Из чего делают микросхемы. Производство микросхем: технологии, материалы и оборудование для создания интегральных схем — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как производят современные интегральные микросхемы. Из каких материалов делают микросхемы. Какое оборудование используется при изготовлении микросхем. Какие этапы включает в себя технологический процесс производства микросхем.

Содержание

Основные материалы для производства микросхем

Ключевым материалом для изготовления современных интегральных микросхем является кремний. Он обладает рядом важных преимуществ:

Доступность и низкая стоимость
Возможность получения высокочистых монокристаллов большого диаметра
Хорошие полупроводниковые свойства
Стабильность характеристик при нагреве
Возможность формирования качественного диэлектрика (оксида кремния)

Помимо кремния, в производстве микросхем используются и другие полупроводниковые материалы:

Германий
Арсенид галлия
Нитрид галлия
Карбид кремния

Они применяются для создания специализированных микросхем с улучшенными характеристиками по быстродействию, рабочей температуре, радиационной стойкости.

Технологический процесс изготовления микросхем

Производство интегральных микросхем включает следующие основные этапы:

Подготовка кремниевой подложки (пластины)
Формирование на пластине активных и пассивных элементов
Создание межсоединений элементов
Корпусирование микросхем
Тестирование и отбраковка

Рассмотрим подробнее ключевые технологические операции при изготовлении микросхем.

Подготовка кремниевой подложки

На этом этапе происходит:

Выращивание монокристалла кремния методом Чохральского
Резка монокристалла на тонкие пластины толщиной 0,3-0,8 мм
Шлифовка и полировка пластин до зеркального блеска
Очистка поверхности пластин

Формирование элементов микросхемы

Основные операции на этом этапе:

Фотолитография — нанесение и формирование рисунка из фоторезиста

Легирование — создание областей с различным типом проводимости
Окисление — формирование изолирующего слоя оксида кремния
Травление — удаление ненужных участков материала
Осаждение тонких пленок различных материалов

Эти операции многократно повторяются для создания многослойной структуры микросхемы.

Оборудование для производства микросхем

Изготовление современных интегральных микросхем требует использования сложного и дорогостоящего оборудования:

Фотолитографическое оборудование

Это наиболее критичное и дорогое оборудование в производстве микросхем. Оно включает:

Установки совмещения и экспонирования
Степперы и сканеры
Системы электронно-лучевой литографии

Современные литографические системы позволяют формировать элементы размером менее 10 нм.

Оборудование для осаждения тонких пленок

Используется для нанесения различных материалов на поверхность пластины:

Установки химического осаждения из газовой фазы (CVD)
Системы физического осаждения из паровой фазы (PVD)
Электрохимические ванны для гальванического осаждения металлов

Оборудование для легирования

Применяется для внедрения примесей в кремний:

Установки ионной имплантации
Диффузионные печи

Оборудование для травления

Используется для удаления ненужных участков материала:

Установки плазмохимического травления
Системы жидкостного травления

Особенности производства высокотемпературных микросхем

Создание микросхем для работы при повышенных температурах (до 300°C) требует применения специальных технологических решений:

Использование структур «кремний на изоляторе» (КНИ) вместо обычного кремния

Применение широкозонных полупроводников (карбид кремния, нитрид галлия)
Использование металлических или стеклянных припоев вместо полимерных клеев
Применение проволоки из того же металла, что и контактные площадки
Использование барьерных слоев для предотвращения диффузии

Эти меры позволяют создавать микросхемы, способные длительно работать в экстремальных условиях.

Тенденции развития технологий производства микросхем

Основные направления совершенствования технологий изготовления интегральных микросхем:

Уменьшение минимальных размеров элементов (текущий уровень — 5-7 нм)
Переход на 300-мм пластины
Применение новых материалов (high-k диэлектрики, металлические затворы)
Использование 3D-компоновки кристаллов
Развитие технологий корпусирования на уровне пластины

Эти инновации позволяют постоянно улучшать характеристики микросхем и снижать их стоимость.

Производство микросхем в России

В России существует собственное производство интегральных микросхем. Основные предприятия отрасли:

АО «Микрон» (Зеленоград) — крупнейший производитель микроэлектроники в России и СНГ
АО «НИИМЭ» (Зеленоград) — ведущий научно-исследовательский центр в области микроэлектроники
ПАО «Ангстрем» (Зеленоград) — один из старейших производителей микросхем в России
АО «НИИЭТ» (Воронеж) — разработчик и производитель специализированных микросхем

Российские предприятия освоили технологии уровня 65-90 нм и ведут разработки по дальнейшему уменьшению проектных норм. Однако существует значительное отставание от мировых лидеров, которое пока не удается преодолеть.

Заключение

Производство интегральных микросхем — сложный высокотехнологичный процесс, требующий значительных инвестиций в оборудование и исследования. Современные микросхемы содержат миллиарды транзисторов на кристалле размером с ноготь. Дальнейшее развитие технологий позволит создавать еще более совершенные и производительные микросхемы, которые найдут применение в самых разных областях.

Технологические материалы для высокотемпературных микросхем

20 Декабря 2017

Введение

Продолжается активное внедрение электроники в разнообразные изделия, выпускаемые и эксплуатируемые различными отраслями промышленности. Электроника позволяет упростить некоторые системы, сделать их более компактными, дает возможность удалённо следить за их состоянием в режиме реального времени.

Рис. 1. Зависимость тока в режиме ожидания от температуры и типа подложки для микросхемы статической памяти SRAM

В некоторых отраслях (добыча полезных ископаемых, автомобилестроение, авиакосмическая промышленность) требуется работа электроники при повышенных температурах¹. Обычно за «повышенную температуру» принимается диапазон от +150 до +300 °C. Существуют примеры и более высокотемпературных устройств, но мы, говоря о «высокотемпературной электронике», будем придерживаться именно этого диапазона.

Основным элементом любого устройства электроники является интегральная микросхема (ИМС). Ее составные части — кристалл, выводы, корпус, связующие материалы — как по отдельности, так и в соединении друг с другом чувствительны к температуре. Во многом долговременная и стабильная работа микросхемы при высоких температурах зависит от выбора технологических материалов для её производства, который происходит на стадии проектирования.

