В еще большей степени, нежели пленочные схемы, проблему микроминиатюризации радиоэлектронной аппаратуры позволяет решить "планарная" технология изготовления твердых, или, как их еще называют, интегральных схем. Твердые схемы — прямые потомки полупроводниковых триодов и диодов. Размеры кристаллов, которые применяются в полупроводниковых приборах, — примерно порядка 1 мм. Но работает в таком кристалле практически лишь небольшой слой толщиной в несколько микрон — так называемый р — n-переход, т. е. район, где смыкаются две зоны кристалла с различной проводимостью — дырочной, положительной (р — positiv), и электронной, отрицательной (n — negativ). В твердых же схемах с помощью очень тонких и сложных технологических приемов в одном кристалле создают десятки подобных р — n-переходов, выполняющих обязанности диодов, транзисторов, конденсаторов, сопротивлений и др. Выражаясь техническим языком, интегральная схема — это "микроминиатюрная структура, в которой многочисленные радиоэлементы соединяются в схему на поверхности или внутри одной основы".
Рис. 14. Последовательность технологических операций при изготовлении планарного транзистора. а) Окисление; б) удаление окисной пленки из базовой области; в) диффузия примеси, формирующей базовую область; г) удаление окисной пленки 'из эмиттерной области; д) диффузия примеси, формирующей эмиттерную область; е) удаление окисной пленки из областей контактов; ж) нанесение металлических контактов
На рис. 14 показана последовательность технологических операций при изготовлении планарного транзистора. При производстве планарных транзисторных структур сначала окисляют поверхность кремниевой заготовки, а затем на этой поверхности методом фотолитографии и последующего вытравливания окисной пленки плавиковой кислотой получают незащищенные области кремния для создания базы. На эту незащищенную поверхность заставляют диффундировать одну из акцепторных примесей, для которой окисел является эффективной маской. Далее окисную пленку удаляют из областей, в которых затем создают эмиттер. Вследствие диффузии одной из донорных примесей в кристалл кремния образуется область с электронной проводимостью — эмиттер. Следующая операция заключается в удалении окисла с части эмиттерной и базовой областей для выполнения омических контактов. Наконец, в результате последней операции также методом фотолитографии создают необходимую систему металлизированных выводов.
Вероятно, если бы лесковскому Левше довелось сегодня познакомиться с изящностью методов планарной технологии и виртуозным мастерством инженеров по созданию твердых схем, великий умелец не поверил бы глазам своим. Да и у нашего современника, в течение многих лет привыкшего к так называемому классическому, навесному, монтажу, в плену которого радиотехника находилась не один десяток лет, результаты, полученные на интегральных схемах, с большим трудом укладываются в сознании. Согласитесь, что нелегко представить себе усилитель низкой частоты мощностью в 5 вт, размером с копейку или кремниевую пластинку диаметром с наручные часы, на которой сформированы одновременно 65 твердых схем, каждая из которых содержит 15 транзисторов, 7 диодов, 15 сопротивлений и целый лабиринт соединений! В результате замены обычных деталей интегральными микроузлами объем американских электронных счетных машин для управления снарядами удалось уменьшить в 66 раз, а вес — в 23 раза.
Наряду с резким уменьшением габаритов и веса радиоэлектронной аппаратуры, интегральные схемы позволяют успешно решить и такую фундаментальную задачу электроники сегодняшнего и завтрашнего дня, как повышение надежности. Ведь в твердых схемах отсутствуют соединения цепей, выполненные с помощью пайки, — один из самых ненадежных элементов радиоэлектронных систем. Согласно одному подсчету, в 1960 г. в электронной вычислительной машине, работающей на лампах, повреждение возникало один раз в 8,65 час. В 1964 г., после перехода на электронные вычислительные машины на транзисторах, число аварий сократилось до одного случая в 74 час. Применение интегральных схем дает еще большие преимущества. В 1965 г., когда были применены первые интегральные схемы, в работающей на них электронной вычислительной машине одно повреждение приходилось на 1650 час работы. Предполагается, что к 1970 г. длительность безаварийной работы достигнет 12 400 час.
Одним из важнейших достоинств интегральных схем является то, что они позволяют резко снизить потребляемую мощность. Ниже приводится таблица, показывающая улучшение важнейших параметров усилительного каскада при его переводе на твердые схемы.
Таблица 3
Сейчас в твердых схемах достигнута объемная плотность монтажа, эквивалентная примерно 2 — 3 тысячам радиоэлементов в 1 см3. Это значит, что в кристалле кремния размером меньше булавочной головки может разместиться микросхема, содержащая (в пересчете на обычные радиодетали) 30 — 40 элементов. Но это еще не предел. По мнению ряда специалистов, в недалеком будущем в 1 см3 твердой схемы можно будет "вогнать" до 300 тысяч радиодеталей! К этому нужно добавить очень важное обстоятельство — сама методика изготовления молектронных схем обеспечивает надежность электронной техники, близкую к 100%.
