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.