Układ scalony

Układ scalony

Co to układ scalony

• Układ scalony jest zminiaturyzowanym układem elektronicznym, który

może zawierać w sobie miliony elementów elektronicznych. Płytki

krzemowe bo na nich najczęściej budowane są układy scalone stanowią

podłoże półprzewodnikowe dla elementów elektronicznych jak diody,

kondensatory, tranzystory lub rezystory.

To tylko część z wymienionych elementów elektronicznych, które

mogłyby zostać umieszczone na płytkach układów scalonych, a ich

zastosowanie ma o wiele szerszy zakres. Po zamontowaniu wszystkich

elementów płytka zostaje umieszczona w hermetycznie zamkniętej

obudowie z tworzywa sztucznego, szkła bądź metalu. Wyróżniane są

cztery istotne funkcje systemów elektronicznych w których mogą

znajdować się układy scalone: prostowanie, przełączanie,

wzmacnianie i generowanie sygnałów.

Układ scalony znajduje zastosowanie w każdym urządzeniu

elektronicznym; w komputerze, zegarkach, mikrofalówkach, lodówkach,
telewizorach, telefonach komórkowych etc.

Układ scalony

Historia

• Prekursorem współczesnych układów scalonych była

wyprodukowana w 1926 lampa próżniowa Loewe 3NF
zawierająca wewnątrz jednej bańki trzy triody (dwie sygnałowe i
jedną głośnikową), dwa kondensatory i cztery rezystory, całość
była przeznaczona do pracy jako jednoobwodowy radioodbiornik
reakcyjny.

• Pierwszą osobą która opracowała teoretyczne podstawy układu

scalonego był angielski naukowiec Geoffrey Dummer, nie udało
mu się jednak zbudować pracującego układu. W 1958 Jack Kilby
z Texas Instruments i Robert Noyce z Fairchild Semiconductor
niezależnie od siebie zaprojektowali i zbudowali działające
modele układów scalonych. Kilby zademonstrował swój
wynalazek 12 września 1958 (za co otrzymał |Nagrodę Nobla z
fizyki w 2000), Noyce zbudował swój pierwszy układ scalony
około pół roku później.

Budowa

• Zwykle zamknięty w hermetycznej obudowie – szklanej, metalowej,

ceramicznej lub wykonanej z tworzywa sztucznego.

• Ze względu na sposób wykonania układy scalone dzieli się na główne

grupy:

• monolityczne, w których wszystkie elementy, zarówno elementy

czynne jak i bierne, wykonane są w monokrystalicznej strukturze
półprzewodnika

• hybrydowe – na płytki wykonane z izolatora nanoszone są warstwy

przewodnika oraz materiału rezystywnego, które następnie są
wytrawiane, tworząc układ połączeń elektrycznych oraz rezystory.
Do tak utworzonych połączeń dołącza się indywidualne, miniaturowe
elementy elektroniczne (w tym układy monolityczne). Ze względu na
grubość warstw rozróżnia się układy:

• cienkowarstwowe (warstwy ok. 2 mikrometrów)
• grubowarstwowe (warstwy od 5 do 50 mikrometrów)

Budowa

• Większość stosowanych obecnie układów scalonych jest

wykonana w technologii monolitycznej.

• Ze względu na stopień scalenia występuje, w zasadzie

historyczny, podział na układy:

-małej skali integracji (SSI – small scale of integration)
-średniej skali integracji (MSI – medium scale of

integration)

-dużej skali integracji (LSI – large scale of integration)
-wielkiej skali integracji (VLSI – very large scale of

integration)

-ultrawielkiej skali integracji (ULSI – ultra large scale of

integration)

Budowa

• Ponieważ w układach monolitycznych praktycznie wszystkie elementy

wykonuje się jako tranzystory, odpowiednio tylko przyłączając ich

końcówki, dlatego też często mówi się o gęstości upakowania

tranzystorów na mm².

