Николай Симонов - Несостоявшаяся информационная революция. Условия и тенденции развития в СССР электронной промышленности и средств массовой коммуникации. Часть I. 1940–1960 годы

Интегральные схемы значительно сократили габариты электронных изделий и устранили необходимость сварки контактов радиодеталей паяльными жалами – филигранной и трудоемкой операции, выполняя которую даже самые опытные сборщики и наладчики допускали в среднем по 10 ошибок на 1000 спаек.

Превращение Японии в мировой центр высоких технологий во многом стало возможно, благодаря использованию дешевого труда стрессоустойчивых, опрятных, дисциплинированных и добросовестных сельских девушек. Переехав в города, они заняли рабочие места в цехах и лабораториях, и своими длинными и гибкими пальчиками обеспечили ставшее легендарным качество японской электронной аппаратуры. В конце 1960-х гг. этот опыт решили внедрить в СССР, в частности, на Западной Украине, располагавшей избыточным сельским населением. Деревенских девушек везли в города и ставили к конвейеру. Увы, японский опыт не сработал: даже на заводах, выпускавших электронику для военных целей, брак иногда доходил до 100 %. Когда стали выяснять причины, по которым наши «заводские девчата» оказались настолько менее эффективными, чем японские, обнаружилось одно недоучтенное поначалу обстоятельство. Хотя японок действительно везли в города из сел, происхождение у них было отнюдь не крестьянское – они росли в семьях потомственных ремесленников, то есть там, где на протяжении многих столетий оттачивались навыки кропотливого труда и работы с весьма деликатными инструментами. Отсюда и гибкие пальцы, и усидчивость, и дисциплина, и готовность к самопожертвованию. [11] Менцин Ю. Л. Тонкие пальчики японских нанодевочек// Вокруг света. – 28.08.2007.

Вначале ИС использовались в электронных калькуляторах, затем их стали встраивать в другие устройства, например терминалы, принтеры и различную автоматику. Интегральные схемы – элементная база третьего поколения ЭВМ, повысившая их быстродействие и объем оперативной памяти. Потребности гражданской и военной промышленности год от года росли, и в результате в 1969 г. в США было произведено 350 млн. ИС, то есть за 7 лет их производство выросло в 700 раз!

Еще никогда в истории ни одна отрасль промышленности не росла столь стремительными темпами, причем, не в ущерб стоимости и качеству продукции.Уменьшение топологических размеров элементов микросхем приводит к удельному уменьшению цены одного транзистора в разы. За счет увеличения количества транзисторов в одной микросхеме, соответственно, увеличивается количество функций, которые она может выполнять, и уменьшается удельная цена каждой отдельной функции. Один из основателей Intel Гордон Мур как-то остроумно заметил, что «если бы автомобилестроение развивалось со скоростью эволюции полупроводниковой промышленности, то сегодня Ролс Ройс мог бы проехать полмиллиона миль на одном галлоне бензина, и дешевле было бы его выбросить, чем заплатить за парковку».

По конструктивно-технологическому исполнению все ИС подразделяются на следующие типы:

• Пленочные микросхемы – все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде пленок:

– толстоплёночная интегральная схема (нанесение слоев паст толщиной от 1 до 25 мкм);

– тонкоплёночная интегральная схема (вакуумное напыление плёнок толщиной до 1 мкм).

• Полупроводниковые микросхемы – все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния или германия).

• Гибридные микросхемы – кроме полупроводникового кристалла содержат несколько бескорпусных диодов, транзисторов и (или) других электронных компонентов, помещенных в один корпус.

Микросхема, исполненная на пленке, напоминает слоеный пирог. На основание схемы – германиевую или кремниевую пластину толщиной не более 0,5 мм – наносят, слой за слоем, различные материалы: алюминий играет роль проводника, нихром – сопротивления, окись кремния – диэлектрика. При этом каждый слой получает рисунок от фотошаблона, созданного на этапе схемотехнического проектирования. В результате образуются компоненты ИС – участки, эквивалентные по своим свойствам транзисторам, конденсаторам и резисторам.

При изготовлении полупроводниковых ИС (англ. system-on-chip) требуется неоднократное проведение фотолитографического процесса с воспроизведением на исходном чипе совмещающихся между собой различных рисунков (фотошаблонов). Элементы будущей ИС создаются посредством легирования, то есть внедрения (загонки) в пластину различных примесей и их распределения (разгонки) по требуемому объему. Основным методом легирования является диффузия парами гидрида фосфора, мышьяка и бора при температуре 1100–1200 градусов Цельсия.

Точность поддержания температуры, постоянство концентрации примеси у поверхности чипа, длительность процесса отжига определяют распределение примеси по толщине пластины и, соответственно, точные параметры элементов будущей микросхемы. Скорость роста эпитаксиального слоя – порядка 1 мкм/мин, но ее можно регулировать. Толщина эпитаксиального слоя составляет от нескольких микрометров для сверхвысокочастотных транзисторов до ~100 мкм для высоковольтных тиристоров.

Важнейшая характеристика ИС – степень интеграции, то есть число активных элементов (для определённости – транзисторов) в одной сборке. Вплоть до середины 1960-х годов среди производителей полупроводниковых приборов господствовало убеждение в том, что, по мере насыщения ИС активными элементами, практический выход пригодных изделий будет столь низким, что никогда не принесет выгоды. «Это – эффект множества яиц: чем больше вы их накладываете в корзину чипа, тем вероятнее, что он будет плохой», – утверждал в 1965 г. вице-президент Bell Labs Джек Мортон, считавшийся гуру транзисторной схемотехники. [12] Шевченко В. Bell Labs: упущенная возможность, или Роль личности в технологии// Компьютерное обозрение. – 2007. № 23 (591).

Военные программы и подготовка полета космического корабля «Аполлон» на Луну потребовали создания миниатюрных электронных приборов на базе микросхем, содержащих до 25 элементов. Немаловажное значение для повышения степени интеграции элементов ИС имело решение корпорации IBM о разработке электронных запоминающих устройств на базе МОП-транзисторов («Металл-Окисел-Полупроводник»). Данный проект предусматривал создание ИС, содержащих не менее 215 элементов на одном чипе.

Применение технологий ионной имплантации позволило существенно повысить точность управления концентрацией и глубиной легирования. Основными блоками ионно-лучевой установки являются: источник ионов, ионный ускоритель, магнитный сепаратор, система сканирования и камера, в которой находится бомбардируемый образец. Позднее, в 1980-е годы, для контроля топологических чертежей и фотошаблонов стали применять ЭВМ, что обеспечило высокое качество разработок и привело к созданию систем машинного проектирования сверхбольших интегральных схем (СБИС).