ОСНОВИ

МІКРОЕЛЕКТРОНІКИ

•Мікроелектронний виріб – електронний пристрій з високим ступенем інтеграції (об'єднання) електрорадіоелементів.

•Інтегральна схема (ІС) – мікроелектронний виріб, який виконує певну функцію перетворення та обробки сигналів і має високу щільність упакування електрично з'єднаних елементів (більше ніж 5 елементів на 1 см³). З точки зору виготовлення і експлуатації ІС розглядається як єдине ціле і складається з елементів та компонентів.

•Елемент ІС – частина ІС, що реалізує функцію будь-якого радіоелемента (транзистор, діод, резистор, конденсатор). Він не може бути відділеним від ІС як самостійний виріб і виконаний у кристалі ІС. Наприклад, елементами ІС є біполярні транзистори і діоди у напівпровідникових мікросхемах, плівкові резистори в гібридних мікросхемах.

•Компонент ІС – частина ІС, яка реалізує функцію будь-якого електрорадіоелемента. Однак компонент є самостійним виробом, що виготовляється окремо від ІС і може бути відділений від ІС. Наприклад, біполярні транзистори і діоди в гібридних ІС.

•Напівпровідникова ІС – це ІС, у якої всі елементи і міжз’єднання виконані в об'ємі і на поверхні напівпровідникової пластини (рис. ).

ОСНОВИ

МІКРОЕЛЕКТРОНІКИ

•Плівкова ІС - це ІС, у якої всі елементи і міжз’єднання виконані у вигляді різних плівок, нанесених на поверхню діелектричної підкладки.

•Гібридна ІС являє собою комбінацію плівкових пасивних елементів і активних компонентів, розміщених на спільній діелектричній підкладці (рис. ).

•Суміщена ІС це мікросхема, в якій активні елементи розміщені в об'ємі напівпровідникового кристала, а пасивні, виготовлені за плівковою технологією, наносяться на попередньо ізольовану діелектриком поверхню напівпровідникового кристала (рис. ).

ЕЛЕМЕНТИ КОНСТРУКЦІЇ ІС

•Корпус ІС – призначений для захисту ІС від зовнішніх впливів і для з'єднання із зовнішніми електричними колами за допомогою виводів. Разом із корпусними випускаються і безкорпусні ІС.

•Підкладка ІС – заготовка, призначена для виготовлення на ній елементів гібридних ІС, міжз’єднань і контактних площадок.

•Напівпровідникова пластина заготовка з напівпровідникового матеріалу, яка застосовується для виготовлення напівпровідникових інтегральних схем (рис. поз. 1).

•Кристал ІС, чіп – частина напівпровідникової пластини (прямокутник 5х5 мм), у об'ємі і на поверхні якої сформовані елементи ІС, міжз’єднання і контактні майданчики (рис. поз. 2).

•Контактні майданчики – металізовані ділянки на підкладці або кристалі, призначені для приєднання до виводів корпуса ІС, а також для контролю її електричних параметрів і режимів (рис. поз. 3).

•Мікроскладання – мікроелектронний виріб, який виконує певну функцію і складається з елементів, компонентів і інтегральних схем (корпусних і безкорпусних) з метою мікромініатюризації електронної техніки.

•Мікроблок – мікроелектронний виріб, який, окрім мікроскладань, містить ще інтегральні схеми і компоненти.

•Серія ІС – це сукупність ІС, які можуть виконувати різноманітні функції, але мають єдине конструктивно- технологічне використання і призначені для спільного застосування (напр., серія 133, серія 155, серія 140).

Напівпровідникова пластина, чіп, контактний майданчик

Опанасюк А.С. 94

СИСТЕМА УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ІС

•Упроваджена на підставі ГОСТ 17021-75

•1-й елемент: 1, 5, 6, 7 – напівпровідникові ІС;

•2, 4, 8 - гібридні ІС;

•3 - інші (плівкові, вакуумні).

