Микроэлектроника. 
Новая быстро развивающаяся технология

Министерство образования и науки Российской Федерации Новокузнецкий филиал-институт государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Кемеровский государственный университет»

Курсовая работа Тема Микроэлектроника. Новая быстро развивающаяся технология Руководитель К. В. Чмелева Новокузнецк 2011 г.

Содержание Введение

1. Теоретические основы микроэлектроники

1.1. История развития микроэлектроники

1.2 Современные проблемы и направления развития микроэлектроники

1.3 Классификация изделий микроэлектроники

1.4 Основные положения и принципы микроэлектроники

2. Основные направления развития электроники

2.1 Перспективы развития микроэлектроники

2.2 Новая быстро развивающаяся технология Заключение Список литературы

Введение

Электроника прошла несколько этапов развития, за время которых сменилось несколько поколений элементной базы: дискретная электроника электровакуумных приборов, дискретная электроника полупроводниковых приборов, интегральная электроника микросхем (микроэлектроника), интегральная электроника функциональных микроэлектронных устройств (функциональная микроэлектроника).

Элементная база электроники развивается непрерывно возрастающими темпами. Каждое из приведенных поколений, появившись в определенный момент времени, продолжает совершенствоваться в наиболее оправданных направлениях. Развитие изделий электроники от поколения к поколению идет в направлении их функционального усложнения, повышения надежности и срока службы, уменьшения габаритных размеров, массы, стоимости и потребляемой энергии, упрощения технологии и улучшения параметров электронной аппаратуры.

Современный этап развития электроники характеризуется широким применением интегральных микросхем (ИМС). Это связано со значительным усложнением требований и задач, решаемых электронной аппаратурой. Разрабатываемые сейчас сложные системы содержат десятки миллионов элементов. В этих условиях исключительно важное значение приобретают проблемы повышения надежности аппаратуры и ее элементов, микроминиатюризация электронных компонентов и комплексной миниатюризации аппаратуры. Все эти проблемы успешно решает микроэлектроника.

Становление микроэлектроники как самостоятельной науки стало возможным благодаря использованию богатого опыта и базы промышленности, выпускающей дискретные полупроводниковые приборы. Поэтому микроэлектроника продолжает продвигаться быстрыми темпами во всех направлениях. В современной жизни любая техника, которой мы пользуемся, ежедневно наполнена микроэлектроникой. В настоящее время микроэлектроника перешла в стадию наноэлектроники.

Развитие современных средств вычислительной техники, робототехники, аппаратуры цифровых коммуникаций основано на использовании достижений микроэлектроники в разработке и выпуске интегральных микросхем (ИМС), а также на широком применении микропроцессоров и микрокомпьютеров, создаваемых на базе больших и сверхбольших интегральных схем (БМС и СБИС).

Под электроникой понимают область науки, техники и производства, связанную с исследованием, разработкой и производством электронных приборов и принципов их использования. Поскольку «микро» (от гр. micros-малый) в сложных словах означает отношение к малым предметам, то термин «микроэлектроника» этимологически можно рассматривать как электронику малых размеров. В действительности смысл термина гораздо глубже. Микроэлектроника — это раздел электроники, производством и исследованием интегральных микросхем и принципов их применения.

Более того, в процессе развития микроэлектроники было разработано немало специфических элементов, которые не только не имеют аналогов в обычной транзисторной схемотехнике, но и не могут быть даже смоделированы на дискретных компонентах. В качестве примера таких компонентов можно привести приборы с зарядовой связью (ПЗС), находящие применение при создании быстродействующих микросхем памяти современных ЭВМ.

Зарождение и дальнейшее триумфальное развитие микроэлектроники было бы невозможно без гигантского прогресса в области технологии.

Актуальность выбранной темы:

Новые информационные средства постепенно превращаются в обязательный компонент профессионально развивающего обучения в вузах. Внедрение компьютерных технологий в образование можно охарактеризовать как логичный и необходимый шаг в развитии современного информационного мира в целом.

С внедрением новых технологий возникают задачи выработки методики обучения с применением информационных технологий и разработки специальных программных средств для усовершенствования в процессе обучения студентов. Первый шаг на пути к этому видится в создании качественных программных продуктов, обеспечивающих компьютерную поддержку по дисциплинам образовательной области «Технология». На данный момент в образовательном процессе используются много программных продуктов по блоку дисциплин естественных наук, при этом дисциплины образовательной области «Технология» остаются без методики применения новых информационных технологий.

Целью настоящей работы является формирование знаний в области теоретических принципов микроэлектроники, и овладения основными навыками исследовательской деятельности, творческого использования полученных знаний, выработки независимого самостоятельного подхода к решению поставленных задач Задачи, соответствующие цели данной работы:

1. Проанализировать современные проблемы и направления развития микроэлектроники.

2. Выявить основные перспективы развития микроэлектроники

3. Рассмотреть основные положения и принципа микроэлектроники.

4. Выявить новые быстроразвивающиеся технологии.

5. Проанализировать перспективы развития микроэлектроники.

Объект исследования данной работы будет микроэлектроника и новая быстроразвивающаяся технология.

В данной курсовой работе использовались методы исследования: метод анализа и синтеза, метод индукции и дедукции.

1. Теоретические основы микроэлектроники

1.1 История развития микроэлектроники Микроэлектроника является продолжением развития полупроводниковой электроники, начало которой было положено 7 мая 1895 года, когда полупроводниковые свойства твердого тела были использованы А. С. Поповым для регистрации электромагнитных волн.

