Интегральная схема

<час />

Фон

Интегральная схема, обычно называемая ИС, представляет собой микроскопический массив электронных схем и компонентов, который был рассеян или имплантирован на поверхность монокристалла или чипа из полупроводникового материала, такого как кремний. Она называется интегральной схемой, потому что все компоненты, схемы и основной материал сделаны вместе или интегрированы из единого куска кремния, в отличие от дискретной схемы, в которой компоненты изготавливаются отдельно из разных материалов и собираются позже. . ИС различаются по сложности от простых логических модулей и усилителей до законченных микрокомпьютеров, содержащих миллионы элементов.

Интегральные схемы оказали огромное влияние на нашу жизнь. ИС стали основными компонентами почти всех электронных устройств. Эти миниатюрные схемы продемонстрировали низкую стоимость, высокую надежность, низкое энергопотребление и высокую скорость обработки по сравнению с предшествующими им электронными лампами и транзисторами. Микрокомпьютеры на интегральных схемах теперь используются в качестве контроллеров в оборудовании, таком как станки, операционные системы транспортных средств и других приложениях, где ранее использовались гидравлические, пневматические или механические средства управления. Поскольку микрокомпьютеры IC меньше и более универсальны, чем предыдущие механизмы управления, они позволяют оборудованию реагировать на более широкий диапазон входных сигналов и производить более широкий диапазон выходных данных. Их также можно перепрограммировать без изменения схемы управления. Микрокомпьютеры на интегральных схемах настолько недороги, что их можно найти даже в детских электронных игрушках.

Первые интегральные схемы были созданы в конце 1950-х годов в ответ на спрос со стороны военных на миниатюрную электронику для использования в системах управления ракетами. В то время транзисторы и печатные платы были самыми современными электронными технологиями. Хотя транзисторы сделали возможным множество новых электронных приложений, инженеры по-прежнему не могли создать достаточно компактный корпус для большого количества компонентов и схем, необходимых в сложных устройствах, таких как сложные системы управления и портативные программируемые калькуляторы. Несколько компаний конкурировали за прорыв в области миниатюрной электроники, и их усилия по разработке были настолько близки, что возникает некоторый вопрос, какая компания на самом деле произвела первую ИС. Фактически, когда интегральная схема была наконец запатентована в 1959 году, патент был выдан совместно двум людям, работающим отдельно в двух разных компаниях.

После изобретения ИС в 1959 году количество компонентов и схем, которые можно было объединить в одну микросхему, удваивалось каждый год в течение нескольких лет. Первые интегральные схемы содержали всего до дюжины компонентов. Процесс, в результате которого были созданы эти первые ИС, был известен как маломасштабная интеграция или SSI. К середине 1960-х годов компания MSI, занимающаяся средней степенью интеграции, произвела микросхемы с сотнями компонентов. За этим последовали методы крупномасштабной интеграции, или LSI, которые позволили создать ИС с тысячами компонентов и сделали возможными первые микрокомпьютеры.

Первый микрокомпьютерный чип, часто называемый микропроцессором, был разработан корпорацией Intel в 1969 году. Он поступил в коммерческое производство в 1971 году под названием Intel 4004. Intel представила свой чип 8088 в 1979 году, за ним последовали Intel 80286, 80386 и 80486. В В конце 1980-х - начале 1990-х годов обозначения 286, 386 и 486 были хорошо известны пользователям компьютеров как отражающие возрастающие уровни вычислительной мощности и скорости. Чип Intel Pentium является последним в этой серии и отражает еще более высокий уровень.

Как формируются интегральные схемы
Компоненты

В интегральной схеме электронные компоненты, такие как резисторы, конденсаторы, диоды и транзисторы, формируются непосредственно на поверхности кристалла кремния. Процесс производства интегральной схемы будет иметь больше смысла, если сначала понять некоторые основы того, как эти компоненты формируются.

