Перспективы развития микроэлектроники

    Содержание 

  

1. Интегральная  электроника……………………………….…………………..3
2. Переход к функциональной электронике…………………………………...4
3. Понятия о поверхностно-акустических волнах, цилиндрических магнитных доменах…………………………………………………………….……5
4. Перспективы развития микроэлектроники, наноэлектроника………..…..21
5. Литература………………………..………………………………………….23

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Интегральная  электроника 

    Интегральная  электроника на сегодняшний день является одной из наиболее бурно  развивающихся отраслей современной  промышленности. Одной из составных  частей данной науки является схемотехническая микроэлектроника. На каждом новом  этапе развития технологии производства интегральных микросхем (ИМС) создаются  принципиально новые методы изготовления структур ИМС, отражающие последние  достижения науки.

    В настоящее время наибольшее внимание в микроэлектронике уделяется созданию СБИС – сверхбольших интегральных схем – интегральных структур с  очень большой степенью интеграции элементов, что позволяет не только значительно уменьшить площадь  подложки ИМС, а следовательно, габаритные размеры и потребляемую мощность, но также и значительно расширить перечень функций, которые данная СБИС способна выполнять. В частности, использование СБИС в вычислительной технике позволило создание высокопроизводительных микропроцессоров электронно-вычислительных машин, а также встраиваемых однокристальных микроконтроллеров, объединяющих на одном кристалле несколько взаимосвязанных узлов вычислительного комплекса.

    Переход к использованию СБИС сопряжен со значительным увеличением числа  элементов ИМС на одной подложке, а также с существенным уменьшением  геометрических размеров элементов  ИМС. В настоящее время технология позволяет изготовление отдельных  элементов ИМС с геометрическими  размерами порядка 0,15-0,18 мкм.

    Быстрое развитие микроэлектроники как одной  из самых обширных областей промышленности обусловлено следующими факторами:

    1) Надежность - комплексное свойство, которое в зависимости от назначения изделия и условий его эксплуатации может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость в отдельности или определенное сочетание этих свойств как изделий в целом так и его частей. Надежность работы ИМС обусловлена монолитностью их структуры, а также защищенностью интегральных структур от внешних воздействий с помощью герметичных корпусов, в которых, как правило, выпускаются серийные ИМС.

    2) Снижение габаритов и массы.  Значительное уменьшение массы  и размеров конкретных радиоэлектронных  приборов без потери качества  работы также является одним  из решающих факторов при выборе  ИМС при разработке различных  приборов и узлов радиоэлектронной  аппаратуры 

Переход к функциональной электронике. 

    Развитие  микроэлектроники в последние годы тесно связано с использованием новых эффектов и явлений в  твердом теле. Традиционные области полупроводниковой электроники имеют свой предел, определяемый конструктивной сложностью, технологичностью изготовления, снижением надежности и т. д. Наиболее принципиальная и многообещающая область микроэлектроники — функциональная электроника.

    Функциональным  прибором является простая структура, способная выполнять функции всего устройства в целом. Для функциональной электроники характерно использование большого числа различных явлений. Помимо чисто электрических цепей, здесь используются оптические, акустические, магнитные и другие явления в твердых телах. Явления, связанные с механическими колебаниями упругой среды, обычно называют акустическими (или звуковыми). Основой акустоэлектроники является использование взаимодействия акустических и электрических сигналов. Практически все современные акустоэлектронные элементы — это приборы резонансного типа. Принцип действия их основан на использовании пьезоэлектрического эффекта (пьезоэффекта).

    Прямой  пьезоэффект проявляется в образовании зарядов на поверхности твердого тела под действием механических напряжений. Обратный пьезоэффект проявляется в изменении геометрических размеров тела под действием приложенного электрического напряжения. Эти эффекты очень ярко проявляются в кварцевом резонаторе.

    Кварцевый резонатор — это однородная пластина монокристалла кварца. Чаще всего  в кварцевом резонаторе возбуждаются продольные колебания (объемные акустические волны) по типу сжатие—растяжение. Основной электрический параметр кварцевых  резонаторов — резонансная частота, которая жестко фиксирована. Основной размер, определяющий частоту колебаний  кварцевого резонатора, — длина пластины. Кварцевые резонаторы обладают наибольшей стабильностью частоты.

