Приглашаем на экскурсию. Куда? Об этом вы узнаете в цехе. Но, прежде чем пройти через двойные двери, придется переодеться: снять костюм, облачиться в чистейшие халаты, надеть шапочки так, чтобы спрятать прическу, и пластиковые тапочки.
Вот теперь можно войти. И мы оказываемся в большом светлом помещении, стены которого облицованы мраморными плитами и стеклянными панелями. Для красоты?.. Нет. Стекло и мрамор — материалы, к которым меньше всего прилипает пыль.
В помещении — установки, скрытые белыми и светло-серыми кожухами. Между ними — лента конвейера. Конвейер тоже упрятан в кожух. Только через смотровые окошки видна движущаяся лента.
В стенках кожуха сделаны отверстия для рук. Просунем туда руку — и она оказывается в перчатке с присосками. Присоской можно взять «нечто», которое делают здесь, — маленькую, размерами в клеточку школьной тетрадки, блестящую пластиночку, поднести к объективу микроскопа, что находится рядом с рабочим местом. Поверхность пластинки покрыта тончайшим хитроумным узором, по сравнению с которым еле заметное тиснение на коже пальцев кажется таким же грубым, как рисунок на асфальте рядом с живописной миниатюрой искусного мастера!
Узор напоминает чертеж, план неведомого города с магистралями, переулками, тупиками.
Вы, наверное, догадались, что мы попали в цех завода полупроводниковых приборов. А пластинка с узором — интегральная схема.
Почему она такая маленькая? Почему здесь такая чистота? Прежде чем ответить на эти вопросы, выйдем из сборочного цеха и отправимся туда, где интегральные схемы начинают свой путь в производство.
...В конструкторском бюро обстановка обычная. У кульманов и за письменными столами идет работа. Всюду чертежи. Вот принципиальная электрическая схема полупроводникового устройства, вот тщательно вычерченные графики каких-то характеристик, вот на большом листе ватмана начерчен почти такой же план неведомого города, как тот, что мы видели под микроскопом.
— Перед вами оригинал новой интегральной схемы, которую мы собираемся запустить в производство, — сказал конструктор.— Когда он будет готов, мы сделаем с него несколько масок...
Что такое маски, легче всего пояснить на таком примере.
Художник нарисовал цветной рисунок (ну хотя бы такой, как те, что вы видите на страницах журнала) и принес его в редакцию. Из редакции рисунок попадает в типографию. Здесь его несколько раз, с разными светофильтрами, переснимают на цветную пленку и получают так называемые раздельные негативы, для каждого цвета свой. Зачем это нужно? Известно, что основными цветами являются красный, голубой и желтый. Смешивая их, можно получить все остальные.
Маска, подобно клише, — часть схемы. На одной маске обозначены места для всех резисторов, на другой — для всех конденсаторов, на третьей — для всех проводников...
Оригинал готов. С этого момента начинается путешествие Гулливера в страну лилипутов. Впрочем, что там лилипуты! Каждый был меньше Гулливера всего лишь раз в двадцать. Здесь же метрового размера оригинал уменьшается до квадратика размерами 5X5 мм. Подсчитайте-ка уменьшение...
Теперь вы понимаете, почему на заводе полупроводниковых приборов гигиена строже, чем в клинике? Любая пылинка, попавшая в процессе изготовления на заготовку, может вывести из строя изделие: перемкнуть проводники, изменить характеристики транзистора...
Эта настольная микро-ЭВМ не только ведет расчеты, но и записывает все промежуточные результаты.
Для изготовления транзисторов и интегральных схем необходимы германиевые и кремниевые кристаллы очень высокой чистоты. «Если очистка материалов до сотых долей процента считалась раньше пределом, то теперь речь идет о миллионных долях, а иногда и миллиардных долях процента», — говорил по этому поводу основоположник полупроводниковой техники в нашей стране академик А. В. Иоффе. То есть один атом примеси должен приходиться на сто миллиардов атомов кремния! Вот в чем еще одна причина поддержания особой чистоты производства.
Выращенные сверхчистые кристаллы режут алмазными пилами на тоненькие, в доли миллиметра, пластинки, полируют до зеркального блеска, наращивают слой окиси, которая служит защитной пленкой, и наконец наносят слой фоторезиста — светочувствительной эмульсии, которая в принципе мало чем отличается от той, что покрывает фотобумагу.
Теперь все готово к началу главного технологического процесса фотолитографии. Сквозь маску на заготовку направляется пучок света, и на поверхности фиксируется рисунок. После этого производится фотообработка. Затем с засвеченных участков удаляют защитную пленку. Теперь в тех местах образуются «окошки», сквозь которые внутрь вводят примеси п-типа (см. «Подробности для любознательных»). Потом берут вторую маску и все операции повторяют снова. Сюда вводят примеси р-типа. Так образуются микротранзисторы. С помощью третьей маски напыляют микронную пленку золота или серебра — эти металлы хорошо проводят электрический ток, их используют в качестве проводников. Четвертая маска укажет место для островков тончайшей угольной пыли — будущих резисторов... И в конце технологической линии мы получаем готовую интегральную схему.
Первые интегральные микросхемы насчитывали всего десятки элементов. Потом научились делать БИСы — большие интегральные схемы — по размеру такие же, но в каждой из них уже 10—20 тыс. элементов.
