Новые направления развития микроэлектроники. Роль микроэлектроники в современных технологиях

На июньской конференции SEMICON Russia 2013, посвященной рынку микроэлектроники и прошедшей в Зеленограде, ключевые игроки этого рынка, среди которых были представители госструктур, науки, промышленности и инновационного бизнеса, обсуждали острые проблемы, стоящие перед отраслью, и пути их решения.

Новая госпрограмма

Павел Куцко, замдиректора департамента РЭП Минпромторга РФ, представил новую программу развития радиоэлектронной промышленности (РЭП) на 2013—2025 гг., целью которой является повышение конкурентоспособности отрасли посредством создания инфраструктуры для развития приоритетных направлений, интеграции в международный рынок и реализации инновационного потенциала.

Он с оптимизмом заявил, что после продолжительного кризиса российская микроэлектроника снова возрождается, чему способствуют ключевые тенденции, затрагивающие отрасль: динамичный рост РЭП, высокие темпы роста радиоэлектроники в структуре экономики страны, рост цен на обрабатывающее производство, которое может стать источником рабочих мест с наибольшей производительностью труда. При этом сегмент микроэлектроники определяет эффективность других отраслей промышленности и решения социальных задач.

В госпрограмме развития РЭП выделены три этапа. На первом этапе (2013—2015 гг.) предусматривается создание условий для развития отрасли; на втором (2016—2020 гг.) — начинается активное содействие запуску новых проектов; на третьем (2021—2025 гг.) — осуществляется переход к поддержке роста производства. Реализация всех трех этапов предусматривает координацию с национальными инновационными центрами развития: Сколково, Роснано, ВЭБ.

В программу заложены такие тренды, как последовательное снижение госфинансирования, увеличение частных инвестиций, проведение кластерной политики, ориентация на малые и средние предприятия, создание конкурентной среды. В стратегии развития отрасли, которая, по словам Павла Куцко, находится на утверждении в правительстве, учтены тенденции мировой микроэлектроники и условия в России, ее интеллектуальный потенциал.

Общий бюджет финансирования госпрограммы РЭП на 2013—25 гг. составит 517 млрд. руб. (без ОПК), из федерального бюджета выделяется 178 млрд. руб. В сегменте микроэлектроники планируется снижение госфинансирования с 19 млрд. руб. в 2013 г. до 11 млрд. руб. в 2025-м. В то же время, как ожидается, объем производства микроэлектроники вырастет за счет частных инвестиций с 30 млрд. руб. в следующем году до 45 млрд. руб. в 2025-м.

Николай Лисай, директор по развитию бизнеса компании “Ангстрем”, полагает, что “микроэлектронная индустрия — очень чувствительная отрасль, тесно связанная с интересами государства — политики, стратегии, соответствующих программ, что в целом важно для развития России”. Поэтому столь значимую роль играет представленная госпрограмма и затронутая в выступлении представителя Минпромторга тема стратегии развития. По его словам, “это очень наболевший вопрос, ибо не имея четкого плана и стратегии, непонятно, как и куда двигаться”.

По оценке Frost & Sullivan, объем мирового рынка полупроводников в прошлом году составлял 320,4 млрд. долл. Согласно отчету IHS iSuppli, в 2012 г. мировой рынок полупроводников сократился на 2,3% до 303 млрд. долл. из-за нестабильной экономической обстановки в некоторых регионах и в результате ослабления потребительского спроса на электронику. По прогнозу аналитиков, в текущем году ситуация стабилизируется; ожидается, что объем этого рынка возрастет до 322 млрд. долл. — на 6,4%.

“Сегодня мировая электронная промышленность достигла практически дна продолжающегося трехлетнего спада. Принимая во внимание цикличность отрасли примерно в пять-восемь лет, можно с определенной долей уверенности сказать, что уже ближайшие два года станут наиболее благоприятными для начала ее возрождения в России”, — отметил Анкит Шукла, директор практики технологических исследований Frost & Sullivan.

Рынок

Николай Лисай полагает, что отсутствие в открытом доступе статистики по темпам развития отечественного рынка микроэлектроники является одной из проблем, оказывающих отрицательное влияние на его развитие. Со времен СССР он остается, по его мнению, закрытым: получить достоверную информацию по нему, узнать о выпускаемой продукции и т. д. достаточно сложно. Не все фирмы публикуют данные о своей деятельности, ограничиваясь общими словами, в то время как по западному рынку имеется множество открытых публикаций на эту тему. “Для меня каждый раз понять, что такое российский рынок, это сплошные мучения. Так, находясь в Москве, мне удалось найти некоторые официальные данные по этой теме только в Интернете во Всемирной книге фактов ЦРУ (The World Factbook — ежегодно издаваемая Центральным разведывательным управлением США книга в стиле альманаха о странах мира), а в нашей стране это оказалось невозможным”, — пояснил он.

Большинство участников форума уверено, что ключевой проблемой, сдерживающей развитие отечественной микроэлектроники, является узкий внутренний рынок страны, к тому же в течение десятилетий занятый зарубежными электронными гигантами, вытеснить которых совсем непросто.

“Без выхода на внешний рынок решить вопросы привлечения частного капитала будет тяжело. В этих направлениях работает Минпромторг, правительство РФ”, — заявил Павел Куцко.

Алан Астье, вице-президент STMicroelectronics, полагает, что рынок в России слишком мал, но имеется потенциал для его развития, реализовать который сложно, поскольку в России отсутствует общая стратегия реализации инновационных решений. Это является сдерживающим фактором для развития микроэлектроники.

Николай Лисай согласен с коллегами в том, что микроэлектроника страны должна выходить на мировые рынки, поскольку внутренний мал. И здесь главное — найти нишу, обеспечить качество, ритмичность поставок продукции и т. п. “Но мы очень далеки от понимания, как выходить на мировые рынки и как они устроены, — считает он, — как представить бренд, гарантировать качество, своевременность поставок и т. п. — задача непростая. Это одно из направлений для возрождающейся микроэлектроники России, которое необходимо освоить”.

Алан Астье полагает, что рынок в России не только очень мал, но и плотно занят поставщиками зарубежных компонентов, которые присутствуют здесь уже десятки лет.

Николай Шелепин, заместитель генерального конструктора “Микрон и НИИМЭ”, уверен, что отечественного производителя электронных компонентов (ЭК) при попытке выйти на этот небольшой рынок ожидает жесткая конкуренция. Например, при поставке транспортных электронных компонентов метрополитену “нас ожидает жесточайшая конкуренция, притом не всегда честная”. Он считает, что отрасли надо прежде всего сделать отечественные электронные компоненты конкурентными, сократив издержки их производства (имея в виду, что цены на кремниевые пластины во всем мире одинаковы), а для улучшения технических характеристик ЭК — задействовать интеллектуальный потенциал специалистов.

Участники форума отмечали, что инвестиции в Россию слишком малы. А Николай Шелепин высказался более жестко: “В каких условиях мы хотим развивать наш рынок? Все компании хотят сотрудничать с нами, но… за наши деньги. Зарубежных инвестиций в нашу электронику мы не видим”.

По его мнению, здесь можно привести лишь один прецедент: очень давно “Филипс” построил в Воронеже завод по производству кинескопов и телевизоров и потом оттуда ушел, так как бизнес в стране не состоялся.

Приоритетные сегменты

В Минпромторге считают, что при реализации госпрограммы развития РЭП придется сфокусироваться на приоритетных сегментах: энергоэффективные системы, автомобильная отрасль, медицина, безопасность, промышленная электроника. У российских предприятий в этих сегментах есть задел технологий, производственный и интеллектуальный потенциал, полагает г-н Куцко. Планируется производство ключевых электронных компонентов (ЭК).

По данным Frost & Sullivan, в ближайшие три года продукты российского рынка микроэлектроники будут наиболее востребованы в аэрокосмической, оборонной отраслях, а также в телекоме и на транспорте.

Алан Астье отметил, что в каждом регионе свои особенности, и хотя “Россия — очень богатая страна с богатым населением, в ней не решены такие проблемы. как транспорт, безопасность, медицина”, где активно используются продукты микроэлектроники.

С ним согласен Николай Шелепин: в нашей стране с точки зрения электроники приоритетными являются именно эти сегменты. При наличии сквозных госпрограмм по созданию аппаратуры они могли бы стать “мощным драйвером развития российской электроники, о которой мы мечтаем”. Так, зарубежные микросхемы с криптозащитой не должны составить конкуренцию отечественным, в том числе в связи со вступлением в ВТО. “Но России требуются еще компоненты для космоса, которые сложны и не дают заказов больших серий для загрузки предприятий”, — добавил он и высказал уверенность в том, что “если догонять, то никогда не догнать. Надо развивать те области, в которых есть компетенции и в которых по технологии разработок мы можем конкурировать с миром”.

Вместе с тем при освоении новой ниши встают неожиданные проблемы, для решения которых требуется профессионализм и интеллект. Так, при запуске в “Микроне” проекта УЭК (универсальная электронная карта) считалось, что она должна быть рассчитана на отечественную платежную систему. Но Сбербанк настоял на необходимости соответствия УЭК международным стандартам. В то время отечественные специалисты не обладали компетенцией в этой сфере, но благодаря интеллекту им удалось разобраться в проблеме и решить эту задачу за два года: уже в 2012 г. были получены международные сертификаты мастер-карт и безопасности. “В списке сертифицированных международных производителей мы (“Микрон”) оказались на восьмом месте”, — с удовлетворением отметил Николай Шелепин.

Павел Куцко полагает, что государство должно поддержать эти направления: отечественная микроэлектроника должна заменить зарубежную в тех отраслях, где необходимо и разрешено соглашениями с ВТО. Так, создание баз микроэлектронных компонентов для космоса, паспортно-визовых документов и специального назначения нужно решать за счет госфинансирования. По его словам, в определении статуса отечественной микроэлектроники за последний год проведена большая работа, в частности в определении преференций при поставках продукции.

Господдержка

Павел Куцко сообщил, что благодаря господдержке, которая будет снижаться, удалось решить важные задачи, позволяющие отрасли двигаться вперед: сохранили структуру предприятий, создали основу для развития производства микроэлектроники, сформировали структуру дизайн-центров, способных работать на современном оборудовании. “За последние годы у нас произошел скачок в микроэлектронике. В первую очередь успехи связаны с предприятиями Зеленограда. НИОКР финансируются на небывалом ранее уровне”, — сказал он.

Николай Шелепин подтвердил, что в последние три года в части госфинансирования отрасли стали делаться конкретные шаги. По его мнению, в представленной госпрограмме развития РЭП, хорошим признаком является свертывание правительством программы прямой поддержки предприятий отрасли: будут финансироваться только предприятия с реальными инвестпроектами, позволяющими выйти на рынок с реальной продукцией.

