Как е създадена интегралната схема

Историята на създаването на интегрална схема е типичен пример за въплъщение на европейската мечта в чужбина.

Най-престижната научна награда, Нобеловата награда за физика, обикновено се присъжда на учени, които са направили най-голям принос в фундаменталните изследвания. Следователно присъждането на наградата за 2000 г. на американския електроинженер Джак Килби за работата му от приложен характер предизвика значителна изненада в научната общност. Изненадата обаче бързо отстъпи на осъзнаването, че изобретението на интегралната схема е отличен пример за това как основните резултати от научните изследвания могат да бъдат използвани за създаване на нови инструменти, които от своя страна дават нови основни резултати.

В началото на 50-те години представители на американските отбранителни и космически отдели бяха първите, които се замислиха за границите на напредъка на тръбните системи. И те започнаха да предоставят - отначало внимателно, а след това все по-активно - финансова подкрепа за проекти, насочени към изграждане на напълно интегрирани електронни системи от твърдотелни компоненти. Това беше началото на упадъка на "ерата на тръбите", но философията на електронната интеграция не претърпя съществени промени и все още наподобяваше философията за изграждане на предложение. В електрониката, както и в човешката реч, има набор от стандартни елементи, които се различават по своите функционални характеристики: една фраза винаги се състои от съществителни, прилагателни, глаголи, частични фрази, а електронна схема се състои от кондензатори, съпротивления, триоди и диоди. Чрез комбинирането на тези елементи можете да придадете на фразата едно или друго значение, а схемата "повери" решението на определени задачи.

Полупроводниковите компоненти трябваше да бъдат транзистори. Първите бяха направени от монокристален германий и едва много по-късно - към средата на 50-те години, когато проблемът с нарастващия монокристален силиций беше решен в Texas Instruments, транзисторите започнаха да се правят от този силиций. Това само по себе си веднага се превърна в търговско печелившо предприятие, въпреки техните доста високи разходи по това време (около $ 10 на брой).

През 1951 г. Bell Labs провежда първата си транзисторна конференция и започва да продава патентни лицензи на стойност 25 000 долара за транзисторна технология. Интересувахме се и от лиценза в Centralab, където Килби направи първите стъпки към интеграцията на "Германий". Centralab обаче не беше от компаниите, чиито дейности - производство на слухови апарати и пасивни телевизионни схеми - биха могли да заинтересуват военните през 1956 г., когато пазарът на военни силициеви технологии нараства обещаващо. Texas Instruments притежаваше неизмеримо големи възможности, където Килби работеше почти 45 години и в чиито стени, като част от военен ред, бяха създадени първите интегрални схеми от силиций и германий.

В края на 40-те години Centralab разработва основните принципи на миниатюризацията и създава хибридни схеми с дебел филм на тръби. Веригите са направени върху един субстрат и зоните за контакт или съпротивление са получени чрез просто нанасяне на сребро или въглеродно мастило върху субстрата. Когато технологията на термоядрените транзистори от германий започва да се развива, Centralab предлага да се монтират неупаковани устройства в пластмасова или керамична обвивка, като по този начин транзисторът се изолира от околната среда. На тази основа вече беше възможно да се създадат транзисторни хибридни схеми, "печатни платки". Но всъщност това беше прототипът на съвременното решение на проблема с опаковката и щифтовете на интегрална схема.

Към средата на 50-те години Texas Instruments е в добра позиция да произвежда евтини полупроводникови материали. Но ако транзисторите или диодите са направени от силиций, тогава резисторите в TI предпочитат да бъдат направени от титанов нитрид, а разпределените капацитети от тефлон. Не е изненадващо, че мнозина тогава вярваха, че с натрупания опит от създаването на хибридни схеми, няма проблем при сглобяването на тези елементи, произведени отделно. И ако е възможно да се направят всички елементи с еднакъв размер и форма и по този начин да се автоматизира процесът на сглобяване, тогава цената на веригата ще бъде значително намалена. Този подход е много подобен на процеса на конвейерно сглобяване на автомобили, предложен от Хенри Форд.

По този начин доминиращите тогава схемни решения се основават на различни материали и технологии за тяхното производство. Но англичанинът Джеф Дамър от Royal Radar Establishment през 1951 г. предлага идеята за създаване на електроника под формата на единичен блок, използващ полупроводникови слоеве от същия материал, работещи като усилвател, резистор, капацитет и свързани чрез контактни накладки във всеки слой. Как да го направя практически, Дамър не посочи.

