История создания ИС
Георгий Члиянц (UY5XE)
История создания интегральных схем (ИС) относится к началу второй половины ушедшего столетия. Их появление было не модой времени, а острой необходимостью. Сборка электронного оборудования того периода уже представляла трудоёмкий, занимающий много времени процесс, который замедлялся ещё сильнее всё возрастающей сложностью электронных схем. Суммарное число переключающих приборов в цифровом оборудовании, в особенности в компьютерах, увеличилось во много раз. Так например, компьютер типа CD1604, выпущенный в 1960 г. американской фирмой “Control Data Corp.”, содержал около 100 тыс. диодов и 25 тыс. транзисторов.
Необходимость выполнения целых схем на одном полупроводниковом кристалле была столь острой, что если бы в 1958 г. американцы Джек Сент Клер Килби [1923-2005] (фирма “Texas Instruments”) и Роберт Н. Нойс [1927-1990] (фирма “Fairchild Semiconductor” - Маунтен-Вью, шт. Калифорния) независимо друг от друга не изобрели ИС, то кто-то другой обязательно бы сделал это. Дело в том, что уже созданные к тому периоду как меза-, так и планарные транзисторы были приспособлены для групповой обработки, при которой диффузия и травление многих транзисторов на одной пластине-заготовке осуществлялись одновременно.
Первая ИС послужила доказательством того, что всю схему можно сделать из кремния. Стерженьки, представлявшие собой кусочки пластины со структурами меза-транзисторов, стали макетами генератора, в котором из кремния были сделаны резисторы, конденсаторы и транзисторы.
Причём, многие исследователи про себя отмечали бессмысленность того, чтобы отдельные транзисторы сначала вырезались из этой пластины и собирались в отдельные корпуса, а затем соединялись друг с другом в общую схему. Но в
конце пятидесятых годов пути и технология изготовления всей схемы на одном кристалле науке ещё не были известны.
Следует отметить, что концепция ИС была предложена в 1952 г. ещё до появления групповых методов изготовления полупроводниковых приборов. На ежегодной конференции по электронным компонентам, проходившей в Вашингтоне, сотрудник Британского королевского радиолокационного управления в Малверне Джеффри Вильям Арнольд Даммер представил доклад о надёжности элементов радиолокационной аппаратуры. Его утверждение, о котором вспомнили только после разработки ИС, оказалось прямо-таки пророческим: "С появлением транзистора и работ в области полупроводниковой техники вообще можно себе представить электронное оборудование в виде твердого блока, не содержащего
соединительных проводов. Блок может состоять из слоёв изолирующих, проводящих, выпрямляющих и усиливающих материалов, в которых определённые участки вырезаны таким образом, чтобы они могли непосредственно выполнять электрические функции".
В мае 1958 г. Джек Килби перешёл в фирму “Texas Instruments” (TI) из фирмы “Centralab”, в которой он возглавлял программу по разработке слуховых аппаратов и для которых фирма создала небольшое предприятие по созданию германиевых транзисторов. Уже в июле 1958 г. Килби "пришла" в голову идея создания ИС. Он знал, что из полупроводниковых материалов уже умели изготовлять резисторы, конденсаторы и транзисторы. Резисторы можно было изготовлять, используя омические свойства "тела" полупроводника, а для создания конденсаторов можно было использовать смещенные в обратном направлении pn-переходы. Теперь же нужно было узнать, можно ли такие переходы изготовить из одного куска кремния.
Он разрезал пластину на кусочки размером 1,6 х 9,5 мм. На каждом таком кусочке размещалась пара диффузионных областей. Он использовал эти области и имевшиеся контакты для создания схемы генератора, соединяя элементы тоненькими золотыми проволочками. После выполнения защиты вручную, одна из диффузионных областей травилась обычным способом. Из неё создавался меза-транзистор. Другая область образовывала RC-цепочку с распределёнными параметрами, необходимую для создания сдвига фазы. ИС Колби заработала и он поставил перед собой задачу разработать аналогичным образом триггер.
В начале октября 1958 г. он начал создавать конструкцию триггера, изготовленного на одном кусочке монолитного германия методом фотогравировки, которым владела фирма TI. В начале 1959 г. такая "твердая схема" была изготовлена и в марте 1960 г. была представлена на выставке американского Института радиоинженеров (ИРИ).Килби была подана заявка на выдачу патента. Марк Шеферд, тогда вице-президент фирмы TI, отметил данную работу Килби "как наиболее значительную разработку фирмы “Texas Instruments” со времени... выпуска кремниевого транзистора".
Было странно, что, несмотря на широкое освещение прессой этого достижения, оно было встречено очень скептически. Хотя большинство критических замечаний были верными: ограничения, связанные с интеграцией (параметры индивидуальных компонентов ИС нельзя оптимизировать); выход годных ИС был менее 10% от партии их запуска; дорогостоящую готовую матрицу-образец созданной ИС в последующем невозможно видоизменять, дорабатывать и др.
Многие из указанных выше недостатков "твердых схем" были устранены позднее Робертом Нойсом, который с января 1959 г., занимаясь в фирме “Fairchild Semiconductor” (FS) исследованием возможностей планарного транзистора (был разработан Герни за год до того), вплотную занялся выдвинутой им идеей создания интегральных диффузионных или напылённых резисторов - изоляция приборов друг от друга с помощью смещённых в обратном направлении рn-переходов и соединения друг с другом элементов через отверстия в окисле путем напыления металла на поверхность. Вскоре была подана соответствующая заявка на патент, и разработчики элементов начали работать в тесном контакте со специалистами по фотолитографии над вопросами соединения диффузионных резисторов и транзисторов на кремниевых пластинах.
После того, как Джек Килби и Роберт Нойс заложили основы, изготовление ИС начало развиваться лихорадочными темпами. Фирма FS пригласила в качестве разработчика схем Роберта Нормана из фирмы “Sperry”. Норман был знаком с резисторно-транзисторной логикой, которую фирма выбрала в качестве основы своей будущей серии ИС - Micrologic ... .
Примечание: Позже, Эндрю С. Гроув, Роберт Н. Нойс и Гордон Е. Мур основали свою фирму – “Intel” ("отпочковалась" от FS), которая, как и одна из 13 полупроводниковых фирм, была основана в 1968 г. в долине Санта-Клара (или -Кремниевая долина).
Как видно из вышеизложенного, период: начала 50-х - начала 60-х годов двадцатого века стал периодом глобальных исследований и достижений в области микроэлектроники, и которые десять лет назад до него оставались лишь уделом научной фантастики.
Литература и источники:
1. "Электроника: прошлое, настоящее, будущее" (Пер. с анг. под ред. чл.-кор. АН СССР В.И. Сифорова) (М.: "Мир", 1980 - 296 с.).
2. Георгий Члиянц (UY5XE). "Экскурс в историю создания ИС" ("Радиолюбитель. Ваш компьютер”: #12/2000 - c. 7 и 2-я с. обл.).
3. Георгий Члиянц. "Изобретение интегральных схем" ("Chip-News": #8/2000 - с. 44-45).