Дальнейшее развитие полупроводниковой электроники связанно с разработкой в 1948 году точечного транзистора (американские ученые Шокли, Бардин, Браттейн), в 1950 году — плоскостного биполярного транзистора, а в 1952 году полевого (униполярного) транзистора. Наряду с транзисторами были разработаны и стали широко использоваться другие различные виды полупроводниковых приборов: диоды различных классов и типов, варисторы, варикапы, тиристоры, оптоэлектронные приборы (светоизлучающие диоды, фотодиоды, фототранзисторы, оптроны, светодиодные и фотодиодные матрицы)[5].

Создание транзистора явилось мощным стимулом для развития исследований в области физики полупроводников и технологий полупроводниковых приборов. Для практической реализации развивающейся полупроводниковой электроники потребовались сверхчистые полупроводниковые и другие материалы и специальное технологическое и измерительное оборудование. Именно на этой базе стала развиваться микроэлектроника.

Следует отметить, что основные принципы микроэлектроники — групповой метод и планарная технология — были освоены при изготовлении транзисторов в конце 50 годов.

Первые разработки интегральных схем (ИС) относятся к 1958 — 1960 г.г. В 1961 — 1963 г.г. ряд американских фирм начали выпускать простейшие ИС. В то же время были разработаны пленочные ИС. Однако некоторые неудачи с разработками стабильных по электрическим характеристикам пленочных активных элементов привели к преимущественной разработке гибридных ИС. Отечественные ИС появились в 1962 — 1963 г.г. Первые отечественные ИС были разработаны в ЦКБ Воронежского завода полупроводниковых приборов (схемы диодно-транзисторной логики по технологии с окисной изоляцией карманов). По технологии изготовления эти схемы уступали 2 года западным разработкам.

В историческом плане можно отметить 5 этапов развития микроэлектроники.

Первый этап, относящийся к первой половине 60-х годов, характеризуется степенью интеграции ИС до 100 элементов / кристалл и минимальным размером элементов порядка 10 мкм.

Второй этап, относящийся ко второй половине 60-х годов и первой половине 70-х годов, характеризуется степенью интеграции ИС от 100 до 1000 элементов/кристалл и минимальным размером элементов до 2 мкм.

Третий этап, начавшийся во второй половине 70-х годов, характеризуется степенью интеграции более 1000 элементов/кристалл и минимальным размером элементов до 1 мкм.

Четвертый этап, характеризуется разработкой сверхбольших ИС со степенью интеграции более 10 000 элементов/кристалл и размерами элементов 0,1 — 0,2 мкм.

Пятый, современный, этап характеризуется широким использованием микропроцессоров и микро-ЭВМ, разработанных на базе больших и сверхбольших ИС.

Исторически возникновение и развитие микроэлектроники было подготовлено бурным ходом научно-технической революции, давшей жизнь промышленной кибернетике, вычислительной технике, радиоэлектронике и потребовавшей тотальной микроминиатюризации всех элементов электронной техники. Создание в 1948 г. транзистора на основе монокристаллического полупроводника и разработка в 1950—1951 гг. первых пленочных пассивных элементов электронной техники подготовили прочную базу для создания технологии микроэлектроники. Практически рождение микроэлектроники относят к 1957 г., когда была впервые разработана ее технологическая основа, т. е. запатентованы методы локальной диффузии через маску окисла, профилированную фотолитографией. Таким образом, современная микроэлектроника берет начало от планарной технологии на твердом теле (активные элементы полупроводниковых интегральных схем) и пленочной технологии (пассивные элементы и гибридные интегральные схемы)[8].

Важнейшие процессы, используемые в технологии микроэлектроники нанесение пленок и эпитаксиальных слоев, удаление (в растворах и паро-газовых средах) вещества с поверхности твердой фазы, легирование и диффузионное перераспределение, — по существу являются физико-химическими и имеют определенную особенность, связанную с протеканием их на поверхности или в объеме твердой фазы. Продуктом (полуфабрикатом) сложной совокупности технологических процессов (от 50 до 200 и более операций) является кусочек монокристалла объемом от сотых долей до единиц кубического миллиметра в виде микрогетерогенного, заведомо метастабильного твердого тела, обязанного работать в весьма сложных условиях и практически без ограничения срока службы. В этом отношении технолог физик химик должен обеспечить решение двух диаметрально противоположных задач: 1) создать микрогетерогенное метастабильное твердое тело с максимальной дисперсностью неравновесных объемов и 2) обеспечить длительную стабильную работу всей схемы в целом, подавляя ее стремление к гомогенизации—выравниванию состава. Размеры активных областей ИС постоянно уменьшаются, и в настоящее время намечается переход в субмикронную область.

Основным технологическим направлением в микроэлектронике является производство монолитных, тонкои толстопленочных ИС, а также микроминиатюрных функциональных дискретных приборов. В основе технологии толстых пленок лежит трафаретная печать и вжигание в керамическую подложку элементов и проводников, при изготовлении монолитных ИС используются процессы диффузии, эпитаксии, окисления и др., при изготовлении тонкопленочных микросхем доминирующими являются процессы конденсации из молекулярных пучков в вакууме. Главные задачи технологии микроэлектроники следующие: создание в минимальном объеме (твердого тела или на его поверхности) максимального количества строго определенных областей с заданными геометрией, составом, структурой, а следовательно, и свойствами, способных выполнять определенные функции элементов или эквивалентов элементов электронных схем при высокой стабильности преобразуемой информации, малом расходе энергии и высокой надежности многократного повторения всех возложенных на данную ИС задач. При этом обращают внимание на повышение рентабельности при снижении расхода материалов, на простоту и комплексность технологического производства, максимум выхода годных изделий при минимальном применении ручного труда. Только максимальная автоматизация может обеспечить дальнейшее развитие микроэлектроники. В настоящее время технология микроэлектроники прошла уже основные стадии своего развития и становления, а если учесть, что широкое производство ИС и дискретных приборов с использованием приемов и технологических процессов микроэлектроники перешагнуло рубеж 10—12 млрд. шт. в год, то становится ясным, что мы имеем дело с наиболее массовым современным производством весьма сложной продукции. При этом темпы развития микроэлектроники находятся вне конкуренции с любыми другими отраслями современной промышленности. Это потребует использования новых материалов и их композиций, а также новых технологических процессов и их сочетаний.