Материалы на уровне полупроводниковой пластины

Для понимания сложности работы ИМС при повышенных температурах необходимо вспомнить базовые закономерности физики твёрдого тела:

рост проводимости при увеличении температуры в полупроводниках;
увеличение скорости диффузии;
уменьшение пробивного напряжения в диэлектриках.

Рост проводимости приводит к значительному увеличению токов утечек. Как следствие, растёт потребляемая мощность, и ещё более увеличивается тепловыделение. При высоких температурах стандартная изоляция между транзисторами ИМС с помощью p-n переходов становится неэффективной

Вместо этого необходимо применять изоляцию канавками (trench), заполненными SiO₂ либо иным диэлектриком или их композицией. Если кристалл микросхемы изготавливается на основе кремния, то разумно использовать пластины «кремний на изоляторе» (КНИ). Это позволит сократить утечки через подложку (Рис 1). Коммерчески доступны пластины производства компании Icemos Technology, где диэлектрические канавки формируются в пластине КНИ согласно топологии заказчика (Tаблица 1). Такие структуры называются TSOI (Trenched Silicon on Insulator). Другим вариантом решения проблемы возрастания токов утечки является использование широкозонных полупроводников: GaN, SiC и других³.

Таблица 1 Типичные свойства пластин TSOI (КНИ с канавками), изготавливаемых компанией Icemos Technology

Параметр

Единица измерения

Значение

Диаметр

мм

100, 125, 150

Толщина несущей пластины

мкм

350 — 1000

Легирование

—

n-тип: P, Sb, As

p-тип: B

Удельное сопротивление

Ом*см

≈0,001 — 10000

Ориентация

^—

(100), (110), (111)

Скрытый диэлектрик

—

SiO₂

Толщина скрытого диэлектрика

мкм

0,2 — 5,0

Толщина приборного слоя

мкм

1,5 — 100

Ширина изолирующей канавки

мкм

≥2

Аспектное отношение изолирующей канавки

—

15:1

Толщина изолирующего SiO₂ в канавке

мкм

0,1 — 1,0

Заполнение канавки после изоляции

мкм

Poly Si

Метод финальной планаризации поверхности

—

CMP

Увеличение скорости диффузии при повышенных температурах приводит к нежелательным явлениям. Во-первых, происходит дальнейшая диффузия примесей в полупроводнике. Во-вторых, увеличивается скорость электромиграции металла контактных площадок. В-третьих, существует риск взаимной диффузии на границах разных материалов с образованием новых фаз и химических соединений. В целом, увеличение скорости диффузии оказывает значительное влияние не только на уровень полупроводникового кристалла, но и на уровень всего электронного узла, работающего в условиях повышенной температуры. Все это необходимо учитывать при проектировании ИМС, выбирая оптимальные профили и топологию легирования, материалы с низкой скоростью взаимной диффузии, неподверженные образованию химических соединений.

Проблема возрастания пробивного напряжения в диэлектриках решается лишь конструктивно — увеличением их толщины.

Материалы для корпусирования

Монтаж кристалла

Для монтажа кристаллов микросхем используют полимерные материалы на основе эпоксидных смол, а также металлические и стеклянные припои.

Обычные эпоксидные клеи неприменимы для высокотемпературных приложений из-за постепенной деградации их основы⁴. Вместо них используют припой, например, Au80Sn₂0 в виде преформ или пасты, например, Indalloy #182. Но он не всегда приемлем из-за высокой стоимости. Привлекательной альтернативой эпоксидному клею и сплаву Au80Sn<20 являются наполненные серебром стеклоприпои, например, новый продукт компании Namics XH9930-1. Его свойства приведены в Tаблице 2.

Таблица 2 Свойства наполненного серебром стеклоприпоя Namics XH9930-1

Параметр

Единица измерения

Значение

В виде пасты

Вязкость

Па-с

18

Индекс тиксотропности

—

4,5

Содержание серебра

%

73

Плотность

г/см³

5,2

После отверждения

Сопротивление

мкОм*см

8

КТР

10^-6 °C^-1

20

Теплопроводность

Вт/м*К

80

Прочность на сдвиг

МПа

30

Содержание серебра

%

80

Этот материал обладает высокой тепло- и электропроводностью. Он может быть использован для монтажа кристаллов, предназначенных для эксплуатации при температурах до +300 °C. Данный стеклоприпой наносится на подложку методом дозирования, как эпоксидный клей для монтажа кристалла. Оплавление XH9930-1 происходит при +370 °C.

В качестве подложек для микросхем, работающих при высокой температуре, уже не может применяться стеклотекстолит, здесь необходимо использовать керамику: Al₂O₃, AlN, LTCC (Low Temperature Co-Firing Ceramics) и прочие её виды.

Корпус

Для корпусирования ИМС используется литьё под давлением с использованием компаунда на основе эпоксидной смолы, или микросхема помещается в корпус из керамики, металла или специального полимера.

В настоящее время наиболее популярен первый способ, обеспечивающий массовость выпуска и низкую стоимость изделий. К сожалению, метод неприменим для высокотемпературной электроники из-за деградации самой смолы.

Эпоксидный компаунд проницаем для влаги. Поэтому при высоких температурах возможно ускорение коррозии проволоки, используемой для разварки кристалла. Это означает, что лучше использовать корпуса, которые обеспечивают герметичность.

Для высокотемпературных применений наилучшим будет использование корпусов из керамики (например, LTCC), а также металлостеклянных корпусов. Разумно использовать системы в корпусе (СВК, SiP — System in Package) вместо применения каждой микросхемы в индивидуальном корпусе. Это полезно с точки зрения сокращения массогабаритных характеристик сборки, уменьшения термомеханических напряжений при нагреве платы, сокращения длины проводников.

Присоединение выводов

Рис. 2. Дефекты на границе припоя PbSn и Cu после теста на ускоренное старение: интерметаллиды Cu6Sn5, Cu3Sn, пустоты

Электрическое соединение контактных площадок полупроводникового кристалла и выводов корпуса осуществляется либо с помощью столбиковых или шариковых выводов (т. н. «flip chip», монтаж перевёрнутого кристалла), либо с помощью проволоки.

