книги из ГПНТБ / Федотов, Я. А. Инженер электронной техники

никякоГб значения. Когда же йспы+ания машины успешно за­ вершены и встал вопрос о с е р и й н о м производстве, прото­ типом машины начинают заниматься технологи. Их задача ре­ шить, как проще, экономичней, с меньшими затратами средств и труда осуществить изготовление деталей, сборку машины и ее наладку. Дальнейшие задачи технолога сводятся к наблю­ дению за процессом изготовления и его усовершенствованием.

В р а д и о э л е к т р о н и к е разработчик-схемотехник со­ здает схему электронного устройства и собирает его макет. И здесь работа ведется, что называется, «на коленке». Для раз­ работчика схемы важно убедиться, что устройство действи­ тельно обладает заданными электрическими характеристиками и выполняет все функции, которые на него возложены. После этого оно попадает в руки конструкторов. Они ищут конструк­ тивное решение: конструкцию шасси и панелей, расположение приборов и элементов управления устройством, взаимное рас­ положение и компоновку деталей и элементов, способы выде­ ления и отвода тепла, амортизацию, обеспечивающую устойчи­ вость схемы к ударам и вибрациям, и т. д. А затем, как и в машиностроении, технологи решают вопрос о том, как орга­

структором и создавал детали, из которых собиралось устрой­ ство в целом. Во втором случае разработчик пользовался го­ товыми деталями (транзисторами, диодами, резисторами, кон­ денсаторами и т. д.) и создавал устройство из них. Конструк­ тор и технолог завершают труд разработчика.

Совсем иначе обстоит дело в полупроводниковой электро­ нике. Полупроводниковый прибор или интегральная схема представляют собой один сплошной кристалл полупроводнико­ вого вещества. В нем практически нет самостоятельных дета­ лей и элементов (если не считать корпуса; но корпус — это арматура, это вещь, вообще-то, не обязательная, не имеющая отношения к п р и н ц и п у действия прибора).

30

Итак, полупроводниковый прибор (включим в это понятие и изделия микроэлектроники) — это одна единая деталь, при­ обретающая сложные свойства (часто соответствующие свой­ ствам целой электронной схемы), пройдя через последователь­ ный ряд операций. В чем же заключаются эти операции?

Как уже говорилось выше, основной их смысл сводится к перестройке кристаллической структуры в отдельных обла­ стях кристалла, причем в областях микроскопических — то, что мы и называем полупроводниковой структурой.

Машиностроение построено на ф о р м о о б р а з о в а н и ч . Металлу, из которого изготавливаются детали, придают ту или иную форму. Полупроводниковая электроника построена на с т р у к т у р о о б р а з о в а н и и. Форма кристалла не имеет существенного значения.

В процессе создания полупроводникового прибора функ­

структуру), и к а к это сделать (т. е. владеть всем арсеналом технических средств, позволяющих реализовать результаты своих расчетов). Зачастую при этом вопрос, к а к делать, стоит на первом месте. Конструкция прибора определяется часто теми техническими возможностями и теми средствами структурообразования, которыми мы располагаем. Конечно, между тем, ч то делать, и к а к делать, всегда есть «обрат­ ная связь», но все же в машиностроении на первом месте стоит форма детали и на втором — способ ее изготовления.

В полупроводниковой электронике в о б щ и х ч е р т а х известно, что должна представлять собой структура, но лишь в общих чертах. Разработчик прибора, зная арсенал техниче­ ских средств и их возможности, выбирает необходимый способ изготовления или комплекс процессов, которые в значительной мере определяют форму и размеры тех или иных областей структуры.

Этот комплекс процессов, в результате которых создается сложная полупроводниковая структура, и называют в полупро­ водниковой электронике технологией. Отсюда технологом мы

31

называем разработчика, создателя полупроводникового прибо­ ра. Это главный и основной смысл, который мы вкладываем в понятие технолог. Итак, технолог — это человек, создающий полупроводниковый прибор, человек, знающий теорию и умею­ щий практически д е л а т ь полупроводниковые приборы.

