Лекционный материал по дисциплине Наноинженерия — МИНИАТЮРИЗАЦИЯ ОБЪЕКТОВ НАНОИНЖЕНЕРИИ


Лекция по дисциплине «Наноинженерия» .
МИНИАТЮРИЗАЦИЯ ОБЪЕКТОВ НАНОИНЖЕНЕРИИ
1.1. Поколения элементной базы микро- и наносистемНаноинженерия – 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 наноинженерииИнтегральные 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 пластиныlefttopПленочные 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 кремнияlefttopНа 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.

Приложенные файлы

Добавить комментарий