Уже в настоящее время их многообразие вне конкуренции с любой другой отраслью техники, поэтому особенно важным является систематизация и классификация процессов с использованием различных принципов, имеющих физико-химическую основу.

1.2 Современные проблемы и направления развития микроэлектроники Основной тенденцией развития микроэлектроники является повышение степени интеграции микросхем. Согласно знаменитому прогнозу, сделанному в 1965 г. и известному с тех пор как закон Мура, условное число транзисторов в наиболее скоростных процессорах удваивается каждые полтора года. Разумеется, эта тенденция не может сохраняться вечно, и уже с 90-х годов XX в. разные специалисты периодически высказывают мысль о том, что в своем развитии микроэлектроника вплотную подошла как к технологическому пределу увеличения размеров кристаллов СБИС и УБИС, так и к дальнейшему повышению «плотности» размещения компонентов на кристалле. Среди множества конструкторско-технологических проблем, которые приходится решать при проектировании и производстве микроэлектронных изделий, можно выделить пять основных[7].

На первом месте стоит проблема уменьшения размеров элементов интегральных схем. Уже сейчас оборудование для производства процессоров Intel Pentium 4, использующее в процессе литографии излучение с длиной волны 248 нм, позволяет получить на кристалле элементы размером 130 нм. По прогнозам компании Intel уже в ближайшее время удастся уменьшить размеры отдельного транзистора примерно до 30 нм, что составляет всего несколько десятков атомных слоев. Корпорация Nikon сообщила о форсировании программы разработки оборудования для проекционной литографии (Electron Projection Lithography — EPL) с использованием норм 0,07-микронного технологического процесса. Сегодня EPL можно рассматривать как наиболее вероятную технологию литографии следующего поколения[7].

Дальнейшие перспективы повышения разрешающей способности литографии специалисты связывают с использованием при экспозиции мягкого рентгеновского излучения с длиной волны ~1 нм, а также различных методов электронной литографии. В одном из вариантов метода электронной литографии вообще не используется технология резисторных масок, а предусмотрено непосредственное действие электронного пучка на слой оксида кремния. Оказывается, что экспонированные области в дальнейшем травятся в несколько раз быстрее, чем неэкспонированных.

По-видимому, естественный предел дальнейшему росту микроминиатюризации СБИС и УБИС будет положен явлениями разупорядочивания структуры материалов за пределами окон в фоторезистах. На более фундаментальном уровне он может быть обусловлен ограничением чистоты применяемых полупроводников и статистическим характером распределения в них дефектов и примесей. Судя по наблюдаемой тенденции, этот предел, может быть, достигнут примерно к 2015 г.

На втором месте в ряду актуальных задач микроэлектроники стоит проблема внутренних соединений. Огромное число элементов микросхемы, размещенных на подложке, должно быть коммутировано между собой таким образом, чтобы обеспечить надежное и правильное выполнение определенных операций над сигналами. Этот вопрос решается с помощью многоуровневой разводки, когда на первом (низшем) уровне формируют логические вентили, на втором — отдельные цифровые узлы типа триггеров, на третьем — отдельные блоки (например, регистры) и далее по нарастающей степени функциональной сложности.

На третьем месте расположена проблема теплоотвода. Повышение степени интеграции обычно связано с уменьшением, как размеров самих элементов, так и расстояний между ними, что ведет к увеличению удельной мощности рассеивания. В естественном режиме (без дополнительного теплоотвода) допустимая мощность рассеивания современных микросхем не превышает 0,05 Вт/ мм 2, что ограничивает плотность размещения элементов на подложке. Для преодоления этого ограничения можно использовать несколько способов: снижение напряжения питания, использование микрорежима работы транзисторов, переход к более экономичной элементной базе (например, комплементарная структура металл—диэлектрик—полупроводник — КМДП) и, наконец, искусственное охлаждение. Однако у каждого из этих способов существуют свои специфические трудности. Так, например, снижение напряжения питания неизбежно ведет к снижению помехоустойчивости.

Четвертой в списке следует указать проблему дефектов подложки. Повысить степень интеграции можно простым увеличением площади кристалла, однако при этом пропорционально возрастает вероятность попадания в рабочую область дефектов кристаллической структуры (прежде всего дислокаций), наличие которых на поверхности подложки неизбежно, хотя бы в силу термодинамических причин. Дефект подложки может привести к нарушениям технологического процесса изготовления микросхемы и соответственно к браку. Единственным способом решения этой проблемы является совершенствование технологии изготовления подложек.

Последней в списке, но, пожалуй, первой по значимости следует назвать проблему контроля параметров. Общеизвестно, что электроника проникла буквально во все области человеческой деятельности. Автоматические системы сегодня управляют сложнейшими (и порой потенциально опасными) технологическими процессами, огромными транспортными потоками и т. д. Сбой в такой системе может привести к катастрофическим последствиям. В этих условиях проблемы надежности и качества оборудования, а следовательно, и контроля параметров производимой электронной промышленностью продукции приобретают первостепенное значение. В силу большой сложности выполняемых функций число внешних информационных выводов современных СБИС варьируется от нескольких десятков до двух-трех сотен. Если принять для оценки число информационных выводов равным 50 и учесть, что цифровой сигнал на каждом из них может принимать два значения («0» или «1»), то для полной проверки правильности функционирования только одной СБИС и только в статическом режиме потребуется 250 измерений. При длительности каждого измерения в 0,1 мкс (с типичной для современного уровня технологии частотой опроса 10 МГц) этот процесс займет более двух лет. Приведенные оценки показывают, что для реальной организации контроля измерения по необходимости должны быть выборочными. Поэтому тщательная проработка методики проверки (отбор контролируемых параметров, разработка эффективных алгоритмов испытания, а также разработка соответствующей измерительной аппаратуры и программного обеспечения) представляет собой важнейшую и очень сложную задачу.

