Создание первых отечественных интегральных схем

Министерство  образования и науки РФ

Красноярский  государственный педагогический университет 

им. В. П. Астафьева 

Филиал КГПУ им. В. П. Астафьева в г. Канске

 

 

 

 

Создание  первых отечественных интегральных схем

Реферат

 

 

 

                                                                        Выполнила: Бакасова Е. И.

                                                        студентка 4 курса

                                                                      Проверил: Баранов Ю. С.

                                                                                преподаватель информатики

 

 

 

 

КАНСК, 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

   1. Первые интегральные схемы 4

       2. Предпосылки появления интегральных схем в СССР 7

       a) Твердая схема Р12-2 (ИС серий 102 и 116) 8

           б) Твердая схема Р12-5 (ИС серий 103 и 117) 14

    3. Применение интегральных схем 16

    4. Производство отечественных  интегральных схем 17

    5. О приоритетах 17

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 20

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Интегральная (микро)схема (ИС, ИМС) — это микроэлектронное устройство — 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.

История создания интегральных схем (ИС) ведёт своё начало со второй половины уходящего столетия. Их появление  было обусловлено острой необходимостью повышения надёжности аппаратуры и  автоматизации процессов изготовления и сборки электронных схем. Сборка аппаратуры в то время была преимущественно  ручной – весьма трудоёмкой, длительной и, к тому же, очень плохо поддающейся  автоматизации. Многократно увеличилось  число переключающих приборов в  цифровом оборудовании, особенно в  компьютерах. Так же резко снизилась  надёжность и время наработки  на отказ. Так, компьютер типа CD1604, выпущенный в 1960 г. американской фирмой Control Data Corp., содержал около 100 тыс. диодов и 25 тыс. транзисторов и мог безотказно работать не более 2–3 часов.

Другой причиной создания ИС стала  технологическая возможность размещения и соединения между собой множества  электронных компонентов – диодов, транзисторов и так далее, на одной  пластине полупроводника. Дело в том, что созданные к тому времени  меза- и планарные транзисторы и диоды изготавливались по технологии групповой обработки на одной пластине-заготовке одновременно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Первые интегральные схемы

12 сентября 1958 года сотрудник  фирмы Texas Instruments Джек Килби продемонстрировал руководству три странных прибора – склеенные пчелиным воском на стеклянной подложке устройства из двух кусочков кремния размером 11,1×1,6 мм (рис.1). Это были объемные макеты – прототипы интегральной схемы (ИС) генератора, доказывающие возможность изготовления всех элементов схемы на основе одного полупроводникового материала. Эта дата отмечается в истории электроники как день появления первых интегральных схем. Но так ли это?

 

Рис.1. Макет первой ИС Дж. Килби

У Дж.Килби были более или менее удачливые предшественники. Впервые идею многоэлементной интегральной схемы(ИС) в 1952 году публично огласил на ежегодной конференции по электронным компонентам в Вашингтоне сотрудник Британского королевского радиолокационного управления в Малверне Джеффри Даммер. В 1956 году он пытался реализовать свою идею, но потерпел неудачу. В 1953 году Харвик Джонсон из компании RCA получил патент на однокристальный генератор, а в 1958 году совместно с Торкелом Валлмарком анонсировал концепцию "полупроводникового интегрального устройства". В 1957 году японец Ясуро Тару получил патент на соединение различных транзисторов в одном кристалле. В 1956 году сотрудник фирмы Bell Laboratories Росс изготовил схему двоичного счётчика на основе n-p-n-p-структур в едином монокристалле. Но все эти и другие им подобные разработки имели частный характер и не стали основой для развития интегральной электроники. Развитие в промышленном производстве получили только три проекта – Дж.Килби и Р.Нойса в США и Ю.Осокина в СССР.

Первой действительно  интегральной схемой Килби, выполненной на одном кусочке монолитного германия, стала ИС триггера Type 502. В ней были использованы и объемное сопротивление германия, и емкость p-n-перехода (рис.2). Презентация ИС состоялась в марте 1959 года. Такие ИС в малых объемах выпускались в лабораторных условиях и продавались в узком кругу за 450 долл.

 

Рис.2. ИС Type 502 Килби

ИС содержала шесть  элементов – четыре так называемых меза-транзистора и два резистора. Меза-транзисторы в виде микроскопических "активных" столбиков возвышались над остальной, "пассивной" частью кристалла. Соединялись они в ИС развариванием тонких золотых проволочек – ненавистная всем "волосатая технология". Особых перспектив у данного подхода не было – проволочные межсоединения сильно ограничивают число элементов ИС, да и германий уже не рассматривался как перспективный материал.

