Первая микросхема в мире: Первая микросхема :) / Хабр |

Содержание

Первая микросхема 🙂 / Хабр

Очень рад в подробностях рассказать о своей первой интегральной схеме и поделиться перипетиями этого проекта, которым занимался на протяжении прошлого года. Надеюсь, мой успех вдохновит других и поможет начать революцию в производстве домашних микросхем. Когда я приступил к этому проекту, то понятия не имел, во что ввязался, но в итоге узнал больше, чем когда-либо думал, о физике, химии, оптике, электронике и многих других областях.

Кроме того, мои усилия сопровождались лишь самыми положительными отзывами и поддержкой со всего мира. Искренне благодарен всем, кто мне помогал, давал советы и вдохновлял на этот проект. Особенно моим удивительным родителям, которые не только всегда поддерживают и поощряют меня как только могут, но и предоставили рабочее место и смирились с затратами на электроэнергию… Спасибо!

Без дальнейших церемоний представляю первую интегральную схему (ИС), изготовленную литографическим способом в домашних (гаражных) условиях — PMOS-чип двойного дифференциального усилителя Z1.

Я говорю «изготовленную литографическим способом», потому что Джери Эллсуорт изготовила первые транзисторы и логические вентили (с соединениями, тщательно проложенными вручную проводящей эпоксидной смолой) и показала миру, что это возможно. Вдохновленный её работой, я представляю интегральные схемы, созданные масштабируемым, стандартным фотолитографическим процессом. Излишне говорить, что это логический шаг вперёд по сравнению с моим предыдущей работой, где я воспроизвёл полевой транзистор Джери.

Я разработал усилитель Z1, когда искал простой чип для тестирования и настройки своего процесса. Макет сделан в Magic VLSI для процесса PMOS с четырьмя масками (активная/легированная область, подзатворный оксид, контактное окно и верхний металлический слой). У PMOS есть преимущество перед NMOS, если учесть ионные примеси из-за изготовления в гараже. Маски разработаны с соотношением сторон 16:9 для упрощения проекции.

Макет Magic VLSI

Генерация маски

Активная область

Затвор

Контакт

Металл

Размер затвора приблизительно 175 мкм, хотя на чипе для проверки выполнены элементы размером до 2 мкм. Каждая секция усилителя (центральная и правая) содержит три транзистора (два для дифференциальной пары с общим резистором в эмиттерах и один в качестве источника тока/нагрузочного резистора), что означает в общей сложности шесть транзисторов на ИС. В левой части резисторы, конденсаторы, диоды и другие тестовые элементы, чтобы изучить характеристики техпроцесса. Каждый узел дифференциальных пар выходит отдельным штифтом на выводной рамке, поэтому его можно изучать, а при необходимости добавить внешнее смещение.

Процесс изготовления состоит из 66 отдельных шагов и занимает примерно 12 часов. Выход достигает 80% для больших элементов, но сильно зависит от количества выпитого кофе в конкретный день. Я также записал видео на YouTube о теории производства микросхем и отдельно об изготовлении МОП-транзисторов.

Кремниевые пластины 50 мм (2″) разбиваются на кристаллы 5,08×3,175 мм (площадь около 16 мм²) волоконным лазером Epilog. Такой размер кристалла выбран, чтобы он помещался в 24-контактный DIP-корпус Kyocera.

Пластина N-типа 50 мм

Сначала с пластины снимается нативная окись быстрым погружением в разбавленный фтороводород с последующей интенсивной обработкой травильной смесью «пиранья» (смесь серной кислоты и перекиси водорода), смесью RCA 1 (вода, аммиак, перекись водорода), смесью RCA 2 (вода, соляная кислота, перекись водорода) и повторным погружением во фтороводород.

Защитный окисел термически выращивается в водяном паре окружающего воздуха (влажное оксидирование) до толщины 5000−8000 Å.

Влажное термическое оксидирование

Трубчатая печь

Оксидированная пластина

Оксидированная пластина готова к формированию рисунка на активной/легированной (Р-типа) области. Фоторезист AZ4210 наносится на вращающуюся примерно на 3000 оборотах в минуту подолжку, формируя плёнку толщиной около 3,5 мкм, которая аккуратно подсушивается при 90°С на электроплитке.