В настоящее время на пути решения каждой группы перечисленных проблем достигнуты определенные успехи. Решающее значение повышения степени интеграции СБИС и УБИС имеют разработка и практическая реализация конструкторско-технологических решений, позволяющих подняться на качественно новый уровень разработок. В качестве характерного примера таких решений можно привести применение в современных СБИС функционально-интегрированных элементов, которые в одной полупроводниковой области совмещают функции нескольких простейших элементов (например, у транзистора можно совместить коллекторную нагрузку и сам коллектор). Другой пример — трехмерная интеграция, когда элементы ИС формируют в разных слоях, например двухслойная КМДП-структура, состоящая из двух комплементарных МДП-транзисторов (металл—диэлектрик—полупроводник), имеющих общий затвор.

Определенные перспективы имеют стремительно развивающиеся в настоящее время нанотехнологии, основанные на использовании туннельной микроскопии. Рабочим органом нанотехноло-гической установки служит электрический зонд из твердосплавного материала, представляющий собой своеобразную иглу, острие которой методами ионного травления «заточено» до атомарных размеров.

Острие зонда располагается на весьма малом (~м) расстоянии от поверхности, отполированной проводящей подложки, и между подложкой и зондом прикладывается некоторое напряжение. Из-за малости зазора даже при весьма малых напряжениях напряженность поля в зазоре может достигать огромных величин порядка … В/м, что приводит к появлению туннельного тока. Измеряя этот туннельный ток, можно с помощью пьезо-преобразователей поддерживать величину зазора с погрешностью порядка м. При этом диаметр пучка туннельных электронов имеет величину ~м.

Увеличивая энергию пучка до уровня энергии межатомных связей, можно оторвать отдельный атом от подложки и, перемещая подложку с помощью пьезоманипуляторов, перенести его вместе с зондом в новое положение. При снижении энергии пучка можно осадить атом на подложку в этом новом положении.

Введя в активную область под зондом молекулы технологического газа, в условиях резко неоднородного электрического поля можно добиться их ионизации и, захватив зондом нужный ион, осадить его на подложку в нужном месте. Таким образом, формируют на подложке точечные или линейные структуры с характерными размерами порядка м. Наполняя рабочую область установки газом-травителем, инициируют химические реакции, приводящие к удалению с поверхности отдельных цепочек атомов, что позволяет создавать канавки нанометровой глубины.

Нано-технологии открывают практически неограниченные возможности построения как планарных, так и объемных структур, позволяющих создавать на подложке электронные элементы размерами порядка атомарных. Теоретически быстродействие таких элементов может составлять величину порядка и даже с, а высочайшая степень интеграции наноэлектронных структур позволяет реализовать запоминающие устройства со сверхвысокой плотностью записи информации порядка 10ю бит/, что на три порядка превосходит возможности современных лазерных дисков.

Однако повышение степени интеграции резко сужает область применения СБИС, так как они становятся слишком специализированными и поэтому изготавливаются ограниченными партиями, что экономически невыгодно. Выходом из положения являются разработка и производство базовых матричных кристаллов. Такой кристалл содержит большое число одинаковых топологических ячеек, образующих матрицу. Каждая ячейка содержит определенное число нескоммутированных элементов, подобранных таким образом, чтобы из них можно было сформировать несколько функциональных элементов (триггер, группу логических вентилей и т. д.). Выполняя металлическую разводку внутри топологических ячеек и соединяя их между собой, можно получать весьма сложные по устройству электронные блоки, отличающиеся функциональными возможностями. На основе одного базового матричного кристалла с помощью простой замены фотошаблонов металлизации можно реализовать большое число модификаций БИС.

Возможности микроэлектроники далеко не исчерпаны, а предрекаемый предел ее развития как научной и технологической дисциплины постоянно отодвигается во времени. Однако долгосрочные прогнозы в такой динамично развивающейся области, как микроэлектроника, — дело неблагодарное. И даже если такой предел будет, достигнут, это вовсе не означает, что прогресс в области электроники остановится. На смену полупроводниковой технике придут новые технологии, основанные на иных физических принципах. Возможно, это будет функциональная электроника, оптическая, квантовая или, наконец, биоэлектроника.

1.3 Классификация изделий микроэлектроники Классификация микросхем может быть проведена по различным признакам. По функциональной сложности ИС принято характеризовать степенью интеграции, условно оцениваемой по десятичному логарифму числа элементов и компонентов, содержащихся в корпусе микросхемы. По этому признаку в настоящее время различают восемь степеней интеграции:

первая степень — 1… 10 элементов;

вторая степень — 10… элементов;

третья степень — … элементов;

четвертая степень — … элементов;

пятая степень — … элементов;

шестая степень — … элементов;

седьмая степень —…элементов;

восьмая степень — свыше элементов. Интегральные схемы первой и второй степеней интеграции получили название малых интегральных схем (МИС). В англоязычной литературе они обозначаются термином Integrated Circuit (1С). Обычно они содержат один или несколько цифровых либо аналоговых элементов (логические вентили, триггеры, операционный усилитель и т. п.). Средняя интегральная схема (СИС или MSI — Medium Scale Integration) — это интегральная схема второй-третьей степени интеграции, содержащая уже не элементы, а функциональные узлы устройства (регистр, счетчик, дешифратор и др.). Большая интегральная схема (LSI — Large Scale Integration) имеет третью либо четвертую степень интеграции и содержит одно или несколько функционально законченных устройств либо его частей. Сверхбольшая интегральная схема (СБИС или VLSI — Very Large Scale Integration) — интегральная схема пятой —седьмой степени интеграции. К этому классу относятся, например, микросхемы микроконтроллеров, памяти большого объема и т. д. Наконец, ультрабольшие интегральные схемы (УБИС или ULSI — Ultra Large Scale Integration) имеют степень интеграции выше седьмой. К СБИС и УБИС относятся, например, центральные микропроцессоры современных ЭВМ.

