Лекция по дисциплине «Наноинженерия» .
МИНИАТЮРИЗАЦИЯ ОБЪЕКТОВ НАНОИНЖЕНЕРИИ
1.1. Поколения элементной базы микро- и
наносистем
Наноинженерия
– как научное направление, возникло не на пустом месте. Наноинженерия (англ.
Nanotechnological engineering) - междисциплинарная область фундаментальной и
прикладной науки и техники, предметом которой являются исследования,
проектирование и совершенствование методов производства и применения
интегрированных систем, основанных на законах и принципах нанотехнологий и
микро- и наносистемной техники. К ведению наноинженерии относится высокоточное
приборостроение, машиностроение и биотехнологии с разрешающей способностью
допусков размерных цепей объектов в десятки – единицы нанометров.
Начало
микроминиатюризации интегрированных систем было положено с первых дней
зарождения радиотехники. Развитие полупроводниковой электроники связано с
изобретением в 1948 году (а точнее в декабре 1947 года) сотрудниками
американской фирмы «Bell Telephone Laboratories» Уильямом Шокли, Джоном
Бардиным и Уолтером Браттейном транзистора, за что все трое в 1956 году
получили Нобелевскую премию по физике.
Справка:
Уолтер Х. Браттейн (1902-1987) – американский физик, специалист по
квантовой механике. Родился в Китае. Степень бакалавра получил в Уитменском
колледже (1924г.), степень магистра – в Орегонском университете (1926г.).
Защитил докторскую диссертацию (1929г) в университете шт. Миннесота, куда
приезжали читать лекции по новой квантово-механической теории ее создатели -
Арнольд Зоммерфельд, Эрвин Шредингер и Джеймс Франк. В 1929 году поступил на
работу в фирму «Bell Telephone Laboratories». В 1931 году возглавил в ней
вместе с Дж. Беккером работы по исследованию купроксных выпрямителей.
Джон Бардин (1908-1991) – американский физик-теоретик, единственный в
мире дважды лауреат Нобелевской премии по физике, вторая премия – за работы по
сверхпроводимости в 1972 году (теория Бардина-Купера-Шриффера).
Уильям Брэдфорд Шокли (1910-1989) – американский физик, специалист по
физике твердого тела. Родился в Лондоне. Степень бакалавра получил в
Калифорнийском технологическом институте (1932г.), степень доктора наук – в
Массачусетском технологическом институте (1936г.)
История
создания транзистора вообще заслуживает отдельного повествования, поскольку
является невероятно интересной. В качестве интриги можно сказать, что если бы
не Вторая мировая война, то транзистор был бы открыт на 7 лет раньше. Уже в
1940 году исследователи, сами того не подозревая, получили первый p-n-переход и
начали исследовать его свойства. Однако война помешала продолжению этих работ,
и все три будущих Нобелевский лауреата были направлены в разные
исследовательские группы, работавшие на военные нужды.
В
30-е годы ХХ века промышленностью выпускались купроксные выпрямители – по сути
дела приборы, использующий полупроводниковые свойства твердого тела. Однако
принцип их работы в то время еще никто не понимал.
В
работы по получению сверхчистых материалов, в частности германия и кремния, и
исследованию их свойств внесли свой вклад :
Рассел
С. Оль – химик, работы по получению кремния высокой чистоты.
Дж.Х.
Скафф и Х.С.Тойерер – металлурги, работавшие с кремнием в начале 40-х годов.
В
СССР, благодаря работам физиков школы А.Ф.Иоффе, было быстро освоено
производство полупроводниковых элементов. Первый транзистор был получен его
учеником Б.М.Вулом в 1957 году (по другим сведениям в 1953 году).
Патент
на изобретение интегральной микросхемы был выдан Джеку Килби из фирмы «Texas
Instruments» в 1961 году. За это открытие он в 2000 году получил Нобелевскую
премию по физике.
Справка. Джек Сент Клер Килби деятельность начал в 1947г. в фирме
«Centralab», шт. Миллуоки.
В
том же году нашему соотечественнику – академику Жоресу Алферову также была
присуждена Нобелевская премия по физике, но уже за работы по созданию
полупроводниковых приборов на гетеропереходах. При этом сейчас умалчивают, что
еще в 1972 году, в советские времена, ему за эти же работы была присуждена
Ленинская премия.
Все
это говорит о важности оценки работ по микроминиатюризации электронной
аппаратуры.
В
1968 году трое специалистов, ранее работавших в фирме «Fairchild
Semiconductor», - Роберт Нойс, Гордон Мур и Эндрю Гроув основали в Кремниевой
долине (шт. Калифорния) фирму «Intel» (Intellegense Electronics) на которой в
1971 году был разработан и выпущен в продажу первый микропроцессор – микросхема
Intel-4004, содержащая 2250 p-канальных МОП-транзисторов. Процессор был
разработан Мартином Хоффом и Масатоси Шимой. В том же году фирма «Intel»
выпустила микросхему динамического ОЗУ объемом 1 Кбит.
Элементные
базы в ЭВА:
1-е
поколение – активные элементы – электровакуумные приборы и дискретные элементы
(1895 –1948)
1904г.
– изобретение Дж.А.Флемингом лампового диода.
1906г.
- изобретение Ли Де Форестом лампового триода.
2-е
поколение – транзистор и печатный монтаж.(1948-1961). Печатные платы имеют
более высокую надежность, большую воспроизводимость параметров, легкость автоматизации
производства и снижение себестоимости.
3-е
поколение – (1961- до конца 70-х годов) ИС – толсто- и тонкопленочные ИС
полупроводниковые ИС, микросборки.
4-е
поколение – (конец 70-х годов и до настоящего времени) БИС и СБИС,
функциональная микроэлектроника – узлы и приборы, в которых невозможно выделить
элементы, эквивалентные традиционным дискретным компонентам.
