Как создавалась интегральная схема

Дмитрий Мурин
Computerworld, #04/2003

Опубликовано 11.02.2002

История создания интегральной схемы - типичный пример воплощения европейской мечты за океаном.

Самая престижная научная награда, Нобелевская премия по физике, обычно вручается ученым, которые внесли наибольший вклад в области фундаментальных исследований. Поэтому присуждение премии 2000 года американскому инженеру-электротехнику Джеку Килби за работы прикладного характера вызвало немалое удивление в научном сообществе. Однако удивление быстро сменилось осознанием того, что изобретение интегральной схемы представляет собой великолепный пример использования результатов фундаментальных исследований для создания новых инструментов, которые, в свою очередь, позволяют получать новые фундаментальные результаты.

Истоки

В начале 50-х годов представители оборонного и космического ведомств США первыми задумались над пределами прогресса ламповых систем. И стали оказывать - сначала осторожно, а потом все более активно - финансовую поддержку проектам, направленным на построение полностью интегрированных электронных систем из твердотельных компонентов. Это стало началом заката "ламповой эры", но философия электронной интеграции не претерпела существенных изменений и по-прежнему напоминала философию построения предложения. В электронике, как в человеческой речи, есть массив стандартных элементов, различающихся по своим функциональным особенностям: фраза всегда состоит из существительных, прилагательных, глаголов, причастных оборотов, а электронная схема - из емкостей, сопротивлений, триодов и диодов. Комбинируя эти элементы, можно придавать фразе тот или иной смысл, а схеме "поручать" решение тех или иных задач.

Твердотельными компонентами должны были стать транзисторы. Самые первые были изготовлены из монокристаллического германия и лишь значительно позже - к середине 50-х годов, когда в Texas Instruments была решена проблема роста монокристаллического кремния, транзисторы стали изготавливаться из этого кремния. Это само по себе сразу же стало коммерчески выгодным предприятием, несмотря на достаточно высокую по тем временам их стоимость (около 10 долл. за штуку).

1951 год ознаменовался тем, что Bell Labs провела свою первую конференцию по транзисторам и начала продавать патентные лицензии стоимостью 25 тыс. долл. на транзисторные технологии. Заинтересовались лицензией и в компании Centralab, где Килби и сделал первые шаги в направлении "германиевой" интеграции. Однако Centralab не была той компанией, деятельность которой - производство слуховых аппаратов и пассивных телевизионных схем - могла бы заинтересовать военных в 1956 году, когда рынок военных кремниевых технологий становился перспективным. Неизмеримо большими возможностями обладала Texas Instruments, где Килби проработал без малого 45 лет и в стенах которой в рамках военного заказа были созданы первые кремниевая и германиевая интегральные схемы.

Идея

Еще в конце 40-х годов в Centralab были разработаны основные принципы миниатюризации и созданы ламповые толстопленочные гибридные схемы. Схемы выполнялись на единой подложке, а зоны контактов или сопротивления получались простым нанесением на подложку серебряной или типографской угольной краски. Когда же стала развиваться технология германиевых сплавных транзисторов, в Centralab было предложено монтировать бескорпусные приборы в пластиковую или керамическую оболочку, чем достигалась изоляция транзистора от окружающей среды. На этой основе можно было уже создавать транзисторные гибридные схемы, "печатные платы". Но, по сути дела, это был прообраз современного решения проблемы корпусирования и выводов интегральной схемы.

К середине 50-х годов Texas Instruments имела все возможности для производства дешевых полупроводниковых материалов. Но если транзисторы или диоды изготовлялись из кремния, то резисторы в TI предпочитали делать из нитрида титана, а распределенные емкости - из тефлона. Неудивительно, что многие тогда полагали, что при накопленном опыте создания гибридных схем нет проблем в сборке этих элементов, изготовленных по отдельности. А если удастся изготовить все элементы одинакового размера и формы и тем самым автоматизировать процесс сборки, то стоимость схемы будет значительно снижена. Этот подход очень напоминает предложенный Генри Фордом процесс конвейерной сборки автомашин.

Таким образом, в основе доминировавших тогда схемных решений лежали различные материалы и технологии их изготовления. Но англичанином Джеффом Даммером из Royal Radar Establishment в 1951 году было выдвинуто предположение о создании электроники в виде единого блока при помощи полупроводниковых слоев одного и того же материала, работающих как усилитель, резистор, емкость и соединенных вырезанными в каждом слое контактными площадками. Как это сделать практически, Даммер не указал.

Собственно, отдельные резисторы и емкости можно было делать из того же кремния, однако это было бы довольно дорогое производство. Кроме того, кремниевые резисторы и емкости были бы менее надежны, чем компоненты, изготовленные по стандартным технологиям и из привычных материалов, тех же нитрида титана или тефлона. Но так как все же имелась принципиальная возможность изготовить все компоненты из одного материала, то следовало бы подумать об их соответствующем электрическом соединении в одном образце.