Процесс литографии детально

Маску активной зоны обрабатывает мой фотолитографический степпер Mark IV в ультрафиолете с шагом 365 нм — и структура отрабатывается в растворе гидроксида калия.

Структура резиста

30-минутная подсушка

Травление активной зоны

После этого структура резиста плотно затвердела и применяется несколько других трюков, чтобы обеспечить хорошее сцепление и химическую стойкость во время следующего вытравливания во фтороводороде, который переносит эту структуру на слой подзатворного оксида и открывает окна к голому кремнию для легирования. Эти регионы позже станут истоком и стоком транзистора.

Частицы замыкают затвор

Легированные кристаллы с вытравленными затворами

После этого производится легирование, то есть введение примесей из твёрдого или жидкого источника. В качестве твёрдого источника применяется диск нитрида бора, размещённый поблизости (менее 2 мм) от пластины в трубчатой печи. Как вариант, можно приготовить жидкостный источник из фосфорной или борной кислоты в воде или растворителе — и провести легирование по стандартному процессу преднанесения/погружения во фтороводород/диффундирования/удаления глазури.

Вышеупомянутые шаги формирования рисунка затем повторяются дважды для подзатворного оксида и контактного слоя. Подзатворный оксид должен быть гораздо тоньше (менее ~750 Å), чем защитный оксид, поэтому зоны между стоком/истоком вытравливаются — и там выращивается более тонкий оксид. Затем, поскольку вся пластина оксидировалась на шаге легирования, нужно вытравить контактные окна, чтобы установить контакт металлического слоя с легированными зонами истока/стока.

Теперь все транзисторы сформированы и готовы к межсоединениям с выходом на выводную рамку. Защитный слой алюминия (400−500 нм) распыляется или термически напыляется на пластину. Альтернативой был бы метод взрывной литографии (lift-off process), когда сначала формируется фоторезист, а затем осаждается металл.

Напылённый металл

Затем на слое металла формируется рисунок методом фотолитографии и происходит травление в горячей фосфорной кислоте, чтобы завершить изготовление интегральной схемы. Заключительные шаги перед тестированием — это визуальный осмотр и высокотемпературный отжиг алюминия для формирования омических переходов.

Микросхема теперь готова для упаковки и тестирования.

У меня нет установки микросварки (принимаю пожертвования!), поэтому сейчас процесс тестирования ограничен прощупыванием пластины острым пинцетом или использованием платы flip-chip (трудно выровнять) c подключением к характериографу. Дифференциальный усилитель также эмпирически тестируется в цепи для проверки работоспособности.

Кривая IV

Кривая FET Ids/Vds от с предыдущего устройства NMOS

Конечно, эти кривые далеки от идеальных (в том числе из-за излишнего сопротивления контактов и других подобных факторов), но я ожидаю улучшения характеристик, если раздобуду установку микросварки. Этим могут частично объясняться и некоторые отличия от кристалла к кристаллу. Скоро я добавлю на эту страницу новые кривые IV, характеристики транзистора и дифференциального усилителя.

Первая полупроводниковая интегральная микросхема Джека Килби

Первая полупроводниковая интегральная микросхема Джека Килби

: ra3dhl; September 12th, 2018

12 сентября 1958 года Джек С. Килби продемонстрировал первую рабочую интегральную схему на фирме Texas Instruments (США). Впервые электронные компоненты были интегрированы на одной подложке. Это устройство представляло собой генератор на крошечной пластине германия размером 11,1 мм на 1,6 мм. Сегодня интегральные схемы являются фундаментальными строительными блоками практически всего электронного оборудования.
За изобретение интегральной схемы Джек Килби был награжден Нобелевской премией по физике в 2000 году и Национальной Медалью в области науки в 1970 году, а в 1982 году он был включен в число почетных изобретателей Национального Зала Славы США.

Джек Килби с раскрытым лабораторным журналом, на страницах которого описание первой интегральной схемы, им созданной.

Это первая интегральная микросхема Джека Килби.

