженные кремнием р-типа; Ж, З – формирование элементов интегральной схемы в изолированных областях кремния последовательным проведением ещё двух диффузий примесей через вскрываемые с помощью фотолитографии «окна» в дополнительно нанесённой окисной плёнке кремния [вторая диффузия – диффузия бора – производится для создания базовых областей (4) транзисторов, p-n-переходов и областей резисторов, при третьей диффузии – диффузии фосфора – формируются эмиттерные области транзисторов (5)]; И – вскрытие «окон» в окисле кремния под контакты с областями коллектора, эмиттера и базы транзисторов, р- и n- областями диодов и с резисторами; К – создание внутрисхемных соединений посредством вакуумного напыления на поверхность пластины плёнки алюминия, которая затем селективно травится с помощью фотолитографии; сохранённые участки алюминия (6) образуют электроды элементов, соединительные дорожки и контактные площадки для подсоединения структуры интегральной схемы к выводам корпуса.

Из всех перечисленных этапов технологического процесса наиболее ответственным является фотолитография. Она обеспечивает проведение избирательной обработки отдельных участков ПП пластины, например вытравливание «окон» в окисной плёнке на пластине для проведения диффузии примесей. В этом процессе используется светочувствительный лак – фоторезист. Плёнка фоторезиста, нанесённая 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 хрома). После облучения плёнка 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 кремния 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 атомами примеси), которое является новым технологическим направлением, дополняющим и частично заменяющим диффузию. Полупроводниковые ИС имеют высокий уровень интеграции (до 10 000 элементов и более в одной ИС.

Совершенствование технологии изготовления активных (диодных и транзисторных) элементов на пластинах ПП материала путём перехода на групповые методы стимулировало развитие техники печатного монтажа и плёночной технологии создания пассивных (резистивных, ёмкостных) микроминиатюрных компонентов, что послужило основой для разработки плёночных ИС. Плёночные ИС, как правило, являются чисто пассивными, т. к. нанесение монокристаллических ПП плёнок для формирования активных элементов не обеспечивает необходимого их качества. Основой для плёночной ИС служит диэлектрическая, например керамическая, подложка. Различают толстоплёночную технологию изготовления ИС – нанесение слоев проводящих, резистивных и диэлектрических паст толщиной от 1 до 25 мкм и тонкоплёночную технологию – вакуумное напыление плёнок толщиной до 1 мкм через металлические трафареты или вакуумное напыление в сочетании с последующей фотолитографической обработкой.

Плёночная ИС со смонтированными на ней бескорпусными дискретными ПП приборами (диодами, транзисторами) и бескорпусными полупроводниковыми ИС называется гибридной ИС (рис. 3).

Гибридная интегральная схема со снятой крышкой корпуса (2 идентичных операционных усилителя с 33 компонентами в каждом). На основании корпуса размещена керамическая подложка размером 29*39 мм с выполненными на ней тонкоплёночными резисторами (1) и соединительными токоведущими дорожками (2); к контактным площадкам (3) плёночной интегральной схемы подсоединены навесные элементы – бескорпусные транзисторы (4), конденсаторы (5); внешние контактные площадки (6) интегральной схемы соединены с выводами корпуса (7).

Её пассивная часть может быть выполнена многослойной, в виде набора керамических подложек со слоями плёночных элементов. После спекания подложек получается монолит с многослойным расположением электрически соединённых между собой пассивных элементов. Бескорпусные активные элементы монтируются на верхней поверхности монолита.

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

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

Сочетание плёночной 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 плёночной 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 ЭВМ. К линейным относятся все остальные ИС, предназначенные в основном для линейного (в конечном счёте) 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 Микроэлектроники идёт 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 твёрдом теле (оптоэлектроника) и взаимодействие потока электронов с акустическими волнами в твёрдом теле (акустоэлектроника), а также с использованием свойств сверхпроводников, свойств магнетиков и полупроводников в магнитных полупроводниках (магнетоэлектроника) и др.

Опубликовано в томе 16
Большой Советской Энциклопедии,
"Сов. энциклопедия", М. 1974 г.

Из книги «Александр Анатольевич Васенков». 2010 г.