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