При реализации госпроектов их поддержка со стороны государства совершенно необходима. “Например, когда мы разработали отечественные микросхемы нового поколения для паспортно-визовых документов, — пояснил он, — денег (15 млн. руб.) на их межведомственные испытания в Минкомсвязи не нашлось. Потребовались большие усилия, с тем чтобы их провести, причем за счет разработчиков — “Микрона” и “Ангстрема””.

Николай Лисай выразил сомнение в том, что отрасли вообще требуется господдержка, сославшись на данные консалтинговой компании McKinsey по исследованию господдержки в Китае, Израиле, Тайване и США, которая там, якобы, практически отсутствует. Что касается поддержки инноваций в нашей стране за счет снижения налогов, то в западных странах налоговая нагрузка значительно больше, напомнил он.

У Алана Астье иное видение: все крупные страны — развитые или развивающиеся — стремятся поддерживать полупроводниковую отрасль, рассматривая ее в качестве ключевого драйвера инноваций и социального прогресса. Так, правительства Франции, Германии и др. поддерживают инициативы в области микроэлектроники, если они направлены на решение проблем в стране. В ближайшей и среднесрочной перспективе этот тренд сохранится. По его словам, в настоящее время 90% инновационных решений построено на микроэлектронике.

По данным исследования Frost & Sullivan на основе опроса (проведенного в апреле — мае этого года среди примерно ста экспертов и топ-менеджеров российских и зарубежных компаний), 92% респондентов считают, что меры, предпринимаемые сегодня правительством по поддержке конкурентоспособности российской микроэлектроники, недостаточны.

Хайнц Кундерт, президент SEMI Europe, также уверен, что господдержка такой отрасли, как микроэлектроника, играет важную роль во всех странах, например в Китае, США, Японии.

Он сообщил, что в мае Комиссия Евросоюза выступила с инициативой инвестировать в течение следующих семи лет около 100 млрд. евро в европейскую микро- и наноэлектронику, с тем чтобы к 2020 г. довести долю европейских стран на мировом рынке этой отрасли с 10 до 20%. Для достижения этой цели следует создать новые технологии. Восемь крупных фирм поддержали эту инициативу. Примерно 10 млрд. евро от частных, региональных, национальных источников и Евросоюза будут направлены на НИОКР, включая 5 млрд. евро — через государственно-частное партнерство.

Для сравнения: объем отечественного рынка микроэлектроники находится на уровне менее 1%.

По мнению г-на Кюндерта, российское правительство так же, как и Евросоюз, может оказать господдержку собственной отрасли, с тем чтобы значимо увеличить долю страны на мировом рынке микроэлектроники.

Кластеры

Николай Шелепин полагает, что разработки российских компаний конкурентоспособны, однако до производства и рынка доходят очень немногие. Кроме того, в России отсутствуют или не развиты важные элементы цепочки производства электроники (например, САПР, оборудование и сырье, сборка электроники и др.). Все эти насущные проблемы отечественной отрасли могут эффективно решаться с помощью кластерной политики, заложенной в новой программе развития РЭП.

Он уверен, что сегодня ни одна фирма не в состоянии изолированно решить весь пласт проблем современной микроэлектроники. Для развития и успешной конкуренции необходима консолидация ресурсов многих организаций, объединяющихся в кластер, с целью выстраивания полной цепочки от разработки до производства, идентификации и устранения пробелов в производственной цепочке.

По его словам, таким кластером, включающим 150 компаний, де-факто выступает Зеленоград с “якорным” центром из двух фирм “Микрон” и “Ангстрем”. Созданная на “Микроне” за это время школа разработчиков программного обеспечения, схемотехников, дизайнеров, а также собственное производство, позволят, как утверждается, оперативно реагировать на новые требования государственных органов.

Создание инновационных кластеров предусмотрено госпрограммой развития РЭП. По словам Павла Куцко, прорабатывается вопрос о создании 20 таких кластеров. Однако при создании кластеров, считает Николай Шелепин, необходимо обеспечить ряд мер регулирования рынка и господдержки по примеру мировых технопарков: развитие инфраструктур (телеком, жилье, образование и др.), дешевые кредитные деньги, экономические и административные свободы, политику интеграции предприятий кластера с якорной компанией.

На форуме были представлены результаты отдельных достижений, которые доказывают, что при адекватной политике инвестирования государством российская микроэлектроника начала выходить из затяжного кризиса. Вместе с тем складывается впечатление, что наращивание объемов производства ЭК, темпы выхода из кризиса и сроки реанимации отечественной отрасли вряд ли можно назвать сколько-нибудь приемлемыми для такой страны, как Россия, в сравнении с аналогичными показателями зарубежных конкурентов, которые вовсе не намерены ни инвестировать в нашу отрасль, ни тем более сдавать свои позиции как на своем, так и на российском рынке микроэлектроники.

Перспективы микроэлектроники

Современный этап научно-технической революции характеризуется исключительно быстрым ростом сложности радиоэлектронной аппаратуры. В связи с этим традиционные методы ее производства путем последовательной сборки из дискретных элементов стали неприемлемы, поскольку не могут обеспечить требуемых надежности, экономичности, энергоемкости, габаритов и времени изготовления. Возникла необходимость поиска принципиально новых путей создания электронной аппаратуры. На этом фоне и родилась микроэлектроника - новое направление электроники, решающее с помощью сложного комплекса физических, химических, схемотехнических, технологических и других методов и приемов проблему создания высоконадежных и экономичных миниатюрных электронных блоков и устройств.

Любой радиоэлектронный прибор - это своеобразный электрический мир. И все чудеса, которые может совершать радиоэлектроника, в итоге сводятся к сравнительно простым операциям с электрическими зарядами и электромагнитными полями. В радиоприемнике, например, это в основном превращение электромагнитных волн в электрический ток, усиление и превращение его в звук. В телевизоре процессы почти те же, но только к ним добавляется еще преобразование электрического тока в изображение.

Если перевести существующие телевизоры д радиоприемники на транзисторы, будет сэкономлена электроэнергия, вырабатываемая несколькими ГЭС мощностью с Днепровскую. Не следует забывать и о микроминиатюризации. Она играет особо важную роль в создании радиоэлектронной аппаратуры для космических исследований и в других областях техники.

Дальнейшее развитие и совершенствование полупроводниковых приборов характеризовалось созданием микроминиатюрных (микроэлектронных) схем. Микроэлектроника позволила увеличить плотность монтажа сразу в сто и более раз - в одном кубическом сантиметре объема микромодуля размещается несколько десятков сверхминиатюрных деталей. Примером может служить радиовещательный приемник "Микро" величиной со спичечную коробку, впервые появившийся в нашей стране. Вместе с источником питания он весит всего 28 г. Завтра подобный приемник будет не больше спичечной головки.

Еще более поразительные результаты получены после появления интегральных схем. Кристаллики этих схем, пришедшие на смену транзисторам, решают многие проблемы миниатюризации современной радиоаппаратуры.

Сравнительно недавно лампы уступили место транзисторам, с появлением которых радиолюбители перестали корпеть над пайкой бесчисленных проводов - в продажу поступили печатные схемы. Достаточно было припаять деталь в указанном месте - и схема готова. Интегральные схемы еще больше упрощают дело. Теоретически все элементы схемы, за исключением антенны и динамика, теперь можно разместить в кристаллике, например, кремния. При соответствующей обработке в кремниевый кристалл прочно врезаются транзисторы, диоды, сопротивления.

Интегральная схема - это микроминиатюрная структура, в которой многочисленные радиоэлементы соединяются на поверхности или внутри основы. В отличие от старых схем, в которых детали соединялись пайкой, интегральная схема - неразрывное соединение, что почти исключает неисправности.

Интегральные схемы на одной монокристаллической полупроводниковой пластине, созданные путем локального воздействия на микроучастки полупроводникового кристалла, со свойствами, соответствующими функциям микродеталей (полупроводниковые интегральные схемы), являются естественным развитием отработанных в течение последних десятилетий технологических принципов массового производства дискретных полупроводниковых приборов.

Интегральные схемы на некристаллической^ (изоляционной) подложке, создаваемые обычно из стекла или стеклокерамического материала путем послойного нанесения одна на другую пленок различных материалов с одновременным формированием из них микродеталей и их соединений (пленочные интегральные схемы), создаются в результате развития вакуумных методов нанесения тонкопленочных покрытий.

Исключительно широко интегральные схемы применяются в электронно-вычислительной технике. За последние 20 лет произошло несколько смен поколений ЭВМ. Первое поколение (1955-1960 гг.) - это машины на электронных лампах с быстродействием от 500 до 3 тыс. арифметических операций в секунду, второе поколение (1960-1965 гг.) - машины на полупроводниковых элементах с быстродействием их от 30 тыс. до 100 тыс. операций в секунду. Третье поколение (1965-1970 гг.) - машины на микроэлектронике. Быстродействие их достигает миллиона арифметических операций в секунду. В машинах четвертого поколения (1970-1975 гг.) используют интегральные схемы микроэлементов. Быстродействие их составляет сотни миллионов операций в секунду. Широкое распространение получают экранные пульты для ввода и вывода информации при осуществлении диалога человека с машиной.

Благодаря малым размерам и высокой надежности интегральных схем стало возможным создание очень сложных радиоэлектронных систем, таких, как электронно-вычислительные машины искусственных спутников Земли. А ведь первая ЭВМ была тридцатитонным сооружением. Подобная машина на интегральных схемах умещается на письменном столе.

До каких пределов можно уменьшать радиоэлектронную аппаратуру? На этот вопрос нельзя ответить однозначно. Сейчас успешно развивается и совершенствуется новое направление в электронике - молектроника (молекулярная электроника). Здесь детали конструкций по размерам приближаются к молекулам. Когда задачи молектроники будут решены практически, электронно-вычислительные машины станут не больше карманного транзисторного приемника или записной книжки.

Огромные возможности в решении проблем микроэлектроники сулит голография. Уже сейчас с помощью голограмм удается фиксировать положение объекта с точностью до длины световой волны, т. е. до тысячных долей микрона. В недалеком будущем при нанесении полупроводникового рисунка на интегральные схемы вместо неудобных шаблонов будут пользоваться голограммами. Отпадет надобность в сложнейших дорогостоящих системах линз, появится возможность механизации процесса. Голография станет верным помощником микроэлектроники.

Электронная эмиссия

В связи с требованиями миниатюризации и надежности электронных устройств огромное значение для современной электронной техники приобретают твердотельные пленки. В последние годы широко исследуются их электрические, в том числе сверхпроводящие, оптические, магнитные свойства. Особый интерес вызывают очень тонкие пленки, которые нельзя получить из толстых образцов путем их обработки, а можно лишь вырастить на подложках, например распространенным методом вакуумного напыления.

При постепенном напылении пленки становятся сплошными после достижения ими толщины более миллионных долей сантиметра. До этого они состоят из раздельных микроостровков и поэтому называются островковыми, или диспергированными, пленками. Такие пленки представляют для науки особый интерес. Поскольку их островки обладают чрезвычайно малыми размерами, они становятся квантовомеханическими объектами. У них проявляются свойства, отсутствующие у толстых пленок, что открывает новые возможности их применения, особенно в связи с микроминиатюризацией.