Соединение контактных площадок кристалла с выводами корпуса (или дорожками платы) для высокотемпературной электроники — тоже непростая задача. Стандартная технология монтажа перевёрнутого кристалла на текстолитовую подложку с использованием бессвинцовых выводов здесь неприменима. Во-первых, это связано с ростом фазовых включений интерметаллидов Cu/Sn/Ag или Au/Sn/Ni/Ag (в зависимости от сплава и металлизации подложки). Интерметаллические соединения обладают высокой твёрдостью и хрупкостью, что приводит к отрыву выводов при высоких механических нагрузках или термоциклировании (Рис 2). Во-вторых, типичные материалы для заливки зазора между подложкой и чипом (underfill) на основе эпоксидных смол подвержены деградации при высоких температурах из-за химических свойств их основы.

Использование проволочной разварки также ограничено при создании изделий высокотемпературной электроники. В мировой практике для разварки микросхем наиболее часто используют проволоку из Au или Cu на контактных площадках из алюминия. Как золото, так и медь формируют интерметаллические соединения с алюминием (рис 3 и 4), которые приводят к потере прочности выводов⁵.

Одним из решений описанной проблемы является использование соединений из того же металла, что и контактная площадка, например, Al. Также возможно создание дополнительных барьеров для диффузии (W, Ta, Ni, Ti и др.). Существуют виды проволоки, в которых образование хрупких интерметаллических соединений подавляется с помощью определённых элементов. Например, компания Tanaka производит проволоку типа GPG, в которую добавлен палладий.

Рис. 3. Трещины на границе алюминия и золота из-за формирования хрупких интерметаллических соединений [X3] Рис. 4. Контактная площадка из Al после отрыва проволоки из Cu из-за формирования хрупких интерметаллических соединений

Заключение

Создание микросхем, рассчитанных на работу при температурах до +300 °C, требует применения особых приёмов при конструировании и выборе технологических материалов.

На уровне кристалла вместо объёмного кремния целесообразнее использовать структуры КНИ. Высокотемпературная электроника также является одним из применений, где в качестве полупроводниковых материалов имеет смысл использовать SiC, GaN. Для монтажа кристаллов высокотемпературных микросхем уже не подходят клеи на основе полимерных материалов, и вместо них следует применять металлические или стеклянные припои. Для присоединения выводов рекомендуется использовать проволоку, изготовленную из того же металла, что и контактная площадка кристалла, либо использовать барьерную металлизацию.

Группа компаний Остек тесно сотрудничает с производителями материалов, ведущих активные разработки продуктов для применения в высокотемпературной электронике. Специалисты компании готовы оказать технологическую поддержку при создании высокотемпературных микросхем, совместно с производителями материалов и оборудования провести исследования и тесты.

¹ G. Watson, G. Castro, High-Temperature Electronics Pose Design and Reliability Challenges

² High Temperature Electronics, F. Patrick McCluskey, Thomas Podlesak, Richard Grzybowski, December 13, 1996 by CRC Press, Reference — 352 Pages

³ Z. Szczepanski, R. Kisiel, SiC die-substrate connections for high temperature applications, MATERIAŁY ELEKTRONICZNE, T. 37–2009 NR 1

⁴ M.B. Neiman et al, The Thermal Degradation of Some Epoxy Resins, Journal of Polymer Science Vol. 56, PP 383–389 , 1962

⁵ D. Kim et al, Formation and behavior of Kirkendall voids within intermetalliclayers of solder joints, Journal of Materials Science: Materials in Electronics, Vol. 22, PP 703–716

Автор, должность:
Александр Скупов, главный специалист
Отдел:
отдел технического сопровождения
Email:
[email protected]
Издание:
Вектор высоких технологий №6(35) 2017

Как производят микросхемы.

Как делают интегральные микросхемы

Без чего сложно представить существование современного человека? Конечно, без современной техники. Некоторые вещи так вошли в нашу жизнь, так приелись. Интернет, телевизор, микроволновки, холодильники, стиральные машины – без этого сложно представить современный мир и, конечно, себя в нем.

Что делает практически всю сегодняшнюю технику по-настоящему полезной и нужной?

Какое изобретение предоставило прогрессу широчайшие возможности?

Одно из самых незаменимых открытий человека — технология производства микросхем.

Благодаря ей современная техника имеет такие небольшие размеры. Она компактна и удобна.

Все мы знаем, что в доме может уместиться огромное количество вещей, состоящих из микросхем. Многие из них помещаются в кармане брюк и имеют незначительный вес.

Тернистый путь

Чтобы добиться результата и получить микросхему, ученые трудились долгие годы. Начальные схемы имели огромнейшие по нынешним меркам размеры, они были больше и тяжелее холодильника, при ом что современный холодильник не состоит сплошь из сложных и запутанных схем. Ничего подобного! В нем есть одна маленькая, но превосходящая по своей полезности старые и громоздкие. Открытие произвело фурор, дав толчок дальнейшему развитию науки и техники, прорыв был сделан. Оборудование для производства микросхем выпущено.

Оборудование

Производство микросхем является непростой задачей, но благо у человека имеются те технологии, которые максимально упрощают задачу производства. Несмотря на сложность, ежедневно выпускается огромное количество микросхем по всему миру. Они постоянно совершенствуются, приобретают новые особенности и повышенные характеристики. Как же появляются эти маленькие, но умные системы? В этом помогает оборудование для производства микросхем, о котором, собственно, говорится далее.

При создании микросхем используются системы электрохимического осаждения, камеры отмывки, лабораторные окислительные камеры, системы электроосаждения меди, фотолитографическое и другое технологическое оборудование.

Фотолитографическое оборудование является самым дорогим и точным в машиностроении. Оно отвечает за создание изображений на кремниевой подложке для выработки намеченной топологии микросхемы. На тонкий слой материала наносится фоторезист, впоследствии подвергающийся облучению фотошаблоном и оптической системой. В процессе работы оборудования идет уменьшение размеров элементов рисунка.

В системах позиционирования ведущую роль играет линейный электродвигатель и лазерный интерферометр, имеющие часто обратную связь. Но, например, в технологии, разработанной московской лабораторией «Амфора», такая связь отсутствует. Это отечественное оборудование имеет более точное перемещение и плавное повторение с обеих сторон, что исключает возможность люфта.