24 июля 1958 года Килби сформулировал в лабораторном журнале концепцию, получившую название Идеи монолит (Monolithic Idea), в которой было указано, что <...элементы схемы, такие как резисторы, конденсаторы, распределенные конденсаторы и транзисторы, могут быть интегрированы в одну микросхему - при условии, что они будут выполнены из одного материала... В конструкции триггерной схемы все элементы должны изготавливаться из кремния, причем резисторы будут использовать объемное сопротивление кремния, а конденсаторы - емкости p-n-переходов".

Заслуга Килби - в практической реализации идеи Даммера.

Реализация

"Идея монолита" встретила снисходительно-ироничное отношение со стороны руководства Texas Instruments, где потребовали доказательств того, что подобная схема будет работоспособна.

Чтобы представить необходимые доказательства, прежде всего следовало убедиться в том, что будет работать схема, составленная из отдельных кремниевых элементов - транзистора на p-n-переходе, резисторов, нарезанных из стерженьков, и конденсаторов из пластины, которая была металлизирована с обеих сторон. Собранный прибор был продемонстрирован руководству компании в конце августа 1958 года. К удивлению присутствующих, он оказался вполне сносно работающим. Но это еще не была интегральная структура, скорее это была миниатюризированная "квазигибридная" схема.

Первой же действительно интегральной схемой, выполненной "с нуля", в одном куске полупроводника, оказалась германиевая триггерная схема. Здесь уже были использованы и объемное сопротивление Ge, и емкость p-n-перехода. Ее презентация состоялась в начале 1959 года. Вскоре Робертом Нойсом из Fairchild Semiconductor были продемонстрированы преимущества планарного технологического процесса.

Как Килби, так и Нойсу пришлось выслушать немало критических замечаний по поводу своих новаций. Считалось, что практический выход интегральных схем будет очень низким, потому что всего 15% изготовляемых в то время транзисторов имели необходимый ресурс надежности. Во-вторых, многие полагали, что в интегральных схемах используются неподходящие материалы, поскольку лучшие электронные компоненты тогда делались отнюдь не из полупроводников.

Все сомнения были отброшены, когда интегральные схемы были успешно использованы в военных программах США, в программах подготовки полета космического корабля "Аполлон" на Луну и разработки ракеты "Минитмен". В 1964 году был создан первый портативный калькулятор на интегральных схемах. Началось их коммерческое использование, чем и было окончательно продемонстрировано их право на существование.

---

Как делают микросхемы?

Что может быть проще, чем обычный песок, и что может сравниться по сложности с компьютерными микросхемами? Между тем кремний как раз и является исходным материалом для производства интегральных схем, которые сегодня управляют всеми электронными устройствами, начиная от суперкомпьютеров и заканчивая сотовыми телефонами и микроволновыми печами.

Превращение песка в крошечные устройства, включающие в себя миллионы компонентов, - величайшее достижение ученых и инженеров, казавшееся совершенно невозможным всего полвека тому назад, до изобретения в 1947 году сотрудниками лаборатории Bell Labs транзистора. Кремний - естественный полупроводник. При определенных условиях он способен проводить электричество, в других же случаях выступает в роли изолятора. Электрические свойства кремния можно изменять, добавляя в него различные примеси. Этот процесс называется легированием. Подобные добавки превращают кремний в идеальный материал для изготовления транзисторов - простейших устройств, видоизменяющих электрические сигналы. Транзисторы могут также выполнять функции переключателей, комбинация которых позволяет реализовать логические операции "и", "или", "не".

Микросхемы выпускаются на заводах, в строительство которых необходимо вложить многие миллиарды долларов. На заводе песок плавится и очищается, превращаясь в однородные слитки кремния с чистотой 99,9999%. Специальные ножи разрезают слитки на пластины толщиной с мелкую монету и диаметром в несколько дюймов. Пластины очищаются и шлифуются. Каждая из них служит для изготовления множества микросхем. Этот и последующий этапы выполняются в так называемой "чистой" комнате, в которой особо тщательно следят за отсутствием пыли и других инородных тел.

Непроводящий слой диоксида кремния на поверхности кремниевой пластины расширяется и покрывается светочувствительным химическим соединением.

Это соединение (фоторезист) подвергается воздействию ультрафиолетового облучения через специальный шаблон, или маску, для закрепления участков, обработанных излучением. Необработанные области протравливаются горячим газом, который обнажает подложку диоксида кремния, находящуюся внизу. Подложка и нижний слой кремния вытравливаются для получения пластины нужной толщины.

Фоторезист, задействованный в процессе фотолитографии, впоследствии удаляется, оставляя на микросхеме рельефные выступы, конфигурация которых повторяет схему цепи, представленную в маске. Электрическую проводимость отдельных компонентов микросхемы также можно изменить за счет легирования их специальным химическим составом при высокой температуре и давлении. Процедура фотолитографии с использованием различных масок, за которой следует вытравливание и легирование, повторяется для каждой микросхемы многократно. Таким образом на каждом этапе мы получаем все более сложную интегральную схему.

Для формирования проводников, которые связывают отдельные компоненты, вытравленные ранее на микросхеме, она покрывается тонким слоем металла (как правило, это алюминий или медь). После этого путем литографии и вытравливания удаляется весь металл, за исключением тоненьких проводников. Иногда на микросхему накладывается несколько слоев проводников, разделенных стеклянными изоляторами.