Именно в таких пленках и было обнаружено явление эмиссии электронов (речь идет о пленках золота в несколько десятков ангстрем) при пропускании через них тока. Его открыли ученые Института физики АН УССР член-корреспондент АН УССР П. Г. Борзяк, кандидат физико-математических наук О. Г. Сарбей и научный сотрудник Р. Д. Федорович, Позже были испробованы многие подложки и разные металлы для пленок. Во всех случаях явление повторялось. Оказалось, что оно свойственно всем металлическим диспергированным пленкам определенной толщины.

Последующие теоретические исследования показали, что установленное явление объясняется сильным разогревом электронов, осуществляющих проводимость в диспергированной пленке, без сильного нагрева самой пленки в электрическом поле. Такой разогрев невозможен ни в массивном металле, ни в сплошной металлической пленке, так как в них нельзя создать сильное электрическое поле. Кроме того, установлено, что в диспергированную пленку можно ввести большую по сравнению с массивным металлом удельную электрическую мощность (мощность на единицу массы вещества), за счет которой тоже идет разогрев электронов. Наиболее "горячие" из них, т. е. наиболее быстрые, и принимают участие в эмиссии.

Явление электронной эмиссии было обнаружено очень своевременно. Именно в начале 60-х гг. стала популярной идея создания ненакаливаемых, или холодных, катодов. В принципе металлические диспергированные пленки и являются такими катодами. В настоящее время получают катоды, выдерживающие испытания на протяжении 10 тыс. ч. Возможность получения микроминиатюрных катодов очень важна для микроэлектроники.

Катоды на основе диспергированных пленок оказались радиационно устойчивыми. Это открывает им путь в космическую электронику. Появилась идея создания вакуумных интегральных схем для космической электроники. В качестве элементов для таких схем предполагается использовать и катоды на основе диспергированных пленок. В Институте физики АН УССР продолжаются исследования, направленные на получение катодов с улучшенными показателями, в том числе не только из золотых пленок, но и из пленок других материалов. Найдены пленки, которые при хорошей стабильности обладают очень большой эффективностью электронной эмиссии - до 30 %.

В диспергированных металлических пленках электронной эмиссии сопутствует другое интересное и важное явление - электролюминесценция, т. е. излучение холодной пленкой света за счет потребляемой электрической энергии. Такое излучение было обнаружено в полупроводниках, но о его присутствии в металлах не было известно. Оно объясняется авторами открытия наличием в диспергированных пленках "горячих" электронов. Это подтверждается тем обстоятельством, что, запирая эмиссионный ток, т. е. увеличивая концентрацию "горячих" электронов в пленке, мы усиливаем яркость ее свечения. В Институте физики АН УССР разрабатывается теория механизма этого явления. Оно получит практическое применение в оптоэлектронике, для которой как раз нужны пленочные электролюминесцентные источники света.

В 1965 г. в журнале "Евро-нуклеар", освещающем проблемы развития европейских ядерных исследований, сообщалось: "Три украинских научных работника - П. Г. Борзяк, О. Г. Сарбей, Р. Д. Федорович открыли два явления металлов, которые получат практическое применение в области микроэлектроники. Их эксперименты установили, что холодный металл может эмитировать электроны, когда через него проходит ток, и начинает люминесцировать при этих условиях. Это открытия первостепенной важности, ибо они приближают создателей электронного оборудования к осуществлению их мечты- холодному металлическому катоду, т. е. источнику электронов, который сам не нагревается и потому не производит тепла..."

Описанное открытие зарегистрировано под № 31 с приоритетом от 26 июня 1963 г. Формула открытия следующая:

"Установлено ранее неизвестное явление, заключающееся в том, что при прохождении электрического тока через тонкие металлические пленки с островной структурой толщиной в несколько десятков (от 40 до 80 для золота) ангстрем возникает эмиссионный ток, обусловленный тем, что часть электронов, осуществляющих перенос заряда между металлическими островками в пленке, имеет компоненту скорости, нормальную к поверхности пленки" .

Уже никто не представляет современный мир без мобильных и компьютерных технологий, которые прочно закрепились в любой сфере нашей деятельности и повседневной жизни. Большая часть научного мира работает в направлении оптимизации и совместимости электронных устройств.

В настоящее время присутствует тенденция к минимизации размеров и разработке максимальной производительности электроники. Если в производственной области такая минимизация не очень важна и поэтому не слишком замета, то для мобильных устройств и компьютеров это определяющий фактор спроса. Не заметить это невозможно.

Каждую неделю появляются новые и новые гаджеты и полноценные самодостаточные приспособления, которые удивляют своими размерами и электронным «мозгом». Конкуренты-производители уже давно экспериментируют с комплектацией этих устройств и усовершенствуют их до такой степени, что сложно представить, куда приведет такое развитие. Уменьшение размеров приводит к необходимости применения более совершенных материалов и технологий для создания комплектующих.

Сделаем небольшой обзор наиболее востребованных направлений микроэлектроники.

Усилители операционные. Такие усилители используются для аналоговых приборов и являются, своего рода мини-калькулятором (выполняют различные математические действия и операции).

Преобразователи аналогового сигнала устройства в цифровой режим. Генерация выходного цифрового сигнала позволяют синхронизировать ранее несовместимые типы приборов и устройств. Цифровые микропроцессоры могут теперь обработать любой аналоговый сигнал. Процесс преобразования почти всегда косвенный, то есть физическая величина аналоговой системы превращается в электрический сигнал, который затем структурируется цифровые коды. Обратные им по функциям цифро-аналоговые конвертеры позволяют превратить выходной цифровой в сигнал аналоговый.

Микросхемы логики набирают высокий уровень доступности. Наряду с этим происходит появление новых семейств, обладающих новыми свойствами, использующих новые физические принципы, технологии и возможности высокотехнологичного производства.

Еще одним важным направление микроэлектроники являются логические микросхемы. Микросхемы различных типов логических задач позволяют расширить операционные возможности различных систем. Их применение обусловлено начальными отличиями исходных логических операций, по которым конструируется та или иная электронная аппаратура.

Необходимость связи различных электронных устройств обусловило появление на рынке микроэлектронной продукции всевозможных коммутаторов (электронных и аналоговых) и других связующих комплексов, а также мультиплексоров.

Также производители электроники предлагают различные виды и типы микроконтроллеров, которые применимы во многих мобильных и компьютерных устройствах.

На рынке мобильных передовых технологий широкое распространение и развитие получили устройства беспроводной связи. Это направление наиболее динамично развивается и покоряет все новые горизонты. Будущее информационных технологий за беспроводными коммуникациями.

Надежная передача всевозможных данных на значительные расстояния уже и сейчас повсеместно используется для Wi-Fi соединений и BlueTooth-устройствах. Уже в каждом настольном портативном компьютере, нетбуке и смартфоне в стандартной комплектации установлены беспроводные коммуникаторы, приемники и передатчики. Посредством них осуществляется передача интернет-данных и информационная связь устройств.

Кроме этого, модули с необходимыми протоколами нашли свое применения во всех видах производства и эксплуатации различных электронных механизмов. Также применятся многоканальные модули для комплексной передачи и приема данных.

Кроме стандартного микроэлектронного оборудования и устройств фирмы-производители предлагают сопутствующие комплектующие товары. Это могут быть корпуса для микросхем и контроллеров, светодиодная техника, транзисторы и всевозможные датчики физических величин и процессов (ускорения, температуры, влажности, давления и других).

Применение всех видов микроэлектронных устройств в производственных мощностях и вспомогательных устройствах различных направлений в комплексе дает возможность решить самые сложные и изощренные операционные задачи.

Важным моментом в выборе необходимого комплекта изделий является правильно поставленная задача назначения конечного устройства, для которого подбираются комплектующие, и исходные данные для подбора. Корректно заданные параметры значительно упростят требуемую схему для выполнения операционной задачи.

Поэтому техническое задание на микроэлектронное оборудование должен составлять соответствующий специалист, а обращаться нужно в надежную организацию , которая укомплектована штатом высококвалифицированных специалистов-электронщиков. Они помогут безошибочно скомпоновать и укомплектовать выбранную схему конечного устройства, а иногда даже изменить, оптимизировав связи и сгруппировав функционально похожие элементы.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Новокузнецкий филиал-институт

государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Кемеровский государственный университет»

Курсовая работа

Микроэлектроника. Новая быстро развивающаяся технология

Руководитель

К.В. Чмелева

Новокузнецк 2011г.

Введение

1. Теоретические основы микроэлектроники

1.1. История развития микроэлектроники

1.2 Современные проблемы и направления развития микроэлектроники

3 Классификация изделий микроэлектроники

4 Основные положения и принципы микроэлектроники

Основные направления развития электроники

1 Перспективы развития микроэлектроники

2 Новая быстро развивающаяся технология

Заключение

Список литературы

Введение

Электроника прошла несколько этапов развития, за время которых сменилось несколько поколений элементной базы: дискретная электроника электровакуумных приборов, дискретная электроника полупроводниковых приборов, интегральная электроника микросхем (микроэлектроника), интегральная электроника функциональных микроэлектронных устройств (функциональная микроэлектроника).

Элементная база электроники развивается непрерывно возрастающими темпами. Каждое из приведенных поколений, появившись в определенный момент времени, продолжает совершенствоваться в наиболее оправданных направлениях. Развитие изделий электроники от поколения к поколению идет в направлении их функционального усложнения, повышения надежности и срока службы, уменьшения габаритных размеров, массы, стоимости и потребляемой энергии, упрощения технологии и улучшения параметров электронной аппаратуры.

Современный этап развития электроники характеризуется широким применением интегральных микросхем (ИМС). Это связано со значительным усложнением требований и задач, решаемых электронной аппаратурой. Разрабатываемые сейчас сложные системы содержат десятки миллионов элементов. В этих условиях исключительно важное значение приобретают проблемы повышения надежности аппаратуры и ее элементов, микроминиатюризация электронных компонентов и комплексной миниатюризации аппаратуры. Все эти проблемы успешно решает микроэлектроника.

Становление микроэлектроники как самостоятельной науки стало возможным благодаря использованию богатого опыта и базы промышленности, выпускающей дискретные полупроводниковые приборы. Поэтому микроэлектроника продолжает продвигаться быстрыми темпами во всех направлениях. В современной жизни любая техника, которой мы пользуемся, ежедневно наполнена микроэлектроникой. В настоящее время микроэлектроника перешла в стадию наноэлектроники.

Развитие современных средств вычислительной техники, робототехники, аппаратуры цифровых коммуникаций основано на использовании достижений микроэлектроники в разработке и выпуске интегральных микросхем (ИМС), а также на широком применении микропроцессоров и микрокомпьютеров, создаваемых на базе больших и сверхбольших интегральных схем (БМС и СБИС).

