Микроэлектрониканың даму кезеңдері

Микроэлектроника жайлы мәліметтер

Электрон техникасының пайда болып қалыптасуы және даму тарихы

Электрон техникасының пайда болып қалыптасуы және даму тарихы бойынша өткен ғасырды екі кезеңге бөлуге болады.

Радиотехника, байланыс техникасы, электрон техникасы өзара бір-бірін толықтырып радиоэлектроника ғылымын жарыққа шығарды. 1931 жылы оптикалық кескіндемені электр сигналдарына түрлендіріп беруші прибор-иконоскоп жасалынды. 1945жылы телевидение пайда болды.

Екінші Дүниежүзілік соғыс кезінде радиолокация және авиация үшін вакуумдық электрон лампалар орнына электромагнит толқын ұзындықтың сантиметрлік диапазонына (бірінші болып) алғаш рет кристалдық детекторл аржаратылды.

1947-48 жылдары электр сигналдарын күшейтіруші жартылай өткізгішті материал германий пластинкасы негізінде электрон лампа-триодорнына транзистор істеп шығарылды. Кейіннен бұл жұмысқа Нобель сыйлығы берілді.

Кристал негізіндегі диод және транзисторлардың өлшемдері, массалары вакуумды электрон аспаптарда нәлдеқайда кіші, сонымен қатар шыдамдылығы өте жоғары болған.

Нәтижеде микроэлектроника ғылымы пайда болды. (“микро”–СИ жүйесіндегі ұзындық өлшем бірлігі бір метрден миллион есе кіші болған өлшем). Микроэлектроника ғылымының міндеті өлшемдері, массалары өте кіші, шыдамдылығы жоғары болған, кіші электр тогында істей алатын дискрет приборлар менен электрон құрылғыларды жарату.

Өткен ғасырдың екінші жартысында микроэлектрониканың пайда болып, қалыптасуы, ғылым, техника, өнеркәсіп және өндірістің барлық салаларының дамуына, жаңа инфармациондық технология, кибернетика пәндерінің туылуына, ғарыштың игерілуіне себепшіболды.

Ғарыш кемесінің жерден көтерілу кезінде оның бортындағы 1кг жүктің салмағы бірнеше жүз есе артып кетеді. Кеме бортындағы радиоэлектрон аппаратының талапқа сай жұмыс орындауы үшін бірнеше миллион электрон элементтері керек болады.

Ғарыш кемесінің жердің тарту күшін жеңіп, бірінші ғарыштық жылдамдық пен көтерілуі үшін, олардың бортындағы радиоэлектрондық аппараттардың массасын азайтып, өлшемдерін кішірейту керек болады. Мысалы,бірэлектрон есептеу машинасына 10⁸ сандағы дискрет элементтердің керектігін ескерсек, компьютерде қолданылатын әрбір электрон элементтің массасы1г, көлемі 1 см³, бағасы 2 теңге екендігін есепке алып бағаласақ, компьютердің массасы 100 т, көлемі100м³, бағасы 200млн. Теңге болатыны анықталады.

Қазіргі уақытта электрон есептеу машиналары, күрделі тізбекті радиоэлектрон аппараттар микроэлектронды интеграл микросхемалар негізінде істеп шығарылады.

Жаңа ғасырда адамзат санасына нано электроника, нанотехнология сөздері кең таралуда. Себебі, ғалымдардың пікірі бойынша, нано электроника технологиясы келешекте адамзат қоғамының өте жоғары дамуының негізі. Бұл технология ғылым және техниканың барлық салаларының интенсивті дамуы арқылы мемлекеттің экономикасына, саясатына, халықаралық қатынасына әсерін тигізеді. Дамыған мелекеттерде нано технология бойынша материалдық құндылықтар жаратуүшін, үлкен мөлшерде ақша бөлініп жатыр. Мысалы, АҚШ мемлекеті нано технологияны зерттеу жұмыстарына 2001 жылы 422млн, 2002 жылы 600млн. доллар қаражат бөлді. 2007-2015 жылдары Ресей мемлекеті 160 млрд. Рубль қаражат бөлуді жоспарлап отыр.