•2-й елемент

Означає порядковий номер розробки (точніше, даної серії). Може містити 2-3 цифри.

•3-й елемент: ЛА – логічний елемент І – НЕ; ЕН – стабілізатор напруги; ТВ – JК тригер; ТМ – D-тригер; ТМ D-тригер; ТР – RS-тригер; ІP – регістр; ІE – лічильник; СА – компаратор; ПВ – АЦП; ПА – ЦАП; УВ – підсилювач ВЧ; УР – підсилювач проміжної частоти; УН – підсилювач НЧ; УВ – відеопідсилювач; УЕ – емітерний повторювач; ФВ – фільтр ВЧ; ФН – фільтр НЧ; ГС – генератор синусоїдних сигналів.

Опанасюк А.С. 96

ГІБРИДНІ IC

•Основою мікроелектроніки є метод інтеграції (об'єднання) елементів. При цьому сукупність елементів ІС і міжз'єднань виготовляється в єдиному технологічному процесі – одержують закінчений функціональний вузол. Автономно або разом із додатковими елементами цей вузол власне утворює інтегральну схему.

•Застосовуються дві основні технології виготовлення ІС – гібридна і напівпровідникова.

До технології виготовлення ІС ставлять 2 суперечливі вимоги:

1 Підвищений ступінь інтеграції (щільності упакування).

2 Необхідно мати універсальні ІС.

•Втім, збільшення ступеня інтеграції ІС обмежує сферу її застосування, тобто призводить до зниження універсальності схеми.

•Наявність двох технологій – гібридної і напівпровідникової – дещо розв'язує цю суперечність. Максимальну щільність упакування дає напівпровідникова технологія, проте вона є складною, і властивості елементів, виготовлених за нею, не завжди задовольняють вимогам ТУ (наприклад, розкид параметрів і т. ін.) Гібридна технологія є більш економною і пристосованою до спеціальних прецизійних пристроїв, дозволяє одержати ІС із кращими властивостями, хоча при цьому з низьким ступенем інтеграції.

•Варто пам'ятати, що, крім напівпровідникових і гібридних ІС, існують ще й плівкові ІС.

•Плівкова ІС – це така, у якої елементи і міжз'єднання виготовляються з плівок необхідної форми з різними електрофізичними властивостями і розміщуються на поверхні діелектричної підкладки або діелектричної плівки. Однак плівкова технологія не дозволяє виготовляти активні елементи із задовільними параметрами. Відтак чисто плівкові ІС – це пасивні схеми (переважно резистивні розподільники напруги, набір резисторів і конденсаторів, резистивно-ємнісні схеми). Тому всі переваги плівкової технології застосовуються у високопрецизійних гібридних ІС.

Опанасюк А.С. 97

ГІБРИДНА ТЕХНОЛОГІЯ

•Гібридна технологія полягає у наступному (рис.). На відшліфовану діелектричну підкладку (скло, кераміка) за допомогою масок наносяться плівки резистивних і провідникових матеріалів, а також контактні площадки. Активні елементи за плівковою технологією, як уже зазначалося, не виготовляються, а виробляються окремо, у безкорпусному виконанні, а потім підпаюються. Підкладка розрізається на окремі ІС, які вкладаються до корпусів і приєднуються до контактних площадок виводів. Корпуси герметизуються і маркуються.

•Розрізняють два різновиди плівкових ІС:

•товстоплівкові, у яких товщина нанесених плівок d > 10 мкм;

•тонкоплівкові, у яких d ≤ 1-2 мкм.

•Нанесення резистивних і провідникових плівок здійснюється через випарювання у вакуумі різноманітних матеріалів за допомогою трафаретів: ніхрому, двоокису олова і т.ін.

•Плівкові резистори (рис.) мають значно більший діапазон номінальних значень і менший розкид параметрів порівняно з дифузійними резисторами (виготовленими за напівпровідниковою технологією).