Под электроникой понимают область науки, техники и производства, связанную с исследованием, разработкой и производством электронных приборов и принципов их использования. Поскольку «микро» (от гр.micros-малый) в сложных словах означает отношение к малым предметам, то термин «микроэлектроника» этимологически можно рассматривать как электронику малых размеров. В действительности смысл термина гораздо глубже. Микроэлектроника - это раздел электроники, производством и исследованием интегральных микросхем и принципов их применения.

Более того, в процессе развития микроэлектроники было разработано немало специфических элементов, которые не только не имеют аналогов в обычной транзисторной схемотехнике, но и не могут быть даже смоделированы на дискретных компонентах. В качестве примера таких компонентов можно привести приборы с зарядовой связью (ПЗС), находящие применение при создании быстродействующих микросхем памяти современных ЭВМ.

Зарождение и дальнейшее триумфальное развитие микроэлектроники было бы невозможно без гигантского прогресса в области технологии.

Актуальность выбранной темы:

Новые информационные средства постепенно превращаются в обязательный компонент профессионально развивающего обучения в вузах. Внедрение компьютерных технологий в образование можно охарактеризовать как логичный и необходимый шаг в развитии современного информационного мира в целом.

С внедрением новых технологий возникают задачи выработки методики обучения с применением информационных технологий и разработки специальных программных средств для усовершенствования в процессе обучения студентов. Первый шаг на пути к этому видится в создании качественных программных продуктов, обеспечивающих компьютерную поддержку по дисциплинам образовательной области «Технология». На данный момент в образовательном процессе используются много программных продуктов по блоку дисциплин естественных наук, при этом дисциплины образовательной области «Технология» остаются без методики применения новых информационных технологий.

Целью настоящей работы является формирование знаний в области теоретических принципов микроэлектроники, и овладения основными навыками исследовательской деятельности, творческого использования полученных знаний, выработки независимого самостоятельного подхода к решению поставленных задач

Задачи, соответствующие цели данной работы:

1. Проанализировать современные проблемы и направления развития микроэлектроники.

2. Выявить основные перспективы развития микроэлектроники

Рассмотреть основные положения и принципа микроэлектроники.

Выявить новые быстроразвивающиеся технологии.

Проанализировать перспективы развития микроэлектроники.

Объект исследования данной работы будет микроэлектроника и новая быстроразвивающаяся технология.

В данной курсовой работе использовались методы исследования: метод анализа и синтеза, метод индукции и дедукции.

1. Теоретические основы микроэлектроники

1 История развития микроэлектроники

Микроэлектроника является продолжением развития полупроводниковой электроники, начало которой было положено 7 мая 1895 года, когда полупроводниковые свойства твердого тела были использованы А.С.Поповым для регистрации электромагнитных волн.

Дальнейшее развитие полупроводниковой электроники связанно с разработкой в 1948 году точечного транзистора (американские ученые Шокли, Бардин, Браттейн), в 1950 году - плоскостного биполярного транзистора, а в 1952 году полевого (униполярного) транзистора. Наряду с транзисторами были разработаны и стали широко использоваться другие различные виды полупроводниковых приборов: диоды различных классов и типов, варисторы, варикапы, тиристоры, оптоэлектронные приборы (светоизлучающие диоды, фотодиоды, фототранзисторы, оптроны, светодиодные и фотодиодные матрицы).

Создание транзистора явилось мощным стимулом для развития исследований в области физики полупроводников и технологий полупроводниковых приборов. Для практической реализации развивающейся полупроводниковой электроники потребовались сверхчистые полупроводниковые и другие материалы и специальное технологическое и измерительное оборудование. Именно на этой базе стала развиваться микроэлектроника.

Следует отметить, что основные принципы микроэлектроники - групповой метод и планарная технология - были освоены при изготовлении транзисторов в конце 50 годов.

Первые разработки интегральных схем (ИС) относятся к 1958 - 1960г.г. В 1961 - 1963г.г. ряд американских фирм начали выпускать простейшие ИС. В то же время были разработаны пленочные ИС. Однако некоторые неудачи с разработками стабильных по электрическим характеристикам пленочных активных элементов привели к преимущественной разработке гибридных ИС. Отечественные ИС появились в 1962 - 1963г.г. Первые отечественные ИС были разработаны в ЦКБ Воронежского завода полупроводниковых приборов (схемы диодно-транзисторной логики по технологии с окисной изоляцией карманов). По технологии изготовления эти схемы уступали 2 года западным разработкам .

В историческом плане можно отметить 5 этапов развития микроэлектроники.

Первый этап, относящийся к первой половине 60-х годов, характеризуется степенью интеграции ИС до 100 элементов / кристалл и минимальным размером элементов порядка 10 мкм.

Второй этап, относящийся ко второй половине 60-х годов и первой половине 70-х годов, характеризуется степенью интеграции ИС от 100 до 1000 элементов/кристалл и минимальным размером элементов до 2 мкм.

Третий этап, начавшийся во второй половине 70-х годов, характеризуется степенью интеграции более 1000 элементов/кристалл и минимальным размером элементов до 1 мкм.

Четвертый этап, характеризуется разработкой сверхбольших ИС со степенью интеграции более 10000 элементов/кристалл и размерами элементов 0,1 - 0,2 мкм.

Пятый, современный, этап характеризуется широким использованием микропроцессоров и микро-ЭВМ, разработанных на базе больших и сверхбольших ИС.

Исторически возникновение и развитие микроэлектроники было подготовлено бурным ходом научно-технической революции, давшей жизнь промышленной кибернетике, вычислительной технике, радиоэлектронике и потребовавшей тотальной микроминиатюризации всех элементов электронной техники. Создание в 1948 г. транзистора на основе монокристаллического полупроводника и разработка в 1950-1951 гг. первых пленочных пассивных элементов электронной техники подготовили прочную базу для создания технологии микроэлектроники. Практически рождение микроэлектроники относят к 1957 г., когда была впервые разработана ее технологическая основа, т. е. запатентованы методы локальной диффузии через маску окисла, профилированную фотолитографией. Таким образом, современная микроэлектроника берет начало от планарной технологии на твердом теле (активные элементы полупроводниковых интегральных схем) и пленочной технологии (пассивные элементы и гибридные интегральные схемы).

Важнейшие процессы, используемые в технологии микроэлектроники нанесение пленок и эпитаксиальных слоев, удаление (в растворах и паро-газовых средах) вещества с поверхности твердой фазы, легирование и диффузионное перераспределение,- по существу являются физико-химическими и имеют определенную особенность, связанную с протеканием их на поверхности или в объеме твердой фазы. Продуктом (полуфабрикатом) сложной совокупности технологических процессов (от 50 до 200 и более операций) является кусочек монокристалла объемом от сотых долей до единиц кубического миллиметра в виде микрогетерогенного, заведомо метастабильного твердого тела, обязанного работать в весьма сложных условиях и практически без ограничения срока службы. В этом отношении технолог физик химик должен обеспечить решение двух диаметрально противоположных задач: 1) создать микрогетерогенное метастабильное твердое тело с максимальной дисперсностью неравновесных объемов и 2) обеспечить длительную стабильную работу всей схемы в целом, подавляя ее стремление к гомогенизации-выравниванию состава. Размеры активных областей ИС постоянно уменьшаются, и в настоящее время намечается переход в субмикронную область.

Основным технологическим направлением в микроэлектронике является производство монолитных, тонко- и толстопленочных ИС, а также микроминиатюрных функциональных дискретных приборов. В основе технологии толстых пленок лежит трафаретная печать и вжигание в керамическую подложку элементов и проводников, при изготовлении монолитных ИС используются процессы диффузии, эпитаксии, окисления и др., при изготовлении тонкопленочных микросхем доминирующими являются процессы конденсации из молекулярных пучков в вакууме. Главные задачи технологии микроэлектроники следующие: создание в минимальном объеме (твердого тела или на его поверхности) максимального количества строго определенных областей с заданными геометрией, составом, структурой, а следовательно, и свойствами, способных выполнять определенные функции элементов или эквивалентов элементов электронных схем при высокой стабильности преобразуемой информации, малом расходе энергии и высокой надежности многократного повторения всех возложенных на данную ИС задач. При этом обращают внимание на повышение рентабельности при снижении расхода материалов, на простоту и комплексность технологического производства, максимум выхода годных изделий при минимальном применении ручного труда. Только максимальная автоматизация может обеспечить дальнейшее развитие микроэлектроники. В настоящее время технология микроэлектроники прошла уже основные стадии своего развития и становления, а если учесть, что широкое производство ИС и дискретных приборов с использованием приемов и технологических процессов микроэлектроники перешагнуло рубеж 10-12 млрд. шт. в год, то становится ясным, что мы имеем дело с наиболее массовым современным производством весьма сложной продукции. При этом темпы развития микроэлектроники находятся вне конкуренции с любыми другими отраслями современной промышленности. Это потребует использования новых материалов и их композиций, а также новых технологических процессов и их сочетаний.

Уже в настоящее время их многообразие вне конкуренции с любой другой отраслью техники, поэтому особенно важным является систематизация и классификация процессов с использованием различных принципов, имеющих физико-химическую основу.

2 Современные проблемы и направления развития микроэлектроники

Основной тенденцией развития микроэлектроники является повышение степени интеграции микросхем. Согласно знаменитому прогнозу, сделанному в 1965 г. и известному с тех пор как закон Мура, условное число транзисторов в наиболее скоростных процессорах удваивается каждые полтора года. Разумеется, эта тенденция не может сохраняться вечно, и уже с 90-х годов XX в. разные специалисты периодически высказывают мысль о том, что в своем развитии микроэлектроника вплотную подошла как к технологическому пределу увеличения размеров кристаллов СБИС и УБИС, так и к дальнейшему повышению «плотности» размещения компонентов на кристалле. Среди множества конструкторско-технологических проблем, которые приходится решать при проектировании и производстве микроэлектронных изделий, можно выделить пять основных.

На первом месте стоит проблема уменьшения размеров элементов интегральных схем. Уже сейчас оборудование для производства процессоров Intel Pentium 4, использующее в процессе литографии излучение с длиной волны 248 нм, позволяет получить на кристалле элементы размером 130 нм. По прогнозам компании Intel уже в ближайшее время удастся уменьшить размеры отдельного транзистора примерно до 30 нм, что составляет всего несколько десятков атомных слоев. Корпорация Nikon сообщила о форсировании программы разработки оборудования для проекционной литографии (Electron Projection Lithography - EPL) с использованием норм 0,07-микронного технологического процесса. Сегодня EPL можно рассматривать как наиболее вероятную технологию литографии следующего поколения.