Патент под названием MINIATURIZED ELECTRONIC CIRCUITS Джек Килби подал несколько позже

Надеюсь моим читателям будет интересно узнать, как создавалась первая в СССР интегральная микросхема в начале 1960 годов в НИИ-35, ныне «Пульсар». Для этого я рекомендую прочитать статью Б. В. Малина – одного из первых российских специалистов в области микроэлектроники, разработчика и создателя первой серии отечественных интегральных схем, начальника отдела НИИ-35 (см. http://www.computer-museum.ru/technlgy/su_chip.htm)
Я же хочу рассказать о другом предприятии, созданном в Латвийской Советской Социалистической Республике в 1959 году.
В 1962 году в Ленинграде руководство НПО «Ленинец» обратилось с просьбой к руководству Рижского завода полупроводниковых приборов (РЗПП) создать интегральную микросхему для ЭВМ. Это обращение было не случайным. На Рижском заводе уже имелись серьезные достижения в полупроводниковом производстве, в частности в точной фотолитографии, которая является важнейшим элементом изготовления полупроводниковых изделий.
Директор РЗПП дал такое поручение молодому инженеру Юрию Валентиновичу Осокину. Перед рижанами стояла принципиально новая задача: реализовать на одном кристалле два транзистора и два резистора, исключив их паразитное взаимное влияние. В СССР никто ничего подобного не делал, а о работах Килби никакой информации в РЗПП тогда не было. Но специалисты РЗПП успешно преодолели все трудности, причем совершенно не так, как это сделали американцы. И уже осенью 1962 года были получены первые опытные образцы германиевой твердой, как тогда называли, схемы 2НЕ-ИЛИ, получившей заводское обозначение Р12–2. Она содержала два германиевых p-n-p-транзистора с общей нагрузкой в виде распределенного германиевого резистора р-типа. А к концу года завод выпустил первые пять тысяч микросхем. То есть начало серийного производства интегральных микросхем разделяло нас и американцев на небольшой срок.
Таким образом, начав разработку ИС позже Килби и не зная о его разработках, чему свидетельствует абсолютная непохожесть реализованных решений, Осокин быстро его догнал. Микросхемы Осокина тут же нашли практическое применение, «Ленинец» сделал на них первый в мире авиационный бортовой компьютер «Гном». Они применялись также в квазиэлектронных АТС и в другой гражданской аппаратуре. Выпускались они до распада СССР. Это подтверждается датой изготовления этих микросхем из Риги, которые имеются в моей коллекции.

Микросхемы долгожители из Риги

В СССР в 1963 году был создан Центр микроэлектроники в г. Зеленограде. В 1964 году там на заводе “Ангстрем” были разработаны первые интегральные схемы «Тропа» (серия 201), «Посол» (серия 217), выполненные по гибридно-пленочной технологии с использованием бескорпусных транзисторов. На заводе «Микрон» в Зеленограде в конце 60 г. была применена технология и начат выпуск первых монолитных интегральных микросхем. Вот паспорт на опытную партию первых микросхем из «Микрона» по теме «Логика-1»

А это сама микросхема, паспорт которой я привел

За ней последовала «Логика-2» (133 серия – аналог серии SN54 фирмы Texas Instruments). В частности, знаменитая микросхема М3300 или более известная, как 1ЛБ333, аналог SN5400, позже стала называться 133ЛА3 или в пластмассовом корпусе К155ЛА3 (SN7400) имела дальнейшее продолжение, как и ее американские аналоги в части усовершенствования этой серии по быстродействию в теме «Ярус» — 530ЛА3 (SN54S00), экономичности в теме «Исида КС» — 533ЛА3 (SN54LS00) и т.д. Как тут не вспомнить статью Малина Б.В., который писал: «Действовали концепции повторения и копирования американского технологического опыта – методы так называемой «обратной инженерии» МЭП. Образцы-прототипы и производственные образцы кремниевых интегральных схем для воспроизводства были получены из США, и их копирование было строго регламентировано приказами МЭП (министр Шокин). Концепция копирования жёстко контролировалась министром на протяжении более 19 лет, в течение которых автор работал в системе МЭП, вплоть до 1974 года…»
В 1973 году было положено начало разработки электронных часов на «Пульсаре» . Научный руководитель разработки д.т.н, проф. Докучаев Юрий Петрович. Внутренний вид первых советских КМОП электронных часов «Электроника-1» показан на фото.

