МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА область< электроники,
занимающаяся
созданием электронных функциональных узлов, блоков и устройств в микроминиатном
интегральном исполнении. Возникновение М. в нач. 60-х гг. 20 в. было
вызвано непрерывным усложнением функций электронной аппаратуры, увеличением
габаритов и повышением требований к её надёжности. Применение в отдельных
устройствах неск. ты сяч 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 надёжной в работе,
требующей значит. потребления электроэнергии и т. д. Поиски путей устранения
этих недостатков привели к появлению новых конструктивно-технологич. направлений
создан. электронной аппаратуры: печатного монтажа, модулей
и микромодулей
и интегральных схем (на базе групповых методов изготовления).

Используя достижения в области физики твёрдого
тела и особенно физ. полупроводников, М. решает указанные проблемы
не путём простого уменьшения габаритов электронных элементов, а созданием
конструктивно, технологическ. и электрически связанных электронных структур-функциональных
блоков и узлов. В них согласно принципиальной схеме конструктивно объединено
большое число микроминиатюрных элементов и их электрич. соединений, изготавливаемых
в едином технологич. процессе. Такой процесс, ставший возможным благодаря
предложенному в 1959 плана,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 по следоват.
ряд технологич. 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 отд. участка ПП материала придаются
свойства различных элементов и их соединений. в целом образующих изготавливаемы
узел. Полученный микроминиатюрный узел, отделённый от пластины и помещённый
в корпус, наз. интегральной микросхемой, или интегральной схемой (ИС).
В связи с этим в М. 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. Кремниевая пластина диаметром 60
мм
с изготовленными на ней 2000 одинаковых структур интегральных схем;
дефектные структуры на пластине помечены краской (точки и штрихи). Внизу
показан в увеличенном виде кристалл с отдельной структурой; его размеры
1,2X1,2 мм. 1 - соединительная токоведущая дорожка; 2 - диод; 3
-
резистор; 4 - контактная площадка; 5 -транзистор.

В силу специфики - исключительно высокой
точности проведения технологич. процессов и большого числа операций -для
изготовления микроэлектронных изделий требуются разнообразные высоко-качеств.
ПП и др. материалы и прецизионное технологич. 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 кон-структивно-технологич.
и физич. принципами в М. может быть выделено неск. 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 вычислит, техники и кос-мич. систем до бытовой аппаратуры.
Темпы роста произ-ва ИС исключительно высоки. Мировая пром-сть в 1972 выпустила
более 1 млрд. ИС.

На базе групповых методов изготовления,
путём формирования необходимого количества электронных элементов и электрич.
связей между ними в объёме одного ПП кристалла были впервые созданы (1959-61)
полупроводниковые ИС. В их произ-ве наиболее распространена планарно-эпитаксиальная
технология, заимствованная из произ-ва дискретных ПП приборов (см. Полупроводниковая
электроника) и отличающаяся от него лишь дополнит, операциями по электрич.
изоляции отд. 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-п-переход, см. Электронно-дырочный
переход) или слоя диэлектрика, напр, двуокиси кремния. Осн. технологич.
операции планарно-эпитаксиальной технологии: механич. и химич. обработка
ПП пластин; эпи-таксиальное наращивание на пластине слоя с необходимыми
электрофизич. свойствами (типом проводимости, удельным сопротивлением и
т. д.); фотолитография, легирование (напр., посредством диффузии
или ионного внедрения); нанесение металлич. плёнок - электродов, соединит,
дорожек, контактных площадок (рис. 2).

Из всех перечисленных этапов технологического
процесса наиболее ответственным является фотолитография. Она обеспечивает
проведение избират. обработки отд. участков ПП пластины, напр, вытравливание
"окон" в окисной плёнке на пластине для проведения диффузии примесей. В
этом процессе используется светочувствит. лак - фоторезист. Плёнка
фоторезиста, нанесённая на ПП пластину, облучается ультрафиолетовым светом
через приложенную плотно к пластине фотомаску-т. н. фотошаблон, к-рый 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).

