Электронная аппаратура. Основные материалы и технологии микро- и наноэлектроники

И. К. Никифоров







ЭЛЕКТРОННАЯ АППАРАТУРА
ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ




Учебное пособие















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.3
ББК 31.2
    Н62

Рецензент: канд. техн. наук, доцент кафедры информационных технологий, электроэнергетики и систем управления Чебоксарского института (филиала)
Московского политехнического университета
С. В. Венедиктов




       Никифоров, И. К.
Н62          Электронная аппаратура. Основные материалы и
       технологии микро- и наноэлектроники : учебное пособие / И. К. Никифоров. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 416 с. : ил., табл.
             ISBN 978-5-9729-1230-8

            Рассматриваются материалы и технологии, наиболее широко применяемые в микро- и наноэлектронике, изготовлении микросхем, микромодулей и блоков электронной аппаратуры.
            Для студентов электротехнических и радиотехнических специальностей и специалистов, занимающихся разработкой радиоэлектронной и силовой электронной аппаратуры.

                                                 УДК 621.3
                                                 ББК 31.2





ISBN 978-5-9729-1230-8 © Никифоров И. К., 2023
                      © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                      © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ


Условные сокращения..................................5
Предисловие..........................................7
1. Этапы и перспективы развития электроники..........9
1.1. Исторические этапы в развитии электроники.......9
1.2. Перспективы развития электроники...............15
1.3. Перспективы развития силовой электроники.......48
Список литературы...................................58
2. Материалы электроники............................59
2.1. Материалы для производства полупроводников.....59
2.1.1. Кремний......................................59
2.1.2. Арсенид галлия...............................63
2.1.3. Нитриды галлия и алюминия....................83
2.1.4. Карбид и нитрид кремния......................87
2.2. Алмаз и композитные материалы..................95
2.2.1. Алмаз........................................95
2.2.2. Композиты на основе алмаза..................105
2.2.3. Другие композитные материалы................109
2.3. Материалы для различных технологий............124
2.3.1. Материалы для изготовления резисторов и конденсаторов....................................124
2.3.2. Материалы для пайки.........................132
2.3.3. Теплоотводящие материалы....................140
2.4. Наноматериалы.................................143
Список литературы..................................158
3. Обзор технологий электроники....................160
3.1. Основные технологии микро- и наноэлектроники..160
3.1.1. Технологии микроэлектроники.................161
3.1.2. Технологии наноэлектроники..................177
3.2. Обзор статей в микро- и наноэлектронике.......191
3.2.1. Обзор технологий получения слоев и покрытий.192
3.2.2. Обзор лазерных технологий...................221
3.2.3. Обзор методов литографии....................228
3.2.4. Обзор некоторых технологий, связанных с подложками и печатными платами.........251
Список литературы..................................274

3

4. Технологии изготовления микросхем и модулей......278
4.1. Технологии, применяемые в изготовлении микросхем .... 279
4.1.1. Упаковка микросхем...........................279
4.1.2. Корпусирование микросхем и микромодулей......292
4.1.3. Примеры технологий вакуумплотности и герметизации.....................................319
4.1.4. Влагозащита.................................328
4.1.5. Обеспечение радиационной стойкости корпусов микросхем..........................................333
4.2. Технологии применяемые в изготовлении модулей СЭА................................................351
4.2.1. Основания - подложки модулей................351
4.2.2. Модули и блоки СЭА..........................362
4.2.3. Технологии, улучшающие отвод теплоты от модулей.........................................379
Список литературы..................................403
Приложение 1.......................................406
Приложение 2.......................................409
Приложение 3.......................................411

