Введение в микроэлектронику

автор: Е. А. Москатов
источник: книга "Электронная техника. Начало"

1. Интегральные микросхемы

Микроэлектроника – это одно из направлений электроники, которое призвано создать миниатюрную высоконадёжную аппаратуру с малой потребляемой мощностью, низкой стоимостью и прочим.

Интегральной микросхемой, или сокращённо ИМС, называют монолитное изделие, предназначенное для исполнения функций заданного каскада или целой системы, компоненты которого соединены между собой определённым образом, и которые нельзя отделить один от другого демонтажными операциями. Различают аналоговые микросхемы, которые непрерывно отслеживают и воздействуют на сигнал, и цифровые микросхемы, которые дискретно преобразуют и обрабатывают информацию. Микросхемы классифицируют по степени интеграции, которая равна логарифму от числа деталей n, размещённых в одной ИМС: k = ln n. По методу получения различают три вида ИМС: плёночные, полупроводниковые и гибридные.

В плёночных ИМС детали и соединения осуществляют путём получения плёнок малой толщины с различными свойствами, выполненных на подложке из не проводящего электрический ток материала. Плёночные микросхемы разделяют на две группы: на тонкоплёночные с толщиной плёнки менее 1 мкм и толстоплёночные с большей толщиной, часто составляющей порядка 20 мкм. Различие тонкоплёночных и толстоплёночных ИМС заключено не только в количественной толщине плёнок, но прежде всего в технологии их нанесения.

В полупроводниковых ИМС детали и соединения образованы специальными технологическими методами в кристалле полупроводника. Совмещённой называют такую полупроводниковую ИМС, в которой одна часть деталей выполнена методом тонкоплёночной, а другая часть – методом полупроводниковой технологии.

В гибридных ИМС, сокращённо называемых ГИС, резисторы и некоторые другие пассивные компоненты получают на диэлектрической подложке методом тонкоплёночной технологии, а дискретные бескорпусные активные компоненты располагают рядом на подложке и соединяют проволокой с контактными площадками.

2. Плёночные микросхемы

Подложки плёночных микросхем, которые изготавливают из сапфира, ситаллов, керамик и прочего, всегда обладают прямоугольной конфигурацией и толщиной порядка от 0,2 мм до 1 мм. Подложки не должны вступать в химические реакции с материалами плёнок, обязаны обладать низкой степенью шероховатости поверхности, должны обладать высоким электрическим сопротивлением. Нанесение плёнок на подложку осуществляют через трафарет, называемый маской. Выполнение плёночных конденсаторов и особенно катушек индуктивности по очень весомым причинам не рекомендуют, однако в отдельных случаях без них всё же не обойтись.

Толстоплёночные контактные площадки выполняют, например, возжжением паст, содержащих алюминий, медь, тантал или в редких случаях золото. Чтобы улучить адгезию металлических покрытий к подложке, на ней сначала формируют промежуточный слой никеля, который обладает лучшей адгезией, чем другие металлы, а уже на этот слой наносят требуемый материал.

Плёночные резисторы, которые выполняют нанесением на подложку паст, содержащих никель, керметы, тантал, хром и т.д. со связующим веществом, имеют прямоугольную конфигурацию. С целью повышения сопротивления резистора его выполняют в виде соединённых друг с другом многочисленных элементарных одинаковых участков Г-образной или П-образной конфигурации, которые повторяют до тех пор, пока не будет получено необходимое сопротивление, что показано на рис. 1.

Обычно сопротивление такого плёночного резистора может составлять от 0,05 кОм до 50 кОм, а получить много большее или много меньшее сопротивление затруднительно.

Плёночные конденсаторы имеют многослойную структуру и в общем случае образованы двумя электропроводящими плёнками, между которыми выполняют слой диэлектрической плёнки. Обкладки плёночных конденсаторов изготовляют из электропроводящих плёнок, содержащих алюминий, тантал, серебро, медь и подобные материалы. Диэлектрическую плёнку обычно получают из различных оксидов: окиси тантала, трёхсернистой сурьмы, двуокиси кремния, моноокиси германия и пр. Ёмкость плёночных конденсаторов обычно составляет от 10 пФ до 20 нФ.

Плёночные катушки индуктивности имеют спиралевидную форму, что изображено на рис.2, и образованы нанесением токопроводящих плёнок на поверхность подложки.

Индуктивность таких плёночных катушек не превышает 10 мкГн.

Изготовление активных компонентов наслоением плёнок вызывает большие трудности.

3. Гибридные интегральные микросхемы

Обычно на диэлектрической подложке ГИС создают сугубо пассивные детали, например, постоянные резисторы. Активные дискретные компоненты, разработанные для использования в ГИС, не имеют корпусов, а для защиты от пагубного воздействия окружающей среды их покрывают капельками лака или компаунда. Транспортировку активных компонентов осуществляют в специальных контейнерах. Контактные площадки, созданные на подложке ГИС, необходимы для обеспечения взаимных соединений плёночных деталей, а также для подключений тонких проводников, которые осуществляют электрические контакты между тонкоплёночными и внешними дискретными компонентами. Активные компоненты, которые подключают к контактным площадкам, выполняют с жёсткими или с гибкими выводами. Детали с жёсткими выводами наиболее удобны для автоматической сборки ГИС, однако разработка таких изделий связана с определёнными трудностями. Конденсаторы с ёмкостью более 20 нФ и катушки индуктивности обычно не выполняют на подложке ГИС, а задействуют как навесные компоненты. В больших ГИС – сокращённо БГИС – в качестве внешних деталей применяют бескорпусные полупроводниковые микросхемы. Соединение компонентов ГИС с выводами корпуса осуществляют пайкой, микросваркой и т.п.

4. Полупроводниковые микросхемы

Подложки полупроводниковых микросхем обычно выполняют из монокристаллического кремния p-типа. Изготовление электронно-дырочных переходов полупроводниковых ИМС осуществляют обычно посредством эпитаксиального наращивания или способом диффузионно-планарной технологии. Планарная технология подразумевает создание деталей и электрических соединений в подложке в одной плоскости. Эпитаксиальное наращивание заключено в напылении разогретого полупроводника на некоторые участки поверхности подложки. Диффузионная технология состоит в проникновении разогретых газообразных примесей в отведённые для этого участки подложки. В результате возникают многослойные образования, каждый слой которых обладает заданным типом проводимости. Резисторы, конденсаторы и прочие пассивные компоненты полупроводниковых ИМС обладают много большими габаритами, чем активные компоненты, такие как транзисторы. С целью минимизации размеров диоды в полупроводниковых ИМС предпочитают заменять транзисторами в диодном включении.