Еще до того, как была разработана первая ИС, было известно, что обычные электронные компоненты могут быть сделаны из кремния. Вопрос был в том, как сделать их и соединительные схемы из одного куска кремния? Решение заключалось в изменении или добавлении химического состава крошечных участков на поверхности кристалла кремния путем добавления других химикатов, называемых легирующими добавками. Некоторые примеси связываются с кремнием, образуя области, в которых атомы примеси имеют один электрон, от которого они могут отказаться. Их называют N регионами. Другие примеси связываются с кремнием, образуя области, в которых атомам примеси есть место для захвата одного электрона. Они называются P-регионами. Когда P-область соприкасается с N-областью, граница между ними называется PN-переходом. Ширина этой границы составляет всего 0,000004 дюйма (0,0001 см), но она имеет решающее значение для работы компонентов интегральной схемы.

Внутри PN-перехода атомы двух областей связываются таким образом, чтобы создать третью область, называемую обедненной областью, в которой атомы примеси P захватывают все дополнительные электроны примеси N, тем самым истощая их. Одно из возникающих явлений заключается в том, что положительное напряжение, приложенное к области P, может вызвать прохождение электрического тока через переход в область N, но аналогичное положительное напряжение, приложенное к области N, приведет к небольшому протеканию тока или его отсутствию. соединение обратно в P-область. Эта способность PN-перехода либо проводить, либо изолировать в зависимости от того, на какой стороне приложено напряжение, может быть использована для формирования компонентов интегральной схемы, которые направляют и управляют током, таким же образом, как диоды и транзисторы. Например, диод - это просто одиночный PN переход. Путем изменения количества и типов легирующих добавок и изменения формы и относительного размещения областей P и N можно также сформировать компоненты интегральной схемы, которые имитируют функции резисторов и конденсаторов.

Дизайн

Некоторые интегральные схемы можно считать стандартными готовыми изделиями. После того, как спроектирован, дальнейшие конструкторские работы не требуются. Примеры стандартных ИС могут включать регуляторы напряжения, усилители, аналоговые переключатели и аналого-цифровые или цифро-аналоговые преобразователи. Эти микросхемы обычно продаются другим компаниям, которые встраивают их в печатные платы для различных электронных продуктов.

Другие интегральные схемы уникальны и требуют обширных проектных работ. Примером может служить новый микропроцессор для компьютеров. Эта проектная работа может потребовать исследования и разработки новых материалов и новых технологий производства для достижения окончательного дизайна.

Сырье

Чистый кремний - основа большинства интегральных схем. Он обеспечивает основу или подложку для всего чипа и химически легирован для обеспечения областей N и P, составляющих компоненты интегральной схемы. Кремний должен быть настолько чистым, чтобы только один из каждых десяти миллиардов атомов мог быть примесью. Это было бы эквивалентом одной крупинки сахара на десять ведер песка. Диоксид кремния используется в качестве изолятора и диэлектрического материала в конденсаторах IC.

Типичные легирующие примеси N-типа включают фосфор и мышьяк. Бор и галлий - типичные легирующие примеси P-типа. Алюминий обычно используется в качестве соединителя между различными компонентами ИС. Тонкий провод, ведущий от микросхемы интегральной схемы к ее монтажному корпусу, может быть алюминиевым или золотым. Сам монтажный пакет может быть изготовлен из керамических или пластмассовых материалов.

Производственный
процесс

Сотни интегральных схем создаются одновременно на одном тонком слое кремния, а затем разрезаются на отдельные микросхемы IC. Производственный процесс проходит в строго контролируемой среде, известной как чистая комната, где воздух фильтруется для удаления посторонних частиц. Несколько операторов оборудования в комнате носят одежду без ворса, перчатки и покрывала для головы и ног. Поскольку некоторые компоненты ИС чувствительны к определенным частотам света, даже источники света фильтруются. Хотя производственные процессы могут отличаться в зависимости от изготавливаемой интегральной схемы, следующий процесс является типичным.

