Перспективы микроэлектроники

Современный этап научно-технической революции характеризуется исключительно быстрым ростом сложности радиоэлектронной аппаратуры. В связи с этим традиционные методы ее производства путем последовательной сборки из дискретных элементов стали неприемлемы, поскольку не могут обеспечить требуемых надежности, экономичности, энергоемкости, габаритов и времени изготовления. Возникла необходимость поиска принципиально новых путей создания электронной аппаратуры. На этом фоне и родилась микроэлектроника - новое направление электроники, решающее с помощью сложного комплекса физических, химических, схемотехнических, технологических и других методов и приемов проблему создания высоконадежных и экономичных миниатюрных электронных блоков и устройств.

Любой радиоэлектронный прибор - это своеобразный электрический мир. И все чудеса, которые может совершать радиоэлектроника, в итоге сводятся к сравнительно простым операциям с электрическими зарядами и электромагнитными полями. В радиоприемнике, например, это в основном превращение электромагнитных волн в электрический ток, усиление и превращение его в звук. В телевизоре процессы почти те же, но только к ним добавляется еще преобразование электрического тока в изображение.

Если перевести существующие телевизоры д радиоприемники на транзисторы, будет сэкономлена электроэнергия, вырабатываемая несколькими ГЭС мощностью с Днепровскую. Не следует забывать и о микроминиатюризации. Она играет особо важную роль в создании радиоэлектронной аппаратуры для космических исследований и в других областях техники.

Дальнейшее развитие и совершенствование полупроводниковых приборов характеризовалось созданием микроминиатюрных (микроэлектронных) схем. Микроэлектроника позволила увеличить плотность монтажа сразу в сто и более раз - в одном кубическом сантиметре объема микромодуля размещается несколько десятков сверхминиатюрных деталей. Примером может служить радиовещательный приемник "Микро" величиной со спичечную коробку, впервые появившийся в нашей стране. Вместе с источником питания он весит всего 28 г. Завтра подобный приемник будет не больше спичечной головки.

Еще более поразительные результаты получены после появления интегральных схем. Кристаллики этих схем, пришедшие на смену транзисторам, решают многие проблемы миниатюризации современной радиоаппаратуры.

Сравнительно недавно лампы уступили место транзисторам, с появлением которых радиолюбители перестали корпеть над пайкой бесчисленных проводов - в продажу поступили печатные схемы. Достаточно было припаять деталь в указанном месте - и схема готова. Интегральные схемы еще больше упрощают дело. Теоретически все элементы схемы, за исключением антенны и динамика, теперь можно разместить в кристаллике, например, кремния. При соответствующей обработке в кремниевый кристалл прочно врезаются транзисторы, диоды, сопротивления.

Интегральная схема - это микроминиатюрная структура, в которой многочисленные радиоэлементы соединяются на поверхности или внутри основы. В отличие от старых схем, в которых детали соединялись пайкой, интегральная схема - неразрывное соединение, что почти исключает неисправности.

Интегральные схемы на одной монокристаллической полупроводниковой пластине, созданные путем локального воздействия на микроучастки полупроводникового кристалла, со свойствами, соответствующими функциям микродеталей (полупроводниковые интегральные схемы), являются естественным развитием отработанных в течение последних десятилетий технологических принципов массового производства дискретных полупроводниковых приборов.

Интегральные схемы на некристаллической^ (изоляционной) подложке, создаваемые обычно из стекла или стеклокерамического материала путем послойного нанесения одна на другую пленок различных материалов с одновременным формированием из них микродеталей и их соединений (пленочные интегральные схемы), создаются в результате развития вакуумных методов нанесения тонкопленочных покрытий.

Исключительно широко интегральные схемы применяются в электронно-вычислительной технике. За последние 20 лет произошло несколько смен поколений ЭВМ. Первое поколение (1955-1960 гг.) - это машины на электронных лампах с быстродействием от 500 до 3 тыс. арифметических операций в секунду, второе поколение (1960-1965 гг.) - машины на полупроводниковых элементах с быстродействием их от 30 тыс. до 100 тыс. операций в секунду. Третье поколение (1965-1970 гг.) - машины на микроэлектронике. Быстродействие их достигает миллиона арифметических операций в секунду. В машинах четвертого поколения (1970-1975 гг.) используют интегральные схемы микроэлементов. Быстродействие их составляет сотни миллионов операций в секунду. Широкое распространение получают экранные пульты для ввода и вывода информации при осуществлении диалога человека с машиной.