•Опір плівкового резистора залежить від товщини і ширини плівки, її довжини і матеріалу. Для створення більших опорів застосовуються з'єднання кількох плівок, резистори зигзагоподібної форми тощо.

Плівкові резистори:

1 – резистивна плівка (ніхром);

2 – провідникова плівка (алюміній);

3 – діелектрична підкладка

Опанасюк А.С. 98

ПЛІВКОВІ КОНДЕНСАТОРИ

•Плівкові конденсатори створюються шляхом почергового нанесення на діелектричну підкладку провідникових і діелектричних плівок (рис.1).

•Плівкова технологія дозволяє виконувати також індуктивності (у тому числі і трансформатори) у вигляді плоских спіралей прямокутної форми (рис. 2). На площі, яка не перевищує 25 мм², можна одержати індуктивність L ≤ 0,5 мкГн. Наноситься також феромагнітна плівка для формування осердя.

Опанасюк А.С. 99

ТЕХНОЛОГІЯ СТВОРЕННЯ IC

•Напівпровідникова (монолітна, твердотільна) технологія більш придатна для масового виробництва ІС з високим ступенем інтеграції, характеристики яких не критичні щодо розкиду параметрів пасивних елементів, їх температурної нестабільності і впливу паразитних зв'язків. За напівпровідниковою технологією виготовляється більшість цифрових інтегральних схем і багатофункціональних аналогових ІС. Надійність напівпровідникових мікросхем значно вища, ніж у гібридних ІС, внаслідок невеликої

кількості припаювань.

•Усі елементи напівпровідникових ІС виконані всередині напівпровідникового кристала – чіпа. Товщина чіпа – 200-300 мкм, горизонтальні розміри – від 1,5 1,5 мм до 6,0 6,0 мм.

•Планарно-дифузійна технологія виготовлення біполярних напівпровідникових інтегральних схем

•На кремнієвому кристалі (рис.) створюється тонкий шар двоокису SiO2. На нього наноситься шар 1 фоторезиста. Це речовина, яка під дією опромінення стає кислотостійкою. Фоторезист опромінюється ультрафіолетовими променями через фотошаблон 3 (фотопластинка з відповідним рисунком із прозорих і непрозорих ділянок). Опромінені ділянки 5 витравлюються травником. Цей процес називається фотолітографією. На ділянках 5 утворюються вікна, через які здійснюється процес дифузії донорних атомів із нагрітого газу 6.

Технологія виготовлення біполярних структур ІС

Опанасюк А.С.100

ТЕХНОЛОГІЯ СТВОРЕННЯ IC

•Таким чином, у кремнієвому кристалі формуються n – області (так звані «кишені»), які відповідають емітерам усієї сукупності біполярних транзисторів цієї ІС. При повторенні операцій послідовно формуються області бази, потім колектора. Паралельно формуються пасивні елементи, а на поверхні кристала – міжз'єднання і контактні площадки.

•Планарно-дифузійна технологія має такі недоліки:

•нерівномірний розподіл домішок у областях;

•нерівномірний опір колектора і збільшення його значення;

•відсутні чіткі межі переходів, що призводить до зменшення напруги пробою між колектором і

підкладкою;

•підкладка дуже впливає на електричні параметри транзистора ІС.

•Натомість біполярні інтегральні транзистори, виготовлені за планарно-епітаксійною технологією, відзначаються рівномірним розподілом домішок (рис. ).

•У них на p-підкладці вирощується колектор n - типу. Для зменшення опору колектора, а отже, зниження втрат потужності і ступеня впливу підкладки створюють прихований n+- шар, який має менший порівняно з епітаксійним n - шаром опір. Цей прихований шар створюється за допомогою додаткової дифузії донорних домішок у відповідні ділянки підкладки.

Планарно-епітаксійна біполярна структура

Опанасюк А.С.101