    В теле однородной кварцевой пластины нельзя обнаружить области, соответствующие  индуктивности, емкости или сопротивлению. Тем не менее, кварцевая пластина выполняет функцию резонатора, т.е. заменяет несколько реактивных элементов  и резисторов. В ней возбуждаются резонансные механические колебания  за счет приложения переменного электрического поля и наоборот: при возбуждении колебаний механическим путем на обкладках резонатора появляется электрическое напряжение. 

Понятия о поверхностно акустических волнах, цилиндрических магнитных доменах. 

    Поверхностные акустические волны (ПАВ) - упругие волны, распространяющиеся вдоль свободной поверхности твёрдого тела или вдоль границы твёрдого тела с другими средами и затухающие при удалении от границ. ПАВ бывают двух типов: с вертикальной поляризацией, у которых вектор колебательного смещения частиц среды в волне расположен в плоскости, перпендикулярной к граничной поверхности (вертикальная плоскость), и с горизонтальной поляризацией, у которых вектор смещения частиц среды параллелен граничной поверхности и перпендикулярен направлению распространения волны.

    Простейшими и наиболее часто встречающимися на практике ПАВ с вертикальной поляризацией являются волны Рэлея, распространяющиеся вдоль границы твёрдого тела с вакуумом или достаточно разреженной газовой средой. Энергия их локализована в поверхностном слое толщиной от до где - длина волны. Частицы в волне движутся по эллипсам, большая полуось w которых перпендикулярна границе, а малая и - параллельна направлению распространения волны (рис., а). Фазовая скорость волн Рэлея c_k 0,9c_t, где c_t - фазовая скорость плоской поперечной волны.

    

    Схематическое изображение поверхностных волн различного типа (сплошной штриховкой обозначены твёрдые среды, прерывистой - жидкость; х - направление распространения волны; и, v и w - компоненты смещения частиц в данной среде; кривые изображают примерный ход изменения амплитуды смещений с удалением от границы раздела сред): а - волна Рэлея на свободной границе твёрдого тела; б - затухающая волна типа рэлеевской на границе твёрдое тело - жидкость (наклонные линии в жидкой среде изображают волновые фронты отходящей волны, толщина их пропорциональна амплитуде смещений); в - незатухающая поверхностная волна на границе твёрдое тело - жидкость; г - волна Стоунли на границе раздела двух твёрдых сред; д - волна Лява на границе твёрдое полупространство - твёрдый слой.

    Если  твёрдое тело граничит с жидкостью  и скорость звука в жидкости с_ж меньше скорости c_kв твёрдом теле (это справедливо почти для всех реальных сред), то на границе твёрдого тела и жидкости возможно распространение затухающей волны рэлеевского типа. Эта волна при распространении непрерывно излучает энергию в жидкость, образуя в ней отходящую от границы неоднородную волну (рис., б). Фазовая скорость данной ПАВ с точностью до процентов равна c_k , а коэффициент затухания на длине волны ~ 0,1, т. е. на пути волна затухает примерно в е раз. Распределение по глубине смещений и напряжений в такой волне в твёрдом теле подобно распределению в рэлеевской волне.

    Помимо  затухающей ПАВ, на границе жидкости и твёрдого тела всегда существует незатухающая ПАВ, бегущая вдоль  границы с фазовой скоростью, меньшей скорости с_ж волны в жидкости и скоростей продольных c_l и поперечных c_t волн в твёрдом теле. Эта ПАВ, являясь волной с вертикальной поляризацией, имеет совершенно другие структуру и скорость, чем рэлеевская волна. Она состоит из слабо неоднородной волны в жидкости, амплитуда которой медленно убывает при удалении от границы (рис., в), и двух сильно неоднородных волн в твёрдом теле (продольной и поперечной). Благодаря этому энергия волны и движение частиц локализованы в основном в жидкости, а не в твёрдом теле. В практике подобный тип волны используется редко. Если две твёрдые среды граничат между собой вдоль плоскости и их плотности и модули упругости не сильно различаются, то вдоль границы может распространяться ПАВ Стоунли (рис., г). Эта волна состоит как бы из двух рэлеевских волн (по одной в каждой среде). Вертикальная и горизонтальная компоненты смещений в каждой среде убывают при удалении от границы так, что энергия волны оказывается сосредоточенной в двух граничных слоях толщиной ~ Фазовая скорость волн Стоунли меньше значений с_l и с_tв обеих граничных средах.