Специальные фильтры защищают маску от нагревания, исходящего от области глубокого ультрафиолета, перенося температуру за 1000 градусов на протяжении долгих месяцев работы.

Низкоэнергетичные ионы осваивают в нанесении на многослойные покрытия. Ранее эта работа выполнялась исключительно методом магнетронного распыления.

Технология производства микросхем

Начинается весь процесс создания с подбора полупроводниковых кристаллов. Самым актуальным является кремний. Тонкую полупроводниковую пластину начищают до возникновения зеркального отображения в ней. В дальнейшем обязательным этапом создания будет фотолитография с применением ультрафиолета при нанесении рисунка. В этом помогает станок для производства микросхем.

Что такое микросхема? Это такой многослойный пирожок из тонких кремниевых пластин. На каждую из них нанесен определенный рисунок. Этот самый рисунок и создается на этапе фотолитографии. Пластины осторожно помещают в специальное оборудование с температурой свыше 700 градусов. После обжига их промывают водой.

Процесс создания многослойной пластины занимает до двух недель. Фотолитографию проводят многочисленное количество раз вплоть до достижения необходимого результата.

Создание микросхем в России

Отечественные ученые в этой отрасли также имеют собственные технологии производства цифровых микросхем. По всей стране функционируют заводы соответствующего профиля. На выходе технические характеристики мало чем уступают конкурентам из других стран. Отдают предпочтение российским микросхемам в нескольких государствах. Все благодаря зафиксированной цене, которая меньше, чем у западных производителей.

Необходимые составляющие выпуска качественных микросхем

Микросхемы создаются в помещениях, оборудованных системами, контролирующими чистоту воздуха. На всем этапе создания специальные фильтры собирают информацию и обрабатывают воздух, тем самым делая его чище, чем в операционных. Работники на производстве носят специальные защитные комбинезоны, которые часто оборудованы системой внутренней подачи кислорода.

Производство микросхем является прибыльным бизнесом. Хорошие специалисты в этой области всегда востребованы. Практически вся электроника функционирует за счет микросхем. Ими оснащаются современные автомобили. Космические аппараты не смогли бы функционировать без наличия в них микросхем. Процесс получения регулярно совершенствуется, качество улучшается, возможности расширяются, срок пригодности растет. Микросхемы будут актуальны на протяжении долгих десятков, а то и сотен лет. Главная их задача — приносить пользу на Земле и вне ее.

Микросхема

Современные интегральные микросхемы, предназначенные для поверхностного монтажа.

Советские и зарубежные цифровые микросхемы.

Интегра́льная (engl. Integrated circuit, IC, microcircuit, microchip, silicon chip, or chip), (микро )схе́ма (ИС, ИМС, м/сх ), чип , микрочи́п (англ. chip — щепка, обломок, фишка) — микроэлектронное устройство — электронная схема произвольной сложности, изготовленная на полупроводниковом кристалле (или плёнке) и помещённая в неразборный корпус. Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой (МС) — ИС, заключённую в корпус. В то же время выражение «чип компоненты» означает «компоненты для поверхностного монтажа» в отличие от компонентов для традиционной пайки в отверстия на плате. Поэтому правильнее говорить «чип микросхема», имея в виду микросхему для поверхностного монтажа. В настоящий момент ( год) большая часть микросхем изготавливается в корпусах для поверхностного монтажа.

История

Изобретение микросхем началось с изучения свойств тонких оксидных плёнок, проявляющихся в эффекте плохой электро-проводимости при небольших электрических напряжениях. Проблема заключалась в том, что в месте соприкосновения двух металлов не происходило электрического контакта или он имел полярные свойства. Глубокие изучения этого феномена привели к открытию диодов а позже транзисторов и интегральных микросхем.

Уровни проектирования

Физический — методы реализации одного транзистора (или небольшой группы) в виде легированных зон на кристалле.
Электрический — принципиальная электрическая схема (транзисторы , конденсаторы , резисторы и т. п.).
Логический — логическая схема (логические инверторы , элементы ИЛИ-НЕ, И-НЕ и т. п.).
Схемо- и системотехнический уровень — схемо- и системотехническая схемы (триггеры , компараторы , шифраторы , дешифраторы , АЛУ и т. п.).
Топологический — топологические фотошаблоны для производства.
Программный уровень (для микроконтроллеров и микропроцессоров) — команды ассемблера для программиста .

В настоящее время большая часть интегральных схем разрабатывается при помощи САПР , которые позволяют автоматизировать и значительно ускорить процесс получения топологических фотошаблонов.

Классификация

Степень интеграции

Назначение

Интегральная микросхема может обладать законченным, сколь угодно сложным, функционалом — вплоть до целого микрокомпьютера (однокристальный микрокомпьютер).

Аналоговые схемы

Генераторы сигналов
Аналоговые умножители
Аналоговые аттенюаторы и регулируемые усилители
Стабилизаторы источников питания
Микросхемы управления импульсных блоков питания
Преобразователи сигналов
Схемы синхронизации
Различные датчики (температуры и др. )

Цифровые схемы

Логические элементы
Буферные преобразователи
Модули памяти
(Микро)процессоры (в том числе ЦПУ в компьютере)
Однокристальные микрокомпьютеры
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 (резистивном) состоянии.
Высокая помехоустойчивость цифровых устройств связана с большим отличием сигналов высокого (например 2,5 — 5 В) и низкого (0 — 0,5 В) уровня. Ошибка возможна при таких помехах, когда высокий уровень воспринимается как низкий и наоборот, что мало вероятно. Кроме того, в цифровых устройствах возможно применение специальных кодов , позволяющих исправлять ошибки.
Большое отличие сигналов высокого и низкого уровня и достаточно широкий интервал их допустимых изменений делает цифровую технику нечувствительной к неизбежному в интегральной технологии разбросу параметров элементов, избавляет от необходимости подбора и настройки цифровых устройств.

Современный мир настолько компьютеризирован, что наша жизнь практически не представляется без существования электронных приборов, сопровождающие нас во всех сферах нашей жизни и деятельности.
А прогресс не стоит на месте, а продолжается непрерывно совершенствоваться: устройства уменьшаются и становятся более мощные, более емкостные и более производительные. В основе этого процесса находится технология производства микросхем , представляющая собой в упрощенном варианте соединение нескольких без корпусных диодов, триодов, транзисторов, резисторов и других активных электронных компонентов (иногда их число в одной микросхеме достигает нескольких миллионов), объединенных одной схемой.

