Микротехнология

В одном только вашем доме могут найтись десятки, если не сотни компьютерных чипов, и каждый из них - не только инженерное достижение, но и результат кое- каких значимых химических подвигов. Первые схемы на кремниевые подложки нанес именно химик, и, хотя ныне чипы куда миниатюрнее тех, что были созданы 50 лет назад, химия кремния - все та же.

Мало какие разработки оказали столь же глубокое воздействие на человеческое общество, как изобретение кремниевого чипа. Нашими жизнями правят компьютеры, смартфоны и прорва других электронных устройств на микросхемах — чипах и микрочипах. Миниатюризация микросхем и приборов буквально рассовала нам компьютеры по карманам и повлияла на то, как мы ныне воспринимаем мир.

И все же об одном из ключевых прорывов в химии, который привел к развитию кремниевого чипа, мы склонны забывать. Хроники всякий раз воспевают Джека Килби из компании «Тексэс Инструменте», позднее получившего Нобелевскую премию по физике, как изобретателя микросхемы и постоянно поминают лаборатории «Белл», где изготовили первые транзисторы, а вот химика из «Белла» Карла Фроша и его помощника Линколна (Линка) Дерика часто удостаивают внимания лишь парой слов.

Джек Килби

Аспирант-первогодок Фрош

Быть может, все потому, что о Фроше мало что известно. Про его карьеру и личную жизнь написано совсем чуть-чуть. Научный талант в нем признали еще в юные годы — зернистый черно-белый снимок сумрачного 21-летнего Фроша есть в нью-йоркской «Шенектэди Газетт» от 2 марта 1929 года, рядом с рекламой «Экстрамодной просеянной фасоли "Моуикэн”». Сопровождающая снимок заметка сообщает об избрании Фроша в почетное ученое братство «Сигма XI», а это — «высочайшая честь», какой может быть удостоен студент-естественник; но дальше лет десять — о нем полная тишина.

К 1943 году Фрош трудился в химических лабораториях Мёрри-Хилл, принадлежавших «Белл». Коллега Фроша Аллен Бортрэм вспоминает его как человека скромного, однако не без азарта, поскольку в июньском издании «Материалов лабораторий "Белл”» Фрош отметился как призер Лиги боулинга Мёрри-Хилл. Через пять лет лаборатории «Белл» презентовали свой первый транзистор, сделанный из германия. Крошечные версии этого миниатюрного электронного переключателя позднее станут частью компьютерных чипов, выпускаемых миллионами и миллиардами штук, но уже из кремния. Именно Фрош и Дерик, бывший летчик-истребитель, сделали открытие, подарившее Кремниевой долине ее название.

Блестящие идеи

К 1950-м годам транзисторы уже делали диффузионным методом: легирующую добавку — вещество, меняющее электрические свойства кремния, — вводили диффузией из газовой фазы в тончайшие германиевые или кремниевые подложки при очень высокой температуре. Микросхем к тому времени еще не придумали. В лабораториях «Белл» Фрош и Дерик возились с усовершенствованием диффузионного метода. Они уже перешли на кремний, поскольку в германиевых подложках то и дело возникали дефекты, но оборудование у изобретателей было так себе, и Фрош постоянно пережигал кремниевые подложки.

Подложку нужно было помещать в печь и обрабатывать струей водорода, содержавшей легирующую добавку. Однажды Дерик пришел в лабораторию и увидел, что водородная струя, направленная на подложки, горит. Осмотрев образцы, он обнаружил, что они ярко блестят: в газовую смесь попал кислород, водород загорелся, получился перегретый пар. Произошла реакция между кремнием и водяным паром, и на поверхности подложки образовался стеклянистый слой диоксида кремния. Этот самый слой ныне главная штука в фотолитографии, методе, и по сей день применяемом для создания кремниевых чипов.

Смыть и повторить

В фотолитографии узор микросхемы наносят на слой диоксида кремния. Его заранее покрывают фоторезистом — фоточувствительным слоем, а поверх него — маской, содержащей повторяющуюся схему, чтобы можно было сделать много чипов разом. Области фоторезиста, не скрытые маской, взаимодействуют со светом, и их можно смыть и проявить перенесенную на подложку схему. И вот его как раз и наносят на блестящий слой диоксида кремния, который лежит ниже.

Фрош и Дерик поняли вот что: можно применять диоксид кремния для защиты подложки от разрушения при высоких температурах диффузионного процесса, а также выделять области, которые нужно легировать. Борные и фосфорные добавки не могут пробраться под оксидный слой, но, если процарапать в этом слое просветы, можно вводить добавки избирательно. В 1957 году Фрош и Дерик опубликовали статью в «Журнале электрохимического общества», в которой описали свои открытия и отметили потенциал этого метода для создания «точных рисунков на поверхностях».

«Кремний как таковой, разумеется, необходимая составляющая, а еще и оксид его уникален, и без него в современном производстве полупроводников мало что вообще зародилось бы» Ник Холоньяк-мл. (р. 1928), американский инженер, ученый, изобретатель светодиода

Компании по производству полупроводников быстро переняли эту идею. Они пытались сделать много транзисторов из однослойных подложек. А год спустя Килби изобрел микросхему — устройство, в котором все составляющие были сделаны одновременно из одного образца полупроводникового материала. Тот «чип» был создан на основе германия, однако слой диоксида германия не сработал как барьер, и потому прижился кремний. Ныне перенос сложнейших схем, составленных с помощью компьютера, на кремниевые подложки происходит методом оксидной маски. В 1965 году основатель компании «Интел» Гордон Мор предсказал, что число компонентов компьютерного чипа будет удваиваться каждый год, но чуть погодя пересмотрел свой прогноз — каждые два года. Благодаря развитию фотолитографии мы идем вполне в графике и отметку в миллиард составляющих проскочили в 2005 году.

Сотворение чипов

Одной из первых простеньких схем, нанесенных Фрошем на подложки, была надпись THE END («Конец»). Попросту говоря, процесс создания микросхемы или компьютерного чипа похож на печать, совмещенную с проявкой фотографии. Именно печатный метод, которым прежде рисовали микросхемы, позднее приспособили для прорисовки кремниевых подложек. Ныне на ту же кремниевую подложку можно наносить сложнейшие схемы и накладывать их в несколько слоев.

Легирование

У кремния на внешней электронной оболочке четыре электрона. В кристалле кремния каждый атом делится своими четырьмя электронами с четырьмя соседними атомами, итого получается по четыре общие пары на каждый атом. У фосфора пять электронов на внешней оболочке, и, если внести его как легирующую добавку, возникает один «свободный» электрон, который блуждает по кристаллу кремния и может переносить заряд. Таким легированием получают полупроводник п-типа, то есть заряд в нем переносят электроны. Есть и р-легирование - то есть положительными зарядами. В этом случае заряд переносится отсутствующими электронами. Странное это дело, но все же представим бор - р-легирующую добавку, - у которого на внешней оболочке на один электрон меньше, чем у кремния. Это значит, что возникло пустое место - электронная дырка в кристаллической структуре на том месте, где полагалось быть электрону.