К этому времени (в 1957 году) восемь бывших сотрудников У. Шокли – специалистов компании Shockley Semiconductor (называемые им "восьмерка предателей") основали компанию Fairchild Semiconductor, чтобы разработать технологию массового производства кремниевых транзисторов на основе методов диффузии и химического травления. Именно в этой компании вскоре была создана планарная кремниевая технология (Д.Хоэрни, Jean Hoerni). А работавший в Sprague Electric К. Леховек разработал технологию электрической изоляции компонентов на кристалле посредством обратно включенного p-n-перехода. В 1959 году Роберт Нойс, президент Fairchild и один из будущих основателей Intel, узнав о макете Килби, решил создать интегральную схему, комбинируя процессы, предложенные Хоэрни и Леховеком. Для соединения элементов использовались токопроводящие дорожки из металла, напыленного поверх изолированных двуокисью кремния полупроводниковых структур, и отверстия в изолирующем слое (омические контакты). В итоге после двух макетирований 27 сентября 1960 года изготовили полностью планарный вариант триггера (рис.3).

Рис.3. Экспериментальный  триггер Р.Нойса

Для создания серийнопригодных ИС Fairchild пришлось пригласить схемотехника Роберта Нормана, который и заложил основы серии ИС Micrologic, нашедшей первое применение в аппаратуре ракеты "Минитмен". В марте 1961 года Fairchild анонсировала первую опытную ИС этой серии. Примечательно, что ее фото опубликовал журнал Life (рис.4). Еще пять ИС были представлены в октябре. А с начала 1962 года Fairchild развернула серийное производство ИС и поставки в интересах Минобороны США и НАСА.

Рис.4. Фотография ИС Micrologic в журнале Life

 

 Компания TI не желала  упускать пальму первенства и  занялась развитием идеи Килби, но на основе планарной кремниевой технологии. В октябре 1961 года фирма анонсировала серию ИС типа SN-51, а с 1962 года начала их серийное производство и поставки в интересах МО США и НАСА.

Килби и Нойсу пришлось выслушать немало критических замечаний по поводу своих новаций. Считалось, что практический выход годных интегральных схем будет очень низким – ниже, чем у транзисторов (у которых он тогда не превышал 15%). Многие полагали, что в ИС используются неподходящие материалы, поскольку резисторы и конденсаторы делались тогда отнюдь не из полупроводников. С трудом воспринималась мысль о неремонтопригодности ИС – казалось кощунственным выбрасывать изделие, в котором вышел из строя только один из многих элементов. Тем не менее, в 1963 году в США было произведено 500 тыс. ИС, но все они ушли на военные нужды, а на общедоступном рынке появились позже.

Предпосылки появления интегральных схем в СССР

К концу 1950-х годов отечественная  промышленность нуждалась в полупроводниковых  диодах и транзисторах настолько, что  потребовались радикальные меры. В 1959 году были основаны заводы полупроводниковых приборов в Александрове, Брянске, Воронеже, Риге и др. В январе 1961 года ЦК КПСС и СМ СССР приняли очередное Постановление "О развитии полупроводниковой промышленности", в котором предусматривалось строительство заводов и НИИ в Киеве, Минске, Ереване, Нальчике и других городах.

Один из интересных заводов – Рижский завод полупроводниковых приборов (РЗПП, он несколько раз менял свои названия). В качестве стартовой площадки заводу выделили строящееся здание кооперативного техникума площадью 5300 м2, одновременно началось строительство специального здания. К февралю 1960 года на заводе было уже создано 32 службы, 11 лабораторий и опытное производство, приступившее в апреле к подготовке производства первых приборов. На заводе уже работало 350 человек, 260 из которых в течение года направлялись на учебу в московский НИИ-35 (позже НИИ "Пульсар") и на ленинградский завод "Светлана". А к концу 1960 года численность работающих достигла 1900 человек. Первоначально технологические линии размещались в перестроенном спортивном зале корпуса кооперативного техникума, а лаборатории ОКБ – в бывших учебных аудиториях. Первые приборы (сплавно-диффузионные и конверсионные германиевые транзисторы П-401, П-403, П-601 и П-602 разработки НИИ-35) завод выпустил через 9 месяцев после подписания приказа о его создании, в марте 1960 года. А к концу июля изготовил первую тысячу транзисторов П-401. Затем освоил в производстве многие другие транзисторы и диоды. В июне 1961 года завершилось строительство специального корпуса, в котором началось массовое производство полупроводниковых приборов.

 С 1961 года завод  приступил к самостоятельным  технологическим и опытно-конструкторским работам, в том числе – по механизации и автоматизации производства транзисторов на основе фотолитографии. Для этого был разработан первый отечественный фотоповторитель (фотоштамп) –установка совмещения и контактной фотопечати (разработчик А.С.Готман). Большую помощь в финансировании и изготовлении уникального оборудования оказывали предприятия Минрадиопрома, в том числе КБ-1 (позже НПО "Алмаз", Москва) и НИИРЭ (позже НПО "Ленинец", Ленинград). Тогда наиболее активные разработчики малогабаритной радиоаппаратуры, не имея своей технологической полупроводниковой базы, искали пути творческого взаимодействия с недавно созданными полупроводниковыми заводами.

