集成电路。发明和生产的历史

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集成电路。发明和生产的历史

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集成电路（IC、微电路）、芯片、微芯片（英文microchip、硅芯片、芯片-薄板-最初该术语指微电路晶体的板）-微电子器件-任意复杂性的电子电路（晶体），制造位于半导体衬底（晶圆或薄膜）上，并放置在不可分离的外壳中，或者如果包含在微组件中，则不放置在不可分离的外壳中。

集成电路

微电子学是我们这个时代最重要的，也是许多人认为的最重要的科技成就。可以与XNUMX世纪印刷术的发明、XNUMX世纪蒸汽机的发明、XNUMX世纪电气工程的发展等技术史上的转折相提并论。而今天谈到科技革命，主要是指微电子学。与我们时代的其他技术成就不同，它渗透到生活的各个领域，使昨天根本无法想象的事情成为现实。要确信这一点，只要想想袖珍计算器、微型收音机、家用电器中的电子控制装置、时钟、计算机和可编程计算机就足够了。而这只是其范围的一小部分！

微电子学的起源和存在归功于一种新的微型电子元件——集成微电路的创造。事实上，这些电路的出现并不是某种全新的发明——它直接遵循了半导体器件发展的逻辑。起初，当半导体元件刚刚进入生活时，每个晶体管、电阻器或二极管都是单独使用的，也就是说，它被封装在自己的单独外壳中，并使用其单独的触点包含在电路中。即使在需要从相同元件组装许多相似电路的情况下，也可以这样做。

逐渐地，人们开始认识到，不将这些设备从单独的元件组装起来，而是立即在一个通用芯片上制造它们更为合理，尤其是因为半导体电子学为此创造了所有先决条件。事实上，所有半导体元件的结构都非常相似，工作原理相同，只是pn区的相互排列不同。

我们记得，这些 pn 区域是通过将相同类型的杂质引入半导体晶体的表面层而产生的。此外，可靠且从所有观点来看，绝大多数半导体元件的令人满意的操作提供有千分之一毫米的表面工作层的厚度。最小的晶体管通常只使用半导体晶体的顶层，其厚度仅为其 1%。剩下的 99% 充当载体或基板，因为没有基板，晶体管可能会在最轻微的接触下崩溃。因此，使用用于制造单个电子元件的技术，可以在单个芯片上立即将数十、数百甚至数千个此类元件创建完整的电路。

这样做的好处将是巨大的。首先，成本将立即降低（微电路的成本通常比其组件的所有电子元件的总成本低数百倍）。其次，这样的设备将更加可靠（经验表明，成千上万次），这非常重要，因为在数万或数十万个电子元件的电路中进行故障排除成为一个极其困难的问题. 第三，由于集成电路的所有电子元件都比传统组合电路中的电子元件小几十万倍，因此它们的功耗要小得多，速度要快得多。

预示着电子集成技术到来的关键事件是来自德州仪器的美国工程师 J. Kilby 的提议，即在单片纯硅中获得整个电路的等效元件，例如寄存器、电容器、晶体管和二极管。 Kilby 在 1958 年夏天创造了第一个集成半导体电路。早在 1961 年，飞兆半导体公司就生产了第一批用于计算机的串行微电路：一个巧合电路、一个半移位寄存器和一个触发器。同年，半导体集成电路的生产被德州掌握。

次年，出现了其他公司的集成电路。在很短的时间里，各种类型的放大器被以集成设计的方式创造出来。 1962年，RCA开发了用于计算机存储设备的存储器阵列集成电路。渐渐地，微电路的生产在所有国家建立起来——微电子时代开始了。

集成电路的起始材料通常是原始硅晶片。它具有相对较大的尺寸，因为同时在其上同时制造了数百个相同类型的微电路。第一个操作是在1000度的温度下，在氧气的作用下，在这块板的表面形成一层二氧化硅。氧化硅的特点是具有很强的耐化学性和机械性，并具有出色的电介质特性，可为位于其下方的硅提供可靠的绝缘。

下一步是引入杂质以创建 p 或 n 导电区。为此，从板上对应于单个电子元件的那些位置去除氧化膜。使用称为光刻的过程选择所需区域。首先，整个氧化层都覆盖有感光化合物（光刻胶），它起到照相胶片的作用——它可以被照亮和显影。之后，通过包含半导体晶体表面图案的特殊光掩模，用紫外线照射板。

在光的影响下，在氧化层上形成了一个平坦的图案，非光照区域保持光亮，其余部分变暗。在光敏电阻被曝光的地方，形成了耐酸的膜的不溶区域。然后用溶剂处理晶片，从曝光区域去除光刻胶。从开放的地方（并且仅从它们），氧化硅层被酸蚀刻。

结果，氧化硅溶解在正确的位置，并打开纯硅的“窗口”，为引入杂质（连接）做好准备。为此，将温度为 900-1200 度的衬底表面暴露于所需的杂质，例如磷或砷，以获得 n 型导电性。杂质原子深入纯硅，但被其氧化物排斥。用一种杂质处理过板后，准备与另一种杂质连接 - 板的表面再次被氧化层覆盖，进行新的光刻和蚀刻，结果是新的“窗口”硅开放。

随后进行新的连接，例如与硼的连接，以获得 p 型导电性。因此，p 区和 n 区形成在晶体整个表面的正确位置。各个元件之间的绝缘可以通过多种方式创建：氧化硅层可以充当此类绝缘，或者也可以在正确的位置创建阻塞 pn 结。

下一阶段的处理与集成电路元件之间以及这些元件与用于连接外部电路的触点之间的导电连接（导线）的应用相关。为此，在基板上沉积一层薄薄的铝，该铝层以非常薄的薄膜形式沉积。它经过与上述类似的光刻处理和蚀刻。结果，整个金属层只剩下细导线和焊盘。

最后，半导体晶体的整个表面都覆盖有保护层（最常见的是硅酸盐玻璃），然后将其从焊盘上移除。所有制造的微电路在控制和测试台上都经过最严格的检查。有缺陷的电路用红点标记。最后，晶体被切割成单独的微电路板，每个微电路板都封装在一个坚固的外壳中，带有用于连接外部电路的引线。

集成电路的复杂性由一个称为集成度的指标来表征。 100个以上元件的集成电路称为集成度低的微电路；包含多达 1000 个元件的电路 - 具有平均集成度的集成电路；包含多达数万个元件的电路——大型集成电路。包含多达一百万个元件的电路已经在制造（它们被称为超大型）。集成度的逐渐提高导致电路每年变得越来越微型，因此也越来越复杂。

大量过去具有大尺寸的电子设备现在可以安装在一块微小的硅板上。这条道路上的一个极其重要的事件是美国英特尔公司于 1971 年创建了用于执行算术和逻辑运算的单个集成电路 - 微处理器。这导致了微电子在计算机技术领域的巨大突破。

作者：Ryzhov K.V.

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