4

УСЛОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ

БВД  Быстровосстанавливающийся диод       
ВАХ  Вольт-амперная характеристика        
ВЭУ  Ветровая энергетическая установка    
ГСО  Геостационарная орбита               
ГФЭ  Газофазная эпитаксия                 
ГЭС  Гидроэлектростанция                  
жкп  Жидкокристаллические полимеры        
ЖФЭ  Жидкофазная эпитаксия                
ИАГ  Иттрий-алюминиевый гранат            
ивэп Источники вторичного электропитания  
ИИ   Ионизирующее излучение               
ИК   Инфракрасный                         
имс  Интегральная микросхема              
ихт  Ионно-химическое травление           
КА   Космический аппарат                  
км   Композиционный материал              
КМОП Контакт-металл-оксид-полупроводник   
КИА  Кремний на алмазе                    
кии  Кремний на изоляторе                 
КП   Космическое пространство             
КТР  Коэффициент термического расширения  
ктт  Контурные тепловые трубы             
мдп  Металл-диэлектрик-полупроводник      
МИМС Монолитные ИМС                       
млэ  Молекулярно-лучевая эпитаксия        
МОП  Металл-оксид-полупроводник           
мэмс Микроэлектромеханические системы     
НИЛ  Наноимпринтлитография                
нтс  Низкотемпературные сплавы            
ОЗУ  Оперативное запоминающее устройство  
ОУ   Операционные усилители               
ПАВ  Поверхностно-активные вещества       
ПК   Персональный компьютер               
по   Программное обеспечение              
пп   Полупроводник, полупроводниковый     
пхо  Плазмохимическое осаждение           
пхт  Плазмохимическое травление           
РИЛТ Реактивное ионно-лучевое травление   
РИПТ Реактивное ионно-плазменное травление

5

РЗЭ  Радиационно-защитный экран                 
РСД  Радиационно-стимулированная диффузия       
РЭА  Радиоэлектронная аппаратура                
САПР Система автоматизированного проектирования 
СБИС Сверхбольшие интегральные схемы            
СВЧ  Сверхвысокочастотный                       
СД   Светодиод                                  
СФ   Стандартный формализованный                
сц   Стеклоцемент                               
СЭА  Силовая электронная аппаратура             
ТЗЧ  Тяжелые заряженные частицы                 
ТКС  Температурный коэффициент сопротивления    
ТСП  Трансформаторно-связанная плазма           
ТТ   Тепловые трубки                            
ТУ   Технические условия                        
ТФЭ  Твердофазная эпитаксия                     
ТЭОС Тетраэтилортосиликат SifOCSH^              
УЗК  Ультразвуковые колебания                   
УЗС  Ультразвуковая сварка                      
УНТ  Углеродные нанотрубки                      
УПРУ Универсальные пуско-регулирующие устройства
УФ   Ультрафиолетовый                           
УЭМ  Унифицированный электронный модуль         
ФОГФ Физическое осаждение из газовой фазы       
ФЭП  Фотоэлектрический преобразователь          
ХГН  Холодное газодинамическое напыление        
ХМП  Химико-механическая планаризация           
ХОГФ Химическое осаждение из газовой фазы       
ЧРП  Частотно-регулируемые приводы              
ЭДП  Электронно-дырочный переход                
ЭКБ  Электронно-коммутационные блоки            
ЭКМ  Электроконденсационный метод               
ЭРЗ  Экран радиационной защиты                  
ЭТО  Эффективная толщина оксида                 

6

ПРЕДИСЛОВИЕ


    Данное учебное пособие продолжает серию книг под общим названием «Электронная аппаратура», некоторые ссылки будут на ранее вышедшие книги этой же серии:
    Основные положения электроники. Радио- и лектротехниче-ские материалы и изделия. Далее ссылки на нее - 1-я кн. серии.
    Пассивные компоненты схем: резисторы, предохранители, конденсаторы. Термоэлектрические устройства. Далее ссылки на нее - 2-я кн. серии.
    Пассивные электромагнитные компоненты и элементы схем. Электромагнитная совместимость. основы магнитоэлектроники. Далее ссылки на нее - 3-я кн. серии.
    Как и в предыдущих книгах серии «Электронная аппаратура», автор призывает активнее работать в плане самостоятельного поиска и освоения интересующих вопросов. Представленное учебное пособие по приводимым ссылкам не только на книги, но и на статьи должно способстовать выработке у студентов самостоятельного изучения и нахождения материала по интересующим их вопросам.
    Подготовка инженера подразумевает не только прохождение теоретического курса в виде лекций, практических и лабораторных занятий, но и знание основных базовых процессов производства элементной базы РЭА и СЭА, которые за последние три десятилетия заметно изменились. Производственная деятельность является основой современного общества, а развитие производства и технологий, их обеспечивающих, определяют уровень развития цивилизации.
    Знание закономерностей и принципов осуществления традиционных и прогрессивных технологических процессов различных производств позволяет анализировать реальную ситуацию в промышленности и на научной основе планировать мероприятия по технологическому развитию производства. Более подробно см.: Производственные технологии: учебник / В. В. Садовский и др. - Минск: БГЭУ, 2008.
    Невозможно охватить все имеющие место технологии производства полупроводниковой электроники в одной книге. В связи с этим будут рассмотрены наиболее применимые техноло

