Внутри крошечного, объемом всего несколько кубических миллиметров, кристалла полупроводника скрыта сложная архитектура из металла. Это контакты и электрические "мостики", тончайшие пленки из сверхчистого алюминия или золота, конденсаторы и прочие элементы сверхминиатюрного прибора. Количество слагающих элементов исчисляется десятками тысяч, а умещаются они на площади и в объеме нескольких миллиметров.
Создание больших интегральных схем (БИС) обещает сделать повсеместным применение ЭВМ для автоматического управления технологическими процессами на производстве, в том числе с помощью роботов. Это не только реально, но и целесообразно экономически. Почему?
Использование БИС позволяет значительно уменьшить размеры ЭВМ.
Созданы однокристальные микропроцессоры - основной узел машины, выполняющий арифметические и логические действия, представляющие собой БИС с программируемой (перестраиваемой) логикой. Причем программа работы микропроцессора хранится тут же, в запоминающем устройстве, встроенном в БИС.
Ожидают, что со дня на день появится однокристальный микропроцессор, по своим возможностям равный современной большой ЭВМ.
В отличие от обычных ЭВМ микропроцессоры и микроЭВМ легко встраиваются в станок, телевизор, автомобиль и мотоцикл, во всевозможные аппараты торговые, бытовые, медицинские. Микропроцессорная техника становится тем средством, которое поможет оптимизировать работу всех отраслей народного хозяйства, его экономику. В несколько раз увеличивают производительность труда, например, автоматизированные с помощью микропроцессорной техники станки - обрабатывающие центры, обслуживаемые роботами. Еще большего можно достичь при создании на их основе гибких автоматизированных производств нового направления в развитии машиностроения и других отраслей. Комплексная автоматизация возможна только на основе микропроцессорной техники, которая способна одинаково успешно контролировать и анализировать работу и отдельного станка, и целой отрасли хозяйства.
Интегральная схема - "микроздание" необычное. Оно сооружается сразу, одновременно на всех этажах и уже построенное не подлежит исправлению. Поэтому о вероятности успеха говорят при создании каждой отдельной интегральной схемы. Но и это не останавливает технологов, ведь вероятность получения желаемой доброкачественной схемы все же достаточно велика. А эффективность огромна.
При формировании одной интегральной схемы идет в тысячу - сто тысяч раз меньше материала, чем если готовить ее из обычных элементов. Производительность труда при этом увеличивается фантастически - в миллион раз. Таковы плоды науки и техники микроминиатюризации.
А развитие элементной базы микроэлектроники, магнитоэлектроники, оптоэлектроники и сверхпроводниковой криоэлектроники позволяет надеяться на создание в недалеком будущем нового поколения особо миниатюрных быстродействующих компьютеров.
Почему спотыкаются электроны
Атомы металлических кристаллов плотно упакованы. В узлах их решеток находятся положительно заряженные ионы, "купающиеся" в электронном газе потерянных ими и "обобществленных" электронах. Велика роль электронного газа в металлах. Он как бы скрепляет решетку, построенную из взаимно отталкивающихся ионов.
Представим себе, что каким-то путем мы удалили свободные электроны, "вынули" их из металла - ионы, имея одинаковые заряды, оттолкнутся и разлетятся в стороны, а решетка "взорвется)..
Свойства электронного газа определяют цвет и блеск металлов, их теплопроводность, электропроводность.
Приложите постоянное напряжение к металлу - электроны начнут движение. Средняя их скорость не возрастает со временем. Видимо, при движении они испытывают нечто вроде трения, "спотыкаясь" о возникающие на пути препятствия. Их скорость увеличивается и вдруг... падает. Таким образом, движение электронов скачкообразно, а их средняя скорость характеризует электрический ток.
"Спотыкается" электрон о разные объекты. Прежде всего он сталкивается с "чужими" атомами примеси. Вот что главное, вот почему так важна абсолютная чистота металла.
В нашей беседе мы часто упоминаем термин "сверхчистые металлы". В микроэлектронике это требование почти идеальной чистоты совершенно обязательно. Без такой особенности всех металлов, употребляемых здесь, от алюминия до золота, микроэлектроника и разные ее видоизменения просто невозможны.