Подготовка кремниевой пластины

• 1 Цилиндрический слиток кремния диаметром от 1,5 до 4,0 дюймов (от 3,8 до 10,2 см) удерживается вертикально внутри вакуумной камеры с окружающей его высокотемпературной нагревательной спиралью. Начиная с верхней части цилиндра, кремний нагревается до температуры плавления около 2550 ° F (1400 ° C). Чтобы избежать загрязнения, нагретая область сдерживается только поверхностным натяжением расплавленного кремния. По мере плавления области любые примеси в кремнии становятся подвижными. Нагревательный змеевик медленно перемещается по длине цилиндра, и загрязнения уносятся вместе с расплавленной областью. Когда змеевик достигает дна, почти все загрязнения уносятся и концентрируются там. Затем дно отрезается, и остается цилиндрический слиток очищенного кремния.
• 2 Тонкая круглая кремниевая пластина отрезается от слитка с помощью точного режущего устройства, называемого резаком для пластин. Каждый ломтик имеет толщину от 0,01 до 0,025 дюйма (от 0,004 до 0,01 см). Поверхность, на которой должны быть сформированы интегральные схемы, полируется.
• 3 Поверхности пластины покрыты слоем диоксида кремния, чтобы сформировать изолирующую основу и предотвратить любое окисление кремния, которое может вызвать загрязнения. Диоксид кремния образуется при воздействии на пластину перегретого пара при температуре около 1830 ° F (1000 ° C) под давлением в несколько атмосфер, чтобы позволить кислороду водяного пара вступить в реакцию с кремнием. Контроль температуры и продолжительности воздействия контролирует толщину слоя диоксида кремния.

Маскировка

• 4 Сложная и взаимосвязанная конструкция схем и компонентов создается в процессе, аналогичном тому, который используется для изготовления печатных плат. Для ИС, однако, размеры намного меньше, и есть много слоев, наложенных друг на друга. Дизайн каждого слоя готовится на компьютерной чертежной машине, а изображение превращается в маску, которая будет оптически уменьшена и перенесена на поверхность пластины. Маска непрозрачна на одних участках и прозрачна на других. В нем есть изображения всех нескольких сотен интегральных схем, которые должны быть сформированы на пластине.
• 5 Капля фоторезиста помещается в центр кремниевой пластины, и пластина быстро вращается, чтобы распределить фоторезист по всей поверхности. Затем фоторезист запекают для удаления растворителя.
• 6 Затем пластина с покрытием помещается под маску первого слоя и облучается светом. Поскольку промежутки между схемами и компонентами настолько малы, ультрафиолетовый свет с очень короткой длиной волны используется для проталкивания через крошечные прозрачные области на маске. Пучки электронов или рентгеновских лучей также иногда используются для облучения фоторезиста.
• 7 Маска снимается, и части фоторезиста растворяются. Если использовался позитивный фоторезист, то подвергшиеся облучению участки растворятся. Если использовался отрицательный фоторезист, то облучаемые участки останутся. Затем непокрытые области либо химически травятся, чтобы открыть слой, либо подвергаются химическому легированию для создания слоя из областей P или N.

Допинг - Атомная диффузия

• 8 Одним из методов добавления легирующих добавок для создания слоя из областей P или N является атомная диффузия. В этом методе партию вафель помещают в печь, сделанную из кварцевой трубки, окруженной нагревательным элементом. Пластины нагреваются до рабочей температуры около 1500-2200 ° F (816-1205 ° C), и легирующая добавка переносится инертный газ. Когда легирующая добавка и газ проходят по пластинам, она откладывается на горячих поверхностях, оставшихся открытыми в процессе маскирования. Этот метод хорош для легирования относительно больших площадей, но не точен для меньших площадей. Есть также некоторые проблемы с повторным использованием высоких температур при добавлении последовательных слоев.