7

гии, ориентированные преимущественно на силовую электронику. Современные технологии РЭА и СЭА постепенно переходят от микроэлектронных структур к наноэлектронным. Следует отметить, что для приборов СЭА более характерными являются гибридные технологии микроэлектроники. Технологии пайки и сборки РЭА и СЭА в данном учебном пособии рассматриваются частично; для них имеются свои учебники и учебные пособия, относящиеся к дисциплинам «Конструирование и технологии РЭА»; «Инженерное конструирование» и т. п.

8

1. ЭТАПЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ

1.1. Исторические этапы в развитии элетроники

    Технологии в электронике неразрывно связаны с открытиями, разработками и созданием различных электронных устройств, т. е. с историей развития электроники [1.13, 1.14].
    Начало развития полупроводниковой электроники связывают с электрическими опытами с «плохими проводниками» Томаса И. Зеебека (1821) и Майкла Фарадея (1833). Первый фотоэлемент с запорным слоем был изготовлен У. Адамсоном и Р. Деем (1876). Фотоэлемент был способен генерировать электрический ток без внешнего электрического источника питания на основе его освещения источником света.
    Далее был обнаружен целый класс минералов, которые обладали нелинейными характеристиками электрической проводимости. Впоследствии их назвали полупроводниками (ПП). К ним стали относить материалы с удельной электрической проводимостью р 106...10¹² Ом-см.
    Теорию, объясняющую нелинейные свойства ПП, впервые выдвинул Эрвин Шредингер (1926) на основе поведения микрочастиц - волновой механики. Дальнейшее развитие ПП-элект-роники связано с именами А. Эйнштейна, М. Планка, Н. Бора на основе формировавшихся тогда разделов физики - квантовой механики, физики твердого тела, теории поля и других смежных направлений науки.
    К 30-м гг. XX в. удалось получить слиток кремния, проводимость которого, с одной стороны, была р-типа, а с другой -п-типа. Рассель Оль (сотрудник фирмы Bell Telephone Labs) вырезал из такого слитка образец (1935), содержащий аналог электронно-дырочного перехода, впоследствии получивший общепринятый термин p-n-перехода.
    В конце 30-х гг. XX в. советсткий физик А. Давыдов и немецкий физик В. Шоттки независимо друг от друга показали, что вблизи границы ПП-материалов электронного и дырочного

9

типов проводимостей формируется область, обедненная носителями зарядов. Было показано, что при определенной полярности ток через p-n-переход проходит только в одном направлении, а его сопротивление зависит от направления тока (полярности внешнего источника тока). Далее была разработана теория выпрямления тока в области контакта ПП-материалов с разным типом проводимости. По сути, это и стало толчком к бурному развитию электроники.
    Первый ПП-усилитель разработал Юлиус Лилиенфельд (1926). Разработанный им усилитель был запатентован как устройство для усиления электрических колебаний, выполненное на основе пленки сульфида меди. В 1938-1939 гг. сотрудники фирмы Bell Telephone Labs В. Шокли и А. Холден пытались получить тот же усилительный эффект изменения электрического сопротивления угольных контактов к германию путем давления на них кварцевым кристаллом. Побочным эффектом этого неудачного опыта можно считать улучшение работы угольного телефона.
    Первый точечный транзистор (1947) разработали Браттейн и Бардин (сотрудники Bell Telephone Labs). Коэффициент усиления прибора составил около 100 при максимальной частоте на верхней границе звукого диапазона. Именно Браттейн и Бардин ввели термин transistor, назвав так разработанный ими прибор. В этот термин они вложили два понятия: transconductance - крутизна ВАХ и transresistance - переходное сопротивление, характеризующее ПП. В СССР первые образцы точечного транзистора были разработаны А. В. Красиловым и С. Г. Мадоян (1949).
    Bell Telephone Labs выпустила 1-й промышленный образец плоскостного транзистора (1951), разработанного Шокли.
    Технологию зонной очистки (1954) впервые предложил Б. Пфан. В результате стало возможным удалять ненужные примеси из ПП-материала и равномерно распределять нужные.
    В СССР (НИИ «Пульсар», начало 50-х гг. ХХ в.) впервые созданы промышленные образцы точечных германиевых транзисторов серий П1-П3. Улучшение этой серии на основе сплавной диффузионной технологии позволило создать транзстистор П401, который был использован в передающей аппаратуре первого искусственного спутника Земли (1954). На этом завершает