Еще одним признаком, характеризующим уровень технологии производства микросхем, является плотность упаковки — количество элементов, размещенных на единице площади кристалла.

В настоящее время для микросхем с низкой степенью интеграции этот параметр имеет порядок …, т. е. на одном квадратном миллиметре помещается примерно 100… 1 000 элементов. В то же время в отдельных случаях (например, в современных микропроцессорах) плотность упаковки может достигать величины порядка элементов/.

В зависимости от вида обрабатываемых сигналов все интегральные микросхемы подразделяют: аналоговые и цифровые. Аналоговые интегральные микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. Областью их применения являются, прежде всего, устройства аппаратуры телевидения и связи, а также измерительные приборы и системы контроля. Цифровые интегральные схемы предназначены для обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной, как правило, двоичной функции. Они применяются для построения цифровых вычислительных машин, цифровых узлов измерительных приборов, систем автоматического управления и т. д. В настоящее время наблюдается тенденция все более широкого и успешного проникновения цифровых методов (следовательно, и микросхем) в традиционно аналоговые области. Примером могут служить цифровые методы обработки и записи звука, позволившие получить недостижимое ранее качество.

По структуре и базовой технологии изготовления микросхемы подразделяются на два принципиально разных типа: полупроводниковые и пленочные. Своеобразное смешение этих двух технологий позволяет производить гибридные, а также совмещенные интегральные схемы.

Основу современной микроэлектроники составляют полупроводниковые ИС, элементы которой выполнены в тонком (1… 10 мкм) приповерхностном слое полупроводниковой подложки, роль которой выполняет монокристалл кремния толщиной 200… 300 мкм. В зависимости от степени интеграции площадь подложки может варьироваться в весьма широких пределах: от нескольких единиц до 600…700 .".

Элементы пленочной микросхемы выполнены в виде разного рода проводящих и непроводящих пленок, нанесенных на диэлектрическую (обычно стеклянную либо керамическую) подложку. Чисто пленочные ИС содержат только пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, иногда элементы индуктивности), так как пленочная технология не позволяет получать на подложке активные элементы (транзисторы), поэтому применение пленочных ИС ограничено.

Гибридная ИС представляет собой пленочную микросхему, на которой после ее изготовления размещают в виде навесных элементов специально изготовленные безкорпусные диоды и транзисторы.

Основой совмещенной микросхемы служит полупроводниковая ИС со сформированными активными элементами, на которую после изоляции поверхности нанесены пассивные пленочные элементы.

Внутри каждого типа ИС существует своя классификация, обусловленная как физическими принципами работы, так и технологическими особенностями производства[3].

1.4 Основные положения и принципы микроэлектроники Особенностью микроэлектронных устройств является высочайшая степень сложности выполняемых ими функций. Для решения сложных задач создаются схемы, в которых число компонентов может доходить до 107… 108. Очевидно, что при таком числе элементов обеспечить правильность связей между ними и надежность функционирования вручную невозможно. Отсюда следует ключевое требование максимальной автоматизации производства изделий микроэлектронной техники.

Принципиально важным моментом является то, что при изготовлении микросхем используется групповой метод производства. Суть его заключается в том, что на одной пластине полупроводникового материала одновременно изготавливается большое число интегральных схем. Кроме того, если позволяет технологический процесс, одновременно в работе находится несколько десятков таких пластин. По завершении основного технологического цикла пластина режется на кристаллы, каждый из которых представляет собой отдельную микросхему. На заключительной стадии осуществляют корпусирование — помещение кристалла в корпус и соединение контактных площадок с выводами (ножками) интегральной схемы.

Групповой метод производства и необходимость выполнения большого числа электрических соединений делают оптимальной и безальтернативной планарную (от англ. plane — плоскость) технологию изготовления микросхем. При этом все элементы и их составляющие, а также необходимые соединения формируются в интегральной схеме через плоскость.

В основе развития микроэлектроники лежит непрерывное усложнение функций, выполняемых электронной аппаратурой, и расширение круга решаемых с помощью этой аппаратуры задач. Это приводит к тому, что на определенном этапе становится невозможным решение новых задач на основе старой элементной базы. В результате труда ученых, инженеров и технологов «появляются на свет» все новые и новые электронные приборы, обладающие более высокими характеристиками по отношению к своим предшественникам. При этом факторами, лежащими в основе смены элементной базы электронных узлов и устройств, являются надежность, стоимость и мощность, а также габаритные размеры и масса.

Факторы, определяющие развитие микроэлектроники, можно разделить на три равнозначных аспекта: физический, технологический и схемотехнический. Остановка в развитии любого из этих аспектов неминуемо тормозит прогресс в области микроэлектроники в целом.

2. Основные направления развития электроники Электроника — это наука, изучающая явления взаимодействия электронов и других заряженных частиц с электрическими, магнитными и электромагнитными полями, что является физической основой работы электронных приборов и устройств (вакуумных, газозарядных полупроводниковых и других), используемых для передачи, обработки и хранения информации.