В том же 1973 году На «Ангстреме» был освоен серийный выпуск первого советского КМОП калькулятора

В 1980 году заводом “Микрон” изготовлена 100 000 000 интегральная микросхема, а на заводе “Ангстрем” в 1985 году стал серийно выпускаться карманный 16 разрядный персональный компьютер «Электроника-85» с жидкокристаллическим дисплеем.

Короче, в середине 80 годов наблюдается пик в развитии советской радиоэлектроники. Об этом говорит уникальный полет и автоматическая посадка космического корабля «Буран», в бортовом компьютере «Бисер-4» которого использовались отечественные микропроцессоры. А в той же Риге освоен выпуск первых отечественных сигнальных процессоров по темам «Рина», «Райта» и «Розите».
А это фото уникальной электронной записной книжки, которая вручалась делегатам 27 съезда КПСС в феврале 1986г.

Что же было потом? С приходом во власть Горбачева, советская электроника стала буквально на глазах рушится. Но что странно, всё, о чем говорил этот последний генеральный секретарь, было прогрессивно, например, на 27 съезде КПСС в 1986 году, он провозгласил программу ускорения научно-технического прогресса, а ведь на деле происходило совсем другое. Началось прогрессивное разворовывание государственной собственности, остановка предприятий, не выплата зарплат, хаос и, наконец, распад СССР.
Впрочем, это уже другая история.

В этот день В 1958 году инженер TI изобрел чип, изменивший мир

Texas Instruments чествует человека из Северного Техаса, который сделал интегральную схему — микрочип — возможной. 12 сентября 1958 года Джек Килби, инженер TI, изобрел интегральную схему.

Это произведет революцию в электронной промышленности, помогая сделать сотовые телефоны и компьютеры широко распространенными сегодня.

Чтобы почтить его память, Texas Instruments впервые провела День Джека Килби в пятницу, 12 сентября 2014 г.

Килби быстро добился успеха на TI. Всего через несколько месяцев после прихода в компанию в Далласе в 1958 году он провел успешную лабораторную демонстрацию своего первого микрочипа 12 сентября.

Позже Килби помог изобрести ручной калькулятор и термопринтер, используемые в портативных терминалах данных.

В 2000 году Килби получил Нобелевскую премию по физике.

Килби умер в 2005 году после непродолжительной борьбы с раком. Ему был 81 год.

Что, если бы он уехал в отпуск?

Укажите отпускную политику Texas Instruments за участие в изобретении. В то время сотрудники TI должны были взять двухнедельный отпуск летом. Килби пробыл в компании недостаточно долго, чтобы уйти в отпуск. Так что у него было две недели простоя на TI. За это время он начал работать над интегральной схемой.

Что было бы, если бы Килби уехал в отпуск?

«Чип, который построил Джек»

Посмотрите это короткое видео KERA, снятое в 2009 году., который исследует Килби и его интегральную схему.

Посмотрите на первую интегральную схему

Credit Texas Instruments

Это первая интегральная схема Джека Килби. Он изобрел его в Texas Instruments в 1958 году. Из TI: «Изобретение Килби, состоящее только из транзистора и других компонентов на кусочке германия, размером 7/16 на 1/16 дюйма, произвело революцию в электронной промышленности. Корни почти каждого электронного устройства, которое мы считаем само собой разумеющимся сегодня, можно проследить до Далласа более 40 лет назад».

Конкуренция: Другой изобретатель

Вскоре после того, как Килби создал свой микрочип, Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor создал собственную версию интегральной схемы. Считалось, что Noyce проще в производстве.

The New York Times отметила в 2005 году: «В 1959 году г-н Килби и доктор Нойс, тогда работавшие в Fairchild Semiconductor, были названы изобретателями в заявках своих компаний на патенты на интегральные схемы. После многих лет судебных баталий Fairchild и Texas Instruments решили перекрестно лицензировать свои технологии, что в конечном итоге привело к созданию мирового рынка информационных отраслей, стоимость которого сейчас превышает 1 триллион долларов в год».

Всемирный герой

Т.Р. Рид, автор книги «Чип », предложил эту точку зрения в видеоролике KERA: «Если вы оглянетесь на первую большую волну американских инноваций — я говорю о Томасе Эдисоне, Александре Грэме Белле, Генри Форде, инженерах, которые изменили повседневной жизни мира с хорошей идеей. Они были мировыми героями. Джек Килби изменил повседневную жизнь мира так же впечатляюще, как это сделали Томас Эдисон и Генри Форд, и никто никогда о нем не слышал. … Наверное, самый скромный лауреат Нобелевской премии в истории физики».