    Волны с вертикальной поляризацией могут  распространяться на границе твёрдого полупространства с жидким или твёрдым  слоем или даже с системой таких  слоев. Если толщина слоев много меньше длины волны, то движение в полупространстве примерно такое же, как в рэлеевской волне, а фазовая скорость ПАВ близка к c_k . В общем случае движение может быть таким, что энергия волны будет перераспределяться между твёрдым полупространством и слоями, а фазовая скорость будет зависеть от частоты и толщины слоев.

    Кроме ПАВ с вертикальной поляризацией (в основном это волны рэлеевского типа) существуют волны с горизонтальной поляризацией (волны Лява), которые могут распространяться на границе твёрдого полупространства с твёрдым слоем (рис., д). Это волны чисто поперечные: в них имеется только одна компонента смещения v, а упругая деформация в волне представляет собой чистый сдвиг. Смещения в слое (индекс 1) и в полупространстве (индекс 2) описываются след. выражениями:

    

    

    где t - время, - круговая частота,

    

    k - волновое число волны Лява, c_t1 c_t2 - волновые числа поперечных волн в слое и полупространстве соответственно, h - толщина слоя, А - произвольная постоянная. Из выражений для v₁ и v₂ видно, что смещения в слое распределены по косинусу, а в полупространстве - экспоненциально убывают с глубиной. Глубина проникновения волны в полупространство меняется от долей до многих в зависимости от толщины слоя h, частоты и параметров сред. Само существование волны Лява как ПАВ связано с наличием слоя на полупространстве: при h 0 глубина проникновения волны в полупространство стремится к бесконечности и волна переходит в объёмную. Фазовая скорость с волн Лява заключена в пределах между фазовыми скоростями поперечных волн в слое и полупространстве c_tl < с < c_t2 и определяется из уравнения

    

    где - плотности слоя и полупространства соответственно, Из уравнения видно, что волны Лява распространяются с дисперсией: их фазовая скорость зависит от частоты. При малых толщинах слоя, когда т. е. фазовая скорость волны Лява стремится к фазовой скорости объёмной поперечной волны в полупространстве. При волны Лява существуют в виде неск. модификаций, каждая из которых соответствует нормальной волне определённого порядка.

    На  границах кристаллов могут существовать всё те же типы ПАВ, что и в изотропных твёрдых телах, только движение в  волнах усложняется. Вместе с тем  анизотропия твёрдого тела может  вносить некоторые качеств. изменения в структуру волн. Так, на некоторых плоскостях кристаллов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, волны типа волн Лява, подобно волнам Рэлея, могут существовать на свободной поверхности (без присутствия твёрдого слоя). Наряду с обычными волнами Рэлея в некоторых образцах кристаллов вдоль свободной границы может распространяться затухающая волна, излучающая энергию в глубь кристалла (вытекающая волна). Наконец, если кристалл обладает пьезоэффектом и в нём есть поток электронов (пьезополупроводниковый кристалл), то возможно взаимодействие поверхностных волн с электронами, приводящее к усилению этих волн.

    На  свободной поверхности жидкости упругие ПАВ существовать не могут, но на частотах УЗ-диапазона и ниже там могут возникать поверхностные волны, в некоторых определяющими являются не упругие силы, а поверхностное натяжение - это так называемые капиллярные волны

    Ультра- и гиперзвуковые ПАВ широко используются в технике для всестороннего  неразрушающего контроля поверхности  и поверхностного слоя образца, для создания микроэлектронных схем обработки электрических сигналов и т. д. Если поверхность твёрдого образца свободная, то применяются рэлеевские волны. В тех случаях, когда образец находится в контакте с жидкостью, с другим твёрдым образцом или твёрдым слоем, рэлеевские волны заменяются другим соответствующим типом ПАВ.

    Цилиндрические магнитные домены (ЦМД) - разновидность ферромагнитных доменов; изолированные однородно намагниченные области в магнитной плёнке (или в тонкой магнитной пластинке), имеющие форму круговых цилиндров и направление намагниченности, антипараллельное намагниченности остальной части плёнки. Для образования ЦМД необходимо наличие у магнитной плёнки достаточно большой магнитной анизотропии, причём ось лёгкого намагничивания (ОЛН) должна быть перпендикулярна поверхности плёнки. Материалы, в которых могут образовываться ЦМД, называются ЦМД-материалами. К ним относятся монокристаллические плёнки ферритов-гранатов, аморфные плёнки интерметаллических соединений редкоземельных и переходных металлов, ортоферриты, гексаферриты и др.