Уявлення про інтегральні схеми

Інтегральна схема (ІС) – це мікроелектронний виріб, що виконує певну функцію по перетворенню і обробці сигналів і має високу щільність електрично з’єднаних мікромініатюрних радіоелектронних елементів. ІС уявляє собою пластинку кремнію розміром  1,5 см ², в тілі якої утворено тисячі компонентів (транзисторів, діодів, резисторів). Вона замінює складну електронну схему. Саме призначення – використання ІС в галузях перетворення і обробки сигналів, тобто від процесів передачі і перетворення електричної енергії ми переходимо до процесів інформаційних, де потужність сигналів відносно невелика і не має такого принципового значення, як в електроенергетиці, –дозволяє мініатюризувати радіоелементи.

ІС створюється для електронної схеми приладу, який має певне функціональне призначення. Розробка ІС потребує високої кваліфікації і великих витрат праці. Тому в інтегральному виконанні (у вигляді ІС) створюються електронні прилади, які мають певне функціональне призначення і масове використання. За рахунок масовості великі витрати на розробку ІС розподіляються на велику кількість кінцевого продукту і тому ціна однієї ІС незначна.

Після розробки принципової електричної схеми приладу починається розробка ІС. Оскільки ІС багатошарова, тобто компоненти (резистори, транзистори і т.інш.) розташовуються в кількох шарах, і виготовляється ІС поступово шар за шаром, то і планування її топології (розробка плану розташування компонентів і зв’язків) ведеться також шар за шаром. Звичайно конструктори викреслюють головну карту кожного шару за допомогою комп’ютера, використовуючи спеціалізовані САПР (системи автоматизованого проектування) радіоелектронної апаратури. Ці системи зберігають в пам’яті стандартні способи розміщення компонентів і можливі способи їх з’єднання. Задача конструктора полягає в тому, щоб знайти оптимальні шляхи з’єднання всіх компонентів і розмістити всі компоненти в мінімальному просторі. Так як ІС має розмір  1,5 см ² і на цій площині розташовані тисячі компонентів, то карти креслять із збільшенням в десятки тисяч разів.

Карта кожного шару переноситься з відповідним зменшенням на скляну пластинку для виготовлення фотомасок. Ці маски, подібно фотографічному негативу, дають можливість за допомогою ультрафіолетового опромінення віддрукувати карту на поверхні кристалу. Карта визначає області, де повинно проводитись хімічне покриття, додавання домішок, або нанесення металевих струмоводних доріжок шириною в кілька мікрон. При масовому виробництві ІС карта кожного шару розмножується в сотнях екземплярах на одній скляній пластинці. Основою для ІС служать кремнієві пластинки діаметром близько 15 см і товщиною 0,1 мм. На одній пластинці одразу створюються сотні ІС. Такі пластинки нарізуються із злитка кристалічного кремнію довжиною близько 60 см, який вирощують (як кристал цукру) із розплаву кремнію, очищеного до 99,99999999%. Одного кремнієвого злитку достатньо для виготовлення основи для більш ніж мільйона ІС.

На кожному з етапів виготовлення основа покривається тонким шаром світлорезистивної емульсії, яка твердне під дією ультрафіолетового опромінення, що проходить крізь відповідну маску. Незатверділі залишки емульсії змивають, залишаючи відкритими для подальшої обробки певні, згідно фотомасці, зони кристалу. В дифузійній камері пластинки обробляються гарячими іонізованими парами відповідного хімічного елементу-домішку, іони якого, потрапляючи в незахищені затверділою емульсією поверхні кремнію, формують в ньому напівпровідникові p- або n-зони. Фотомаски кожного шару послідовно накладаються на кристал. В результаті послідовних процесів травлення, введення нових домішок, хімічного покриття і металізації поверхні кристалу утворюється кілька шарів, кожний з яких не перевищує сотої долі товщини самого кристалу. Далі пластинки розрізаються на окремі ІС, які оснащаються контактами, розміщуються в окремих корпусах-оболонках і проходять випробування та відбраковку.

При використанні різних технологій виготовлення отримують ІС, що мають різні характеристики. Наприклад, при використанні так званої p-МОП технології процес виготовлення найбільш простий, але не досягається велика швидкість обробки інформації. Більш складною є n-МОП технологія, але використовуючи її можна отримати більш досконалі ІС – з більшим числом компонентів на кристалі, з більшою швидкодією. При К-МОП технології ІС працюють з малим споживанням енергії. Так як виникає необхідність в застосуванні ІС для розв’язання широкого кола задач, в різних випадках дає перевагу використання ІС, виготовлених за тією чи іншою технологією.

Перші інтегральні схеми почали з’являтись з 1960 р. Вони містили в собі сотні простих електронних схем – так званих вентилів.

Вентильні схеми – це електронні ключові схеми, призначені для управління потоком інформації. Така схема має два входи і один вихід. На один вхід подається інформаційний сигнал, а на інший – керуючий. Коли керуючий сигнал рівний одиниці, то дані проходять через схему без перешкод, неначе її і немає. Коли керуючий сигнал рівний нулю, ніяка інформація не пройде через схему.

Це були інтегральні схеми малої степені інтеграції – МІС. По мірі розвитку технології стало можливим в одній ІС розмістити кілька десятків тисяч, а сьогодні вже близько мільйону вентилів, тригерів та інших, подібних їм схем. Крім того, отримали розвиток ІС пам’яті, що можуть зберігати мільйони біт цифрової інформації в одному корпусі.