На початку 50-х років представники оборонного і космічного відомств США першими задумалися над межами прогресу лампових систем. І стали надавати - спочатку обережно, а потім все більш активно - фінансову підтримку проектам, спрямованим на побудову повністю інтегрованих електронних систем з твердотільних компонентів. Це стало початком заходу «лампової ери», але філософія електронної інтеграції не зазнала істотних змін і як і раніше нагадувала філософію побудови пропозиції. В електроніці, як в людської мови, є масив стандартних елементів, що розрізняються за своїми функціональними особливостями: фраза завжди складається з іменників, прикметників, дієслів, причетних оборотів, а електронна схема - з ємностей, опорів, тріодів і діодів. Комбінуючи ці елементи, можна надавати фразі той або інший зміст, а схемою «доручати» рішення тих чи інших завдань.
Твердотільними компонентами повинні були стати транзистори. Найперші були виготовлені з монокристалічного германію і лише значно пізніше - до середини 50-х років, коли в Texas Instruments була вирішена проблема зростання монокристалічного кремнію, транзистори стали виготовлятися з цього кремнію. Це само по собі відразу ж стало комерційно вигідною справою, незважаючи на досить високу на ті часи їх вартість (близько 10 дол. За штуку).
1951 рік ознаменувався тим, що Bell Labs провела свою першу конференцію з транзисторів і почала продавати патентні ліцензії вартістю 25 тис. Дол. На транзисторні технології. Зацікавилися ліцензією і в компанії Centralab, де Кілбі і зробив перші кроки в напрямку «германієвої» інтеграції. Однак Centralab була тією компанією, діяльність якої - виробництво слухових апаратів і пасивних телевізійних схем - могла б зацікавити військових в 1956 році, коли ринок військових кремнієвих технологій ставав перспективним. Незмірно великими можливостями володіла Texas Instruments, де Кілбі пропрацював без малого 45 років і в стінах якої в рамках військового замовлення були створені перші кремнієва і германієвих інтегральні схеми.
Ще в кінці 40-х років в Centralab були розроблені основні принципи мініатюризації і створені лампові товстоплівкові гібридні схеми. Схеми виконувалися на єдиній підкладці, а зони контактів або опору виходили простим нанесенням на підкладку срібною або друкарською вугільної фарби. Коли ж стала розвиватися технологія германієвих сплавних транзисторів, в Centralab було запропоновано монтувати безкорпусні прилади в пластикову або керамічну оболонку, ніж досягалася ізоляція транзистора від навколишнього середовища. На цій основі можна було вже створювати транзисторні гібридні схеми, «друковані плати». Але, по суті справи, це був прообраз сучасного вирішення проблеми корпусування і висновків інтегральної схеми.
До середини 50-х років Texas Instruments мала всі можливості для виробництва дешевих напівпровідникових матеріалів. Але якщо транзистори або діоди виготовлялися з кремнію, то резистори в TI воліли робити з нітриду титану, а розподілені ємності - з тефлону. Не дивно, що багато хто тоді вважали, що при накопиченому досвіді створення гібридних схем немає проблем в збірці цих елементів, виготовлених окремо. А якщо вдасться виготовити всі елементи однакового розміру і форми і тим самим автоматизувати процес складання, то вартість схеми буде значно знижена. Цей підхід дуже нагадує запропонований Генрі Фордом процес конвеєрного складання автомашин.
Таким чином, в основі домінували тоді схемних рішень лежали різні матеріали і технології їх виготовлення. Але англійцем Джеффом Даммера з Royal Radar Establishment в 1951 році було висунуто припущення про створення електроніки у вигляді єдиного блоку за допомогою напівпровідникових шарів одного і того ж матеріалу, що працюють як підсилювач, резистор, ємність і з'єднаних вирізаними в кожному шарі контактними майданчиками. Як це зробити практично, Даммер не вказав.
Власне, окремі резистори і ємності можна було робити з того ж кремнію, проте це було б досить дороге виробництво. Крім того, кремнієві резистори та ємності були б менш надійні, ніж компоненти, виготовлені за стандартними технологіями і з звичних матеріалів, тих же нітриду титану або тефлону. Але так як все ж була принципова можливість виготовити всі компоненти з одного матеріалу, то слід було б подумати про їх відповідне електричному з'єднанні в одному зразку.