Полупроводниковые кристаллы (кремний, германия, оксид гафния, арсенид галлия) — являются основой производства всех микросхем. На них выполняются все элементные и межэлементные соединения. Самым распространенным из них является кремний, так как он по своим физико-химическим качествам, больше всех подходит для этих целей, полупроводником. Дело в том что полупроводниковые материалы относятся к классу с электрической проводимостью, находящейся между проводниками и изоляторами. И могут выступать в роли проводников и диэлектриков в зависимости от содержания в них других химических примесей.

Микросхемы создаются путем последовательного создания различных слоев на тонкой полупроводниковой пластине, которые предварительно полируются и доводятся механическими или химическими способами до зеркального блеска. Поверхность ее обязательно должна быть совершенно гладкой на атомном уровне.

Видео-этапы производства микросхемы:

При формировании слоев, из-за того что рисунки наносимые на поверхность пластины настолько малы, поэтому материал формирующий впоследствии рисунок осаждают сразу на всю поверхность, а потом удаляют ненужное, используя процесс фотолитографии.

Фотолитография является одним из главных этапов производства микросхемы и чем то напоминает производство фотографии. На поверхность ранее нанесенного материала так же ровным слоем наносится специальный светочувствительный материал (фоторезист), затем он высушивается. Далее через специальный фотошаблон на поверхность слоя проецируется необходимый рисунок. Под воздействием ультрафиолета отдельные участки фоторезиста меняют свои свойства — крепчает, поэтому необлученные участки впоследствии удаляются. Этот способ нанесения рисунка является настолько эффективным по своей точности, что будет еще использоваться долгое время.

Далее следует процесс электрического соединения между транзисторами в микросхемах, объединяющие транзисторы в отдельные ячейки, а ячейки в отдельные блоки. Межсоединения создаются в несколько металлических слоев законченных микросхем. В качестве материалов в производстве слоев используется в основном медь, а для особо производительных схем используется золото. Количестве слоев электрических соединений зависит от мощности и производительности создаваемой микросхемы — чем она мощнее том больше содержит в себе этих слоев.

Таким образом получается сложная трехмерная структура электронной микросхемы толщиной несколько микрон. Затем электронную схему покрывают слоем диэлектрического материала толщиной несколько десятков микрон. В нем лишь открывают лишь контактные площадки, через которые впоследствии подаются в микросхему питание и электрические сигналы из вне. Снизу крепится кремневая пластина толщиной в сотни микрон.

По окончании процесса производства кристаллы на пластине тестируются каждая в отдельности. Потом каждый чип упаковывается в свой корпус, при помощи которого и появляется возможность подключения его к другим приборам. Несомненно тип упаковки зависит от предназначения микросхемы и способов ее использования. Упакованные чипы проходят основной этап стресс теста: воздействие температур, влажности, электричества. И уже по результатам теста отбраковываются, сортируются и классифицируются по спецификациям.

Важным в процессе производства деталей микроуровня, какими являются микросхемы — это идеальная чистота помещений для производства. Поэтому для обеспечения идеальной чистоты используются специально-оборудованные помещения, которые в первую очередь являются полностью герметичными, оснащены микрофильтрами для очистки воздуха, персонал, работающий в этих помещениях, имеет спецодежду, препятствующую проникновения туда каких либо микрочастиц.

Кроме того в таких помещениях обеспечивается определенная влажность, температура воздуха, строятся они на фундаментах с защитой от вибраций.

Видео — экскурсия на завод где производят микросхемы:

Вперед —

У вас есть Бизнес Идея? На нашем сайте Вы можете рассчитать её Рентабельность в режиме Онлайн!

В этой статье мы поговорим о микросхемах, какие типы бывают, как устроены и где используются. Вообще, в современной электронной технике трудно найти устройство, в котором бы не использовались микросхемы. Даже самые дешёвые китайские игрушки задействуют различные планарные, залитые компаундом чипы, на которые возложена функция управления. Причём с каждым годом они становятся всё более сложными внутри, но более простыми в эксплуатации и меньшими по размерам, снаружи. Можно сказать, что идёт постоянная эволюция микросхем.

Микросхема представляет собой электронное устройство или его часть способную выполнять ту или иную задачу. Если бы потребовалось решить такую задачу, которую решают многие микросхемы, на дискретных элементах, на транзисторах, то устройство, вместо маленького прямоугольника размерами 1 сантиметр на 5 сантиметров, занимало бы целый шкаф, и было бы намного менее надежным. А ведь так выглядели вычислительные машины ещё пол-сотни лет назад!

Электронный шкаф управления — фото

Конечно, для работы микросхемы недостаточно просто подать питание на неё, необходим еще так называемый «обвес ”, то есть те вспомогательные детали на плате, вместе с которыми микросхема сможет выполнять свою функцию.

Обвес микросхемы — рисунок

На рисунке выше красным выделена сама микросхема все остальные детали — это её «обвес ”. Очень часто микросхемы при своей работе нагреваются, это могут быть микросхемы стабилизаторов, микропроцессоров и других устройств. В таком случае чтобы микросхема не сгорела её нужно прикрепить на радиатор. Микросхемы, которые при работе должны нагреваться, проектируются сразу со специальной теплоотводящей пластиной — поверхностью, находящейся обычно с обратной стороны микросхемы, которая должна плотно прилегать к радиатору.

Но в соединении даже у тщательно отшлифованных радиатора и пластины, все равно будут микроскопические зазоры, в результате которых тепло от микросхемы будет менее эффективно передаваться радиатору. Для того чтобы заполнить эти зазоры применяют теплопроводящую пасту. Ту самую, которую мы наносим на процессор компьютера, перед тем как закрепить на нем сверху радиатор. Одна из наиболее широко применяемых паст, это КПТ–8 .

Усилители на микросхемах можно спаять буквально за 1-2 вечера, и они начинают работать сразу, не нуждаясь в сложной настройке и высокой квалификации настраивающего. Отдельно хочу сказать про микросхемы автомобильных усилителей, из обвеса там иногда бывает буквально 4-5 деталей. Чтобы собрать такой усилитель, при определенной аккуратности, не требуется даже печатная плата (хотя она желательна) и можно собрать все навесным монтажем, прямо на выводах микросхемы.