Всъщност отделни резистори и кондензатори могат да бъдат направени от същия силиций, но това би било доста скъпо за производство. Освен това силициевите резистори и кондензатори биха били по-малко надеждни от компонентите, направени по стандартни технологии и от обичайните материали, като титанов нитрид или тефлон. Но тъй като все още имаше основна възможност да се направят всички компоненти от един материал, тогава трябва да се помисли за съответната им електрическа връзка в една проба.

Заслугата на Килби - в практическото изпълнение на идеята на Дамър.

Изпълнение

„Идеята за монолит“ срещна снизходително и иронично отношение от ръководството на Texas Instruments, където те поискаха доказателство, че подобна схема ще работи.

Първата наистина интегрална схема, направена "от нулата" в едно парче полупроводник, беше верига за задействане на германий. Тук вече са използвани както обемното съпротивление Ge, така и капацитетът на pn прехода. Представянето му се състоя в началото на 1959 година. Скоро ползите от планарния процес бяха демонстрирани от Робърт Нойс от Fairchild Semiconductor.

И Килби, и Нойс трябваше да чуят много критики за своите иновации. Смяташе се, че практическата мощност на интегралните схеми ще бъде много ниска, тъй като само 15% от транзисторите, произведени по това време, имат необходимия ресурс за надеждност. На второ място, мнозина вярваха, че в интегралните схеми са използвани грешни материали, тъй като най-добрите електронни компоненти тогава не са направени от полупроводници.

Всички съмнения отпаднаха, когато интегралните схеми бяха успешно използвани в американските военни програми, при подготовката на космическия кораб "Аполо" до Луната и при разработването на ракетата Minuteman. През 1964 г. е създаден първият преносим калкулатор с интегрална схема. Започна тяхното търговско използване, което накрая демонстрира правото им на съществуване.

Как се правят микросхеми?

Превръщането на пясък в малки устройства, съдържащи милиони компоненти, е най-голямото постижение на учените и инженерите, което изглеждаше напълно невъзможно само преди половин век, преди изобретяването на транзистора от Bell Labs през 1947 г. Силицият е естествен полупроводник. При определени условия той е в състояние да провежда електричество, в други случаи действа като изолатор. Електрическите свойства на силиция могат да се променят чрез добавяне на различни примеси към него. Този процес се нарича легиране. Такива добавки превръщат силиция в идеален материал за направата на транзистори - най-простите устройства, които модифицират електрическите сигнали. Транзисторите могат да действат и като превключватели, чиято комбинация ви позволява да реализирате логически операции "и", "или", "не".

Микросхеми се произвеждат във фабрики, в изграждането на които трябва да се инвестират много милиарди долари. В завода пясъкът се разтопява и пречиства, превръщайки се в хомогенни силициеви блокове с чистота 99,9999%. Специални ножове нарязват кюлчетата на плочи с дебелина колкото малка монета и диаметър няколко инча. Плочите се почистват и полират. Всеки от тях се използва за производството на много микросхеми. Тази и следващите стъпки се извършват в така наречената "чиста" стая, в която внимателно се следи липсата на прах и други чужди тела.

Непроводимият слой силициев диоксид на повърхността на силициевата пластина се разширява и се покрива със светлочувствително химично съединение.

Това съединение (фоторезист) е изложено на ултравиолетово лъчение чрез специален шаблон или маска, за да закрепи облъчените области. Необработените зони се ецват с горещ газ, който излага подложката от силициев диоксид отдолу. Субстратът и долният силициев слой се гравират, за да се получи желаната дебелина на пластината.

Фоторезистът, използван в процеса на фотолитография, впоследствие се отстранява, оставяйки релефни издатини върху микросхемата, конфигурацията на която повтаря схемата, показана в маската. Електрическата проводимост на отделните компоненти на микросхемата също може да бъде променена чрез легиране със специален химичен състав при висока температура и налягане. Процедурата за фотолитография с използване на различни маски, последвана от офорт и допинг, се повтаря многократно за всяка микросхема. Така на всеки етап получаваме все по-сложна интегрална схема.

За да се образуват проводниците, които свързват отделните компоненти, предварително гравирани върху микросхемата, тя е покрита с тънък слой метал (обикновено алуминий или мед). След това целият метал се отстранява чрез литография и офорт, с изключение на тънките проводници. Понякога върху микросхемата се наслагват няколко слоя проводници, разделени от стъклени изолатори.

Споделете материала с колеги и приятели