Александр Иванович Шокин. Портрет на фоне эпохи

Надежность полупроводниковых приборов очень высока, интенсивность отказов в эксплуатации составляет для лучших приборов менее 10^-9 отказов в час, что соответствует одному отказу из 1 млрд приборов, работающих в течение часа, или одному из 1 млн приборов, работающих 1000 часов.

Рис. 9. Завод, выпускающий полупроводниковые приборы

Рис. 10. Цех по производству полупроводниковых приборов

Пятилетний план развития электронной промышленности на 1971–1975 гг. предусматривает дальнейший значительный рост выпуска полупроводниковых приборов.

Микроэлектроника

Усложнение электронных систем управления, жесткие требования ракетной, авиационной и космической техники поставили перед электроникой задачу: повысить надежность приборов и резко снизить их габариты, вес и потребляемую мощность. Решение этой задачи оказалось возможным только на базе микроэлектронной техники, на базе интегральных схем. Интегральные схемы – это функционально законченные электронные устройства, состоящие из многих электронных компонентов. В больших интегральных схемах число компонентов доходит до 2000 на одной подложке, а в обычных – от 10 до 50. Ряд таких схем представлен на рис. 11.

На рис. 12 показана интегральная схема и эквивалентное ей количество дискретных компонентов.

Полупроводниковые микроэлектронные схемы формируются на кремниевых пластинах, диаметр которых составляет 25 или 40 мм (в настоящее время ведется работа по освоению пластин диаметром 80 мм). На такой пластине создается от 2500 до 60 000 отдельных электронных приборов; это сотни и тысячи интегральных схем.

Основным фактором повышения производительности труда при организации массового выпуска интегральных схем является широкое использование групповых технологических процессов, позволяющих, несмотря на сложность оборудования, выпускать схемы, доступные по цене для любого потребителя.

Рис. 11. Интегральные схемы различных типов

Рис. 12. Интегральная схема и эквивалентное ей количество дискретных компонентов

Считается, что около 70 % функциональных схем во всех типах электронной аппаратуры может быть заменено интегральными схемами. Так, например, современный радиовещательный приемник может быть собран на пяти интегральных схемах. В дальнейшем дискретные приборы не исчезнут, но по мере совершенствования и снижения стоимости интегральных схем последние будут все больше применяться в крупносерийной аппаратуре.

Переход на интегральную схемотехнику радикально меняет сам характер мышления инженеров, разрабатывающих радиоэлектронные системы. Это в равной мере относится и к инженеру-разработчику интегральных схем; последний должен не только основательно знать схемотехнику, но и математику, физику, химию, металлургию и целый ряд других дисциплин.

Американские специалисты считают, что интегральная электроника часто применяется нерационально. В ряде случаев существующие дискретные компоненты, имея более низкую стоимость, ни в чем не уступают интегральным схемам. Что же касается объема или веса, то, например, в обычных радиоприемниках, стереофонической аппаратуре, телевизорах и т. п. сокращение объема ограничено размерами кинескопа, громкоговорителя, органов настройки и т. п., поэтому преимущества микроэлектроники здесь будут определяться только стоимостью интегральных схем.

В электронной промышленности разработана электронная вычислительная машина «Электроника 70» на дискретных компонентах, эта машина решает дифференциальные и интегральные уравнения, вычисляет тригонометрические функции и логарифмы чисел, а также производит ряд других операций; имеет малые габариты и практически заменяет крупную машину в тех случаях, когда не нужна большая память.

Машина смонтирована на 8-слойных печатных платах, все соединения между которыми выполнены гальваническим способом. Если эти соединения делать из проводов, то потребовалось бы 5 тысяч метров (18 кг) монтажного провода.

Очень важными становятся связи разработчиков аппаратуры с изготовителями таких схем. Потребитель должен разобраться и понять, в какой мере изготовитель может выполнить его требования. Слишком много заказчиков, и не только у нас, но и в США, пыталось указывать изготовителю ИС, что ему нужно производить, не понимая специфических ограничений технологии. В результате обеим сторонам приходилось нести потери как материальные, так и во времени.

Когда систему строят на интегральных схемах, а не на дискретных компонентах, требования к техническим характеристикам элементов существенно изменяются.

В связи с этим хочу обратить внимание на прогноз американской фирмы «Ай Си Эй», опубликованный в первом номере журнала «Майкровейвз» за 1970 г. В нем сказано следующее: «Фирма, изготавливающая системы, стоит перед возможностью превратиться в «бумажную» организацию, занимающуюся лишь разработкой технических условий и сборкой компонентов, в то время как фирма, изготавливающая компоненты, будет выпускать все более крупные и все более законченные части систем». Микроэлектроника является, пожалуй, единственной отраслью промышленности, где в наиболее массовом количестве изготавливаются детали размером 5—100 мк с точностью до 1–2 мк, а толщина отдельных структурных элементов выдерживается с точностью до 0,1 мк.

Малым геометрическим размерам сопутствуют уникальные процессы введения – различных примесей, количество которых исчисляется миллионными долями. В технологическом процессе используются уникальная оптика точнейшие механизмы перемещения, новейшие достижения в области точной фотографии, высокотемпературные физико-химические процессы, регулируемые с точностью до 1/4 °C на уровне 1000–1200 °C (рис. 13) химические реакции и фотохимические явления, десятки сверхчистых веществ с количеством примесей не более одной на 10—100 миллионов частей основного материала и сложная измерительная аппаратура, управляемая электронными вычислительными машинами.

При изготовлении интегральных схем применяется более 200 технических операций. Чистота атмосферы на многих операциях должна быть такой, чтобы в литре воздуха было не более 1–2 пылинок размером менее 0,5 мк.

В области технологии производства интегральных схем решены еще далеко не все задачи. Существует много проблем. Остановимся на некоторых из них.

Рис. 13. Производство интегральных схем: цех диффузии

В процессе фотолитографии, т. е. создания на поверхности полупроводника рельефа необходимой конфигурации, приходится использовать, до девяти фотошаблонов. Каждый шаблон надо совмещать с отпечатками от предыдущего с точностью до 0,25—0,5 мк. Это очень сложно, малейшее смещение приводит к браку. Этих точностей мы еще не достигли.

Отечественное оптико-механическое оборудование не удовлетворяет современным требованиям по точности совмещения и разрешающей способности объективов, что затрудняет разработку сложных быстродействующих интегральных схем.

Необходимо дальнейшее сокращение размеров структурных элементов интегральных схем. Субмикронные размеры элементов этих схем означают повышение быстродействия, степени интеграции, процента выхода годных схем, и в конечном счете определяют их стоимость.

В микроэлектронике большое значение приобретает создание электронно-ионной (элионной) технологии производства интегральных схем. Эта технология в принципе должна обеспечить высокий процент выхода годных схем и высокую производительность оборудовали. Но здесь также много нерешенных проблем. Элионная установка, устроенная в МЭП по принципу ускорителей элементарных частиц и масс-спектрометра, показана на рис. 14.