Правда, такой усилитель после сборки лучше сразу поместить в корпус, потому, что такая конструкция ненадежна, и в случае случайного замыкания проводов можно легко спалить микросхему. Поэтому рекомендую всем начинающим, пусть потратить немного больше времени, но сделать печатную плату.

Регулируемые блоки питания на микросхемах — стабилизаторах даже проще в изготовлении, чем аналогичные на транзисторах. Посмотрите, сколько деталей заменяет простейшая микросхема LM317:

Микросхемы на печатных платах в электронных устройствах могут быть припаяны как непосредственно, к дорожкам печати, так и посажены в специальные панельки.

Панелька под дип микросхему — фото

Разница заключается в том, что в первом случае для того чтобы нам заменить микросхему нам придется её предварительно выпаять. А во втором случае, когда мы посадили микросхему в панельку, нам достаточно достать микросхему из панельки, и её можно с легкостью заменить на другую. Типичный пример замены микропроцессора в компьютере.

Также, к примеру, если вы собираете устройство на микроконтроллере на печатной плате, и не предусмотрели внутрисхемное программирование, вы сможете, если впаяли в плату не саму микросхему, а панельку, в которую она вставляется, то микросхему можно достать и подключить к специальной плате программатора.

В таких платах уже впаяны панельки под разные корпуса микроконтроллеров для программирования.

Аналоговые и цифровые микросхемы

Микросхемы выпускаются различных типов, они могут быть как аналоговыми так и цифровыми. Первые, как становится ясно из названия, работают с аналоговой формой сигнала, вторые же работают с цифровой формой сигнала. Аналоговый сигнал может принимать различную форму.

Цифровой сигнал это последовательность единиц и нулей, высокого и низкого уровня сигналов. Высокий уровень обеспечивается подачей на вывод 5 вольт или напряжения близкого к этому, низкий уровень это отсутствие напряжения или 0 вольт.

Существуют также микросхемы АЦП (аналогово — цифровой преобразователь ) и ЦАП (цифро — аналоговый преобразователь ) которые осуществляет преобразование сигнала из аналогового в цифровой, и наоборот. Типичный пример АЦП используется в мультиметре, для преобразования измеряемых электрических величин и отображения их на экране мультиметра. На рисунке ниже АЦП — это черная капля, к которой со всех сторон подходят дорожки.

Микроконтроллеры

Сравнительно недавно, по сравнению с выпуском транзисторов и микросхем, был налажен выпуск микроконтроллеров. Что же такое микроконтроллер?

Это специальная микросхема, может выпускаться как в Dip так и в SMD исполнении, в память которой может быть записана программа, так называемый Hex файл . Это файл откомпилированной прошивки, которая пишется в специальном редакторе программного кода. Но мало написать прошивку, нужно перенести, прошить, её в память микроконтроллера.

Программатор — фото

Для этой цели служит программатор . Как многим известно, есть много разных типов микронтроллеров — AVR , PIC и другие, для разных типов нам требуются разные программаторы. Также существует и , каждый сможет найти и изготовить себе подходящий по уровню знаний и возможностей. Если нет желания делать программатор самому, то можно купить готовый в интернет магазине или заказать с Китая.

На рисунке выше изображен микроконтроллер в SMD корпусе. Какие же плюсы есть в использовании микроконтроллеров? Если раньше, проектируя и собирая устройство на дискретных элементах или микросхемах, мы задавали работу устройства путем определенного, часто сложного соединения на печатной плате с использованием множества деталей. То теперь нам достаточно написать программу для микроконтроллера, которая будет делать тоже самое программным путем, зачастую быстрее и надежнее, чем схема без применения микроконтроллеров. Микроконтроллер представляет собой целый компьютер, с портами ввода — вывода, возможностью подключения дисплея и датчиков, а также управление другими устройствами.

Конечно усовершенствование микросхем на этом не остановится, и можно предположить, что лет через 10 возникнут действительно микросхемы от слова «микро » — невидимые глазу, которые будут содержать миллиарды транзисторов и других элементов, размерами в несколько атомов — вот тогда действительно создание сложнейших электронных устройств станет доступно даже не слишком опытным радиолюбителям! Наш краткий обзор подошёл к концу, с вами был AKV .

Обсудить статью МИКРОСХЕМЫ

Появление интегральных микросхем произвело настоящую технологическую революцию в электронике и IT-индустрии. Казалось бы, всего несколько десятилетий назад для простейших электронных вычислений применялись огромные ламповые компьютеры, занимавшие по несколько комнат и даже целые здания.

Эти компьютеры содержали в себе многие тысячи электронных ламп, которые требовали для своей работы колоссальных электрических мощностей и особых систем охлаждения. Сегодня им на смену пришли компьютеры на интегральных микросхемах.

По сути интегральная микросхема представляет собой сборку из многих полупроводниковых компонентов микроскопической величины, размещенных на подложке и упакованных в миниатюрный корпус.

Один современный чип размером с человеческий ноготь может содержать внутри несколько миллионов диодов, транзисторов, резисторов, соединительных проводников и других компонентов, которые в былые времена потребовали бы для своего размещения пространство довольно крупного ангара.

За примерами далеко ходить не нужно, процессор i7, например, содержит на площади менее 3 квадратных сантиметров более трех миллиардов транзисторов! И это не предел.

Далее теперь рассмотрим основу процесса создания микросхем. Микросхема формируется по планарной (поверхностной) технологии путем литографии. Это значит, что она как бы выращивается из полупроводника на кремниевой подложке.

Первым делом подготавливается тонкая кремниевая пластина, которую получают из монокристалла кремния путем отрезания от цилиндрической заготовки при помощи диска с алмазным напылением. Пластину полируют в особых условиях, чтобы избежать попадания на нее загрязнений и любой пыли.

После этого пластину оксидируют — воздействуют на нее кислородом при температуре порядка 1000°C с целью получить на ее поверхности слой прочной диэлектрической пленки диоксида кремния толщиной в необходимое количество микрон. Толщина получаемого таким образом слоя оксида зависит от времени воздействия кислородом, а также от температуры подложки во время оксидирования.