5-е
поколение – наноэлектроника.
1.2. Классификация интегральных схем как
объектов наноинженерии
Интегральные
схемы (ИС) – это электронное изделие, выполняющее определенные функции
преобразования и обработки сигналов, имеющее высокую плотность упаковки
электрических и соединительных элементов, которое с точки зрения требований к
испытаниям, применению, поставке и эксплуатации рассматривается как единое
целое.
В
настоящее время, число транзисторов в ИС достигло 42 млн. (процессор
«Pentium-4») и 57 млн. (графический ускоритель «GeForce-3») (эти данные
относятся в 2000 году и сейчас уже устарели. Число транзисторов в
микропроцессоре Intel Core2 достигло 150 млн.) на кристалле и сотен миллионов
(микросхема памяти 256 Мбит) и даже 1 миллиарда элементов (микросхема 1 Гбит
фирмы «Samsung»).
В
микроэлектронике существует и действует так называемый “Закон Мура”, согласно
которому число транзисторов в наиболее сложной ИС удваивается каждые 18
месяцев. Это предположение было высказано Гордоном Муром в 1965 году. И до сих
пор это положение в той или иной мере выполняется закон выполняется.
Полупроводниковая
ИС – это ИС, представляющая собой полупроводниковый крастал, в поверхностном
слое которого с помощью методов полупроводниковой технологии сформированы
области, эквивалентные элементам электрической схемы и соединений между ними.
В
полупроводниковой ИС все элементы и межсоединения выполнены в приповерхностном
объеме или на поверхности полупроводника.
Характеристики
полупроводниковых материалов
Физические
свойства наиболее часто применяемых в наноинженерии полупроводниковых
материалов и диэлектриков представлены в таб.1.1.
Таблица
1.1 «Физические свойстваполупроводниковых материалов»
При этом, несмотря на то, что технологические
процессы производства ИС относятся к сфере «высоких» технологий, только ~3%
объема кремниевой пластины полезно используются для формирования структур компонентов
ИС. Остальной объем кремниевой пластины (~97%) не используется и является лишь
держателем (подложкой) для ИС, чтобы изготовленная ИС не рассыпалась из-за
своей сверхмалой толщины.
Рис.
1.2.1 Кремниевые пластины
Пленочные ИС – это ИС все пассивные элементы и межсоединения в которых
выполнены в виде пленок.
Различают
тонкопленочные (с толщиной пленок, формирующих структуру ИС, до 2 мкм) и
толстопленочные (от 20 мкм и выше) ИС.
1.3
Кремниевые подложки для интегральных схем
Пригодность подложек полупроводниковых материалов для
изготовления ИС определяется параметрами, зависящими от его (т.е.
полупроводникового материала) физических, оптических, термических,
термоэлектрических свойств, а также зонной структуры, ширины запрещенной зоны,
положения в ней примесных уровней.
Очень
важны электрические свойства подложек:
1.
Тип электропроводности
2.
Концентрация носителей заряда
3.
Подвижность носителей
4.
Время жизни неосновных носителей заряда и их диффузионная длина.
Все
эти параметры сильно зависят от метода получения полупроводникового материала.
В
настоящее время из всех полупроводниковых материалов, применяемых для
производства объектов наноинженерии, наибольшее распространение получил
кремний.
Справка.
Кремний – элемент 4 группы таблицы Менделеева.
Кремний
наиболее распространен в земной коре – 29,5%. В природе встречается в виде
окислов и солей кремниевой кислоты.
Кварц
– содержит 99,99% кремния. Чистый песок – 99,8 – 99,9% .
Изотопический
состав:
–Si
ат.вес 28 – 92,2%,
-
Si ат. вес 29 – 4,68%,
-
Si ат. вес 30 – 3,05%.
Остальные
изотопы кремния – радиоактивны.
Плотность
– 2,32 г/см3. Тпл – 1412°С. Ширина запрещенной зоны – 1,09 эВ ( при
300°С).
Подвижность
носителей в чистом крмении
–
электроны – 1450 см2/В сек.,
-
дырки – 480 см2/В сек.
Технический
кремний получают восстановлением SiO2 в электрической дуге между
графитовыми электродами. Это исходной сырье для получения полупроводникового
кремния высокой чистоты (с содержанием примесей меньше 10-6 %).
1.4.Технология получения
полупроводникового кремния
Полупроводниковый
кремний получают по следующей технологии:
1.
Превращение технического кремния в летучее соединение.
2.
Очистка соединения с помощью химических методов
3.
Восстановление соединения с выделением чистого кремния
4.
Конечная очистка кремния методом бестигельной зонной плавки
5.
Выращивание легированных кристаллов.
Рис.
1.4.1 Монокристалл кремния
На рисунке слева: кремниевый слиток диаметром 20 - 50 см и длиной до 3 метров.
Далее
слиток подвергается механической и химической обработкам.
В
окончательном виде кремний представляет из себя пластину диаметром 15 - 40 см,
толщиной 0.5 - 0.65 мм с одной зеркальной поверхностью.
Разработаны
промышленные технологии получения Si с содержанием примеси на уровне 1012...
1013 ат/см3.
По
сравнению с Ge Si обладает :
1.
Более широкой запрещенной зоной – поэтому ИС, разработанные на его основе
работают в большем температурном диапазоне
2.
Меньшими токами утечки
3.
Большими рабочими напряжениями
SiO2
– обладает маскирующими свойствами, т.е. разными скоростями диффузии в Si и SiO2
для основных легирующих примесей. На этом физическом принципе основана
планарная технология изготовления полупроводниковых ИС.
Соединения
Ge маскирующими свойствами не обладают, а потому попытки создать ИС на германии
успеха не имели.
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.