•

Układ AMD AM9080ADC / C8080A CPU 8080

Motorola 68030

• W dominującej obecnie technologii wytwarzania monolitycznych

układów scalonych (technologia CMOS) często używanym wskaźnikiem

technicznego zaawansowania procesu oraz gęstości upakowania

elementów układów scalonych jest minimalna długość kanału

tranzystora (patrz Tranzysto polowy) wyrażona w mikrometrach lub

nanometrach – długość kanału jest nazywana rozmiarem

charakterystycznym i im jest on mniejszy, tym upakowanie

tranzystorów oraz ich szybkość działania są większe. W najnowszych

technologiach, w których między innymi produkowane są procesory

firm Intel i AMD, minimalna długość bramki wynosi 90 nm. W roku

2005 wdrożono do masowej produkcji układy wykonane w technologii

65 nm, a w 2008 r. Intel wyprodukował pierwszy procesor w

technologii 45 nm.

Budowa

• Zarejestrowane topografie układów scalonych poddają

ochronie, przy czym według prawa własności
przemysłowej układem scalonym jest wytwór
przestrzenny, utworzony z elementów z materiału
półprzewodnikowego tworzącego ciągłą warstwę, ich
wzajemnych połączeń przewodzących i obszarów
izolujących, nierozdzielnie ze sobą sprzężonych, w celu
spełniania funkcji elektronicznych.

Układ AMD AM9080ADC /

C8080A CPU 8080

Motorola 68030

Technologia planarna

• W procesie produkcji monolitycznego układu scalonego

można wyróżnić ok. 350 operacji technologicznych, poniżej
zostanie przedstawiony tylko zarys czynności koniecznych do
wyprodukowania układu.

Przybliżone wymiary pręta

półprzewodnikowego oraz

podłoża (w technologii

planarnej

)

Wytworzenie podłoża

• Z pręta (walca) monokrystalicznego półprzewodnika

wycinane są piłą diamentową plastry (dyski) o grubości
kilkuset mikrometrów.

• Krawędź plastra jest ścinana, by możliwe było

określenie jego orientacji w dalszych etapach.

• Plaster następnie podlega szlifowaniu oraz polerowaniu

stając się podłożem dla układów scalonych.

Proces epitaksji

• Na podłożu wytwarzana jest cienka warstwa epitaksjalna

półprzewodnika o przeciwnym typie przewodnictwa niż
podłoże. Warstwa ta ma grubość kilka-kilkadziesiąt
mikrometrów i charakteryzuje się dużą jednorodnością i
gładkością powierzchni.

Maskowanie

• Maskowanie – celem tego etapu jest wytworzenie maski, która

umożliwi selektywne domieszkowanie warstwy epitaksjalnej

• Warstwa epitaksjalną jest utleniana – na jej powierzchni

wytwarza się cienka warstwa dwutlenku krzemu – warstwa
maskująca; jej grubość wynosi mikrometr lub mniej, nawet
kilka warstw atomów. Dwutlenek krzemu charakteryzuje się
dużą wytrzymałością mechaniczną oraz chemiczną, a także
dużą rezystancją.

• W warstwie maskującej wykonywane są otwory. Istnieją dwie

techniki:

• Fotolitografia:
• na warstwę maskującą nakładana jest emulsja światłoczuła
• nakładana jest maska fotograficzna

Maskowanie c.d

• następuje naświetlenie światłem ultrafioletowym (wysoka

częstotliwość ultrafioletu pozwala uzyskać wysoką
rozdzielczość)

• emulsja w miejscach naświetlonych podlega polimeryzacji
• emulsja niespolimeryzowana zostaje wypłukana
• dwutlenek krzemu w miejscach odsłoniętych jest wytrawiany,

odsłaniając fragmenty warstwy epitaksjalnej

• na końcu pozostała emulsja jest usuwana (chemicznie albo

mechanicznie)

• Wycinanie wiązką elektronową
• Precyzyjnie sterowana wiązka elektronów wycina w

dwutlenku krzemu otwory. Jest technika bardziej precyzyjna,
ale droższa niż fotolitografia.

Domieszkowanie

• Odsłonięte części warstwy epitaksjalnej są domieszkowane.

Robi się to dwiema metodami:

• Dyfuzja domieszek – w wysokiej temperaturze (ok. 1200

stopni) domieszki niesione przez gaz szlachetny dyfundują w
odsłonięte miejsca półprzewodnika; można bardzo precyzyjnie
określić koncentrację nośników i głębokość domieszkowania.
Dyfuzja domieszek jest powolnym procesem.