Дальнейшие перспективы повышения разрешающей способности литографии специалисты связывают с использованием при экспозиции мягкого рентгеновского излучения с длиной волны ~1 нм, а также различных методов электронной литографии. В одном из вариантов метода электронной литографии вообще не используется технология резисторных масок, а предусмотрено непосредственное действие электронного пучка на слой оксида кремния. Оказывается, что экспонированные области в дальнейшем травятся в несколько раз быстрее, чем неэкспонированных.

По-видимому, естественный предел дальнейшему росту микроминиатюризации СБИС и УБИС будет положен явлениями разупорядочивания структуры материалов за пределами окон в фоторезистах. На более фундаментальном уровне он может быть обусловлен ограничением чистоты применяемых полупроводников и статистическим характером распределения в них дефектов и примесей. Судя по наблюдаемой тенденции, этот предел, может быть, достигнут примерно к 2015 г.

На втором месте в ряду актуальных задач микроэлектроники стоит проблема внутренних соединений. Огромное число элементов микросхемы, размещенных на подложке, должно быть коммутировано между собой таким образом, чтобы обеспечить надежное и правильное выполнение определенных операций над сигналами. Этот вопрос решается с помощью многоуровневой разводки, когда на первом (низшем) уровне формируют логические вентили, на втором - отдельные цифровые узлы типа триггеров, на третьем - отдельные блоки (например, регистры) и далее по нарастающей степени функциональной сложности.

На третьем месте расположена проблема теплоотвода. Повышение степени интеграции обычно связано с уменьшением, как размеров самих элементов, так и расстояний между ними, что ведет к увеличению удельной мощности рассеивания. В естественном режиме (без дополнительного теплоотвода) допустимая мощность рассеивания современных микросхем не превышает 0,05 Вт/ мм 2, что ограничивает плотность размещения элементов на подложке. Для преодоления этого ограничения можно использовать несколько способов: снижение напряжения питания, использование микрорежима работы транзисторов, переход к более экономичной элементной базе (например, комплементарная структура металл-диэлектрик-полупроводник - КМДП) и, наконец, искусственное охлаждение. Однако у каждого из этих способов существуют свои специфические трудности. Так, например, снижение напряжения питания неизбежно ведет к снижению помехоустойчивости.

Четвертой в списке следует указать проблему дефектов подложки. Повысить степень интеграции можно простым увеличением площади кристалла, однако при этом пропорционально возрастает вероятность попадания в рабочую область дефектов кристаллической структуры (прежде всего дислокаций), наличие которых на поверхности подложки неизбежно, хотя бы в силу термодинамических причин. Дефект подложки может привести к нарушениям технологического процесса изготовления микросхемы и соответственно к браку. Единственным способом решения этой проблемы является совершенствование технологии изготовления подложек.

Последней в списке, но, пожалуй, первой по значимости следует назвать проблему контроля параметров. Общеизвестно, что электроника проникла буквально во все области человеческой деятельности. Автоматические системы сегодня управляют сложнейшими (и порой потенциально опасными) технологическими процессами, огромными транспортными потоками и т.д. Сбой в такой системе может привести к катастрофическим последствиям. В этих условиях проблемы надежности и качества оборудования, а следовательно, и контроля параметров производимой электронной промышленностью продукции приобретают первостепенное значение. В силу большой сложности выполняемых функций число внешних информационных выводов современных СБИС варьируется от нескольких десятков до двух-трех сотен. Если принять для оценки число информационных выводов равным 50 и учесть, что цифровой сигнал на каждом из них может принимать два значения («0» или «1»), то для полной проверки правильности функционирования только одной СБИС и только в статическом режиме потребуется 250 измерений. При длительности каждого измерения в 0,1 мкс (с типичной для современного уровня технологии частотой опроса 10 МГц) этот процесс займет более двух лет. Приведенные оценки показывают, что для реальной организации контроля измерения по необходимости должны быть выборочными. Поэтому тщательная проработка методики проверки (отбор контролируемых параметров, разработка эффективных алгоритмов испытания, а также разработка соответствующей измерительной аппаратуры и программного обеспечения) представляет собой важнейшую и очень сложную задачу.

Определенные перспективы имеют стремительно развивающиеся в настоящее время нанотехнологии, основанные на использовании туннельной микроскопии. Рабочим органом нанотехноло-гической установки служит электрический зонд из твердосплавного материала, представляющий собой своеобразную иглу, острие которой методами ионного травления «заточено» до атомарных размеров.

Острие зонда располагается на весьма малом (~м) расстоянии от поверхности, отполированной проводящей подложки, и между подложкой и зондом прикладывается некоторое напряжение. Из-за малости зазора даже при весьма малых напряжениях напряженность поля в зазоре может достигать огромных величин порядка … В/м, что приводит к появлению туннельного тока. Измеряя этот туннельный ток, можно с помощью пьезо-преобразователей поддерживать величину зазора с погрешностью порядка м. При этом диаметр пучка туннельных электронов имеет величину ~м.

Увеличивая энергию пучка до уровня энергии межатомных связей, можно оторвать отдельный атом от подложки и, перемещая подложку с помощью пьезоманипуляторов, перенести его вместе с зондом в новое положение. При снижении энергии пучка можно осадить атом на подложку в этом новом положении.

Введя в активную область под зондом молекулы технологического газа, в условиях резко неоднородного электрического поля можно добиться их ионизации и, захватив зондом нужный ион, осадить его на подложку в нужном месте. Таким образом, формируют на подложке точечные или линейные структуры с характерными размерами порядка м. Наполняя рабочую область установки газом-травителем, инициируют химические реакции, приводящие к удалению с поверхности отдельных цепочек атомов, что позволяет создавать канавки нанометровой глубины.

Нано-технологии открывают практически неограниченные возможности построения как планарных, так и объемных структур, позволяющих создавать на подложке электронные элементы размерами порядка атомарных. Теоретически быстродействие таких элементов может составлять величину порядка и даже с, а высочайшая степень интеграции наноэлектронных структур позволяет реализовать запоминающие устройства со сверхвысокой плотностью записи информации порядка 10ю бит/, что на три порядка превосходит возможности современных лазерных дисков.

Однако повышение степени интеграции резко сужает область применения СБИС, так как они становятся слишком специализированными и поэтому изготавливаются ограниченными партиями, что экономически невыгодно. Выходом из положения являются разработка и производство базовых матричных кристаллов. Такой кристалл содержит большое число одинаковых топологических ячеек, образующих матрицу. Каждая ячейка содержит определенное число нескоммутированных элементов, подобранных таким образом, чтобы из них можно было сформировать несколько функциональных элементов (триггер, группу логических вентилей и т.д.). Выполняя металлическую разводку внутри топологических ячеек и соединяя их между собой, можно получать весьма сложные по устройству электронные блоки, отличающиеся функциональными возможностями. На основе одного базового матричного кристалла с помощью простой замены фотошаблонов металлизации можно реализовать большое число модификаций БИС.

Возможности микроэлектроники далеко не исчерпаны, а предрекаемый предел ее развития как научной и технологической дисциплины постоянно отодвигается во времени. Однако долгосрочные прогнозы в такой динамично развивающейся области, как микроэлектроника, - дело неблагодарное. И даже если такой предел будет, достигнут, это вовсе не означает, что прогресс в области электроники остановится. На смену полупроводниковой технике придут новые технологии, основанные на иных физических принципах. Возможно, это будет функциональная электроника, оптическая, квантовая или, наконец, биоэлектроника.

3 Классификация изделий микроэлектроники

Классификация микросхем может быть проведена по различным признакам. По функциональной сложности ИС принято характеризовать степенью интеграции, условно оцениваемой по десятичному логарифму числа элементов и компонентов, содержащихся в корпусе микросхемы. По этому признаку в настоящее время различают восемь степеней интеграции:

первая степень - 1… 10 элементов;

вторая степень - 10… элементов;

третья степень - … элементов;

четвертая степень - … элементов;

пятая степень - … элементов;

шестая степень - … элементов;

седьмая степень -…элементов;

восьмая степень - свыше элементов. Интегральные схемы первой и второй степеней интеграции получили название малых интегральных схем (МИС). В англоязычной литературе они обозначаются термином Integrated Circuit (1С). Обычно они содержат один или несколько цифровых либо аналоговых элементов (логические вентили, триггеры, операционный усилитель и т.п.). Средняя интегральная схема (СИС или MSI - Medium Scale Integration) - это интегральная схема второй-третьей степени интеграции, содержащая уже не элементы, а функциональные узлы устройства (регистр, счетчик, дешифратор и др.). Большая интегральная схема (LSI - Large Scale Integration) имеет третью либо четвертую степень интеграции и содержит одно или несколько функционально законченных устройств либо его частей. Сверхбольшая интегральная схема (СБИС или VLSI - Very Large Scale Integration) - интегральная схема пятой -седьмой степени интеграции. К этому классу относятся, например, микросхемы микроконтроллеров, памяти большого объема и т.д. Наконец, ультрабольшие интегральные схемы (УБИС или ULSI - Ultra Large Scale Integration) имеют степень интеграции выше седьмой. К СБИС и УБИС относятся, например, центральные микропроцессоры современных ЭВМ.

Еще одним признаком, характеризующим уровень технологии производства микросхем, является плотность упаковки - количество элементов, размещенных на единице площади кристалла.

В настоящее время для микросхем с низкой степенью интеграции этот параметр имеет порядок … , т.е. на одном квадратном миллиметре помещается примерно 100… 1 000 элементов. В то же время в отдельных случаях (например, в современных микропроцессорах) плотность упаковки может достигать величины порядка элементов/.

В зависимости от вида обрабатываемых сигналов все интегральные микросхемы подразделяют: аналоговые и цифровые. Аналоговые интегральные микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. Областью их применения являются, прежде всего, устройства аппаратуры телевидения и связи, а также измерительные приборы и системы контроля. Цифровые интегральные схемы предназначены для обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной, как правило, двоичной функции. Они применяются для построения цифровых вычислительных машин, цифровых узлов измерительных приборов, систем автоматического управления и т.д. В настоящее время наблюдается тенденция все более широкого и успешного проникновения цифровых методов (следовательно, и микросхем) в традиционно аналоговые области. Примером могут служить цифровые методы обработки и записи звука, позволившие получить недостижимое ранее качество.

По структуре и базовой технологии изготовления микросхемы подразделяются на два принципиально разных типа: полупроводниковые и пленочные. Своеобразное смешение этих двух технологий позволяет производить гибридные, а также совмещенные интегральные схемы.

Основу современной микроэлектроники составляют полупроводниковые ИС, элементы которой выполнены в тонком (1… 10 мкм) приповерхностном слое полупроводниковой подложки, роль которой выполняет монокристалл кремния толщиной 200… 300 мкм. В зависимости от степени интеграции площадь подложки может варьироваться в весьма широких пределах: от нескольких единиц до 600…700 .».