Далее на слой диоксида кремния наносят фоторезист — светочувствительной состав, который после облучения растворяется в определенном химическом веществе. На фоторезист кладут трафарет — фотошаблон с прозрачными и непрозрачными участками. Затем пластину с нанесенным на нее фоторезистом экспонируют — засвечивают источником ультрафиолетового излучения.

В результате экспонирования та часть фоторезиста, которая находилась под прозрачными участками фотошаблона, изменяет свои химические свойства, и теперь может быть легко удалена вместе с находящимся под ним диоксидом кремния специальными химикатами, при помощи плазмы или другим способом — это называется травлением. По окончании травления незащищенные фоторезистом (засвеченные) места пластины оказываются очищены от засвеченного фоторезиста и затем — от диоксида кремния.

После травления и очищения от незасвеченного фоторезиста тех мест подложки, на которых остался диоксид кремния, приступают к эпитаксии — наносят на кремниевую пластину слои нужного вещества толщиной в один атом. Таких слоев может быть нанесено столько, сколько необходимо. Далее пластину нагревают и осуществляют диффузию ионов определенных веществ, чтобы получить p и n-области. В качестве акцептора используют бор, а в качестве доноров — мышьяк и фосфор.

В завершении процесса производят металлизацию алюминием, никелем или золотом, чтобы получить тонкие проводящие пленки, которые будут выступать в роли соединительных проводников для выращенных на подложке на предыдущих этапах транзисторов, диодов, резисторов и т. д. Таким же образом выводят контактные площадки для монтажа микросхемы на печатную плату.

Собирают микросхемы. Как делают интегральные микросхемы

Видео-этапы производства микросхемы:

Видео — экскурсия на завод где производят микросхемы:

Вперед —

У вас есть Бизнес Идея? На нашем сайте Вы можете рассчитать её Рентабельность в режиме Онлайн!

В этой статье мы поговорим о микросхемах, какие типы бывают, как устроены и где используются.

Вообще, в современной электронной технике трудно найти устройство, в котором бы не использовались микросхемы. Даже самые дешёвые китайские игрушки задействуют различные планарные, залитые компаундом чипы, на которые возложена функция управления. Причём с каждым годом они становятся всё более сложными внутри, но более простыми в эксплуатации и меньшими по размерам, снаружи. Можно сказать, что идёт постоянная эволюция микросхем.

Электронный шкаф управления — фото

Обвес микросхемы — рисунок

Панелька под дип микросхему — фото

В таких платах уже впаяны панельки под разные корпуса микроконтроллеров для программирования.

Аналоговые и цифровые микросхемы

Микроконтроллеры

Программатор — фото

Обсудить статью МИКРОСХЕМЫ

Панюшкин В.В.

(«ХиЖ», 2014, №4)

Производство крошечных чипов, дающих жизнь ноутбуку, — одно из самых сложных и изощренных. Оно состоит более чем из трех сотен операций, и один производственный цикл может длиться до нескольких недель. Как выглядит этот процесс в упрощенном виде?

Наносим слой кремния

Первое, что необходимо сделать, — создать на поверхности кремниевой подложки диаметром в 30 см дополнительный слой. Атомы кремния наращивают на подложку методом эпитаксии: они постепенно оседают на кремниевую поверхность из газовой фазы. Процесс протекает в вакууме, ничего лишнего здесь нет, поэтому в результате на поверхности образуется тончайший слой чистейшего кремния с той же кристаллической структурой, что и кремниевая подложка, только еще чище. Иными словами, мы получаем несколько улучшенную подложку.

Наносим защитный слой

Теперь на поверхности подложки надо создать защитный слой, то есть попросту окислить ее, чтобы образовалась тончайшая пленка оксида кремния SiO 2 .

Ее функция очень важна: оксидная пленка в дальнейшем будет мешать электрическому току утекать с пластины. Кстати, в последнее время вместо традиционного диоксида кремния компания Intel стала использовать high-k-диэлектрик на основе оксидов и силикатов гафния, у которых более высокая по сравнению с оксидом кремния диэлектрическая проницаемость k. Слой high-k диэлектрика делают примерно в два раза толще, чем слой обычного SiO 2 , за счет сужения соседних областей, но благодаря этому при сравнимой емкости ток утечки удается уменьшить в сто раз. Это позволяет продолжать миниатюризацию процессоров.

Наносим слой фоторезиста

На защитный слой оксида кремния необходимо нанести фоторезист — полимерный материал, свойства которого изменяются под воздействием излучения. Чаще всего в этой роли выступают полиметакрилаты, арилсульфоэфиры и фенлформальдегидные смолы, которые разрушаются под воздействием ультрафиолета (этот процесс называется фото- литографией). Их наносят на вращающуюся подложку, опрыскивая ее аэрозолем упомянутого вещества. В принципе можно также использовать электронный луч (электронно-лучевую литографию) или мягкое рентгеновское излучение (рентгеновскую литографию), подбирая к ним соответствующие чувствительные вещества. Но мы рассмотрим традиционный процесс фотолитографии.

Облучаем ультрафиолетом

Теперь подложка готова к контакту с ультрафиолетом, но не прямому, а через посредника — фотомаску, которая играет роль трафарета. По сути, фотомаска — это рисунок будущей микросхемы, только увеличенный в несколько раз. Чтобы спроецировать его на поверхность подложки, используют специальные линзы, уменьшающие изображение. Это дает поразительную четкость и точность проекции.

Ультрафиолет, проходя через маску и линзы, проецирует изображение будущей схемы на подложку. На фотомаске будущие рабочие участки интегральной микросхемы прозрачны для ультрафиолета, а пассивные участки — наоборот. В тех местах на подложке, где должны быть расположены активные структурные элементы, облучение разрушает фоторезист. А на пассивных участках разрушение не происходит, потому что туда ультрафиолет не попадает: трафарет он и есть трафарет. Химическая реакция, которая происходит в слое под воздействием ультрафиолета, очень похожа на реакцию в пленке, происходящую во время фотографирования. Разрушенный фоторезист легко растворяется, поэтому убрать с подложки продукты разложения несложно. Кстати, для создания одного процессора бывает необходимо до 30 различных фотомасок, поэтому этап повторяют по мере нанесения слоев друг на друга.