В машиностроении разработчиком машины является кон­ структор. Создать машину — значит создать комплект черте­ жей. В полупроводниковой электронике разработчиком прибора является технолог. Создать прибор — значит создать комплект технологической документации.

Правда, и в полупроводниковой промышленности есть тех­ нологи, которые не создают новых приборов, а «заведуют» выпуском и усовершенствованием уже созданных приборов, но главное не в этом. Главное, что в полупроводниковой промыш­ ленности разработчик прибора — специалист, хорошо владею­ щий точнейшим оборудованием, легко справляющийся с доля­ ми микрона и микроскопическими количествами примесей, спе­ циалист, буквально «выдергивающий» из кристаллической ре­ шетки одни атомы и заменяющий их другими.

Таким образом, в электронной технике технолог — это спе­ циалист, овладевший техникой микроразмеров и микроколи­ честв. Технология же — это сложнейший физический экспери­ мент по перестройке кристаллической структуры вещества в микроскопических объемах. Технология полупроводниковой электроники использует большое количество процессов и видов оборудования в самых различных сочетаниях. Однако основой основ современной технологии полупроводниковой электроники является и останется, вероятно, на ближайшие 10—15 лет так называемая планарная * технология в ее модификациях и разновидностях.

* Планарная технология — совокупность наиболее распро­ страненных в настоящее время технологических приемов изго­ товления полупроводниковых приборов и микроэлектронных устройств. Она получила свое название от того, что весь при­ бор изготавливается на одной поверхности кристалла. В пла­ нарную технологию входят процессы фотолитографии, диффу­ зии и т. д.

33

изъять, заменить на годную. В брак пойдет одна-единственная деталь, стоимость которой составляет незначительную часть от стоимости всей машины.

Полупроводниковый прибор — это одна-единственная и очень сложная деталь. Изготавливается эта деталь в результа­ те десятков и сотен операций. Ошибка на любой из этих опе­ раций, по чьей бы вине она ни произошла, — это брак. Прибор не будет работать, и мы не можем уже ничего изъять, заме­ нить, поправить.

Сложность производства проявляется, таким образом, прежде всего в повышенном проценте потерь от брака. Если в машиностроении потери от брака могут составлять доли процента, то в полупроводниковой промышленности они исчис­ ляются десятками процентов. При больших объемах производ­ ства за этими цифрами вырастают десятки и сотни миллионов рублей. В чем причины этих потерь? Как с ними бороться?

Первая причина — несовершенство используемых материа­ лов. Микроскопические неоднородности, которые мы не можем даже проконтролировать, могут попадать в те или иные рабо­ чие области прибора и приводить к его разрушению. Следует улучшать свойства материалов, совершенствовать методы их контроля, хотя стоимость материалов при этом будет возрас­ тать. Вероятно, применение новых, более дорогих материалов окажется оправданным только в том случае, когда повышение

Его возможности ограничены проверкой соответствия качества материалов нормам технических условий.

Вторая причина — недостаточная точность работы техно­ логического оборудования. Оборудование имеет какую-то пре­ дельную точность, определяющую какой-то минимальный, счи­ тающийся допустимым процент брака. Однако в ходе работы оборудование разлаживается, появляются все большие и боль­ шие отклонения. Если за работой оборудования не установить самого жесткого контроля, если его периодически не налажи­ вать и не настраивать, то процент брака будет постоянно

34

Возрастать, И это будет лежать целиком на совести персонала. Третья причина — случайные отклонения от норм техноло­ гического процесса, обусловленные ошибками персонала (не­ внимательность, небрежность и т. д.). Воспитательная работа может весьма существенно снизить потери по этой причине. Четвертая (и далеко не последняя) причина — несовершен­ ство самого технологического процесса, поэтому постоянное совершенствование его (замена старых принципов более новы­ ми и прогрессивными), являющееся законом развития любо - г о производства, имеет особо важное значение для производ­

ства полупроводниковых приборов.

Если внимательно оценить специфику полупроводникового производства, учесть высокие потери от брака в этой отрасли, учесть, что потери от брака находятся в прямой связи с уров­ нем подготовки персонала, то становится ясно, что экономиче­ ские проблемы полупроводниковой промышленности предъяв­ ляют к персоналу исключительно жесткие требования.