Наступает эра микроэлектроники. Это не пустая звонкая фраза. Опыт создания твердых схем подготовил по существу новый этап микроминиатюризации — переход процесса изготовления электронных устройств на атомно-молекулярный уровень[28]. Электронная техника начинает прятаться в недра вещества. Рассматривая твердое тело как систему со многими частицами в небольшом объеме, ученые стремятся к тому, чтобы использовать все 1023 атомов, заключенных в каждом кубическом сантиметре твердого тела. В таком объеме теоретически можно разместить миллионы элементов электронной схемы.
В последнее время в производстве молектронных схем начали применяться ионнолучевые установки, электроннолучевая и лазерная техника, которые имеют большие перспективы дальнейшего развития. Дифракция не позволяет сфокусировать свет в точку диаметром менее 0,1 мк, тогда как электронная оптика в состоянии свести электронный луч в пятнышко диаметром до нескольких ангстрем. Электронный луч умеет многое. Он способен по команде оператора сваривать, гравировать, расплавлять, испарять, осаждать материалы из газовой фазы, разлагать химические соединения, фрезеровать пленки, проделывать микроскопические отверстия и т. п. Словом, электронный луч в своем универсальном могуществе — это и швец, и жнец, и на дуде игрец.
Еще более великолепными способностями, подобно джину из сказок "Тысячи и одной ночи", обладает ионный (молекулярный) луч. Сформированный из паров акцепторного или донорного примесного вещества, сфокусированный с помощью электромагнитной системы, послушный воле своего повелителя (программе, заданной человеком) и направленный на поверхность монокристалла кремния, он обеспечивает избирательную диффузию, причем глубина проникновения и конфигурация диффундирующего слоя заданы программой. Метод внедрения молекул примесей в кристалл кремния посредством ионного луча позволяет добиться более высокой точности образования областей определенной проводимости, чем метод, использующий механические маски. Ионный луч — мастер на все руки. Изменяя состав луча, можно наносить на подложку различные элементы электронной схемы — резисторы, конденсаторы, индуктивности, соединительные проводящие мостики. Так рождается твердая схема, замурованная в кристалл кремния, словно мушка в янтарь.
Анализируя весь ход развития электронной техники за последние годы, можно без преувеличения сказать, что дела здесь сейчас складываются так, когда чуть ли не каждый успех в естествознании начинает "работать" на микроэлектронику. Метаморфозы предельно чистых веществ, волшебство корпускулярных потоков, парадоксы низких температур, магия лазерной оптики, раскрывающиеся тайны биологических структур — все это чудесные ветры, надувающие паруса кораблика микроэлектроники. Поэтому так легок его бег, так стремительно его продвижение вперед. Ученые считают, что уже в самом недалеком будущем молек-тронные схемы смогут выполнять около 80% функций основных блоков радиоэлектронных устройств,' будут стоить в десятки раз дешевле, чем сейчас, а новая технология резко увеличит мощности электронной промышленности.
Настоящие и ожидаемые в будущем успехи молектроники и бионики позволяют строить самые оптимистические прогнозы относительно создания микроэлектронных вычислительных машин с огромным объемом памяти и большим быстродействием при минимальном расходе электроэнергии. Некоторые ученые и, в частности, академик С. А. Соболев считают, что электронной технике не миновать этапа, когда вычислительные машины будут делать на белковой основе. Эту же мысль незадолго до смерти высказал Норберт Винер. На вопрос корреспондента журнала "Юнайтед стейтс ньюс энд уорлд рипорт": "Что вы можете сказать о будущем вычислительных машин?" — основоположник кибернетики ответил так:
"Генетическая память — память наших генов — определяется, по существу, комплексами нуклеиновых кислот. На протяжении последнего года появились основания думать, что память нервной системы имеет такую же природу. На это указывает открытие в мозгу комплексов нуклеиновых кислот, обладающих свойствами, которые в принципе могли бы быть хорошей основой памяти. Я полагаю — и я не одинок, — что примерно в следующем десятилетии подобные принципы будут использованы в технике.
...Будут вещества, сходные с генами. Это потребует новых фундаментальных исследований. Как осуществить ввод и вывод информации для генетической памяти, как использовать эту память в машине — решение таких задач связано с обширными исследованиями, которые сейчас еще только-только начаты. Некоторые из нас полагают (это еще не проверено), что ввод и вывод информации можно осуществить, используя молекулярные спектры испускания и поглощения комплексов нуклеиновых кислот. Сбудется ли это, я не возьмусь утверждать. Но саму идею некоторые из нас рассматривают серьезно".