Охватывая широкий круг научно-технических и производственных проблем, электроника опирается на достижения в различных областях знаний. При этом, с одной стороны, электроника ставит перед другими науками и производством новые задачи, стимулируя их дальнейшее развитие, и с другой — снабжает их качественно новыми техническими средствами и методами исследований.

Основными направлениями развития электроники являются: вакуумная, твердотельная и квантовая электроника.

Вакуумная электроника — это раздел электроники, включающий исследования взаимодействия потоков свободных электронов с электрическими и магнитными полями в вакууме, а также методы создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется. К важнейшим направлениям исследования в области вакуумной электроники относятся: электронная эмиссия (в частности, термои фотоэлектронная эмиссия); формирование потока электронов и / или ионов и управления этими потоками; формирование электромагнитных полей с помощью устройств ввода и вывода энергии; физика и техника высокого вакуума и др.

Основные направления развития вакуумной электроники связаны с созданием электровакуумных приборов следующих видов: электронных ламп (диодов, триодов, тетродов и т. д.); электровакуумных приборов сверхвысокой частоты (например, магнетронов, клистронов, ламп бегущей и обратной волны); электроннолучевых и фотоэлектронных приборов (например, кинескопов, видиконов, электронно-оптических преобразователей, фотоэлектронных умножителей); газоразрядных приборов (например, тиратронов, газозарядных индикаторов).

Твердотельная электроника решает задачи, связанные с изучением свойств твердотельных материалов (полупроводниковых, диэлектрических, магнитных и др.), влиянием на эти свойства примесей и особенностей структуры материала; изучением свойств поверхностей и границ раздела между слоями различных материалов; созданием в кристалле различными методами областей с различными типами проводимости; созданием гетеропереходов и монокристаллических структур; созданием функциональных устройств микронных и субмикронных размеров, а также способов измерения их параметров. [8]

Основными направлениями твердотельной электроники являются: полупроводниковая электроника, связанная с разработкой различных видов полупроводниковых приборов, и микроэлектроника, связанная с разработкой интегральных схем.

Квантовая электроника охватывает широкий круг вопросов, связанных с разработкой методов и средств усиления и генерации электромагнитных колебаний на основе эффекта вынужденного излучения атомов и молекул. Основные направления квантовой электроники: создание оптических квантовых генераторов (лазеров), квантовых усилителей, молекулярных генераторов и др. Особенности приборов квантовой электроники следующие: высокая стабильность частоты колебаний, низкий уровень собственных шумов, большая мощность в импульсе излучения — которые позволяют использовать их для создания высокоточных дальномеров, квантовых стандартов частоты, квантовых гироскопов, систем оптической многоканальной связи, дальней космической связи, медицинской аппаратуры, лазерной звукозаписи и воспроизведения и др. Созданы даже миниатюрные лазерные указки для минимального сопровождения.

2.1 Перспективы развития микроэлектроники Основные усилия разработчиков ИМС направлены на усовершенствование уже сложившихся принципов создания ИМС, на улучшение их электрических и эксплуатационных характеристик. Работы ведутся, главным образом, в направлении повышения быстродействия схем (уменьшения энергии, расходуемой внешним источником на одно переключение логического устройства) и их степени интеграции. Решение этих проблем связывают с усовершенствованием технологии получения микроэлектронных структур минимально возможных размеров.

Дальнейшее развития микроэлектроники связано с принципиально новым подходом, позволяющим реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов, используя различные физические эффекты в твердом теле. Такое направление получило название «функциональная микроэлектроника». Используются оптические явления (оптоэлектроника), взаимодействие электронов с акустическими волнами в твердом теле (акустоэлектроника), эффекты в новых магнитных материалах (магнетоэлектроника), электрические неоднородности в однородных полупроводниках, явление холодной эмиссии в пленочных структурах, явления живой природы на молекулярном уровне (бионика, биоэлектроника, нейристорная электроника).

Микроэлектроника стремительно меняет нашу повседневную жизнь. Еще 10−15 лет назад было сложно представить появление многих современных цифровых устройств. Среди неспециалистов мало кто понимал перспективы и скорость развития технологических новинок. Сегодня цифровые камеры заменили пленочные, IP-телефония — проводную связь, навигаторы — дорожные карты, а на смену бумажным письмам и книгам пришли электронные. Все это стало возможным благодаря развитию микроэлектроники и падению цен на чипы.

Прогресс, достигнутый сегодня в полупроводниковой промышленности, позволяет осваивать все новые и новые области применения. Думаю, еще лет через десять у каждого вместо персональных компьютеров появятся персональные роботы-помощники, которые возьмут на себя большинство рутинных функций, а через 20 лет будет создана виртуальная реальность и человек сможет уходить в трехмерное пространство.

Вообще, с точки зрения техпроцессов, микроэлектроника — это вершина высоких технологий. Микроэлектронные предприятия устроены крайне сложно, и сегодня ни одна фирма в одиночку не способна поднять и решить весь пласт проблем, который встает перед современной микроэлектроникой. Поэтому вокруг производства формируется целый кластер научно-производственных компаний, R&D-центров, лабораторий. В него входят компании, занимающиеся разработкой, синтезом и производством новых материалов, производители высокотехнологичного оборудования, компании-специалисты в области дизайна чипов и высококвалифицированные аналитики, специалисты по исследованию состава и структуры вещества. То есть микроэлектронный кластер — это сотни высокотехнологичных компаний самого разного профиля.

