Интегральные схемы и печатные платы

Полупроводники и полупроводниковые элементы; производство инте-гральных схем: полупроводниковые свойства кремния, изготовление кремниевых пластин, фотоли-тография; производство печатных плат: фотолитография, склеивание слоёв.

ПОЛУПРОВОДНИКИ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Напомним о том, что первые ЭВМ конструировались с использованием радиоламп и электромагнитных реле, но после изобретения транзистора в конце 1940-х годов произошла смена поколений, и, начиная со второго поколения, ЭВМ создавались уже на базе полупроводниковых элементов. Последние обеспечили существенный прогресс вычислительной техники, так как позволили радикально уменьшить размеры компьютеров, также уменьшить затраты электроэнергии и повысить надёжность ЭВМ. Кроме того, полупроводниковые компьютеры оказались существенно дешевле компьютеров предыдущих поколений. Полупроводниковая элементная база используется и в настоящее время.

Обратимся к курсу школьной физики и вспомним, что такое полупроводники.

Полупроводник - это вещество, электрическая проводи-мость которого существенно зависит от состава примесей, добавленных к нему; также его прово-димость может существенно меняться под воздействием температуры, электрических и магнит-ных полей.

Полупроводники с различными характеристиками производятся путём добавления примесей в кристаллические вещества (обычно в кремний). Сочетая различные полупроводники, изготовляют транзисторы, диоды, тиристоры и т.д. Полупроводниковые элементы в электронных схемах усиливают и преобразуют электрические сигналы. В частности, способность транзисторов менять свою проводимость в зависимости от характеристик управляющего электрического сигнала позволяет создавать на их основе логические вентили.

Электрическая проводимость вещества обеспечивается электронами на внешней оболочке его атомов. Эта же оболочка, в основном, определяет и валентность веще-ства - способность его атомов связываться с атомами других веществ и, для кристаллических ве-ществ, способность формировать кристаллическую решётку. Поэтому электроны, находящиеся на внешней электронной оболочке, называются валентными. Металлы легко обмениваются валентными электронами, что позволяет им быть проводниками, то есть иметь высокую электрическую проводи-мость. Чистые полупроводники, не содержащие примесей, имеют гораздо менее "подвижные" валентные электроны, и, как следствие, низкую электрическую проводи-мость.

Остановимся подробнее на технологии изготовления полупроводниковых элементов. Ос-новным химическим элементом, используемым при их производстве, является кремний - природ-ный полупроводник. Кремний является не единственный природным полупроводником, но он - один из самых распространенных химических элементов на Земле и составляет более 27% земной коры. Поэтому его легко добывать, а также несложно перерабатывать - чистый технический крем-ний эффективно и недорого производится из оксида кремния, то есть песка (см. рис. 5.1).

Как уже обсуждалось выше, собственная электрическая проводимость кристаллического кремния мала, поскольку все валентные электроны атомов кремния задействованы в кристалличе-ской решётке, реализуя связи с четырьмя соседними атомами. Для изменения электрических свойств кремния в него добавляют легирующие примеси. Эти примеси позволяют "расшевелить" часть валентных его электронов, увеличить, таким образом, электриче-скую проводимость кремния, а также повлиять на характер этой проводимости. В качестве примесей используются фосфор, мышьяк, бор и некоторые другие элементы с подходящей конфигурацией электронных оболочек. В частности, у мышьяка пять валентных электронов, поэтому при добавле-нии небольшого количества мышьяка в кремний, который четырехвалентен, один из его электронов остаётся свободным. Такие свободные электроны могут перемещаться от одного атома мышьяка к другому, перенося заряд, и в итоге кремний, легированный мышьяком, приобретает свойство электронной проводимости или n-проводимости. Бор, напротив, имеет три валентных электрона, поэтому кремний с примесью бора содержит свободные места, которые могут занимать электроны близлежащих атомов. В этом случае по кристаллу пере-мещаются, перенося заряд, уже не электроны, а так называемые положительно заряженные дырки, а кремний приобретает p-проводимость или дырочную проводимость. Отметим, что, будучи "отсутствием электро-на", дырка является не физическим объектом, а удобной умозрительной абстракцией, фактиче-ски же заряд по-прежнему переносит электрон.