10

ся первая транзисторная революция, или, как принято сейчас называть, - первый этап развития ПП-электроники.
    Второй этап развития ПП-электроники начинается с более глубоко понимания работы транзисторных структур. Появилась технология изготовления плоскостных транзисторов путем вплавления таблеток из индия с противоположных сторон тонкой германиевой пластины (General Electric, 1952). После отработки этой технологии появились однопереходный транзистор, управляемый кремниевый выпрямитель, высокочастотный туннельный диод, точечные светодиоды. Принято считать, что после появления этих ПП-приборов начинается массовое вытеснение электронных ламп ПП-приборами. Транзисторы начали массово производить во многих промышленно развитых странах. Впервые вопрос о стандарте на корпуса и характеристики транзисторов ставился в 1953 г.
    Первый интегральный транзистор, изготовленный методом диффузии (фирма Fairchild, середина 50-х гг. XX в.), мог работать в гигагерцовом диапазоне. Это послужило толчком к развитию современной связи в СВЧ-диапазоне.
    Сотрудники Bell Telephone Labs разработали метод эпитаксии (1960), позволивший выращивать ПП-структуры на ПП-подложке. Это послужило началом разработки первых интегральных микросхем (ИМС) (1959) на промышленной основе. Первый патент на ИМС получил Р. Нойс (один из основателей корпорации Intel; год основания 1968) 25 апреля 1960 г. И уже к концу 1961 г. фирма Texas Ins. поставила ВВС США небольшой компьютер с ПП-запоминающим устройством емкостью в несколько сот бит. Это считается началом последующего массового выпуска персональных ЭВМ (ПЭВМ). Первые ИМС на базе МОП-транзисторов появились в 1963 г, что послужило началом массового развития и улучшения характеристик ИМС памяти для ПЭВМ.
    На рубеже 70-80 гг. XX в. развитие микроэлектроники и электроники в СССР было близко по уровню научного и технологического развития к мировому лидеру того времени - США. Однако уже с конца 80-х гг. XX в. СССР начал отставать по уровню технического развития не только от США, но и от дру

11

гих промышленно развитих стран. К этому же времени завершается второй этап в развитии ПП-электроники.
    Третий этап развития ПП-электроники (конец 80-х - начало 90-х гг. XX в.) характеризуется интеграцией биполярной и полевой технологии как в дискретных силовых ПП-приборах, так и в ИМС. Начинается бурное развитие цифровой электроники и методов цифровой обработки сигналов. Появляются по-настоящему компактные ПЭВМ. Бурно развивается сегмент энергетической электроники. Достигается уровень преобразования силовыми ПП-приборами в мегаваттном диапазоне.
    На этом же этапе начинает оправдывать себя закон Мура (1964), согласно которому через каждые 18-24 месяца топологический размер интегральных элементов уменьшается. Динамика уменьшения топологической нормы выглядит следующим образом, мкм: 2,00^1,00^0,80^0,60^0,35^0,25^0,18. По другой трактовке закон Мура устанавливает, что производительность (число операций в секунду) ПЭВМ удваивается в среднем через каждые 2 года. К концу 90-х XX в. были выявлены массовые (и необъяснимые на то время) эффекты при переходе топологической нормы менее 100 нм. Заканчивается третий этап развития ПП-электроники.
    Четвертый этап (начало 2000-х гг.) характеризуется интенсивными исследованиями выявленных эффектов при размерах менее 100 нм. Появляются технологии с приствкой «нано»: наноэлектроника, наноматериалы, нанометрология и пр. Появляются структуры с логическими уровнями, формируемыми в результате кинетически неравновесного состояния электронов. Начинается бурное развитие цифровой и функциональной электроники.
    Пятый этап развития ПП-электроники (2010-е гг.) связывают с созданием различных систем на кристалле на основе синтеза достижений функциональной и традиционной электроники. Подобные системы при малых габаритах и уменьшенном энергопотреблении заметно превосходят по своим возможностям устройства традиционной электроники, формируемой в виде блоков (шкафов, стоек и пр.). По сути, такие системы представляют собой специализированные микро-ЭВМ.

12