Проблема: «Тирания чисел»

Credit Texas Instruments

От Texas Instruments: Джек Килби записал успешную демонстрацию первой интегральной схемы в своем инженерном блокноте. Подпись Дж. С. Килби, страница в его блокноте датирована 12 сентября 1958 года.

Рид продолжил: «В начале 50-х можно было спроектировать компьютер, который мог бы делать что угодно, но вы не могли его построить. Было слишком много отдельных частей, которые нужно было соединить вместе. слишком велика. Обычным названием этой проблемы была тирания чисел. Мы можем воспринимать это устройство, но не можем построить его, потому что числа слишком велики. Джек Килби был среди инженеров в мире, искавших решение проблемы ».

Решение: Один чип

Рид: «В то время каждый компьютер имел много миль проводов внутри. Джек сказал: «Зачем нам провода? Если я буду делать детали из одного и того же материала, Я мог бы вырезать их в виде блока из этого материала и без проводов. Это была совершенно безумная идея. Никто никогда не думал об этом раньше. Джек Килби взял тиранию чисел и свел число к единице. Один чип со всеми частями на нем и без проводов. Это было его решение. Вы можете поместить компьютер в носовой обтекатель ракеты, которая доставит вас на Луну».

Влияние Килби

«Влияние идеи Джека Килби на мир было впечатляющим», — сказал Рид в видео KERA. «Если бы не интегральная схема, обещание Джека Кеннеди о том, что мы отправимся на Луну через десятилетие, не сбылось… Трудно представить себе какой-либо научный или инженерный прорыв в 20 веке, который оказал бы большее влияние на нашу жизни, чем микрочип».

«Очень практичный человек»

Кредит KERA

Джанет Килби, дочь Джека Килби.

Джанет Килби размышляет о жизни со своим отцом, Джеком Килби. «Я никогда не понимала, что чужие отцы не могут починить телевизор, — сказала она в видео KERA. боялся, что он собирается убить себя электрическим током».

Она добавила: «У моего отца было более 50 патентов, но я думаю, что его любимым изобретением был чип. Потому что это было полезно. Он был очень практичным человеком. Он всегда говорил, что каждый должен вносить свой вклад в жизнь, и я думаю, именно это действительно подпитывало его изобретательность».

По его собственным словам

Когда Килби получил Нобелевскую премию, он написал о своей жизни. Прочтите это здесь.

Подробнее

Узнайте больше о Килби и его изобретении на веб-сайте TI.

О Дне Джека Килби 2014

Город Даллас издал указ, объявляющий 12 сентября Днем Джека Килби. В честь этого Нобелевская премия Килби была выставлена в кампусе TI Forest Lane в Далласе.

TI отметила этот день в социальных сетях хэштегом #JackKilbyDay. Сотрудники TI носили рубашки Jack Kilby Day и копии его характерных очков. Они также отпраздновали это фотостанцией, где делали селфи в очках Килби.

Какой была бы ваша жизнь без IC? Присоединяйтесь к нам, когда мы отмечаем современные инновации 12 сентября, #JackKilbyDay! pic. twitter.com/7d2FRrzZ4I
— Texas Instruments (@TXInstruments) 10 сентября 2014 г.

Видео: TI чествует Джека Килби

Вот несколько коротких видеороликов от TI о Джеке Килби — и о сотрудниках TI, работающих над практические занятия STEM с учащимися средней школы:

https://www.youtube.com/watch?v=2mez_HRrsXk 9

Нобелевская премия: история интегральной схемы Килби

Когда Америка впервые познакомилась с микрочипом.

Следующая статья адаптирована из главы 10 новой книги Фреда Каплана 1959: год, когда все изменилось . Чтобы узнать, как он стал писать об этом году, см. « 1959: Клянусь, это действительно год, когда все изменилось ».

24 марта 1959 года на ежегодной торговой выставке Института радиоинженеров в New York Coliseum компания Texas Instruments, одна из ведущих национальных компаний по производству электроники, представила новое устройство, которое изменит мир так же глубоко, как любое изобретение. 20 ^-го века — твердотельная интегральная схема, или, как ее стали называть, микрочип.

