Его величество транзистор
Ключевое словосочетание в определении из БСЭ - "интегральная микросхема", ведь именно возможность создавать высокоинтегрированные электронные схемы позволила вычислительной технике развиваться столь стремительными темпами. Многим известно, что до применения транзисторов существовали ламповые компьютеры, но их габариты, сложность обслуживания и быстродействие было на абсолютно доисторическом уровне. В любом случае, появлению полупроводниковых устройств мы обязаны в первую очередь общепризнанным изобретателям транзистора - исследователям Bell Labs - Джону Бардену, Уолтеру Брэттэну и Уильяму Шокли (J.Barden, W.Brattain, W.B.Shockley). Почему "общепризнанным"? Дело в том, что за много лет до того, в 1922 году, наш соотечественник, радиолюбитель из Нижнего Новгорода - 19-летний Олег Лосев создал первый в мире полупроводниковый усилитель! И это еще не все - после недолгих экспериментов молодой Левша сконструировал на основе своего изобретения приемник и назвал его "кристадин" (от слова кристалл). Важным моментом в этой истории является тот факт, что изобретение Лосева не было незамеченным - о его кристадинах в те времена писала вся научная пресса, называя новое изобретение не иначе как "переворот в радиоэлектронике, вытесняющий вакуумную лампу". Поэтому к вкладу в становление основ современной микроэлектроники в немалой степени причастны и российские исследователи. Впрочем, важность открытия ученых из лаборатории Bell тоже нельзя недооценивать, ведь переворот, о котором так много писали в 1930-е годы, свершился только через четверть века, когда физика твердого тела доросла до уровня кристадина и смогла объяснить суть явлений, происходивших в нем.
Революционное значение транзистора - в его малых размерах, ведь объединение большого числа транзисторов на единой подложке позволило сначала создавать отдельные функциональные узлы, чуть позже процессоры, а теперь и законченные интегрированные устройства. Одновременно уменьшались габариты вычислительных машин, и возрастала их производительность.
Для того чтобы наглядно представлять принцип работы современных процессоров, что называется "из сердца", стоит рассказать, как они производятся.
Поэтому мы кратко коснемся технологии выращивания микросхем. Главный материал при полупроводниковом производстве - кремний, самый распространенный полупроводник на Земле. Именно из него создают подложки современных микросхем. Для этой цели применяется химически чистый кремний, который переплавляется в большие цилиндрические заготовки. После множества дополнительных химических чисток монокристалл кремния разрезается на тончайшие пластины - именно они в будущем и послужат подложкой для изготовления кристаллов процессоров. До недавнего времени стандартом при производстве кремниевых пластин являлся типоразмер 200 мм, однако сейчас все больше компаний переходит на заготовки с диаметром 300 мм. Необходимо отметить, что использование 300-мм заготовок выгодно, в первую очередь, с экономической точки зрения, так как в этом случае сокращается производственный цикл - указанные стадии для одного и того же количества создаваемых процессоров производятся реже. Кроме того, переход от 200-мм пластин к 300-мм, дает увеличение их эффективной площади на 240%. По данным компании Intel, одна только экономия воды, задействованной при шлифовке и полировке кремниевых пластин, достигает 40%. Экономия электроэнергии также довольно высока. В целом, ввод в эксплуатацию оборудования, рассчитанного на использование увеличенных пластин, сказывается на себестоимости готовой продукции, позволяя экономить около 30% на технологических ресурсах и около 50% - на снижении трудозатрат. Поэтому многие компании активно переориентируют свое производство под новый типоразмер. Однако вернемся к процессу производства микросхем. Одним из первых этапов производства микропроцессоров является воздействие на заготовку кислородом, которое происходит под высокой температурой. Таким образом, на поверхности заготовки создается тончайший слой диоксида кремния. Затем на полученную механически защищенную пластину наносят специальные обозначения, по которым позже пластина будет позиционироваться в экспонирующих аппаратах.
Следующий наносимый слой - фоторезист ( светочувствительное вещество, которое при облучении становится растворимым в определенных веществах). Именно это его свойство используется для того, чтобы "открыть" слой кремния в необходимых местах для последующей обработки. Полученная фоточувствительная заготовка устанавливается, по нанесенным заранее разметкам, в специальный экспонометр, с помощью которого на пластине формируется первичное изображение. Негативом в экспонометре служит прецизионная маска, она обычно больше пластины и создается отдельно для каждого слоя микропроцессоров (их несколько). В основе ее создания лежит эффект отрыва электронов с поверхности металла, позволяющий бомбардировкой электронов создавать на кварцевом стекле хромовые рисунки, служащие впоследствии негативом. В результате засвеченный слой, чьи структура и химические свойства изменились под действием излучения, а также находящийся под ним слой диоксида кремния могут быть удалены с помощью химикатов, методом травления (каждый слой - своим химикатом). Так изготовляются профили, где каждый выступ представляет собой одну из составных частей интегральной микросхемы - транзисторов, формирующих логические блоки создаваемого процессора. В наиболее современных процессорах компании Intel, на базе ядра Prescott применяется семь слоев металлизации (в Northwood - шесть), которые организуют необходимые электрические связи между блоками процессора. Наведения электрических связей в кристалле также производятся методом фотолитографии - в пластине производятся новые выемки, куда закладывают алюминий или медь. Медь является более выгодным электрическим и термопроводящим элементом, однако на пути ее внедрения в микропроцессор возникла определенная проблема, давшая почву для размышлений о скором конце кремниевой технологии. Суть проблемы в том, что в нормальных условиях медь не образует электрический контакт с кремнием. Однако после более глубоких исследований ученым удалось найти способ соединения с применением сверхтонкой полимерной разделительной области между кремниевой подложкой и медными проводниками, предотвращающей диффузию этих материалов. Чтобы отделить готовый слой от создаваемого, на первичное изображение микросхемы напыляется новый слой диоксида кремния.После этого на него наносится еще один слой поликристаллического кремния и новый фотослой. Далее при помощи следующей фотомаски создается рельеф второго слоя, который путем высвечивания фоторезиста и последующего его травления организует на микросхеме рабочие элементы "второго этажа". Потом на микросхему вновь наносится слой металлизации, таким образом, цикл повторения замыкается и может продолжаться далее. При создании современных процессоров обычно наносится порядка 20 слоев. Конечный этап при производстве процессоров - разрезание плиты кристаллов, монтировка их в корпуса, подключение к сокетным выводам, тесты и, наконец, упаковка.