• Implantacja jonów – zjonizowane domieszki są przyspieszane i

"wbijane" w półprzewodnik. Proces jest szybki i precyzyjny,
ale drogi.

Wykonanie połączeń

• Całość jest ponownie maskowana dwutlenkiem krzemu.
• W tlenku wykonywane są niezbędne otwory połączeniowe.
• Napylane są warstwy przewodzące. Jako przewodnik stosuje

się aluminium lub miedź.

Montaż

• Cięcie podłoża na indywidualne

układy piłą diamentową lub laserem.

• Indywidualne układy są testowane

testerem ostrzowym.

• Wykonywane są połączenia struktury

z wyprowadzeniami zewnętrznymi za

pomocą cienkich drucików

aluminiowych lub złotych.

Producenci

• Zgodnie z badaniami w 2007 roku, największym producentem

układów scalonych jest firma Intel. Kolejne miejsca zajmują:
Samsung, Toshiba i Texa Instruments.

Intel

• Intel (NASDAQ: INTC) – największy na świecie producent układów

scalonych oraz twórca mikroprocesorów z rodziny x86, które znajdują

się w większości komputerów osobistych. Firmę założyli 18 lipca 1968 r.

Gordon E. Moore oraz Robert Noyce, a nazwa pochodzi od słów

"Integrated Electronics". Wkrótce dołączył do nich Andrew Grove,

późniejszy wieloletni prezes firmy . Siedziba główna znajduje się w Santa

Clara w stanie Kalifornia w Stanach Zjednoczonych. Oprócz

mikroprocesorów wytwarza między innymi płyty główne, chipsety do płyt

głównych, zintegrowane układy graficzne, pamięci Flash,

mikrokontrolery, procesory do systemów wbudowanych (embedded),

sprzęt sieciowy (np. karty sieciowe, chipsety WiFi i WiMAX), systemy

zarządzania pamięcią masową (SAN, NAS, DAS). O sile firmy stanowią

zdolność projektowania zaawansowanych procesorów, których kolejne

generacje zwiększają swoją moc obliczeniową zgodnie z prawem Moore'a

oraz bardzo wysoki poziom zdolności produkcyjnych. Początkowo znana

wśród inżynierów i technologów, dzięki przeprowadzonej w latach 90.

udanej kampanii marketingowej "Intel Inside", sama firma oraz marka

procesorów Pentium stały się powszechnie znane.

Intel

• We wczesnym okresie działalności Intel produkował przede

wszystkim pamięci RAM. Pierwszym procesorem był

zaprezentowany w 1971 roku i4004. 10 lat później procesor

Intel 8088 został wykorzystany przez firmę IBM do budowy

komputera IBM PC. W 1985 roku Intel zaprzestał produkcji

pamięci RAM ze względu na bardzo silną konkurencję i

związany z tym stale zmniejszający się udział w tym rynku. W

tym czasie procesory z rodziny x86 były już najważniejszym

produktem firmy. W latach 90. Intel mocno inwestował w

projektowanie nowych mikroprocesorów i promował rozwój

rynku komputerów osobistych. Dzięki temu stał się

dominującym dostawcą mikroprocesorów dla tych

komputerów. Dziś jest jedną z największych na świecie firm

działających na rynku IT. Na koniec 2006 roku zatrudniał

94000 pracowników, a jego roczny przychód za 2006 rok

wyniósł 31,5 miliardów dolarów.

Intel

• Obecnie rodziny jej procesorów to: Pentium – wersje M

[do laptopów], wersje podstawowe 2,3,4, wersja D –
dwurdzeniowa, Celeron – wersje M [do laptopów] i D,
Xeon – procesor do serwerów, Itanium, Core oraz Core
2 – najnowszy procesor dwurdzeniowy (i
czterordzeniowy). Konkurencją są produkty firm AMD,
VIA, IBM i Motorola.

• W 2005 r. wraz ze zmianą strategii marketingowej,

Intel zmienił logo firmowe na nowe. Poprzednie logo
było zaprojektowane w 1968 r. przez samych założycieli
Intela.

Siedziba firmy Intel