В транзисторах, диодах и других полупроводниковых элементах области p- и n-полупроводники соединяются, и вблизи их границы образуется p-n-переход, который может реагировать на электрическое поле, "открывая" или "запирая" движение электрического тока. На основе одного p-n-перехода изготавливается полупроводниковый диод, пропускающий ток лишь в од-ном направлении - от p-полупроводника к n-полупроводнику. Если полупроводники чередовать в последовательности n-p-n, то получится NPN-транзистор, который проводит ток между крайними n-полупроводниками (открывается) только при подаче высокого электрического потенциала на сред-ний p-полупроводник. Его "близнец" - PNP-транзистор - работает наоборот: проводит ток между крайними p-полупроводниками только при подаче низкого потенциала на n-полупроводник.

Следует отметить, что работоспособный транзистор с характеристиками, допускающими его практическое использование, получается лишь при соблюдении множества дополнительных ус-ловий - толщины и объёма полупроводников, концентрации легирующих примесей и т.д. Исследо-вания свойств полупроводников проводились физиками в различных странах с 1920-х годов, но би-полярный транзистор, аналогичный современным, был создан лишь в 1947 году. В 1956 году созда-тели биполярного транзистора У. Шокли, У. Браттейн и Д. Бардин были удостоены Нобелевской премии. Исследования полупроводников и их применения в микроэлектронике продолжаются и сейчас. Один из наиболее известных современных учёных в этой области, наш соотечественник академик Ж.И. Алфёров (1930-2019 годы), в 2000 году также удостоенный Нобелевской премии по физике.

Рис. 5.1. Оксид кремния - песок в пустыне (слева), монокристалл крем-ния (по центру) и срез монокристалла с заготовками для микросхем на нём (справа)

Кроме кремния в природе имеются другие природные полупроводники, например, герма-ний. Существуют транзисторы и интегральные схемы на основе германия, но доступность кремния и наличие отработанных технологий производства сделали его предпочтительным базовым материа-лом.

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

Хотя отдельные транзисторы, диоды и прочие элементы и сегодня непосредственно мон-тируются на печатные платы, основой функционал современных компьютеров реализуют уже инте-гральные схемы. Интегральные схемы группируют на кремниевых пластинах огромное количество транзисторов, диодов и прочих элементов, создавая специализированные устройства, например, процессоры. Интегральные схемы позволили существенно удешевить компьютеры, а также уменьшить их размеры и увеличить производительность.

Монокристалл - это такое состояние кристаллического вещества, которое характеризуется крайне незначительным количеством нарушений геометрии его кристаллической решётки, то есть почти все атомы решётки расположены в идеальном по-рядке.

В природе монокристаллы практически не встречаются. Но для производства микроэлек-троники они важны, поскольку размеры создаваемых на базе кремния электронных элементов уже сопоставимы с расстоянием между атомами в кристаллической решётке (около 0,5 нм). Следователь-но, отдельные дефекты в кристалле могут привести к появлению неработоспособных полупроводниковых элементов.

Чтобы сделать природный кремний пригодным для использования в изготовление печат-ных плат, его очищают от примесей, достигая концентрации кремния близкой к 100%. Далее создают (выращивают) монокристаллы кремния в виде цилиндров. Эти цилиндры режут на пластины, на которых и размещают интегральные схемы (рис.5.1). Сейчас изготовляют цилиндры диаметром в 300 миллиметров, но разрабатываются технологии для создания 450 миллиметровых цилиндров. Увеличение диаметра цилиндров потенциально позволяет увеличить площадь интегральной схемы, и, следовательно, разместить на одной пластине больше транзисторов. Это, в свою очередь, позволяет выпускать более высокопроизводительные процессоры. Но увеличение диаметра кремниевых кристаллов сопряжено с большими технологическими трудностями.

Для того, чтобы сформировать на кремниевой пластине отдельные электронные элементы, используется специальная высокоточная технология под названием фотолитография.

Фотолитография - это технология нанесения на различ-ные поверхности рисунка с помощью некоторого вещества при помощи следующих действий: сплошное нанесение вещества на поверхность, нанесение защитного слоя, фотохимическая стаби-лизация защитного слоя в необходимых местах, растворение остальных (нестабилизированных) участков нанесённого вещества.