Травим

Итак, рисунок будущей схемы со всеми элементами размером вплоть до нескольких нанометров перенесен на поверхность подложки. Области, где защитный слой разрушился, теперь должны быть вытравлены. При этом пассивные участки не пострадают, поскольку они защищены полимерным слоем фоторезиста, который не разрушился на предыдущей стадии. Облученные области вытравливают либо химическими реагентами, либо физическими методами.

В первом случае, чтобы разрушить слой диоксида кремния, используют составы на основе фтористоводородной кислоты и фторида аммония. Жидкостное травление — дело хорошее, но есть проблема: жидкость так и норовит затечь под слой резиста на соседних пассивных участках. А в результате детали вытравленного рисунка по размеру оказываются больше, чем предусмотрено маской. Поэтому предпочтительнее сухой физический метод — реактивное ионное травление с помощью плазмы. Для каждого материала, подвергаемого сухому травлению, подбирают соответствующий реактивный газ. Так, кремний и его соединения травят хлор- и фторсодержащей плазмой (CCl 4 + Cl 2 + Ar, ClF 3 + Cl 2 , CHF 3 , CF 4 + H 2 , C 2 F 6). Правда, у сухого травления тоже имеется недостаток — меньшая по сравнению с жидкостным травлением селективность. К счастью, на этот случай есть универсальный метод — ионно-лучевое травление. Оно пригодно для любого материала или сочетания материалов и обладает наивысшей среди всех методов травления разрешающей способностью, позволяя получать элементы с размером менее 10 нм.

Легируем

Теперь настало время ионной имплантации. Она позволяет внедрить практически любые химические элементы в необходимом количестве на заданную глубину на протравленных участках, где обнажилась кремниевая подложка. Цель этой операции — изменить тип проводимости и концентрацию носителей в объеме полупроводника для получения нужных свойств, например — требуемой плавности p-n-перехода. Самые распространенные легирующие примеси для кремния — это фосфор, мышьяк (обеспечивают электронную проводимость n-типа) и бор (дырочную проводимость p-типа). Ионы имплантируемых элементов в виде плазмы разгоняют до высоких скоростей электромагнитным полем и бомбардируют ими подложку. Энергичные ионы проникают в незащищенные участки, погружаясь в образец на глубину от нескольких нанометров до нескольких микрометров.

После внедрения ионов фоторезистивный слой удаляют, а полученную конструкцию отжигают при высокой температуре, чтобы восстановилась нарушенная структура полупроводника и ионы лиганда заняли узлы кристаллической решетки. В целом первый слой транзисторов готов.

Делаем окна

Поверх полученного транзистора необходимо нанести изолирующий слой, на котором тем же методом фотолитографии вытравливают три «окна». Через них в дальнейшем будут создаваться контакты с другими транзисторами.

Наносим металл

Теперь всю поверхность пластины покрывают слоем меди с помощью вакуумного напыления. Медные ионы проходят от положительного электрода (анода) к отрицательному электроду (катоду), роль которого играет подложка, и садятся на него, заполняя окна, созданные с помощью травления. Затем поверхность полируют, удаляя лишнюю медь. Металл наносят в несколько этапов, чтобы создать межсоединения (их можно представить как соединительные провода) между отдельными транзисторами.

Раскладка таких межсоединений определяется архитектурой микропроцессора. Таким образом в современных процессорах устанавливаются связи между примерно 20 слоями, формирующими сложную трехмерную схему. Количество слоев может меняться в зависимости от типа процессора.

Тестируем

Наконец наша пластинка готова к тестированию. Главный контролер здесь — зондовые головки на установках автоматической разбраковки пластин. Прикасаясь к пластинкам, они измеряют электрические параметры. Если что не так — помечают бракованные кристаллы, которые затем отбрасывают. Кстати, кристаллом в микроэлектронике называют единичную интегральную микросхему произвольной сложности, размещенную на полупроводниковой пластине.

Режем

Далее пластины разделяют на единичные кристаллы. На одной подложке диаметром 30 см помещается около 150 микросхем размером примерно 2х2 см. Для разделения пластину либо надрезают алмазным резцом или лазерным лучом, а потом разламывают по готовым надрезам, либо сразу разрезают алмазным диском.

Процессор готов !

После этого соединяют контактную площадку, обеспечивающую связь процессора с остальной системой, кристалл и крышку, отводящую тепло от кристалла к кулеру.

Процессор готов! По моим (наверняка очень неточным) прикидкам, на изготовление одного современного процессора, такого, например, как четырехъядерный Intel Core i7, необходимо затратить около месяца работы сверхсовременной фабрики и 150 кВт.ч электроэнергии. При этом масса кремния и химикатов, расходуемых на один кристалл, исчисляется максимум граммами, меди — долями грамма, золота для контактов — миллиграммами, а лигандов вроде фосфора, мышьяка, бора — и того меньше.

Словарик

Для тех, кто рискует запутаться в подложках, чипах, процессорах и кристаллах, приводим маленький словарик терминов.

Подложка — круглая монокристаллическая кремниевая пластина диаметром от 10 до 45 см, на которой выращивают полупроводниковые микросхемы методом эпитаксии.

Кристалл, чип, интегральная микросхема — не связанная с другими часть подложки с выращенной на ней многослойной системой транзисторов, соединенных медными контактами. В дальнейшем используется как основная часть микропроцессора.

Лиганд (легирующая примесь) — в случае полупроводниковых материалов вещество, атомы которого встраиваются в решетку кристалла кремния, изменяя его проводимость.

Процессор, микропроцессор — центральный вычислительный элемент современных компьютеров. Состоит из кристалла, помещенного на контактную площадку и закрытого теплоотводящей крышкой.

Фотомаска — полупрозрачная пластина с рисунком, сквозь который проходит свет при облучении фоторезиста.

Фоторезист — полимерный светочувствительный материал, свойства которого, например растворимость, изменяются после воздействия на него определенного типа излучения.

Эпитаксия — закономерный ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого. В данном случае слово «кристалл» употребляется в своем основном значении. Существует множество методов получения упорядоченных кристаллов, основанных на эпитаксиальном наращивании.

Микросхема

Современные интегральные микросхемы, предназначенные для поверхностного монтажа.

Советские и зарубежные цифровые микросхемы.