В последние годы микроэлектроника в России развивается довольно успешно. Наше направление включено в программу исследований в проекте «Сколково», информатика названа одной из приоритетных областей высоких технологий в России Сейчас формирование микроэлектронного кластера ведется в Зеленограде фактически заново. Зеленоград — колыбель высоких технологий. Но в трудный переходный этап после распада страны многое здесь было упущено. Сейчас то, что мы по привычке называем микроэлектроникой, по сути, является уже наноэлектроникой. Лишь благодаря крупным инвестициям с использованием инструментов частно-государственного партнерства и целенаправленной работе по модернизации за последние 5 лет «Микрону» удалось сократить технологическое отставание от переднего края мировой микроэлектроники до 2−3 технологических поколений, сейчас реализовывается проект по запуску производства уровня 90 нанометров.

В мире есть микросхемы и меньших размеров — до 32 нанометров, они используются для производства мощных микропроцессоров и ячеек памяти. Но именно топологический уровень в 90 нм наиболее востребован в автомобильной и промышленной электронике, электронных документах, банковских и смарт-картах. Наряду с топологией 65 нм это — самая используемая технологическая норма в мире.

С переносом технологии производства чипов с топологическими нормами 180−90 нм в Зеленограде началось формирование экосистемы современного микроэлектронного кластера. Сейчас мы работаем над тем, чтобы привлечь к сотрудничеству по разным направлениям как можно больше партнеров здесь, в России. По статистике, создание одного рабочего места на микроэлектронной фабрике ведет к появлению 10−12 новых рабочих мест для квалифицированных специалистов в смежных отраслях. Например, аналитические пробы, которые делались в Германии, перенесены в лабораторию МИЭТ, французский производитель AirLiquide строит газогенерирующую станцию в Зеленограде.

Мы развиваем связи с дизайнерскими центрами в России и за рубежом, в перспективе планируем заказывать в России фотошаблоны для литографии (это ключевой этап микроэлектронного производства). Восстанавливаются связи и с наукой — академические институты берут на себя те или иные исследования, работы по новым материалам и моделям. В частности, мы работаем с Физико-технологическим институтом Российской академии наук, с Институтом физики полупроводников Сибирского отделения РАН, сейчас подключаем другие институты, так как сфера большая, широкая. Развитие микроэлектроники позволяет с оптимизмом смотреть в будущее российских высоких технологий. Глобальная проблема сегодня — отсутствие внутреннего спроса на продукцию отрасли. Бизнес есть бизнес, и без окупаемости проектов требующая постоянных крупных финансовых вливаний полупроводниковая отрасль не может развиваться.

Пример других стран, история развития микроэлектроники в таких регионах, как Китай, Южная Корея, Германия, Франция — а сегодня это ведущие мировые производители полупроводников, — показывает, что в первую очередь спрос на продукцию микроэлектроники формирует само государство. В том числе и с помощью введения различных стандартов. Например, государство может обязать производителей размещать гарантирующие защиту от подделок чипы на всех фармацевтических препаратах, алкогольной продукции, почтовых отправлениях. Сейчас на государственном уровне идет процесс перехода к электронным паспортно-визовым документам, информатизации, вводятся универсальная электронная карта, электронное правительство. Все эти новшества основаны на чипах, которые хранят зашифрованную информацию и обеспечивают национальную безопасность. Ведь чип, произведенный зарубежным партнером и включающий компоненты от массы разных поставщиков, в конечном счете не может гарантировать полную защиту от несанкционированного доступа и полную безопасность ключей. Поэтому в силах правительства регламентировать использование отечественных микросхем при реализации инновационных проектов.

Истории успеха микроэлектронной отрасли в Юго-Восточной Азии и Европе основаны на значительной глобальной поддержке со стороны национальных правительств, связанной с таможенным, тарифным регулированием, гарантийным обслуживанием. Микроэлектроника формирует активы, которые остаются в стране и являются ее интеллектуальным богатством.

микроэлектроника вычислительный техника пленка

2.2 Новая быстро развивающаяся технология Микроэлектроника занимает одно из самых важных мест в экономике развитых стран мира. Уровень промышленной и бытовой продукции определяется качеством технологий микроэлектроники. Каждый вложенный в микроэлектронику доллар при грамотной и дальновидной политике приносит до 100 долларов прибыли и создает в три раза больше рабочих мест, чем другие области промышленности.

Во многих странах мира развитие отечественной электронной промышленности рассматривается в качестве наиболее эффективного способа подъема всей промышленности и вхождения в мировой рынок. Развитие микроэлектроники происходит с ускорением во времени, с нарастанием сложности интегральных схем и электронных систем и имеет глобальный характер — в том смысле, что влияет на все сферы деятельности человека и общества. Современные информационные системы на 70% своей стоимости базируются на изделиях микроэлектроники, в частности, средства связи — на 60%. Стоимость такого изделия как гражданский самолет на 50% состоит из стоимости электронного оснащения, а военный — на 70%.

В военной сфере высокоточные системы электронного наведения и средства доставки с воздуха принципиально изменили стратегию и тактику военных действий, что ярко продемонстрировано в войнах последнего десятилетия. Противостоять агрессору в таких условиях могут лишь считанные страны, обладающие столь же совершенным оружием, основой которого являются электронные системы.

Для обеспечения безопасности эти системы вооружений должны базироваться на электронной компонентной базе отечественной разработки, т. к. информационная безопасность предполагает, что любая часть военной техники должна быть полностью независимой от зарубежных комплектующих. Но что же мы имеем в реальности? В течение последних двадцати лет развитие микроэлектроники в РФ было фактически остановлено. В итоге доля импортных микроэлектронных компонентов, используемых в России, выросла до 90, а в ряде сфер — и до 100 процентов. В частности, в новейших разработках военной техники применяется до 70 процентов импортных интегральных схем. Российские центры проектирования систем на кристалле разрабатывают устройства с помощью современных технологий и с особой высокой специальной стойкостью, которая необходима для систем вооружения, но при этом заказывают эти устройства на зарубежных фабриках, так как у нас просто нет фабрик с такими технологическими циклами. Между тем обороноспособность страны в современном мире как раз и определяется тем, какой электроникой она обладает.