Заслуга Кілбі - в практичній реалізації ідеї Даммера.
Реалізація
«Ідея моноліту» зустріла поблажливо-іронічне ставлення з боку керівництва Texas Instruments, де зажадали доказів того, що подібна схема буде працездатна.
Першою ж дійсно інтегральної схемою, виконаною «з нуля», в одному шматку напівпровідника, виявилася германієвої триггерная схема. Тут уже були використані і об'ємний опір Ge, і ємність p-n-переходу. Її презентація відбулася на початку 1959 року. Незабаром Робертом Нойсом з Fairchild Semiconductor були продемонстровані переваги планарного технологічного процесу.
Як Кілбі, так і Нойсу довелося вислухати чимало критичних зауважень з приводу своїх новацій. Вважалося, що практичний вихід інтегральних схем буде дуже низьким, тому що всього 15% виготовлених в той час транзисторів мали необхідний ресурс надійності. По-друге, багато хто вважав, що в інтегральних схемах використовуються невідповідні матеріали, оскільки кращі електронні компоненти тоді робилися аж ніяк не з напівпровідників.
Усі сумніви були відкинуті, коли інтегральні схеми були успішно використані у військових програмах США, в програмах підготовки польоту космічного корабля «Аполлон» на Місяць і розробки ракети «Мінітмен». У 1964 році був створений перший портативний калькулятор на інтегральних схемах. Почалося їх комерційне використання, що і було остаточно продемонстровано їх право на існування.
Як роблять мікросхеми?
Перетворення піску в крихітні пристрої, що включають в себе мільйони компонентів, - найбільше досягнення вчених і інженерів, що здавалося абсолютно неможливим всього півстоліття тому, до винаходу в 1947 році співробітниками лабораторії Bell Labs транзистора. Кремній - природний напівпровідник. При певних умовах він здатний проводити електрику, в інших же випадках виступає в ролі ізолятора. Електричні властивості кремнію можна змінювати, додаючи в нього різні домішки. Цей процес називається легуванням. Подібні добавки перетворюють кремній в ідеальний матеріал для виготовлення транзисторів - найпростіших пристроїв, видоизменяющих електричні сигнали. Транзистори можуть також виконувати функції перемикачів, комбінація яких дозволяє реалізувати логічні операції «і», «або», «не».
Мікросхеми випускаються на заводах, в будівництво яких необхідно вкласти багато мільярдів доларів. На заводі пісок плавиться і очищається, перетворюючись в однорідні злитки кремнію з чистотою 99,9999%. Спеціальні ножі розрізають злитки на пластини товщиною з дрібну монету і діаметром в декілька дюймів. Пластини очищаються і шліфуються. Кожна з них служить для виготовлення безлічі мікросхем. Цей і наступний етапи виконуються в так званій «чистій» кімнаті, в якій особливо ретельно стежать за відсутністю пилу і інших чужорідних тіл.
Непровідний шар діоксиду кремнію на поверхні кремнієвої пластини розширюється і покривається світлочутливим хімічною сполукою.
Це з'єднання (фоторезист) піддається впливу ультрафіолетового опромінення через спеціальний шаблон, або маску, для закріплення ділянок, оброблених випромінюванням. Необроблені області протравливаются гарячим газом, який оголює підкладку діоксиду кремнію, що знаходиться внизу. Підкладка і нижній шар кремнію витравлюються для отримання пластини потрібної товщини.
Фоторезист, задіяний в процесі фотолітографії, згодом видаляється, залишаючи на мікросхемі рельєфні виступи, конфігурація яких повторює схему ланцюга, представлену в масці. Електричну провідність окремих компонентів мікросхеми також можна змінити за рахунок легування їх спеціальним хімічним складом при високій температурі і тиску. Процедура фотолитографии з використанням різних масок, за якою слідує витравлювання і легування, повторюється для кожної мікросхеми багаторазово. Таким чином на кожному етапі ми отримуємо все більше складну інтегральну схему.
Для формування провідників, які пов'язують окремі компоненти, витравлені раніше на мікросхемі, вона покривається тонким шаром металу (як правило, це алюміній або мідь). Після цього шляхом літографії і витравлення видаляється весь метал, за винятком тоненьких провідників. Іноді на мікросхему накладається декілька шарів провідників, розділених скляними ізоляторами.
Поділіться матеріалом з колегами і друзями