Без чипа обычные удобства современной жизни — персональные компьютеры, Интернет, все, что связано с цифровыми технологиями и дисплеями, даже такие простые вещи, как карманный калькулятор, — были бы предметом научной фантастики.

Джек Килби

Но в то время немногие осознавали значение изобретения. Это была эпоха поразительных технологических достижений — ракет, реактивных пассажирских самолетов, компьютеров и, казалось бы, волшебных таблеток, изменявших химию человека. Кто мог сказать, будет ли какая-то новая штуковина — одна из десятков разрабатываемых — трансформацией или провалом?

com/_components/slate-paragraph/instances/cq-article-26237a2f408f1a3ecee344bf6e8a3e74-component-5@published»> В статье New York Times о выставке того года были представлены три новых изобретения. Интегральная схема была одной из них, но она упоминалась последней и занимала всего два абзаца. Основная часть рассказа была посвящена разработанной Westinghouse радиолокационной системе, которая позволяла автомобилистам ехать от побережья к побережью, не отрывая рук от руля. Тонкие полоски фольги, закодированные точками и тире, должны были выровнять национальные автомагистрали. Передатчики-приемники, размещенные на переднем бампере каждой машины, расшифровывали полосы, сигнализируя рулевому колесу двигаться прямо или поворачивать. На бумаге, в то время, когда система автомагистралей между штатами все еще находилась на ранних стадиях строительства, идея казалась привлекательной и очень футуристической. В реальном мире, конечно, никуда не делось.

com/_components/slate-paragraph/instances/cq-article-26237a2f408f1a3ecee344bf6e8a3e74-component-6@published»> Другим широко разрекламированным чудом того года была «ракетная почта». 8 июня 1959 года в 9:10 подводная лодка USS Barbero всплыла на поверхность почти в 100 милях от побережья Флориды и выпустила управляемую крылатую ракету Regulus I в сторону берега. Оснащенная убирающимся шасси, чтобы ее можно было восстановить и повторно использовать для испытаний, ракета приземлилась на военно-морской вспомогательной авиабазе Мейпорт, недалеко от Джексонвилля, 21 минуту спустя.

Внутри носового обтекателя ракеты были упакованы две небольшие металлические коробки с 3000 конвертов, на каждом из которых стоял логотип, гласивший: «Первая официальная ракетная почта».

В каждом конверте было письмо, адресованное официальным лицам от президента Дуайта Эйзенхауэра и ниже, в котором генеральный почтмейстер США Артур Саммерфилд приветствовал достижение как «историческую веху» в ускорении «общения между народами земли». Выступая перед журналистами после полета, он заявил: «Я верю, что мы увидим значительное развитие ракетной почты еще до того, как человек достигнет Луны».

Мечта оказалась не более чем. Военно-морской флот интересовался проектом не более чем разовым пиар-ходом. Затраты были слишком высоки, а выгоды слишком скудны.

Микрочип мог пойти тем же путем. Его изобретатель Джек Сент-Клер Килби и его босс, президент Texas Instruments Патрик Хаггерти, понимали его значение. На пресс-конференции, состоявшейся в Нью-Йоркском спортивном клубе в Южном Центральном парке, за углом от Колизея, Хагерти сказал, что наибольший потенциал устройства лежит в быстро растущих областях компьютеров, ракет, ракет, спутников и приборов для космических аппаратов. , где вес, размер и надежность имели решающее значение. Но он добавил с замечательной проницательностью, что это может также произвести революцию в телефонах, телевизорах, радиоприемниках, радарах, слуховых аппаратах, медицинских инструментах — во всем, что связано с автоматизацией.

Тем не менее, в начале чипы были очень дорогими. Чтобы выйти на рынок, они должны быть намного дешевле; но чтобы быть намного дешевле, они должны занять большую нишу на рынке — должен быть высокий спрос, чтобы их можно было производить в массовом количестве.

Этого не произошло до начала 60-х годов, когда президент Джон Ф. Кеннеди приказал произвести ракету Minuteman II, для которой требовались крошечные надежные схемы для ее системы наведения, и, особенно, когда он объявил о своей цели высадка человека на Луну к концу десятилетия.