Николай Симонов - Несостоявшаяся информационная революция. Условия и тенденции развития в СССР электронной промышленности и средств массо

В середине 1980-х микропроцессоры практически вытеснили прочие виды CPU – central processor unit (центральный процессор ЭВМ), – вследствие чего термин «центральный процессор» превратился в синоним слова «микропроцессор». Тем не менее, это не так: центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня представляют собой сложные комплексы, построенные на основе микросхем сверхбольшой (СБИС) интеграции. Процессор Pentium Pro , выпущенный в 1995 г., и интегрирующий 21×106 транзисторов, на самом деле является гибридом, состоящим из двух кристаллов: собственно процессора на 5.5×106 элементов, и так называемой «кэш» – памяти второго уровня на 15.5× 106 элементов.

Таблица 1.

Все компоненты микропроцессора одновременно собирается на одном кристалле кремния (чипе), подобно пицце, которая, в конце концов, продается порезанной на куски. Для моделирования и тестирования функций будущего изделия используются рабочие станции автоматизированного проектирования (САПР).

Технология включает около 700 физико-химических операций – «шагов». На первых шагах из тяжеленной длинной цилиндрической болванки (слитка) кремния чистотой 99,9999 %, алмазными дисками нарезаются тонкие пластины. Затем они полируются до зеркального блеска механическими и химическими методами.

Отполированные пластины помещают в камеру, где под воздействием высокой температуры и давления происходит окисление кремния и образование на его поверхности защитной пленки. После этого защитную пленку удаляют с тех мест, которые будут подвергаться дальнейшей обработке, с целью создания схем транзисторной и диодно-транзисторной логики. Удаление пленки осуществляется посредством травления химическими реактивами, а для того, чтобы в результате этой операции оксидная пленка удалялась только в нужных местах, на поверхность ее наносят слой фоторезиста (особого состава, который изменяет свои свойства под воздействием ультрафиолетового излучения).

После процедуры травления на кремниевой основе остается топологический рисунок, на котором обозначены места дислокации будущих активных элементов (транзисторов). Начинается самый ответственный этап – внедрение в эти области легирующих примесей (мышьяка, бора и т. д.) для создания структур с необходимыми n-n и p-p переходами.

Процесс внедрения примесей осуществляется посредством ионной имплантации, при которой ионы нужной примеси излучаются высоковольтным ускорителем и, обладая достаточной энергией, проникают в поверхностные слои кремния. Этап ионной имплантации завершается созданием необходимого слоя полупроводниковой структуры, в котором могут быть сосредоточены миллионы транзисторов. Далее, транзисторы в нужной последовательности соединяются между собой проводниками – контактами стоков, истоков и затворов. Осуществить требуемую разводку в пределах того же слоя, где расположены сами транзисторы, нереально – неизбежны пересечения между проводниками, потому для соединения транзисторов друг с другом применяют послойную металлизацию. Для этого по маске в нужных местах вытравливается слой диоксида кремния, и соответствующие окна заполняются атомами металла. Для создания очередного слоя на полученном рисунке схемы выращивается дополнительный слой диоксида кремния и т. д. Процесс нанесения слоев заканчивается, когда электрическая цепь полностью собрана.

Поскольку за один раз на одной пластине создается несколько десятков процессоров, на следующем этапе они разделяются на матрицы и тестируются. На ранних этапах развития микропроцессорных технологий отбраковывалось более 50 % матриц, сейчас процент выхода выше, но 100 % результата пока еще никто не достиг.

Производство микропроцессоров предъявляет очень высокие требования к качеству материалов, точности работы оборудования и условиям производства. Обработка пластин должна осуществляться по высшему классу чистоты обработки поверхности с отклонением от плоскости не более 1 мкм. Запыленность воздуха не должна превышать 3000 пылинок на 1 м 3, а на рабочем месте возле обрабатываемой пластины – не более 30 пылинок. Для сравнения заметим, что в одном кубическом метре обычного городского воздуха содержится около 50 миллионов пылинок.

У этой «идеальной чистоты», к сожалению, есть и обратная сторона, о которой не принято говорить. При изготовлении интегральных микросхем и микропроцессоров используются такие технологии, как эпитаксия, диффузия, травление кристаллов, напыление металлов. Вот, к примеру, какие «ингредиенты» и процессы при этом задействованы: травление плавиковой кислотой (смесь азотной, уксусной и концентрированной серной кислот), испарения которой способны убить всё живое; обжиг в водородных печах; вакуумное напыление алюминия; промывка в активных реагентах – три-хлорэтил и четырех-хлорэтил, ацетон; высокотемпературная диффузия соединениями фосфора с водородом и т. д. Всё это сопровождается выбросами ядовитых летучих соединений в атмосферу, ядовитыми выбросами в водоёмы, в почву…