Так выглядят заготовки БИСов и сами интегральные схемы в футляре
И это еще не все. Сегодня специалисты работают над проблемами создания СБИСов — сверхбольших интегральных схем. Каждая будет иметь миллионы элементов! При этом размер каждого элемента составляет всего 0,3—0,5 мкм. Чтобы добиться такой плотности размещения, технологам придется даже отказаться от... видимого света, потому что свет — электромагнитные волны длиной 0,4—0,8 мкм — оказывается слишком грубым для прорисовки будущих элементов, и засветку трудно будет производить ультрафиолетовыми лучами.
Нашли инженеры еще один способ увеличения числа элементов в единице объема. Свою идею они позаимствовали у... архитекторов. Помните, мы говорили, что интегральная схема похожа на план города. Но ведь почти все горожане сегоДня живут в многоэтажных домах. Так почему бы и «жильцов» микроэлектронной схемы не разместить на нескольких этажах? Заполнена вся площадь на первом этаже? Перекрываем его микронной пленкой из диэлектрика, а сверху наращиваем еще один этаж
Все это в конце концов привело к тому, что сейчас технологи научились изготавливать не только БИСы, но и микропроцессоры. Микропроцессор — это, по существу, целая ЭВМ, заключенная в одном кристаллике.
А специалисты ищут (и находят) все новые пути создания микроэлектронных приборов с еще более совершенными характеристиками. В некоторых случаях, как пишут в научных журналах, из электроники можно вообще изгнать... электроны! Новое направление полупроводниковой техники получило название интегральной оптики...
На этом пора остановиться. Мы ведь еще не ответили на вопросы: «Почему интегральную схему делают такой маленькой? Зачем конструкторам понадобились БИСы и микропроцессоры с возможно большим количеством элементов?»
Первые вычислительные машины состояли из реле, радиоламп конденсаторов... Для размещения компьютера порою требовались машинные залы, а для питания строились специальные энергетические подстанции. Капризны в работе были такие машины. Чуть ли не каждую минуту выходила из строя какая-нибудь из десятков тысяч радиоламп. А попробуй-ка быстро отыщи в такой махине, какая именно лампа испортилась.
Так выглядит микропроцессор. Для сравнения размеров рядом с ним положена обычная канцелярская скрепка.
ЭВМ второго поколения — транзисторные — были намного удобнее в работе. Мне, например, доводилось работать на «Промине» — компьютере размером с письменный стол.
В работающих ныне ЭВМ третьего и четвертого поколений широко используются интегральные схемы. И размеры, и энергетические аппетиты таких ЭВМ сократились чрезвычайно. Как вы знаете, самые маленькие из них вполне умещаются в кармане, и питаются от крошечной батарейки. Зато надежность их намного выше, чем у предшественников. Интегральная схема в 4 тыс. раз надежнее радиолампы!
Еще одним важным качеством таких ЭВМ является их быстродействие. И здесь микроэлектроника сослужила технике хорошую службу. Помните, вначале говорилось, что интегральная схема похожа на план города? В принципе это и есть «город», в котором размещаются и по которому путешествуют электроны.
Промышленный микроскоп.
С его помощью специалисты просматривают поверхность интегральных схем.
Именно благодаря их перемещению по схеме совершаются все логические и математические действия. Так вот, все увеличивая и увеличивая быстродействие ЭВМ, конструкторы в конце концов столкнулись с таким фактом: дальше наращивать число операций в секунду мешает... ограниченная скорость электронов! И если мы хотим еще увеличить быстродействие ЭВМ, нужно сокращать длину путей, по которым движутся электрические заряды. Самый радикальный способ — уменьшить величину самих ЭВМ
И наконец, — и это, пожалуй, главное — микроэлектроника позволила автоматизировать, а значит, весьма удешевила производство ЭВМ. Значит, сегодня мы имеем возможность все шире использовать вычислительную технику.
Встроенными калькуляторами оснащают станки, автомобили, фото и киноаппаратуру, бытовые плиты и швейные машины...
Всем хорошо известная техника вдруг приобретает новые, ранее неизвестные свойства и качества. Швейная машина самостоятельно пришивает пуговицы, фотоаппарат сам определяет выдержку и расстояние до объекта съемки, станок без помощи рабочего справляется с обработкой сложнейших деталей...
Готовый микропроцессор помещают в футляр. Скоро он станет составной частью вычислительного устройства, станка с программным управлением или промышленного робота.
Идет подготовка оригинала маски для будущей микросхемы. Потом изображение уменьшат в сотнн раз и будут делать БИСы.
Повышению самостоятельности машин в немалой степени способствует и то, что микроэлектроника дала возможность создать ЭВМ с большим количеством элементов, а значит, и с большими возможностями. Некоторые из наших электронных помощников уже сегодня умеют разговаривать, читать и слышать. Компьютеры играют в шахматы, пишут музыку и сочиняют стихи...
В одиннадцатой пятилетке появилась реальная возможность широко использовать интегральные схемы и микропроцессоры в производственных целях. Почему человек должен сам управлять механизмом, достающим из раскаленной печи тяжелые болванки? Промышленный робот сделает это гораздо быстрее и не устанет. Почему большую часть рабочего времени конструктор должен тратить на черчение? Такая техническая работа по силам и электронному чертежнику. Почему исследователь должен ночи напролет просиживать у контрольного пульта установки, собственноручно фиксируя все мелочи эксперимента? Пусть этим делом займется автоматика под руководством мини-ЭВМ...
С. ЗИГУНЕНКО, инженер 13