На РЗПП проводились активные работы по автоматизации производства германиевых транзисторов типа П401 и П403 на основе создаваемой заводом технологической линии "Аусма". Ее главный конструктор (ГК) А.С.Готман предложил делать на поверхности германия токоведущие дорожки от электродов транзистора к периферии кристалла, чтобы проще разваривать выводы транзистора в корпусе. Но главное, эти дорожки можно было использовать в качестве внешних выводов транзистора при бескорпусной их сборке на платы (содержащие соединительные и пассивные элементы), припаивая их непосредственно к соответствующим контактным площадкам. Предлагаемый метод, при котором токоведущие дорожки кристалла как бы целуются с контактными площадками платы, получил оригинальное название – "поцелуйная технология". Но из-за ряда оказавшихся тогда неразрешимыми технологических проблем, в основном связанных с проблемами точности получения контактов на печатной плате, практически реализовать "поцелуйную технологию" не удалось. Через несколько лет подобная идея была реализована в США и СССР и нашла широкое применение в так называемых "шариковых выводах" и в технологии "чип-на-плату".

 Тем не менее, аппаратурные  предприятия, сотрудничающие с  РЗПП, в том числе НИИРЭ, надеялись  на "поцелуйную технологию" и планировали ее применение. Весной 1962 года, когда стало понятно, что ее реализация откладывается на неопределенный срок, главный инженер НИИРЭ В.И.Смирнов попросил директора РЗПП С.А.Бергмана найти другой путь реализации многоэлементной схемы типа 2НЕ‑ИЛИ, универсальной для построения цифровых устройств.

Твердая схема Р12-2 (ИС серий 102 и 116)

Директор РЗПП поручил  эту задачу молодому инженеру Юрию Валентиновичу Осокину (см. приложение). Организовали отдел в составе технологической лаборатории, лаборатории разработки и изготовления фотошаблонов, измерительной лаборатории и опытно-производственной линейки. В то время в РЗПП была поставлена технология изготовления германиевых диодов и транзисторов, ее и взяли за основу новой разработки. И уже осенью 1962 года были получены первые опытные образцы германиевой твердой схемы 2НЕ-ИЛИ (поскольку термина ИС тогда не существовало, из уважения к делам тех дней сохраним название "твердая схема" – ТС), получившей заводское обозначение Р12-2. Она содержала два германиевых p-n-p-транзистора (модифицированные транзисторы типа П401 и П403) с общей нагрузкой в виде распределенного германиевого резистора р-типа (рис.5).

Перед рижанами стояли принципиально  новые задачи: реализовать на одном  кристалле два транзистора и  два резистора, исключив их паразитное взаимное влияние. В СССР никто ничего подобного не делал, а о работах Дж .Килби и Р. Нойса никакой информации в РЗПП не было. Но специалисты РЗПП успешно преодолели эти проблемы, причем совершенно не так, как это сделали американцы.

Рис.5. Эквивалентная электрическая  схема ТС Р12-2

 

Прежде всего, рижане работали с германием и не пошли по пути планарной технологии. Но в отличие  от Texas Instruments, они сумели создать вполне технологичные ИС. При их формировании использовалось три фотолитографии. В ходе первой на пластине р-германия с сформированным n-слоем под базовую область (методом диффузии Sb) создавалась маска под эмиттер. Через нее гальванически осаждали и вплавляли эмиттерный сплав PbInSb (т.е. в теле базы n-типа формировали p-область эмиттера). Затем одновременно с удалением использованного фоторезиста удалялись и излишки эмиттерного сплава так, что образовывалась плоская поверхность германиевой пластины, что упрощает последующие фотолитографии. При второй фотолитографии формировали маску под мезу транзисторных структур (так решался вопрос изоляции транзисторов). В ходе третьей фотолитографии создавали маску, определяющую форму всей ТС. В результате получали сложную в плане конфигурацию кристаллав виде лопатки (рис.6), где p-германий "черенка" служил резистором R1, острие "штыка" лопатки – резистором R2, а сам "штык" лопатки являлся коллекторной областью транзисторов. По третьей маске осуществлялось глубокое, почти сквозное травление германиевой пластины по контурам кристаллов ТС, почти до их разделения. Окончательно пластина разделялась на кристаллы ТС при шлифовке ее тыльной стороны до толщины около 100 мкм, ТС структуры при этом распадались на отдельные кристаллы сложной формы. Именно так была реализована групповая технология изготовления ТС.