Элементы на интегральной схеме видны лишь при большом увеличении
Нет, не чудо.
Обычное рядовое изделие современной полупроводниковой технологии. Такие чудеса творятся сегодня сотнями тысяч за смену.
В специальной «чистой комнате» завода микроэлектронных изделий технологи работают в скафандрах
Чтобы увидеть, как они делаются, нам придется для начала отправиться... в парикмахерскую. Здесь нам сделают прическу покороче, чтобы волосы молено было упрятать под стерильную шапочку. Придется каждому из нас надеть также и стерильный халат из литых капроновых нитей, которые не теряют мельчайших летучих пушинок, как обычная ткань. На ноги мы наденем полиэтиленовые бахилы, наподобие тех, которыми пользуются хирурги в операционных.
Да–да, не удивляйтесь, на заводе микроэлектронных изделий почти такая же чистота, как в клинике. Здесь в умывальниках стоят хирургические краны, закрываемые локтем, а руки моют гораздо тщательнее после обеда, чем перед ним. Потому что иначе нельзя. Если на изделие в процессе изготовления попадет хотя бы одна посторонняя пылинка или вирус – пиши пропало, заготовка безнадежно испорчена.
И вот, наконец, пройдя двойные двери, мы оказываемся внутри цеха из мрамора и стекла – материалов, к которым меньше Есего прилипает пыль. Но особая чистота еще пе здесь, она внутри своеобразных «скафандров», которыми прикрыты технологические линии. Именно там, внутри, в атмосфере чистейшего инертного газа, практически бесшумно делают свое дело умные автоматы.
Но прежде чем они начали самую первую операцию, как следует поработали люди. После того как на макетах из «больших», то есть обычных по размерам, деталей была окончательно отработана конструкция будущего электронного устройства, специалисты по микроэлектронике приступили к разработке пространственной структуры будущей микросхемы. На больших ватманских листах они создали чертеж пленки со всеми ее «деталями» – теми самыми зонами, островками, дорожками, которые впоследствии станут микротранзисторами, микросопротивлсниями, микропроводниками.
Ну а дальше начинаются странствования по стране лилипутов. Примерно метрового размера оригинал переснимают на фотопленку с большим уменьшением. Таким образом получают очень четкую маленькую маску, которая потом будет накладываться прямо на заготовку микросхемы. Саму же пластинку – основу будущей микросхемы – предварительно покрывают слоем фоторезиста, светочувствительной эмульсии, которая в принципе мало чем отличается от эмульсии обычной фотопленки.
Теперь все готово к началу главного технологического процесса – фотолитографии. Через маску на заготовку направляют пучок света, и на поверхности кремниевого кристаллика запечатлевается рисунок маски. После обработки с засвеченных участков травлением удаляют защитное покрытие. Теперь в тех местах образуются «окошки», сквозь которые внутрь кристалла вводят примеси N–или Р–типа.
Чтобы вы поняли, для чего нужны эти примеси, давайте на некоторое время прервем нашу экскурсию и послушаем технолога, который расскажет нам кое–что об истории микроэлектроники.
Песок дороже золота
Сырье для производства–полупроводников валяется у людей буквально под ногами. Это кристаллики песка, который распространен практически повсюду. А песок – это и есть кремний, один из основных материалов современной микроэлектроники. Правда, чтобы песок стал сырьем для создания полупроводников, Он должен пройти длиннейший цикл обработки. И прежде всего кремний нужно очистить от посторонних примесей.
Насколько это сложная задача, можно судить хотя бы по высказыванию одного из основоположников полупроводниковой техники в нашей стране академика А.Ф. Иоффе: «Если очистка материалов до сотых долей процента считалась раньше пределом, то теперь речь идет о миллионных долях, а иногда и о миллиардных долях процента». То есть, говоря иначе, один атом примеси должен приходиться на сто миллиардов атомов кремния.
Но пусть вас эти цифры не смущают. Слова Иоффе были сказаны в середине XX века. За прошедшие десятилетия технологи изобрели зонную плавку и другие способы очистки кристаллов от примесей. Сверхчистые материалы получают сегодня но только на Земле, но и в космосе, где для этого существуют идеальные условия: нет пыли и отсутствует гравитация, которая тоже мешает получению кристаллов с идеально правильной структурой.
Для чего все это нужно? Попробуем разобраться и в этом, совершив небольшой экскурс в теорию полупроводников, базирующуюся на физике твердого тела.
Транзисторы отличаются от радиоламп даже по внешнему виду. Вместо стеклянного баллончика этакая кристаллическая таблетка. Еще больше различие внутреннее. Специалисты, работавшие с радиолампами, зачастую становились в тупик, когда им начинали рассказывать о транзисторах.
«Ну, в лампе все понятно, – говорили они. – Вот спиралька катода – отсюда электроны стартуют. Вот пластинка анода – здесь они финишируют. Посредине третий электрод – сетка. Она потому так и называется, что и по виду своему, и по функциям напоминает обычную сетчатую изгородь. У сетки прогуливается «сторож» – управляющий электрический потенциал. В зависимости от данной ему команды, он либо вообще отгоняет электроны от сетки, возвращая их на катод, либо, напротив, помогает быстрее одолеть сетчатый барьер, скорее добежать до финиша–анода. В транзисторах же ничего подобного нет...»
Действительно, транзисторы устроены совсем не так, как лампы. Начать хотя бы с того, что даже электроды здесь называются по–иному. Вместо катода – эмиттер, вместо анода – коллектор. Л сетку почему–то называют базой. И полярность здесь шиворот–навыворот. Если на анод всегда подавали «плюс» электрического напряжения, а на катод – «минус», то тут как раз наоборот: «минус» на коллекторе, а «плюс» на эмиттере.
Дальше еще непонятнее. Внутри стеклянного баллона лампы – пустота, вакуум. Транзистор же представляет собой сплошной германиевый или кремниевый кристалл, говоря языком физиков – твердое тело. И все же электроны, когда нужно, благополучно добираются от эмиттера к коллектору. Да еще и усиливаются при этом, то есть их число увеличивается. Каким образом?
Радиолампа, транзисторы и микрочипы
Хитрости твердого тела
В природе существуют три вида материалов: диэлектрики, проводники и полупроводники. В диэлектриках, – неметаллах, таких, например, как фарфор, стекло, слюда, – связи между атомными ядрами и электронами, кружащимися вокруг них по своим орбитам, очень прочны. «Беспризорных», ничейных электронов нет, поэтому эти материалы и не проводят электрический ток.
В проводниках – чаще всего это металлы, такие как серебро, золото, медь, алюминий, – свободных электронов очень много. Поэтому металлы хорошо проводят электрический ток.
И наконец, полупроводники – германий, кремний и некоторые другие вещества – стоят как бы посредине между проводниками и диэлектриками. Обычно в полупроводниках все электроны привязаны к своим атомам. Но эти связи не так прочны, как в диэлектриках. Время от времёни какой–нибудь особо шустрый электрон срывается со своей орбиты и отправляется «бродить» по полупроводнику.