Страница 11 из 43
Образование отдельных деталей интегральной схемы в общих чертах осуществляется так. На кристалл наносят светочувствительный слой, так называемый фоторезист (рис. 4, 5), затем его засвечивают через фотошаблон (рис. 4, 6), проявляют, удаляют засвеченные участки (рис. 4, 7) и в образовавшиеся окна либо вводят примеси (рис. 4, 9), либо убирают в глубине этих окон какой-нибудь ненужный слой и в нем тоже вскрывают окна (рис. 4, 8), либо, наконец, убирают участки алюминиевого покрытия, формируя таким образом соединительные цепи сложной конфигурации (рис. 4, 11, 12).
Вот и опять слишком короткое описание создает, по-видимому, иллюзию этакой простоты или, может быть, даже примитивности технологического процесса. Но это, конечно, не более чем иллюзия. В подтверждение — несколько цифр и фактов.
Если в первых интегральных схемах в одном кристалле создавали всего несколько элементов, то теперь степень интеграции резко возросла, создаются схемы, которые содержат тысячи и десятки тысяч элементов. Это и есть БИСы — большие интегральные схемы: в них на 1 мм2 поверхности (это поверхность булавочной головки) может приходиться более тысячи элементов. Размеры отдельного элемента при этом измеряются тысячными долями миллиметра, их, естественно, можно было бы увидеть только в хороший микроскоп.
Допустимые погрешности при создании определенных зон в кристалле — это вообще ангстремы, единицы измерения, до недавнего времени почти не применявшиеся в технике. А количество вводимых примесей в этих процессах дозируется с точностью до миллиардных долей процента; здесь уже счет идет на атомы. С точностью до сотых долей процента поддерживаются тепловые режимы. Малейшая ошибка здесь чревата серьезными последствиями, потому что интегральные схемы не делают по одной, на кремниевой пластине их может разместиться несколько десятков.
По окончании технологического цикла для каждой схемы производят сотни контрольных замеров. Приведем еще одну цифру: на производственных участках фотолитографии допускается содержание в 1 м3 воздуха не более чем 3–4 пылинок диаметром до 0,5 мкм.
Достоинства интегральных схем не требуют, по-видимому, пояснений: это высокая надежность, малые габариты и масса, малая потребляемая мощность. И еще одно парадоксальное на первый взгляд достоинство интегральных схем: эти уникальные по своей сложности, по сути, невидимые изделия как бы специально созданы для автоматизированного производства.
В нашей стране серийно выпускается широкий ассортимент интегральных схем, в том числе БИСы. Все большими тиражами выпускаются и созданные на их основе разнообразные микрокалькуляторы. Немного, наверное, пройдет времени, и миллионы этих электронных помощников инженера, исследователя, экономиста выйдут на скромную свою трудовую вахту, незаметно привнося в наши дела и планы точность, четкость, порядок, эффективность. Мы привыкнем к ним, забудем, что когда-то исписывали вычислениями листы бумаги, теряли миллионы из-за какой-то арифметической ошибки или из-за того, что прикидывали на глазок там, где надо считать точно…
Мы привыкнем к своим карманным компьютерам, как привыкли к телефону, к часам на руке, к яркому электрическому свету в квартире. Привыкнем и перестанем замечать… И это будет несправедливо. Любуясь красками на экране цветного телевизора, или за час полета покрывая тысячу километров на десятикилометровой высоте, или нажимая клавиши электронного микрокалькулятора, мы должны хотя бы изредка вспоминать, какая изумительная техника и какой большой труд стоят за всем этим. И должны мысленно гордиться: «Велик человек!»
Труженики "нулевого цикла"
или рассказ о том, как извлекли из жидкого азота полупроводниковые лазеры, заставили их непрерывно излучать при комнатной температуре и переместили частоту излучения в диапазон видимого света.
Слова «нулевой цикл» — узаконенный строительный термин, он относится к сооружению той части здания, которая лежит ниже уровня земли, ниже нулевой отметки. Проще говоря, «нулевой цикл» — это закладка фундамента. Именно с него, с этого цикла, с этого комплекса сложных и трудоемких работ, начинается строительство любого объекта. Потом вырастают на прочном фундаменте этажи, появляются нарядные интерьеры, уютные квартиры, быстроходные лифты, и уже мало кто задумывается о том, с чего начинался дом.
Во всяком деле имеются свои «нулевые циклы», свои невидимые миру фундаментальные работы, истинное значение которых зачастую понимают лишь специалисты. Сейчас нам предстоит интересная встреча с группой ученых, которые сегодня работают на переднем крае физики полупроводников, создают фундамент для электроники завтрашнего дня. Это лауреаты премии Ленинского комсомола 1976 г. Иван Арсентьев, Петр Копьев, Вячеслав Мишурный и Валерий Румянцев. Для встречи с ними мы отправляемся в Ленинград, в ордена Ленина Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе Академии наук СССР, или, как его иногда коротко называют, Физтех. Наш конечный пункт — лаборатория контактных явлений в полупроводниках. Руководит ею лауреат Ленинской премии академик Жорес Иванович Алферов.
Известно, что все вещества можно разделить на две группы — проводники и диэлектрики (изоляторы): в проводниках есть свободные электрические заряды, а в диэлектриках свободных зарядов нет. Между проводниками и диэлектриками находится еще одна большая группа веществ, которые называют полупроводниками. В полупроводниках есть свободные заряды, но их во много тысяч раз меньше, чем, скажем, в меди или железе. Поэтому полупроводники сами по себе проводят ток значительно хуже, чем классические проводники — металлы.
Обратите внимание на оговорку «сами по себе» — от нее начинается путь к удивительным явлениям, которые как раз и определили интерес современной техники к полупроводниковым материалам.
Физики с виртуозной точностью научились производить с полупроводниками различные операции, которые можно объединить одним понятием — «легирование». Легирование есть не что иное, как введение различных примесей в чистый полупроводниковый материал. Эти примеси, даже если они в ничтожных количествах — миллионные и миллиардные доли процента, — радикально меняют свойства «самого по себе» полупроводника.
Действие примесей в самом упрощенном виде можно описать так: они занимают места в кристаллической решетке основного вещества; в результате такой замены в полупроводнике резко возрастает количество свободных зарядов, и по своим свойствам он заметно приближается к металлическому проводнику.
После введения некоторых примесей — их называют донорами — в полупроводнике появляются свободные электроны; на рисунках в популярных брошюрах их обычно изображают в виде этаких маленьких бегающих шариков или кружков с «минусом» в середине. Другие примеси — их называют акцепторами — создают в полупроводнике свободные положительные заряды; на рисунках их изображают тоже в виде шариков или кружков, но уже, конечно, с «плюсом» в середине. Причем в таком рисунке значительно больше искажается истина, чем там, где в виде шариков изображались свободные электроны. Дело в том, что свободных, подвижных частиц с положительным зарядом, с «плюсом», в полупроводниковом материале вообще нет. Их роль выполняют так называемые «дырки» — положительные заряды неподвижных атомов с недостающими электронами на орбите. Такой атом может перехватить электрон у своего соседа, и теперь уже тот станет носителем положительного заряда. В результате быстрого перескакивания электрона из атома в атом в полупроводнике, по сути дела, перемещается «дырка», т. е., по сути дела, движется положительный заряд.
Полупроводниковые материалы с донорными примесями называют полупроводниками n-типа, а с акцепторными примесями — полупроводниками p-типа. Главное волшебство начинается там, где в одном кристалле соприкасаются участки с электрической проводимостью разного типа. Такая область соприкосновения называется р-n-переходом (рис. 1).