Допинг - длинная имплантация

• 9 Второй метод добавления легирующих добавок - ионная имплантация. В этом методе легирующий газ, такой как фосфин или трихлорид бора, ионизируется для получения пучка высокоэнергетических ионов легирующей примеси, которые направляются в определенные области пластины. Ионы проникают в пластину и остаются имплантированными. Глубиной проникновения можно управлять, изменяя энергию луча, а количество легирующей примеси можно контролировать, изменяя ток луча и время воздействия. Схематично весь процесс напоминает запуск луча в изогнутой электронно-лучевой трубке. Этот метод настолько точен, что не требует маскировки - он просто указывает и стреляет легирующей примесью там, где это необходимо. Однако он намного медленнее, чем процесс атомной диффузии.

Создание последовательных слоев

• 10 Процесс маскирования и травления или легирования повторяется для каждого последующего слоя в зависимости от используемого процесса легирования, пока не будут готовы все микросхемы интегральной схемы. Иногда наносят слой диоксида кремния, чтобы обеспечить изоляцию между слоями или компонентами. Это делается с помощью процесса, известного как химическое осаждение из паровой фазы, при котором поверхность пластины нагревается примерно до 752 ° F (400 ° C), а реакция между газами силаном и кислородом осаждает слой диоксида кремния. Последний слой диоксида кремния герметизирует поверхность, окончательное травление открывает точки контакта, и на контактные площадки наносится слой алюминия. На этом этапе отдельные ИС проверяются на электрическое функционирование.

Изготовление индивидуальных ИС

• 11 Тонкая пластина похожа на кусок стекла. Сотни отдельных фишек разделены перекрестной штриховкой линий с мелким ромбом . резак, а затем подвергнуть пластину напряжению, чтобы заставить каждый чип отделиться. Те ИС, которые не прошли электрический тест, выбрасываются. Осмотр под микроскопом выявляет другие микросхемы, которые были повреждены в процессе разделения, и они также выбрасываются.
• 12 Хорошие ИС по отдельности присоединяются к монтажному корпусу, а тонкие проволочные выводы соединяются посредством ультразвуковой сварки или термокомпрессии. На монтажном пакете указаны идентификационные номера деталей и другая информация.
• 13 Готовые интегральные схемы запечатаны в антистатические пластиковые пакеты для хранения или отправки конечному пользователю.

Контроль качества

Несмотря на контролируемую среду и использование прецизионных инструментов, большое количество микросхем интегральных схем отклоняется. Хотя процент отбракованных чипов с годами неуклонно снижается, задача создания переплетенной решетки микроскопических схем и компонентов все еще остается сложной, и определенное количество брака неизбежно.

Опасные материалы и
переработка

Добавки галлий и мышьяк, среди прочего, являются токсичными веществами, и их хранение, использование и утилизация должны строго контролироваться.

Поскольку микросхемы интегральных схем настолько универсальны, возникла значительная отрасль переработки. Многие микросхемы и другие электронные компоненты снимаются с устаревшего оборудования, тестируются и перепродаются для использования в других устройствах.

Будущее

Трудно сказать с какой-либо уверенностью, что ждет интегральную схему в будущем. Изменения в технологии с момента изобретения устройства были быстрыми, но эволюционными. Многие изменения были внесены в архитектуру или компоновку схемы на кристалле, но интегральная схема по-прежнему остается кремниевой.

Следующий крупный скачок в развитии электронных устройств, если такой скачок случится, может быть связан с совершенно новой схемотехникой. Всегда было известно, что возможно создание более совершенных устройств, чем самый лучший микропроцессор. Человеческий мозг, например, обрабатывает информацию намного эффективнее, чем любой компьютер, и некоторые футуристы предполагают, что следующее поколение схем процессора будет биологическим, а не минеральным. На данный момент подобные вещи стали предметом вымысла. Нет никаких непосредственных признаков того, что интегральная схема находится под угрозой исчезновения.