В сверхчистом металле электроны проводимости движутся удивительно свободно, не наталкиваясь на миллионы и миллиарды частиц примесей, на столь же многочисленные изъяны в структуре металла. Тем самым сверхчистый металл ведет себя почти как сверхпроводник. Своеобразная "сверхпроводимость" влечет за собой не только резкое снижение энергетических затрат, но она еще автоматически решает задачу борьбы с нагревом всех полупроводниковых приборов.
Полупроводниковые приборы при работе могут раскаляться буквально добела, и отвод тепла от них превращается в технически почти или вовсе нерешаемую проблему. При сверхчистых металлах эта проблема не возникает вовсе или, если и появляется, то в значительно более "мягком" выражении.
Далее. Непрерывно циркулирующий в электронной схеме поток информации (в любом виде - волна, заряд и т. д.) тоже наталкивается на множество препятствий в обычном металле. Очевидно, что в сверхчистом металле поток информации может путешествовать без помех.
Исследования, проведенные учеными Института физики твердого тела, во многом раскрыли поведение примесей в металле, их влияние на его характеристики. Были обнаружены места сбора "чужих" атомов, которых привлекают границы зерен металлов. Так, в конструкционной стали на границах зерен и вблизи от них примесей серы и фосфора собирается в пятьдесят раз больше, чем в среднем по объему. Два-три атомных слоя здесь почти полностью состоят из серы и фосфора. Именно поэтому при низкой температуре, в условиях зим Сибири и Крайнего Севера, эта сталь становится хрупкой, как стекло.
Для получения рекордно чистых металлов чаще всего применяют электронно-лучевую зонную плавку в высоком вакууме: при кристаллизации твердого вещества из расплава примеси остаются в остатках расплава. Кстати, еще в древности по такому же принципу из морской соленой воды зимой получали пресный лед.
В установке для электронно-лучевой зонной плавки пучок электронов направляют на узкий участок длинного металлического стержня. Ведя электронный луч вдоль него, медленно перемещают расплавленную зону, доводя ее до конца стержня,- здесь в оставшейся еще расплавленной зоне и собираются примеси. Неоднократное повторение процесса позволяет все более и более повышать чистоту металла.
Высоко котируется на мировом рынке продукция Новосибирского оловокомбината. В белом от пола до потолка цехе рафинировщицы обертывают в нарядную упаковку слитки, содержащие 99,9999 процента олова.
Мягкий и податливый на первый взгляд металл долгое время не хотел отпускать от себя своих многочисленных спутников (олову сопутствует чуть не вся таблица Менделеева). Избавиться от них было проблемой проблем.
Но в высоковакуумных электрических рафинировочных установках, в безвоздушном пространстве, упрятанном в стальную оболочку печи и создающем стерильные условия, при температуре свыше тысячи градусов примеси вскипают. Пары направляют в зону конденсации, откуда примеси сливают в приемник для отходов. А олово в результате этого процесса дистилляции обретает "неземную" чистоту. Впрочем, шесть девяток - не предел! На комбинате считают, что есть все возможности для очистки олова от посторонних примесей до миллионных долей процента. Массовое производство еще не знало такой высокой чистоты металлопродукта.
Последние годы чистые металлы получают из металлоорганических соединений. Технология этого метода изящна и проста. Металл умеренно нагревают в потоке окиси углерода.
Образуются карбонильные соединения атома металла с несколькими молекулами окиси углерода - угарного газа. Соединения эти газообразны и легко отделяются от содержащихся в исходном металле (или руде) примесей и балласта. Газ-соединение пропускают над поверхностью, нагретой до 100-200 градусов Цельсия. При соприкосновении с нею он распадается на металл и газ. Атомы металла осаждаются на поверхность, а газ улетучивается.
Какие же требования предъявляются к производству материалов высокой чистоты, выражаемой в процентах головокружительной десятичной дробью - с шестью, семью и более девятками после запятой?
Говорят, "мала пылинка, а глаз выедает!". При изготовлении материала высокой степени чистоты в атмосфере цеха допустимо содержание лишь нескольких пылинок размером не более микрона на кубический метр. Для чистого кристалла каждая коснувшаяся его пылинка смертельна, она постепенно и неумолимо погубит его. Поэтому производство чистых веществ полностью изолируют от внешней среды.
Необходимую чистоту и стерильность воздуха в рабочих помещениях обеспечивают управляемые компьютерами вентиляторы, пылесосы, кондиционеры... О важности этого оборудования говорит тот факт, что здание обычно конструируют, как слоеный пирог: один этаж - производственный, другой - инженерного обеспечения стерильности. Разветвленный, как спрут, пылесос опутывает своими трубами весь корпус.