Элементы пленочной микросхемы выполнены в виде разного рода проводящих и непроводящих пленок, нанесенных на диэлектрическую (обычно стеклянную либо керамическую) подложку. Чисто пленочные ИС содержат только пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, иногда элементы индуктивности), так как пленочная технология не позволяет получать на подложке активные элементы (транзисторы), поэтому применение пленочных ИС ограничено.

Гибридная ИС представляет собой пленочную микросхему, на которой после ее изготовления размещают в виде навесных элементов специально изготовленные безкорпусные диоды и транзисторы.

Основой совмещенной микросхемы служит полупроводниковая ИС со сформированными активными элементами, на которую после изоляции поверхности нанесены пассивные пленочные элементы.

Внутри каждого типа ИС существует своя классификация, обусловленная как физическими принципами работы, так и технологическими особенностями производства.

4 Основные положения и принципы микроэлектроники

Особенностью микроэлектронных устройств является высочайшая степень сложности выполняемых ими функций. Для решения сложных задач создаются схемы, в которых число компонентов может доходить до 107… 108. Очевидно, что при таком числе элементов обеспечить правильность связей между ними и надежность функционирования вручную невозможно. Отсюда следует ключевое требование максимальной автоматизации производства изделий микроэлектронной техники.

Принципиально важным моментом является то, что при изготовлении микросхем используется групповой метод производства. Суть его заключается в том, что на одной пластине полупроводникового материала одновременно изготавливается большое число интегральных схем. Кроме того, если позволяет технологический процесс, одновременно в работе находится несколько десятков таких пластин. По завершении основного технологического цикла пластина режется на кристаллы, каждый из которых представляет собой отдельную микросхему. На заключительной стадии осуществляют корпусирование - помещение кристалла в корпус и соединение контактных площадок с выводами (ножками) интегральной схемы.

Групповой метод производства и необходимость выполнения большого числа электрических соединений делают оптимальной и безальтернативной планарную (от англ. plane - плоскость) технологию изготовления микросхем. При этом все элементы и их составляющие, а также необходимые соединения формируются в интегральной схеме через плоскость.

В основе развития микроэлектроники лежит непрерывное усложнение функций, выполняемых электронной аппаратурой, и расширение круга решаемых с помощью этой аппаратуры задач. Это приводит к тому, что на определенном этапе становится невозможным решение новых задач на основе старой элементной базы. В результате труда ученых, инженеров и технологов «появляются на свет» все новые и новые электронные приборы, обладающие более высокими характеристиками по отношению к своим предшественникам. При этом факторами, лежащими в основе смены элементной базы электронных узлов и устройств, являются надежность, стоимость и мощность, а также габаритные размеры и масса.

Факторы, определяющие развитие микроэлектроники, можно разделить на три равнозначных аспекта: физический, технологический и схемотехнический. Остановка в развитии любого из этих аспектов неминуемо тормозит прогресс в области микроэлектроники в целом.

2. Основные направления развития электроники

Электроника - это наука, изучающая явления взаимодействия электронов и других заряженных частиц с электрическими, магнитными и электромагнитными полями, что является физической основой работы электронных приборов и устройств (вакуумных, газозарядных полупроводниковых и других), используемых для передачи, обработки и хранения информации.

Охватывая широкий круг научно-технических и производственных проблем, электроника опирается на достижения в различных областях знаний. При этом, с одной стороны, электроника ставит перед другими науками и производством новые задачи, стимулируя их дальнейшее развитие, и с другой - снабжает их качественно новыми техническими средствами и методами исследований.

Основными направлениями развития электроники являются: вакуумная, твердотельная и квантовая электроника.

Вакуумная электроника - это раздел электроники, включающий исследования взаимодействия потоков свободных электронов с электрическими и магнитными полями в вакууме, а также методы создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется. К важнейшим направлениям исследования в области вакуумной электроники относятся: электронная эмиссия (в частности, термо- и фотоэлектронная эмиссия); формирование потока электронов и / или ионов и управления этими потоками; формирование электромагнитных полей с помощью устройств ввода и вывода энергии; физика и техника высокого вакуума и др.

Основные направления развития вакуумной электроники связаны с созданием электровакуумных приборов следующих видов: электронных ламп (диодов, триодов, тетродов и т.д.); электровакуумных приборов сверхвысокой частоты (например, магнетронов, клистронов, ламп бегущей и обратной волны); электроннолучевых и фотоэлектронных приборов (например, кинескопов, видиконов, электронно-оптических преобразователей, фотоэлектронных умножителей); газоразрядных приборов (например, тиратронов, газозарядных индикаторов).

Твердотельная электроника решает задачи, связанные с изучением свойств твердотельных материалов (полупроводниковых, диэлектрических, магнитных и др.), влиянием на эти свойства примесей и особенностей структуры материала; изучением свойств поверхностей и границ раздела между слоями различных материалов; созданием в кристалле различными методами областей с различными типами проводимости; созданием гетеропереходов и монокристаллических структур; созданием функциональных устройств микронных и субмикронных размеров, а также способов измерения их параметров.

Основными направлениями твердотельной электроники являются: полупроводниковая электроника, связанная с разработкой различных видов полупроводниковых приборов, и микроэлектроника, связанная с разработкой интегральных схем.

Квантовая электроника охватывает широкий круг вопросов, связанных с разработкой методов и средств усиления и генерации электромагнитных колебаний на основе эффекта вынужденного излучения атомов и молекул. Основные направления квантовой электроники: создание оптических квантовых генераторов (лазеров), квантовых усилителей, молекулярных генераторов и др. Особенности приборов квантовой электроники следующие: высокая стабильность частоты колебаний, низкий уровень собственных шумов, большая мощность в импульсе излучения - которые позволяют использовать их для создания высокоточных дальномеров, квантовых стандартов частоты, квантовых гироскопов, систем оптической многоканальной связи, дальней космической связи, медицинской аппаратуры, лазерной звукозаписи и воспроизведения и др. Созданы даже миниатюрные лазерные указки для минимального сопровождения.

1 Перспективы развития микроэлектроники

Основные усилия разработчиков ИМС направлены на усовершенствование уже сложившихся принципов создания ИМС, на улучшение их электрических и эксплуатационных характеристик. Работы ведутся, главным образом, в направлении повышения быстродействия схем (уменьшения энергии, расходуемой внешним источником на одно переключение логического устройства) и их степени интеграции. Решение этих проблем связывают с усовершенствованием технологии получения микроэлектронных структур минимально возможных размеров .

Дальнейшее развития микроэлектроники связано с принципиально новым подходом, позволяющим реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов, используя различные физические эффекты в твердом теле. Такое направление получило название "функциональная микроэлектроника". Используются оптические явления (оптоэлектроника), взаимодействие электронов с акустическими волнами в твердом теле (акустоэлектроника), эффекты в новых магнитных материалах (магнетоэлектроника), электрические неоднородности в однородных полупроводниках, явление холодной эмиссии в пленочных структурах, явления живой природы на молекулярном уровне (бионика, биоэлектроника, нейристорная электроника) .

Микроэлектроника стремительно меняет нашу повседневную жизнь. Еще 10-15 лет назад было сложно представить появление многих современных цифровых устройств. Среди неспециалистов мало кто понимал перспективы и скорость развития технологических новинок. Сегодня цифровые камеры заменили пленочные, IP-телефония - проводную связь, навигаторы - дорожные карты, а на смену бумажным письмам и книгам пришли электронные. Все это стало возможным благодаря развитию микроэлектроники и падению цен на чипы.

Прогресс, достигнутый сегодня в полупроводниковой промышленности, позволяет осваивать все новые и новые области применения. Думаю, еще лет через десять у каждого вместо персональных компьютеров появятся персональные роботы-помощники, которые возьмут на себя большинство рутинных функций, а через 20 лет будет создана виртуальная реальность и человек сможет уходить в трехмерное пространство.

Вообще, с точки зрения техпроцессов, микроэлектроника - это вершина высоких технологий. Микроэлектронные предприятия устроены крайне сложно, и сегодня ни одна фирма в одиночку не способна поднять и решить весь пласт проблем, который встает перед современной микроэлектроникой. Поэтому вокруг производства формируется целый кластер научно-производственных компаний, R&D-центров, лабораторий. В него входят компании, занимающиеся разработкой, синтезом и производством новых материалов, производители высокотехнологичного оборудования, компании-специалисты в области дизайна чипов и высококвалифицированные аналитики, специалисты по исследованию состава и структуры вещества. То есть микроэлектронный кластер - это сотни высокотехнологичных компаний самого разного профиля.

В последние годы микроэлектроника в России развивается довольно успешно. Наше направление включено в программу исследований в проекте "Сколково", информатика названа одной из приоритетных областей высоких технологий в России

Сейчас формирование микроэлектронного кластера ведется в Зеленограде фактически заново. Зеленоград - колыбель высоких технологий. Но в трудный переходный этап после распада страны многое здесь было упущено. Сейчас то, что мы по привычке называем микроэлектроникой, по сути, является уже наноэлектроникой. Лишь благодаря крупным инвестициям с использованием инструментов частно-государственного партнерства и целенаправленной работе по модернизации за последние 5 лет "Микрону" удалось сократить технологическое отставание от переднего края мировой микроэлектроники до 2-3 технологических поколений, сейчас реализовывается проект по запуску производства уровня 90 нанометров.

В мире есть микросхемы и меньших размеров - до 32 нанометров, они используются для производства мощных микропроцессоров и ячеек памяти. Но именно топологический уровень в 90 нм наиболее востребован в автомобильной и промышленной электронике, электронных документах, банковских и смарт-картах. Наряду с топологией 65 нм это - самая используемая технологическая норма в мире.

С переносом технологии производства чипов с топологическими нормами 180-90 нм в Зеленограде началось формирование экосистемы современного микроэлектронного кластера. Сейчас мы работаем над тем, чтобы привлечь к сотрудничеству по разным направлениям как можно больше партнеров здесь, в России. По статистике, создание одного рабочего места на микроэлектронной фабрике ведет к появлению 10-12 новых рабочих мест для квалифицированных специалистов в смежных отраслях. Например, аналитические пробы, которые делались в Германии, перенесены в лабораторию МИЭТ, французский производитель AirLiquide строит газогенерирующую станцию в Зеленограде.

Мы развиваем связи с дизайнерскими центрами в России и за рубежом, в перспективе планируем заказывать в России фотошаблоны для литографии (это ключевой этап микроэлектронного производства). Восстанавливаются связи и с наукой - академические институты берут на себя те или иные исследования, работы по новым материалам и моделям. В частности, мы работаем с Физико-технологическим институтом Российской академии наук, с Институтом физики полупроводников Сибирского отделения РАН, сейчас подключаем другие институты, так как сфера большая, широкая. Развитие микроэлектроники позволяет с оптимизмом смотреть в будущее российских высоких технологий. Глобальная проблема сегодня - отсутствие внутреннего спроса на продукцию отрасли. Бизнес есть бизнес, и без окупаемости проектов требующая постоянных крупных финансовых вливаний полупроводниковая отрасль не может развиваться.