Электронная промышленность — один из самых прибыльных секторов экономики. По расчётам аналитиков, среднемировой срок окупаемости инвестиций в микроэлектронику не превышает 2−3 лет. Один килограмм изделий микроэлектроники стоит столько же, сколько стоят 100 и более тонн нефти. Благодаря этому годовые продажи только одного производителя мобильных телефонов — фирмы Nokia — вполне сопоставимы по стоимости с годовым объёмом экспорта российской нефти. Вот почему за место на электронном рынке отчаянно сражаются все сколько-нибудь развитые страны.

Не располагая ни сырьём, ни собственными энергетическими ресурсами, ни даже кадрами, Южная Корея сумела за каких-нибудь 30 — 40 лет создать развитое производство и превратилась в ведущую промышленную и электронную державу мира. Между тем ещё в 60-х её население едва научилось читать и писать, а самым совершенным продуктом, который производило корейское машиностроение, был велосипед. Ещё более фантастичен рывок Сингапура. Некогда колониальный порт с территорией, существенно уступающей территории Москвы и с населением в 4,2 миллиона человек, в тех же 60-х годах зарабатывавший на реэкспорте чужих товаров, он к концу тысячелетия стал мировым инновационным центром. При этом по объёму экспорта Сингапур в 2000 году превзошёл и Бразилию, и Австралию, и Россию с её нефтью, газом и сталью.

Да и стоит ли удивляться, если доля России на мировом рынке высокотехнологичной продукции не превышает 0,3 процента. Понятно, что здесь её никто не ждёт. Конкуренты расталкивают друг друга локтями. Да и даже не это главное. Главное, что и предложить-то нам нечего. И именно поэтому в структуре нашего экспорта нет ни изделий электронной промышленности, ни программных продуктов, ни медицинской аппаратуры, ни аудиои видеотехники. И если страна ещё присутствует в каких-то сегментах рынка, то только благодаря передовым разработкам советских времен. Но и они стремительно устаревают.

В настоящий момент по сравнению с рядом развитых стран достижения отечественной микроэлектроники ничтожно малы. Для того чтобы нам приблизиться к уровню ЕС, необходимо сделать огромное количество капиталовложений. Такие страны как Германия, Франция, Англия и др. сделали огромный рывок в области микроэлектроники, чего нельзя уж никак сказать про Российскую Федерацию. Московские начальники заявляют, что вот-вот и российская электронная промышленность станет независимой от зарубежных комплектующих, и что они будут производить устройства по топологическими нормам 0,18 мкм, 0,13 мкм, 0,09 мкм и т. д. При этом подразумевается максимум две фабрики, когда как страны, обладающие передовыми технологиями имеют значительно больше технологических линий. Но на данный момент можно с уверенностью сказать, что и эти фабрики не работают в полную меру, и что российским центрам проектирования приходится заказывать устройства у зарубежных фабрик, так как реализация устройств по глубоко субмикронной технологии на территории РФ невозможна.

Создание российского военного и гражданского производства в области микроэлектроники жизненно необходимо и возможно, но только при мощной государственной финансовой и организационной поддержке и гарантированных объемах сбыта. Быстроразвивающиеся страны могут воспользоваться широкими возможностями новых технологий, чтобы совершенствовать систему образования, выходить на региональные рынки и успешно конкурировать на мировом уровне.

Новому, «технологическому поколению» нужны навыки, технологии и сети для продуктивной работы и отдыха. Они активно пользуются средствами групповой работы и развлекательными приложениями, такими как Facebook.

Заключение

Исходя из изложенного, следует сделать вывод, что развитие микроэлектроники в России необходимо и возможно, но возможно только при государственной финансовой и организационной поддержке и гарантированным объемам рынков сбыта.

Необходимо отметить, что при этом оказываются взаимосвязанными две задачи. Развитие микроэлектроники требует обеспечения государственных гарантий и поддержки для разработки и выпуска микросхемы для электронных документов, информационных систем органов государственной власти, навигационной аппаратуры, промышленной электроники, военной и специальной техники. В то же время, для обеспечения информационной безопасности всех указанных электронных систем следует использовать только отечественные микросхемы и, следовательно, необходимо развивать микроэлектронное производство в России.

Вот почему обеспечение решения этих сложных государственных задач требует создания и развития прочного технологического и производственного базиса выпуска отечественной современной электронной компонентной базы, технический уровень которой определяет возможности государства решать задачи технологической, информационной и экономической безопасности.

Электронная промышленность является базовой отраслью, но не выпускает конечной потребительской продукции. Потребность в ней определяется развитием всей инфраструктуры высокотехнологичных отраслей, опирающихся на использование электроники.

К сожалению, Россия своевременно не включилась в мировую систему развития микроэлектроники, а технологический кризис 90-х годов, когда практически была прервана система государственной поддержки электронной промышленности, негативным образом сказался на уровне развития производства электронной техники.

Микроэлектроника стремительно меняет нашу повседневную жизнь. Так как еще 10−15 лет назад было сложно представить появление многих современных цифровых устройств. Среди неспециалистов мало кто понимал перспективы и скорость развития технологических новинок. Сегодня цифровые камеры заменили пленочные, IP-телефония — проводную связь, навигаторы — дорожные карты, а на смену бумажным письмам и книгам пришли электронные. Все это стало возможным благодаря развитию микроэлектроники.