АҚШ тың Ұлттық Ғылым Фондының есептеуі бойынша 2015 жылы нано технологиясы негізінде құны трилион доллар болатын тауарлар істеп шығарылады.

Нанометр (1 нм) бір метрден миллиард есе кіші болған өлшем.

Микро әлемдегі құбылыстарды зерттеу нәтижелері негізінде пайда болған нано технологияның приборларыменен макро әлемнің заңдылықтары үйреніледі.

Қазіргі таңда мамандар нано технология негізінде кванттық компьютерлер, радиоэлектрондық аппараттар жарату жұмыстары алып барылуда.

Микроэлектроника

Микроэлектроника- микроминиатюралы электрондық функционалды тораптар мен блоктар жасау мәселесімен айналысатын электроника ғылымының саласы. Оның шығуына электрондық аппаратуралар құрылысының күрделенуі,аумағының үлкеюі және жұмыс сенімділігіне қойылатын талаптың артуы себепші болды.Жеке аппаратураларда бірнеше кейде ондаған мың электрондық лампы, транзистор, резистор, трансформаторлар қолдану олардың аумағын үлкейтті әрі оларды құрастыру (дәнекерлеп не пісіріп) көп еңбекті қажет етті. Ғылыми ізденістердің нәтижесінде электрондық аппаратуралар жасауға конструкциялық - техникалық жаңа тәсілдер (баспалық монтаж, модуль және микромодуль, интегралдық схемалар т.б.) табылып іске асырылды.

Қатты дене физикасы мен жартылай өткізгіштер электроникасы саласындағы жетістіктерді пайдалану нәтижесінде микроэлектроника жаңа конструкциялы, бір- бірімен технологиялық және электрлік байланыста болатын электрондық құрылғылар (функционалды схемалар мен тораптар) жасау мәселесін шешті.Мұнда микроминиатюралы элементтер тобы мен оларды бір-бірімен электрлік жолмен жалғастыру белгілі бір технологиялық процесс бойынша орындалып, ортақ функционалды торап жасалды. Осы тәсілмен жартылай өткізгіш материалдан жасалған дайындамаға біртектіэлектрондық функционалды тораптардың бір тобын орналастыру мүмкін болды. Мұндағы әрбір функционалды торап жеке элементтер жиынтығынан емес керісінше пластина бетін бірқатар интегралдық өңдеулерден өткізу нәтижесінде пайда болды. Осы микроминиатюралы торап интегралдық микросхема немесе интегралдық схема (ИС) деп аталады.Осыан байланысты М-дағы элемент ұғымы да өзгерген. Элемент рөлін интегралдық схема атқарады.

Жасау технологиясымен онда пайдаланылған физикалық принциптер негізінде микроэлектроника интегралдық, вакуумдық микроэлектроника және функционалдық электроника деген салаларға ажыратылады. Интегралдық электрониканың шығуына байланысты микроминиатюралы радиоэлектрондық және интегралдық схемаларға негізделген аппаратуралар жасау ісі дами бастады. Жартылай өткізгішті интегралдық схема жасау үшін планарлы-эпитаксиалды деп аталатын технологиялық процесс қолданылады. Бұл тәсіл жартылай өткізгіш пластинаны механикалық және химиялық өңдеуден өткізу; пластина бетіне қажетті электрлік - физикалық қасиеттері бар қабат жасау; фотолитография; легирлеу; пластина бетіне металл электродтар, жалғастыру тізбектерін, контактілік жолақтар жасау секілді жұмыстар тізбегінен құралады. Осы аталған технологиялық процестердің ең жауаптысы - фотолитография. Ол жартылай өткізгіш пластинаның жеке учаскелерін талғап өңдеуге мүмкіндік береді. Жасалатын дайындаманың негізі ретінде p-типтес жартылай өткізгіш- кремний пластина алынады. Оның бетіне кремнийдің n-типтес эпитаксиалды қабаты, ал бұның үстіне кремний қос тотығы жалатылады.Тотықтанған кремний пластинасының бетіне жарық сезгіш лак- фоторезист жағылады. Кепкен соң фоторезисттің үстіне фотошаблон беттестіріліп, ультракүлгін сәулемен сәулелендіріледі. Оның жарықталған учаскелері полимерленеді. Фотошаблон алынып, оның полимерленген учаскесі шайылып тасталады.Қышқылмен өңделген кезде кремнийдің сәуледен көлеңкеленбеген учаскесі мүжіліп желінеді. Осыдан кейін оның полимерленген учаскесі арнаулы қышқыл арқылы фоторезисттен тазартылады. Осы өңдеулер кезінде ешқандай өзгеріске ұшырамаған кремний тотығының жұқа қабыршық қабаты перде ретінде пайдаланылады да диффузиялық құбылыс негізінде n-типтес кремнийдің айналасы p-типтес кремниймен қапталады.Осыдан соң пластина жаңадан қосымша кремний қабаты түзіледі. Интегралдық схема дайындаудың пленкалық, гибридтік, бірнеше әдіс біріктірілген, көп кристалдық, вакуумдық түрлері бар.

