Układ scalony

Z Wikipedii

Układ scalony (ang. integrated circuit, chip, potocznie kość) – zminiaturyzowany układ elektroniczny zawierający w swym wnętrzu od kilku do setek milionów podstawowych elementów elektronicznych, takich jak tranzystory, diody, rezystory, kondensatory.

Zwykle zamknięty w hermetycznej obudowie – szklanej, metalowej, ceramicznej lub wykonanej z tworzywa sztucznego. Ze względu na sposób wykonania układy scalone dzieli się na główne grupy:

• monolityczne, w których wszystkie elementy, zarówno elementy czynne jak i bierne, wykonane są w monokrystalicznej strukturze półprzewodnika

• hybrydowe – na płytki wykonane z izolatora nanoszone są warstwy przewodnika oraz materiału rezystywnego, które następnie są wytrawiane, tworząc układ połączeń elektrycznych oraz rezystory. Do tak utworzonych połączeń dołącza się indywidualne, miniaturowe elementy elektroniczne (w tym układy monolityczne). Ze względu na grubość warstw rozróżnia się układy:
  • cienkowarstwowe (warstwy ok. 2 mikrometrów)
  • grubowarstwowe (warstwy od 5 do 50 mikrometrów)

Większość stosowanych obecnie układów scalonych jest wykonana w technologii monolitycznej.

Ze względu na stopień scalenia występuje, w zasadzie historyczny, podział na układy:

• małej skali integracji (SSI – small scale of integration)
• średniej skali integracji (MSI – medium scale of integration)
• dużej skali integracji (LSI – large scale of integration)
• wielkiej skali integracji (VLSI – very large scale of integration)
• ultrawielkiej skali integracji (ULSI – ultra large scale of integration)

Ponieważ w układach monolitycznych praktycznie wszystkie elementy wykonuje się jako tranzystory, odpowiednio tylko przyłączając ich końcówki, dlatego też często mówi się o gęstości upakowania tranzystorów na mm².

W dominującej obecnie technologii wytwarzania monolitycznych układów scalonych (technologia CMOS) często używanym wskaźnikiem technicznego zaawansowania procesu oraz gęstości upakowania elementów układów scalonych jest minimalna długość kanału tranzystora (patrz Tranzystor polowy) wyrażona w mikrometrach lub nanometrach – długość kanału jest nazywana rozmiarem charakterystycznym i im jest on mniejszy, tym upakowanie tranzystorów oraz ich szybkość działania są większe. W najnowszych technologiach, w których między innymi produkowane są procesory firm Intel i AMD, minimalna długość bramki wynosi 90 nm. W roku 2005 wdrożono do masowej produkcji układy wykonane w technologii 65 nm.

Jako ciekawostkę można podać, że pierwsze elementy które można uznać za układ scalony, wyprodukowała już pod koniec lat 20. XX wieku firma Loewe. Była to lampa próżniowa zawierająca wewnątrz jednej bańki trzy triody (dwie sygnałowe i jedną głośnikową), dwa kondensatory i cztery rezystory, całość była przeznaczona do pracy jako jednoobwodowy radioodbiornik reakcyjny. Produkowane były także lampy o specjalnej konstrukcji pełniące rolę złożonych układów np. dekatron (dekada i wyświetlacz) czy lampa pamiętająca (pamięć).

Jednak dopiero w 1958 opracował i skonstruował układ scalony Jack Kilby, za co otrzymał Nagrodę Nobla z fizyki w 2000.

[edytuj] Technologia planarna

W procesie produkcji monolitycznego układu scalonego można wyróżnić ok. 350 operacji technologicznych, poniżej zostanie przedstawiony tylko zarys czynności koniecznych do wyprodukowania układu.

• Wytworzenie podłoża:
  • Z pręta (walca) monokrystalicznego półprzewodnika wycinane są piłą diamentową plastry (dyski) o grubości kilkuset mikrometrów.
  • Krawędź plastra jest ścinana, by możliwe było określenie jego orientacji w dalszych etapach.
  • Plaster następnie podlega szlifowaniu oraz polerowaniu stając się podłożem dla układów scalonych.

• Proces epitaksji
  • Na podłożu wytwarzana jest cienka warstwa epitaksjalna półprzewodnika o przeciwnym typie przewodnictwa niż podłoże. Warstwa ta ma grubość kilka-kilkadziesiąt mikrometrów i charakteryzuje się dużą jednorodnością i gładkością powierzchni.

• Maskowanie – celem tego etapu jest wytworzenie maski, która umożliwi selektywne domieszkowanie warstwy epitaksjalnej
  • Warstwa epitaksjalną jest utleniana – na jej powierzchni wytwarza się cienka warstwa dwutlenku krzemu – warstwa maskująca; jej grubość wynosi mikrometr lub mniej, nawet kilka warstw atomów. Dwutlenek krzemu charakteryzuje się dużą wytrzymałością mechaniczną oraz chemiczną, a także dużą rezystancją.
  • W warstwie maskującej wykonywane są otwory. Istnieją dwie techniki:
    • Fotolitografia:
      • na warstwę maskującą nakładana jest emulsja światłoczuła
      • nakładana jest maska fotograficzna
      • następuje naświetlenie światłem ultrafioletowym (wysoka częstotliwość ultrafioletu pozwala uzyskać wysoką rozdzielczość)
      • emulsja w miejscach naświetlonych podlega polimeryzacji
      • emulsja niespolimeryzowana zostaje wypłukana
      • dwutlenek krzemu w miejscach odsłoniętych jest wytrawiany, odsłaniając fragmenty warstwy epitaksjalnej
      • na końcu pozostała emulsja jest usuwana (chemicznie albo mechanicznie)
    • Wycinanie wiązką elektronową
      • Precyzyjnie sterowana wiązka elektronów wycina w dwutlenku krzemu otwory. Jest technika bardziej precyzyjna, ale droższa niż fotolitografia.

• Domieszkowanie
  • Odsłonięte części warstwy epitaksjalnej są domieszkowane. Robi się to dwiema metodami:
    • Dyfuzja domieszek – w wysokiej temperaturze (ok. 1200 stopni) domieszki niesione przez gaz szlachetny dyfundują w odsłonięte miejsca półprzewodnika; można bardzo precyzyjnie określić koncentrację nośników i głębokość domieszkowania. Dyfuzja domieszek jest powolnym procesem.
    • Implantacja jonów – zjonizowane domieszki są przyspieszane i "wbijane" w półprzewodnik. Proces jest szybki i precyzyjny, ale drogi.

• Wykonanie połączeń
  • Całość jest ponownie maskowana dwutlenkiem krzemu.
  • W tlenku wykonywane są niezbędne otwory połączeniowe.
  • Napylane są warstwy przewodzące. Jako przewodnik stosuje się aluminium lub miedź.

• Montaż (droga operacja)
  • Cięcie podłoża na indywidualne układy piłą diamentową lub laserem.
  • Indywidualne układy są testowane.
  • Wykonywane są połączenia struktury z wyprowadzeniami zewnętrznymi za pomocą cienkich drucików aluminiowych lub złotych.