Рис. 2. Последовательность основных технологических
операций одного из способов нз-" готовления полупроводниковых ИС: А - подготовка
(шлифовка, полировка) пластины кремния с проводимостью р-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 п-типа (О под коллектором будущего транзистора и базой диода;
Д
- эпитаксиальное наращивание кремния-нанесение слоя кремния п-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 п-типа (3), окружённые кремнием р-типа;
Ж, 3 - 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 эмит-терные области транзисторов
(5)1; И - вскрытие "окон" в окисле кремния под контакты с областями коллектора,
эмиттера и базы транзисторов, р- и п- областями диодов и с резисторами;
К - создание внутрисхемных соединений посредством вакуумного напыления
на поверхность пластины плёнки алюминия, к-рая 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.

При изготовлении полупроводниковых ИС требуется
неоднократное проведение фотолитография, 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 производств, цехах условий
вакуумной гигиены (не более 3-5 пылинок размером ок. 0,5 мкм на
1л 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 совмещаем ость. 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 мульти-плицирования (размножения).

Для формирования структур элементов в исходной
ПП пластине проводится легирование примесями участков, подготовленных на
этапе фотолитографии. Осн. методом легирования является диффузия, напр,
при помещении пластины кремния на нек-рое время в пары примеси при темп-ре
1100-1200 °С. Точность поддержания темп-ры, 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), к-рое является новым технологич.
направлением, дополняющим и частично заменяющим диффузию. Полупроводниковые
ИС имеют высокий уровень интеграции (до 10 000 элементов и более в одном
ПП кристалле).

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
монокри-сталлич. ПП плёнок для формирования активных элементов не обеспечивает
необходимого их качества. Основой для плёночной ИС служит диэлектрич.,
напр, керамическая, подложка. Различают толстоплёночную технологию изготовления
ИС - нанесение слоев проводящих, резистивных и диэлектрич. паст толщиной
от 1 до 25 мкм и тонкоплёночную технологи ю-вакуумное напыление
плёнок толщиной до 1 мкм через металлич. трафареты или вакуумное
напыление в сочетании с последующей фотолитографич. обработкой.

Плёночная ИС со смонтированными на ней
бескорпусными дискретными ПП приборами (диодами, транзисторами) и бескорпусными
полупроводниковыми ИС называется гибридной ИС (рис. 3). Её пассивная часть
может быть выполнена многослойной, в виде набора керамич. подложек со слоями
плёночных элемев-тов. После спекания подложек получается монолит с многослойным
расположением электрически соединённых между собой пассивных элементов.
Бескорпусные активные элементы монтируются на верхней поверхности монолита.

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
29X39 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).

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

Изготавливают также многокристальные ИС
с высоким уровнем интеграции, в к-рых неск. кристаллов полупроводниковых
ИС объединяются на диэлектрич. подложке плёночными соединениями в сложнейшее
электронное устройство. Его функциональное назначение может соответствовать
отд. блоку или даже системе, напр, вычислит, 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 к-рого помещены в вакуум.
В отличие от ПП ИС вакуумные ИС имеют повышенную стойкость к воздействию
космич. 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 логич. устройствах, в частности они применяются
в ЭВМ. К линейным относятся все остальные ИС, предназначенные в основном
для линейного (в конечном счёте) преобразования электрич. 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 М. идёт гл. обр. в
двух направлениях: повышение уровня интеграции и плотности упаковки в ИС,
ставших традиционными; изыскание новых физич. принципов и явлений для создания
электронных устройств со схемотехнич. или даже системотехнич. функциональным
назначением. Первое направление привело к уровням интеграции, характеризующимся
многими тысячами элементов в одном корпусе ИС с микронными и субмикронными
размерами отд. 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
оптич. явления в твёрдом теле (оптоэлектрони-ка) и взаимодействие потока
электронов с акустич. волнами в твёрдом теле (акустоэлектроника), а также
с использованием свойств сверхпроводников,свойств магнетиков и полупроводников
в магнитных полупроводниках (магнетоэлектро-ника) и др.

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

А. А. Васенков, И. Е. Ефимов.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я