Сохранить вещество в чистом виде не менее сложно, чем его очистить.
Один из путей поддержания достигнутой чистоты - хранение металла в условиях низких температур: в жидком азоте или даже в жидком гелии.
Новые лики микроэлектроники
В тонких кристаллических ферромагнитных пленках возникают магнитостатические волны, волны намагничивания. Сейчас исследуются и разрабатываются электронные устройства, основанные на возбуждении и распространении магнитостатических волн. Это приборы магнитоэлектроники.
Поиски путей дальнейшей миниатюризации электроники привели к исследованию влияния на их характеристики сверхнизких температур. Вспомнили о так называемом эффекте Джозефсона, предсказанном в 1962 году английским студентом Джозефсоном, впоследствии лауреатом Нобелевской премии.
Устройство - "джозефсоновский переход" - сконструировано из двух сверхпроводящих электродов, разделенных тончайшим (10-50 ангстрем)
слоем диэлектрика. В обычных условиях, даже при сверхнизких температурах, электрический ток через изолятор не протекает. Однако здесь благодаря сверхпроводящему состоянию электродов ток по изолятору возможен, и зависит он от электрических и магнитных полей, приложенных к переходу. Один или несколько таких переходов могут работать как детектор, усилитель, логический элемент или ячейка памяти.
Благодаря сверхпроводимости при температуре всего 4,2 градуса Кельвина такой прибор, работая, выделяет в десять тысяч раз меньше тепла, чем обычный транзистор. Он оказался находкой для разработчиков ЭВМ будущего. Ведь на полупроводники уже не надеялись: они потребляют слишком много энергии. Созданная на основе полупроводниковых интегральных схем ЭВМ размером с футбольный мяч должна выделять киловатт энергии за секунду. Такая ЭВМ работать бы не смогла - нет способа отвода столь Большого количества тепла. В то же гремя ЭВМ, построенная на сверхпроюдящей электронике, выделяла бы всего 0,1 ватта. В десять тысяч раз меньше!
Наиболее стабильны в работе джозефсоновские переходы с электродами из ниобия и других тугоплавких металлов.
Развитие методов литографии, вакуумной техники, применение тугоплавких металлов позволяет надеяться, что производство элементов вычислительных машин на основе переходов Джозефсона начнется в ближайшие годы.
Устройства сверхпроводящей электроники обладают высокой чувствительностью. На их основе сделаны особо чувствительные измерители магнитных потоков и полей, способные фиксировать магнитные поля не только сердца (магнитокардиография), но и мозга (магнитоэнцефалография). Кардиологи и нейрохирурги получили новый тонкий инструмент для исследований и практики.
Металл - это почти вакуум
Исследования на образцах металлов сверхвысокой чистоты способствовали прогрессу в изучении свойств электронов проводимости. Чтобы "поймать"
увеличение длины свободного пробега электронов, эксперименты проводили на монокристаллах с высокой степенью очистки от посторонних электрически активных примесей и при космическом холоде - температуре кипения гелия - и даже более низкой. Рекордный свободный пробег в восемь-десять миллиметров совершают электроны в сверхчистых образцах индия, выращенных сотрудниками институтов АН СССР. То есть чистый металл вел себя в известной мере как вакуум!
Кандидатом физико-математических наук В. Петрашовым (ИФТТ АН СССР)
создан новый метод анализа чистоты металлов. Он основан на свойстве особого типа электромагнитных волн - геликонов - затухать в ряде металлов пропорционально концентрации в них примесей. Метод пригоден для анализа чистоты всех металлов, в которых обнаружено распространение геликонов лития, натрия, алюминия, калия, золота, свинца и других. Его чувствительность повышается с возрастанием чистоты металла. Отсутствие контакта с анализируемым веществом позволяет вести измерения, когда образец находится в запаянной ампуле.
На основе явления затухания геликонных волн создана аппаратура и для определения свободного пробега электронов проводимости (некое подобие сверхпроводимости) в рекордно чистых металлах при температуре жидкого гелия.
А сами геликоновые волны - это затухание электромагнитных волн, испускаемых плазмой заряженных частиц. Это опять же попытка рассмотрения чистых металлов как чего-то, что сродни вакууму. Ведь только в вакууме появляется подобная плазма.
Исследования чистых металлов могут привести к появлению нового направления науки и техники - металлической электроники, металлотроники.