Пример других стран, история развития микроэлектроники в таких регионах, как Китай, Южная Корея, Германия, Франция - а сегодня это ведущие мировые производители полупроводников, - показывает, что в первую очередь спрос на продукцию микроэлектроники формирует само государство. В том числе и с помощью введения различных стандартов. Например, государство может обязать производителей размещать гарантирующие защиту от подделок чипы на всех фармацевтических препаратах, алкогольной продукции, почтовых отправлениях. Сейчас на государственном уровне идет процесс перехода к электронным паспортно-визовым документам, информатизации, вводятся универсальная электронная карта, электронное правительство. Все эти новшества основаны на чипах, которые хранят зашифрованную информацию и обеспечивают национальную безопасность. Ведь чип, произведенный зарубежным партнером и включающий компоненты от массы разных поставщиков, в конечном счете не может гарантировать полную защиту от несанкционированного доступа и полную безопасность ключей. Поэтому в силах правительства регламентировать использование отечественных микросхем при реализации инновационных проектов.

Истории успеха микроэлектронной отрасли в Юго-Восточной Азии и Европе основаны на значительной глобальной поддержке со стороны национальных правительств, связанной с таможенным, тарифным регулированием, гарантийным обслуживанием. Микроэлектроника формирует активы, которые остаются в стране и являются ее интеллектуальным богатством.

микроэлектроника вычислительный техника пленка

2.2 Новая быстро развивающаяся технология

Микроэлектроника занимает одно из самых важных мест в экономике развитых стран мира. Уровень промышленной и бытовой продукции определяется качеством технологий микроэлектроники. Каждый вложенный в микроэлектронику доллар при грамотной и дальновидной политике приносит до 100 долларов прибыли и создает в три раза больше рабочих мест, чем другие области промышленности.

Во многих странах мира развитие отечественной электронной промышленности рассматривается в качестве наиболее эффективного способа подъема всей промышленности и вхождения в мировой рынок. Развитие микроэлектроники происходит с ускорением во времени, с нарастанием сложности интегральных схем и электронных систем и имеет глобальный характер - в том смысле, что влияет на все сферы деятельности человека и общества. Современные информационные системы на 70% своей стоимости базируются на изделиях микроэлектроники, в частности, средства связи - на 60%. Стоимость такого изделия как гражданский самолет на 50% состоит из стоимости электронного оснащения, а военный - на 70%.

В военной сфере высокоточные системы электронного наведения и средства доставки с воздуха принципиально изменили стратегию и тактику военных действий, что ярко продемонстрировано в войнах последнего десятилетия. Противостоять агрессору в таких условиях могут лишь считанные страны, обладающие столь же совершенным оружием, основой которого являются электронные системы .

Для обеспечения безопасности эти системы вооружений должны базироваться на электронной компонентной базе отечественной разработки, т. к. информационная безопасность предполагает, что любая часть военной техники должна быть полностью независимой от зарубежных комплектующих. Но что же мы имеем в реальности? В течение последних двадцати лет развитие микроэлектроники в РФ было фактически остановлено. В итоге доля импортных микроэлектронных компонентов, используемых в России, выросла до 90, а в ряде сфер - и до 100 процентов. В частности, в новейших разработках военной техники применяется до 70 процентов импортных интегральных схем. Российские центры проектирования систем на кристалле разрабатывают устройства с помощью современных технологий и с особой высокой специальной стойкостью, которая необходима для систем вооружения, но при этом заказывают эти устройства на зарубежных фабриках, так как у нас просто нет фабрик с такими технологическими циклами. Между тем обороноспособность страны в современном мире как раз и определяется тем, какой электроникой она обладает.

Электронная промышленность - один из самых прибыльных секторов экономики. По расчётам аналитиков, среднемировой срок окупаемости инвестиций в микроэлектронику не превышает 2-3 лет. Один килограмм изделий микроэлектроники стоит столько же, сколько стоят 100 и более тонн нефти. Благодаря этому годовые продажи только одного производителя мобильных телефонов - фирмы Nokia - вполне сопоставимы по стоимости с годовым объёмом экспорта российской нефти. Вот почему за место на электронном рынке отчаянно сражаются все сколько-нибудь развитые страны.

Не располагая ни сырьём, ни собственными энергетическими ресурсами, ни даже кадрами, Южная Корея сумела за каких-нибудь 30 - 40 лет создать развитое производство и превратилась в ведущую промышленную и электронную державу мира. Между тем ещё в 60-х её население едва научилось читать и писать, а самым совершенным продуктом, который производило корейское машиностроение, был велосипед. Ещё более фантастичен рывок Сингапура. Некогда колониальный порт с территорией, существенно уступающей территории Москвы и с населением в 4,2 миллиона человек, в тех же 60-х годах зарабатывавший на реэкспорте чужих товаров, он к концу тысячелетия стал мировым инновационным центром. При этом по объёму экспорта Сингапур в 2000 году превзошёл и Бразилию, и Австралию, и Россию с её нефтью, газом и сталью.

Да и стоит ли удивляться, если доля России на мировом рынке высокотехнологичной продукции не превышает 0,3 процента. Понятно, что здесь её никто не ждёт. Конкуренты расталкивают друг друга локтями. Да и даже не это главное. Главное, что и предложить-то нам нечего. И именно поэтому в структуре нашего экспорта нет ни изделий электронной промышленности, ни программных продуктов, ни медицинской аппаратуры, ни аудио- и видеотехники. И если страна ещё присутствует в каких-то сегментах рынка, то только благодаря передовым разработкам советских времен. Но и они стремительно устаревают .

В настоящий момент по сравнению с рядом развитых стран достижения отечественной микроэлектроники ничтожно малы. Для того чтобы нам приблизиться к уровню ЕС, необходимо сделать огромное количество капиталовложений. Такие страны как Германия, Франция, Англия и др. сделали огромный рывок в области микроэлектроники, чего нельзя уж никак сказать про Российскую Федерацию. Московские начальники заявляют, что вот-вот и российская электронная промышленность станет независимой от зарубежных комплектующих, и что они будут производить устройства по топологическими нормам 0,18 мкм, 0,13 мкм, 0,09 мкм и т. д. При этом подразумевается максимум две фабрики, когда как страны, обладающие передовыми технологиями имеют значительно больше технологических линий. Но на данный момент можно с уверенностью сказать, что и эти фабрики не работают в полную меру, и что российским центрам проектирования приходится заказывать устройства у зарубежных фабрик, так как реализация устройств по глубоко субмикронной технологии на территории РФ невозможна.

Создание российского военного и гражданского производства в области микроэлектроники жизненно необходимо и возможно, но только при мощной государственной финансовой и организационной поддержке и гарантированных объемах сбыта. Быстроразвивающиеся страны могут воспользоваться широкими возможностями новых технологий, чтобы совершенствовать систему образования, выходить на региональные рынки и успешно конкурировать на мировом уровне.

Новому, "технологическому поколению" нужны навыки, технологии и сети для продуктивной работы и отдыха. Они активно пользуются средствами групповой работы и развлекательными приложениями, такими как Facebook.

Заключение

Исходя из изложенного, следует сделать вывод, что развитие микроэлектроники в России необходимо и возможно, но возможно только при государственной финансовой и организационной поддержке и гарантированным объемам рынков сбыта.

Необходимо отметить, что при этом оказываются взаимосвязанными две задачи. Развитие микроэлектроники требует обеспечения государственных гарантий и поддержки для разработки и выпуска микросхемы для электронных документов, информационных систем органов государственной власти, навигационной аппаратуры, промышленной электроники, военной и специальной техники. В то же время, для обеспечения информационной безопасности всех указанных электронных систем следует использовать только отечественные микросхемы и, следовательно, необходимо развивать микроэлектронное производство в России.

Вот почему обеспечение решения этих сложных государственных задач требует создания и развития прочного технологического и производственного базиса выпуска отечественной современной электронной компонентной базы, технический уровень которой определяет возможности государства решать задачи технологической, информационной и экономической безопасности.

К сожалению, Россия своевременно не включилась в мировую систему развития микроэлектроники, а технологический кризис 90-х годов, когда практически была прервана система государственной поддержки электронной промышленности, негативным образом сказался на уровне развития производства электронной техники.

Микроэлектроника стремительно меняет нашу повседневную жизнь. Так как еще 10-15 лет назад было сложно представить появление многих современных цифровых устройств. Среди неспециалистов мало кто понимал перспективы и скорость развития технологических новинок. Сегодня цифровые камеры заменили пленочные, IP-телефония - проводную связь, навигаторы - дорожные карты, а на смену бумажным письмам и книгам пришли электронные. Все это стало возможным благодаря развитию микроэлектроники.

Более того, в процессе развития микроэлектроники было разработано немало специфических элементов, которые не только не имеют аналогов в обычной транзисторной схемотехнике, но и не могут быть даже смоделированы на дискретных компонентах.

Главные задачи технологии микроэлектроники следующие: создание в минимальном объеме (твердого тела или на его поверхности) максимального количества строго определенных областей с заданными геометрией, составом, структурой, а следовательно, и свойствами, способных выполнять определенные функции элементов или эквивалентов элементов электронных схем при высокой стабильности преобразуемой информации, малом расходе энергии и высокой надежности многократного повторения всех возложенных на данную ИС задач. При этом обращают внимание на повышение рентабельности при снижении расхода материалов, на простоту и комплексность технологического производства, максимум выхода годных изделий при минимальном применении ручного труда. Только максимальная автоматизация может обеспечить дальнейшее развитие микроэлектроники. В настоящее время технология микроэлектроники прошла уже основные стадии своего развития и становления, а если учесть, что широкое производство ИС и дискретных приборов с использованием приемов и технологических процессов микроэлектроники перешагнуло рубеж 10-12 млрд. шт. в год, то становится ясным, что мы имеем дело с наиболее массовым современным производством весьма сложной продукции. При этом темпы развития микроэлектроники находятся вне конкуренции с любыми другими отраслями современной промышленности. Это потребует использования новых материалов и их композиций, а также новых технологических процессов и их сочетаний. Уже в настоящее время их многообразие вне конкуренции с любой другой отраслью техники, поэтому особенно важным является систематизация и классификация процессов с использованием различных принципов, имеющих физико-химическую основу.

Все это позволяет сделать вывод о том, что микроэлектроника как очередной исторический этап развития электроники характеризуется органическим единством физических, конструктивно-технологических схемотехнических аспектов.

Список используемой литературы

1. Аваев Н.А., Шишкин Г.Г. Электронные приборы: Учебник для вузов/ Под ред. проф. Г.Г.Шишкина. - М.: Изд-во МАИ, 2006 г.

Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника: Учебное пособие. - Ростов-н/Д.: Изд-во «Феникс», 2005.

Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учебное пособие для вузов. - М: Лаборатория Базовых Знаний, 2001 г.

Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника: Учебное пособие для вузов/ Ю.А.Бобровский, С.А.Корнилов, И.А.Кратиров и др.; Под ред. проф. Н.Д.Федорова. - М.: Радио и связь, 2008 г.

Алексенко А.Г. Основы микросхемотехники. - М.: ЮНИМЕДИАСТАЙЛ, 2007 г. 6. Жеребцов И. П. Основы электроники - Л.: Энергоатомиздат, 1990 г.

Аваев Н.А., Наумов Ю.Е., Фролкин В.Т. Основы микроэлектроники. - М.: Радио и связь, 1991г. - 288 с.

Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника. Физические и технологические основы, надежность. - М.: Высшая школа, 2006. - 464 с.

Ефимов И.Е., Горбунов Ю.И., Козырь И.Я. Микроэлектроника. Проектирование, виды микросхем, функциональная электроника. - М.: Высшая школа, 2007. - 416 с.

Микроэлектроника. Новая быстро развивающаяся технология

2.1 Перспективы развития микроэлектроники

Основные усилия разработчиков ИМС направлены на усовершенствование уже сложившихся принципов создания ИМС, на улучшение их электрических и эксплуатационных характеристик. Работы ведутся, главным образом, в направлении повышения быстродействия схем (уменьшения энергии, расходуемой внешним источником на одно переключение логического устройства) и их степени интеграции. Решение этих проблем связывают с усовершенствованием технологии получения микроэлектронных структур минимально возможных размеров .

Дальнейшее развития микроэлектроники связано с принципиально новым подходом, позволяющим реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов, используя различные физические эффекты в твердом теле. Такое направление получило название "функциональная микроэлектроника". Используются оптические явления (оптоэлектроника), взаимодействие электронов с акустическими волнами в твердом теле (акустоэлектроника), эффекты в новых магнитных материалах (магнетоэлектроника), электрические неоднородности в однородных полупроводниках, явление холодной эмиссии в пленочных структурах, явления живой природы на молекулярном уровне (бионика, биоэлектроника, нейристорная электроника) .

Микроэлектроника стремительно меняет нашу повседневную жизнь. Еще 10-15 лет назад было сложно представить появление многих современных цифровых устройств. Среди неспециалистов мало кто понимал перспективы и скорость развития технологических новинок. Сегодня цифровые камеры заменили пленочные, IP-телефония - проводную связь, навигаторы - дорожные карты, а на смену бумажным письмам и книгам пришли электронные. Все это стало возможным благодаря развитию микроэлектроники и падению цен на чипы.

Прогресс, достигнутый сегодня в полупроводниковой промышленности, позволяет осваивать все новые и новые области применения. Думаю, еще лет через десять у каждого вместо персональных компьютеров появятся персональные роботы-помощники, которые возьмут на себя большинство рутинных функций, а через 20 лет будет создана виртуальная реальность и человек сможет уходить в трехмерное пространство.

Вообще, с точки зрения техпроцессов, микроэлектроника - это вершина высоких технологий. Микроэлектронные предприятия устроены крайне сложно, и сегодня ни одна фирма в одиночку не способна поднять и решить весь пласт проблем, который встает перед современной микроэлектроникой. Поэтому вокруг производства формируется целый кластер научно-производственных компаний, R&D-центров, лабораторий. В него входят компании, занимающиеся разработкой, синтезом и производством новых материалов, производители высокотехнологичного оборудования, компании-специалисты в области дизайна чипов и высококвалифицированные аналитики, специалисты по исследованию состава и структуры вещества. То есть микроэлектронный кластер - это сотни высокотехнологичных компаний самого разного профиля.

В последние годы микроэлектроника в России развивается довольно успешно. Наше направление включено в программу исследований в проекте "Сколково", информатика названа одной из приоритетных областей высоких технологий в России

Сейчас формирование микроэлектронного кластера ведется в Зеленограде фактически заново. Зеленоград - колыбель высоких технологий. Но в трудный переходный этап после распада страны многое здесь было упущено. Сейчас то, что мы по привычке называем микроэлектроникой, по сути, является уже наноэлектроникой. Лишь благодаря крупным инвестициям с использованием инструментов частно-государственного партнерства и целенаправленной работе по модернизации за последние 5 лет "Микрону" удалось сократить технологическое отставание от переднего края мировой микроэлектроники до 2-3 технологических поколений, сейчас реализовывается проект по запуску производства уровня 90 нанометров.

В мире есть микросхемы и меньших размеров - до 32 нанометров, они используются для производства мощных микропроцессоров и ячеек памяти. Но именно топологический уровень в 90 нм наиболее востребован в автомобильной и промышленной электронике, электронных документах, банковских и смарт-картах. Наряду с топологией 65 нм это - самая используемая технологическая норма в мире.

С переносом технологии производства чипов с топологическими нормами 180-90 нм в Зеленограде началось формирование экосистемы современного микроэлектронного кластера. Сейчас мы работаем над тем, чтобы привлечь к сотрудничеству по разным направлениям как можно больше партнеров здесь, в России. По статистике, создание одного рабочего места на микроэлектронной фабрике ведет к появлению 10-12 новых рабочих мест для квалифицированных специалистов в смежных отраслях. Например, аналитические пробы, которые делались в Германии, перенесены в лабораторию МИЭТ, французский производитель AirLiquide строит газогенерирующую станцию в Зеленограде.

Мы развиваем связи с дизайнерскими центрами в России и за рубежом, в перспективе планируем заказывать в России фотошаблоны для литографии (это ключевой этап микроэлектронного производства). Восстанавливаются связи и с наукой - академические институты берут на себя те или иные исследования, работы по новым материалам и моделям. В частности, мы работаем с Физико-технологическим институтом Российской академии наук, с Институтом физики полупроводников Сибирского отделения РАН, сейчас подключаем другие институты, так как сфера большая, широкая. Развитие микроэлектроники позволяет с оптимизмом смотреть в будущее российских высоких технологий. Глобальная проблема сегодня - отсутствие внутреннего спроса на продукцию отрасли. Бизнес есть бизнес, и без окупаемости проектов требующая постоянных крупных финансовых вливаний полупроводниковая отрасль не может развиваться.

Пример других стран, история развития микроэлектроники в таких регионах, как Китай, Южная Корея, Германия, Франция - а сегодня это ведущие мировые производители полупроводников, - показывает, что в первую очередь спрос на продукцию микроэлектроники формирует само государство. В том числе и с помощью введения различных стандартов. Например, государство может обязать производителей размещать гарантирующие защиту от подделок чипы на всех фармацевтических препаратах, алкогольной продукции, почтовых отправлениях. Сейчас на государственном уровне идет процесс перехода к электронным паспортно-визовым документам, информатизации, вводятся универсальная электронная карта, электронное правительство. Все эти новшества основаны на чипах, которые хранят зашифрованную информацию и обеспечивают национальную безопасность. Ведь чип, произведенный зарубежным партнером и включающий компоненты от массы разных поставщиков, в конечном счете не может гарантировать полную защиту от несанкционированного доступа и полную безопасность ключей. Поэтому в силах правительства регламентировать использование отечественных микросхем при реализации инновационных проектов.

Истории успеха микроэлектронной отрасли в Юго-Восточной Азии и Европе основаны на значительной глобальной поддержке со стороны национальных правительств, связанной с таможенным, тарифным регулированием, гарантийным обслуживанием. Микроэлектроника формирует активы, которые остаются в стране и являются ее интеллектуальным богатством.

микроэлектроника вычислительный техника пленка

Анализ развития робототехники

Информационные технологии и электроника

В настоящее время радиоэлектроника и информационные технологии продолжают активно развиваться. Проводятся исследования биологической обратной связи или управления электроникой с помощью мысли...

Исследование принципов построения и путей совершенствования радионавигационных систем

Изучение СРНС (типа NAVSTAR и ГЛОНАСС) приводит к выводу, что ее использование в целях навигации особенно эффективно. Основной причиной этого является применение в этой системе концепций, которые находятся на переднем крае развития науки и техники...

Микроэлектроника является продолжением развития полупроводниковой электроники, начало которой было положено 7 мая 1895 года, когда полупроводниковые свойства твердого тела были использованы А.С.Поповым для регистрации электромагнитных волн...

Микроэлектроника. Новая быстро развивающаяся технология

Основной тенденцией развития микроэлектроники является повышение степени интеграции микросхем. Согласно знаменитому прогнозу, сделанному в 1965 г. и известному с тех пор как закон Мура...

Морские спутниковые системы, используемые в ГМССБ и радионавигации. Их роль в обеспечении безопасности морского судоходства

В настоящее время на базе системы ГЛОНАСС предполагается создание Единой глобальной системы координатно-временного обеспечение (ЕС КВО). Кроме спутниковой системы...

Основные материалы микроэлектроники, применяемые в процессе ее развития

Современная технология микроэлектроники основана на двух принципах: последовательном формировании тонких слоёв или плёнок при определённых режимах и создании топологических рисунков с помощью микролитографии...

Перспективы развития мобильных технологий в Украине

Обычно высокоскоростными подключениями к Интернету многие из нас пользуются в собственном доме, в офисе или даже в местном Интернет-кафе. Однако в пути эти подключения оказываются не доступными...

Перспективы развития телекоммуникационных систем в России

Стандартное российское телевидение уже давно устарело. Оно вещает в стандарте Secam и обеспечивает 25 кадров в секунду при черезстрочной развёртке изображения. Количество точек в этом формате составляет 720Ч576...

Полевые транзисторы и их применение

Светоизлучающий органический полевой транзистор . Изобретение относится к области оптики, в частности к электролюминесцирующим наноструктурам...

Прямоугольная фазированная антенная решетка с прямоугольной сеткой прямоугольных волноводов

К наиболее важным направлениям дальнейшего развития теории и техники ФАР относятся: 1) широкое внедрение в радиотехнические устройства ФАР с большим числом элементов, разработка элементов новых типов...

Разработка сети передачи данных Нуринского РУТ Карагандинской области на основе создания цифровых РРЛ

Оцифрованные магистрали, на базе которых строятся современные сети передачи информации, должны быть стандарта SDH (Synchronous Digital Hierarchy -это синхронная дискретная иерархия)...

Расчет измерительных преобразователей. Полупроводниковый диод

Ударно-ионизационный волновой пробой и генерация пикосекундных сверхширокополосных и сверхвысокочастотных импульсов в дрейфовых диодах на основе GaAs с резким восстановлением: Впервые экспериментально подтверждено...

Современные лазерные гироскопы

Сегодня созданы достаточно точные гироскопические системы, удовлетворяющие большой круг потребителей. Сокращение средств, выделяемых для военно-промышленного комплекса в бюджетах ведущих мировых стран...

Фотоэлектрический преобразователь

Высокая цена установок определяется высокой стоимостью солнечных модулей. При производстве монокристаллических кремниевых ФЭП затрачивается такое количество энергии и труда...