Микроминиатюрлеу – бұл тек құрылғының массасы мен көлемін кішірейту ғана емес, сонымен қатар жаңа физикалық құбылыстарға негізделген әрекет ету принципі. Интеграция – берілген көлемде белгілі бір мөлшердегі элементтерді біріктіру, осы элементтерді құрастырудың жаңа технологиялық әдістері бойынша бір микросұлбаға біріктіру.

Қазіргі уақытта интегралды микросұлбалар электронды құрылғылардың негізі болып табылады.

 

 

Микроэлектрониканың даму кезеңдері

Микроэлектрониканың дамуын бес кезеңге бөлуге болады. Олар бір бірінен интеграция деңгейімен сипатталатын интегралды микросұлба қиындығымен ерекшеленеді. ИМС-тің интеграция деңгейі оның кристалындағы элементтер мен компоненттер санымен анықталады.

Микроэлектрониканың басқа техника салаларына негізі артықшылығы – құрастырудың группалық әдісі. Микроэлектроникадағы бірлік көптеген чип элементтерінен тұратын жартылай өткізгіш пластина болып табылады. Құрастырудың бағасын кеміту электронды компоненттер өлшемін кішірейтуді талап етеді. Осылайша, тек бір пластина құралдарының шығыстары ғана өспейді, сонымен қатар олардың жұмыс істеу сенімділігімен қатар құралдардың тез әрекет етуі артады.

60-шы жылдардың басынан, бірінші интегралды микросұлбалардың шығу кезінен, транзистор өлшемдері 1 мкм-ден микронның бірнеше ондық бөліктеріне дейін азайды. Жиырмасыншы ғасырдың соңғы ширегінде әр бір жарым жыл сайын микросұлбадағы транзисторлар саны екі есе артып отырды. Транзисторлардың артуының осындай жылдамдығы жаңа жүзжылдық басында гигромасштабты сұлбаға келу керек едік. Осындай масштабтағы интеграция жаңа шешімдерді талап етеді.

Осылайша, микроэлектрониканың неізгі тенденциясы интегралды микросұлбалардың интеграциясының дәрежесінің артуы болып табылады. Бұл тендецияның дамуының жолында бөгеуілдер бар. Егер 1,0…0,1 диапазоны күрделі технологиялық бөгеуіл болса, онда элементтердің сызықты мөлшер 0,1… -0,05мкм диапазоны – фундаменталды физикалық бөгеуіл, шұғыл өзгереді, ал мысалдар мен үйреншіктк теорялық модельдер өз күшін жоғалтады. Интегралды микросұлба өлшемдерінің бірнеше деңгейде кішіреюі оның жартылай өткізгіш элементтерінің жұмыс принципін өзгертеді. Кванттық эффекттар ерекшелене бастайды, ал өткізгіш физикасы электронды толқындардың кванттық-механикалық интерференциясымен анықталады.