Есть у этого производства и еще одна специфическая чер­ та — это высочайшие требования к надежности изделий. Для обеспечения запуска и полета космических кораблей используются десятки и сотни тысяч полупроводниковых при­ боров. Разве можно допустить, чтобы выход из строя не­ скольких полупроводниковых приборов ценою в 2—3 рубля привел к срыву космического эксперимента стоимостью не в один миллион рублей? Однако никакие формы контроля го­ товой продукции не могут обеспечить в полной мере высокой надежности полупроводниковых приборов. Высокая надеж­ ность закладывается только в ходе изготовления этих прибо­ ров, в ходе технологических процессов. Небольшая ошибка персонала, нарушение инструкций и предписаний, казалось бы совсем несущественные и никем не замеченные, — а в прибор уже внесен скрытый дефект, который проявится через несколь­ ко месяцев или даже лет, причем в самый ответственный мо­

выясняется, две стороны одного и того же вопроса: четкой организации производственных процессов.

Все это приводит к тому, что полупроводниковое произ­ водство характеризуется:

—повышенным процентом инженерно-технических работ­ ников (ИТР) по сравнению с их числом в других отраслях;

—высоким уровнем профессиональных знаний ИТР и осо­ бенно хорошим знанием дисциплин физического и физико-хи­ мического циклов;

—высокой общеобразовательной подготовкой рабочих кадров, позволяющей осваивать сложные технологические про­ цессы и оборудование;

—высокими знаниями ИТР в области экономики и орга­ низации производства;

—сознательной дисциплиной всего персонала (как ИТР, так и рабочих) — важнейшим залогом обеспечения высоких экономических показателей производства и высокой надежно­ сти выпускаемой продукции.

Инженер электронной техники должен быть сам образцом сознательной дисциплины и постоянно воспитывать подчинен­ ный ему персонал в духе сознания высокой ответственности за

порученное дело, за достижение высоких экономических и тех­ нических показателей.

К перечисленным выше пунктам следовало бы добавить еще один, являющийся в какой-то степени производным от них — постоянное повышение квалификации, техническая учеба в каждом звене, от рабочего до командира производства, по­ тому что полупроводниковое производство является не только сложным, но и быстро развивающимся. Из года в год в этой отрасли сохраняются высокие темпы роста объемов производ­ ства, которых не знают другие отрасли.

Было бы ошибкой считать, что возрастание вдвое объемов производства сопровождается пропорциональным увеличением производственных площадей и численности персонала. Опыт работы отечественной промышленности показывает, что объ­ емы производства растут значительно быстрее, чем. числен-

36

tiOcfb персонала и производственные площади, а это значит, что производительность труда предприятий электронной техни­ ки непрерывно и существенно возрастает. Обеспечить этот рост может только думающий сознательный персонал. Думать в этой отрасли приходится, пожалуй, больше, чем во многих других...

В то же время с каждым годом вступают в строй новые корпуса, новые заводы. Тысячи молодых людей, выпускников школ, приходят на производство. Обучить их, привить им ува­ жение к своей профессии, воспитать в них сознательное отно­ шение к порученному делу — благородная задача инженера электронной техники.

Гомеопатов нам, конечно, не догнать...

Где-то на грани XVIII и XIX столетий врачи разде­ лились на гомеопатов и аллопатов. Лозунг гомеопатов: «По­

в больших количествах или концентрациях может вызвать эффект, аналогичный симптомам той или иной болезни, то

в очень малых концентрациях и количествах это средство мо­ жет служить лекарством против этой же болезни. Исходя из этого, в качестве лекарств гомеопаты применяют сильно разве­ денные вещества. У них есть системы разведений: децималь­ ная (десятичная) и центимальная (сотенная).

В десятичной системе степень разведения соответствует степени числа 10, в сотенной системе — степени числа 100. Так, например, шестая десятичная степень разведения представляет собой одну часть лекарства на миллион частей растворителя (обычно спирта). Ту же самую концентрацию дает и третья сотенная (1003) степень разведения. Говорят, что гомеопаты с «особой любовью» прибегают к 18—30 центимальным разве­ дениям, что соответствует единице с 36—60 нулями в знаме­ нателе дроби...

