XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение

Чип (микросхема, или интегральная схема) - электронная схема произвольной сложности (кристалл), изготовленная на полупроводниковой подложке (пластине или плёнке) и помещённая в неразборный корпус или без такового в случае вхождения в состав микросборки [1].

Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой (МС) — ИС, заключённую в корпус. В то же время выражение чип-компоненты означает «компоненты для поверхностного монтажа» (в отличие от компонентов для пайки в отверстия на плате) [1].

Кремний

Кремний или, правильнее, диоксид кремния – оксид кремния, который в больших количествах содержится в обычном песке. Атомная структура SiO2 дает возможность изготавливать микросхемы любой конфигурации. Из рыхлой горной породы получают технический, а затем электронный кремний с чистотой 99,9999999%.

На следующем этапе электронный кремний расплавляют, помещают в него затравочный кристалл в форме карандаша, вокруг которого вырастет кристаллическое твердое тело — буля. Диаметр такого слитка составляет 300 мм, высота — около 2 м, а вес — до 100 кг [2].

Рис. 1. Расплавленный кремний [2]

Германий

Может показаться, что микроэлектроника началась с кремния, но первым был германий. Он использовался во многих ранних устройствах: от диодов для обнаружения радаров до первых транзисторов. Именно он до конца 1960-х годов был основным полупроводником, применяемым в электронных приборах, и только в начале 70-х его вытеснил кремний, который более распространен, его производство дешевле и у него более широкая запрещенная зона и лучше теплопроводность. Но свое преимущество есть и у германия: носители заряда в этом материале гораздо более подвижны [3].

Например, при температуре 300 K (около 27°С) электроны в «первом» полупроводнике двигаются почти в три раза быстрее, чем у кремния, а дырки — почти в четыре раза [3].

Хотя германий и не подходит для современной микроэлектроники, благодаря этим свойствам он по-прежнему используется в некоторых радиочастотных приборах, например, в создании СВЧ-устройств (микроволновая печь и др.), аудиоаппаратуры, а также маломощном и прецизионном оборудовании [3].

Рис. 2. Факторы, влияющие на сложность производства [3]

Основные этапы производства чипов

Производственный процесс включает более двух тысяч операций. Выделим из них три основных этапа [2].

Печать транзисторов — микросхемы печатают посредством фотолитографии на специальных машинах. Цель технологии — сформировать на кремниевой подложке изображение, чтобы получить заданную топологию микросхемы. На пластину наносят тончайший слой светочувствительного полимера — фоторезиста. Далее осуществляют облучение через оптическую систему, проявление и обработку поверхности. Процесс напоминает печать черно-белых фотографий, когда на пленку светят лампой, подложив снизу фотобумагу. Машина повторяет операцию несколько десятков раз. Между слоями находится диэлектрик, выполняющий роль изолятора. В результате образуются миллиарды транзисторов, которые пока еще не соединены между собой [2].

Соединение дискретных переключателей выполняют в определенном порядке, который зависит от архитектуры процессора. Производители держат ее в секрете. На данном этапе наносят токопроводящий слой, ставят фильтр и закрепляют транзисторы [2].

Тестирование и нарезка пластины. Каждую микросхему проверяют на брак, затраты электроэнергии и нагревание. После этого пластины разрезают на 100–150 отдельных чипов, которые оснащают крышкой для защиты кристалла от механических повреждений и отвода тепла. Самые удачные микропроцессоры устанавливают в дорогие серверные продукты. Если ЦП имеет небольшие недочеты, его не бракуют, а отдают в массовую продажу [2].

Материалы будущего

В качестве замены кремния наряду с германием большим потенциалом обладает графен. Тем не менее это соединение углерода не подходит для производства процессоров из-за отсутствия электрического сопротивления, и, как следствие, транзисторы из графена не могут просто включаться и выключаться [4].

Рис. 3. Теплопроводность различных полупроводников [3]

Другой претендент на смену кремния – силицен. Вследствие волнистой структуры электроны атомов силицена, расположенных выше, имеют немного другое энергетическое состояние, чем электроны атомов, расположенных ниже. Таким образом, с применением силицена (в отличие от графена) возможно производить транзисторы. Хотя производить его сложнее, чем графен, благодаря своей слегка волнистой структуре он обладает так называемой «запрещенной зоной» — характеристикой, которая делает материал «регулируемым» [4].

Исследователи разработали метод изготовления силицена, в рамках которого основной компонент располагается между тонкими слоями серебра и оксида алюминия (обычно можно найти в определенных видах обычных и драгоценных камней) толщиной в один нанометр. Оба слоя создают защитную оболочку для пластины из диоксида кремния. После обработки серебряный слой аккуратно снимают, оставляя два электрических контакта и тонкую пластину силицена между ними. Таким образом получают силиценовый транзистор [5].

Однако, силицен разлагается на воздухе через несколько минут. В настоящее время ученые работают над методами, которые позволят сделать материал более устойчивым. Уже высказаны первые предложения - например, нанесение защитного тефлонового слоя. В случае успеха дальнейшая миниатюризация процессоров могла бы стать безграничной [4].

Список литературы

Википедия, свободная энциклопедия [Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/

От песка к процессору [Электронный ресурс]. URL: https://club.dns-shop.ru/blog/t

Не кремнием единым [Электронный ресурс]. URL: https://hightech.fm

Материалы для чипов будущего [Электронный ресурс]. URL: https://ichip.ru

Силицен: материал будущего [Электронный ресурс]. URL: https://hi-news.ru

Код для цитирования: Скопировать