О таких цифрах как-то даже неудобно говорить всерьез, проводить подсчеты, рассчитывать, на сколько морей или океа­

37

нов воды придется одна молекула растворимого вещества...

В этой области мы вряд ли сможем конкурировать с гомеопа­ тами, да и есть ли в этом необходимость? Но мы увидим сейчас на вполне конкретных примерах, что мы действительно работаем в области примерно до десятого децимального (пя­ того центимального) разведения...

Итак, наша задача сейчас сводится к тому, чтобы пока­ зать, что полупроводниковая техника является действительно техникой микроскопических количеств. Поговорим о некоторых величинах, характеризующих чистые и сверхчистые вещества.

Начнем с воды, тем более, что в полупроводниковом про­ изводстве она применяется исключительно широко. Нам известно, что молекулы кислот, щелочей, солей в воде диссо­ циируют, распадаются на положительные и отрицательные ионы — катионы и анионы. Обычная природная вода имеет весьма высокое содержание растворенных в ней веществ. Если такую воду использовать для промывки полупроводниковых кристаллов, то ионы могут собираться поверхностью кристалла и «портить» его свойства. Воду необходимо освободить от ионов — деионизовать. Это осуществляется пропусканием воды через колонны, наполненные крупинками специальных актив­ ных смол. Смолы эти носят название ионообменных. Есть смо­ лы, удерживающие анионы, есть смолы, удерживающие катио­ ны. Их так и называют: анионитные и катионитные.

Допустим, что вода прошла очистку. А как определить, остались ли в ней ионы и сколько их? Очень просто. Вода с ионами в ней — это электролит. Чем больше ионов, тем выше электропроводность электролита. По величине электропровод­ ности можно определить содержание в воде растворенных ве­ ществ. Измеряется обычно удельная проводимость (или удель­ ное сопротивление), т. е. проводимость или сопротивление ку­ бика вещества (в данном случае — воды), сторона которого равна 1 см.

На первый взгляд, вода, полностью освобожденная от ионов растворенных в ней 1веществ, должна обладать бесконеч­ ным сопротивлением, т. е. стать изолятором. Однако на прак­

38

тике этого не бывает. Даже самая чистая вода сохраняет свойство проводить электрический ток, причем при комнатной температуре ее удельное сопротивление не возрастает выше 17 МОм-см.

За счет чего это происходит? Дело в том, что и отдельные молекулы воды диссоциируют, распадаясь на ионы водорода Н+ и ионы ОН- . Эти-то ионы и определяют минимальную способность воды проводить электрический ток. Очистить воду от них нам уже не удастся. Это значило бы очистить воду от самой себя. Если мы удалим из воды эти ионы, то будут диссоциировать новые молекулы. При данной темпера­ туре в воде будет вполне определенное количество диссоции­ ровавших молекул. Именно этим количеством и определяется при комнатной температуре граничная величина удельного сопротивления деионизованной воды 17 МОм-см.

Довольно похоже выглядят процессы и в кристаллах по­ лупроводника. Аналогия эта, конечно, не совсем точная, но она поможет нам понять смысл некоторых эффектов.

Электропроводность полупроводников тоже в очень силь­ ной степени определяется наличием в них примесей. Правда, эти смеси не создают подвижных ио но в , перемещающихся в кристалле. Подвижными носителями заряда в кристалле являются электроны. Очищая полупроводник от примесей, мы также сможем контролировать его чистоту по величине его электрической проводимости (или сопротивления). И так же, как в случае с водой, здесь можно обнаружить некоторый

действием тепловых колебаний кристаллической решетки отдельные валентные связи между атомами, образованные электронами, разрываются. Электроны, «вырвавшиеся» из связей, приобретают способность перемещаться в кристалле и переносить электрический ток. Исходя из этих соображений, электропроводность полупроводников разделяют обычно на две составляющие: примесную и собственную.

39