Благодаря малым размерам и высокой надежности интегральных схем стало возможным создание очень сложных радиоэлектронных систем, таких, как электронно-вычислительные машины искусственных спутников Земли. А ведь первая ЭВМ была тридцатитонным сооружением. Подобная машина на интегральных схемах умещается на письменном столе.

До каких пределов можно уменьшать радиоэлектронную аппаратуру? На этот вопрос нельзя ответить однозначно. Сейчас успешно развивается и совершенствуется новое направление в электронике - молектроника (молекулярная электроника). Здесь детали конструкций по размерам приближаются к молекулам. Когда задачи молектроники будут решены практически, электронно-вычислительные машины станут не больше карманного транзисторного приемника или записной книжки.

Огромные возможности в решении проблем микроэлектроники сулит голография. Уже сейчас с помощью голограмм удается фиксировать положение объекта с точностью до длины световой волны, т. е. до тысячных долей микрона. В недалеком будущем при нанесении полупроводникового рисунка на интегральные схемы вместо неудобных шаблонов будут пользоваться голограммами. Отпадет надобность в сложнейших дорогостоящих системах линз, появится возможность механизации процесса. Голография станет верным помощником микроэлектроники.

Электронная эмиссия

В связи с требованиями миниатюризации и надежности электронных устройств огромное значение для современной электронной техники приобретают твердотельные пленки. В последние годы широко исследуются их электрические, в том числе сверхпроводящие, оптические, магнитные свойства. Особый интерес вызывают очень тонкие пленки, которые нельзя получить из толстых образцов путем их обработки, а можно лишь вырастить на подложках, например распространенным методом вакуумного напыления.

При постепенном напылении пленки становятся сплошными после достижения ими толщины более миллионных долей сантиметра. До этого они состоят из раздельных микроостровков и поэтому называются островковыми, или диспергированными, пленками. Такие пленки представляют для науки особый интерес. Поскольку их островки обладают чрезвычайно малыми размерами, они становятся квантовомеханическими объектами. У них проявляются свойства, отсутствующие у толстых пленок, что открывает новые возможности их применения, особенно в связи с микроминиатюризацией.

Именно в таких пленках и было обнаружено явление эмиссии электронов (речь идет о пленках золота в несколько десятков ангстрем) при пропускании через них тока. Его открыли ученые Института физики АН УССР член-корреспондент АН УССР П. Г. Борзяк, кандидат физико-математических наук О. Г. Сарбей и научный сотрудник Р. Д. Федорович, Позже были испробованы многие подложки и разные металлы для пленок. Во всех случаях явление повторялось. Оказалось, что оно свойственно всем металлическим диспергированным пленкам определенной толщины.

Последующие теоретические исследования показали, что установленное явление объясняется сильным разогревом электронов, осуществляющих проводимость в диспергированной пленке, без сильного нагрева самой пленки в электрическом поле. Такой разогрев невозможен ни в массивном металле, ни в сплошной металлической пленке, так как в них нельзя создать сильное электрическое поле. Кроме того, установлено, что в диспергированную пленку можно ввести большую по сравнению с массивным металлом удельную электрическую мощность (мощность на единицу массы вещества), за счет которой тоже идет разогрев электронов. Наиболее "горячие" из них, т. е. наиболее быстрые, и принимают участие в эмиссии.

Явление электронной эмиссии было обнаружено очень своевременно. Именно в начале 60-х гг. стала популярной идея создания ненакаливаемых, или холодных, катодов. В принципе металлические диспергированные пленки и являются такими катодами. В настоящее время получают катоды, выдерживающие испытания на протяжении 10 тыс. ч. Возможность получения микроминиатюрных катодов очень важна для микроэлектроники.

Катоды на основе диспергированных пленок оказались радиационно устойчивыми. Это открывает им путь в космическую электронику. Появилась идея создания вакуумных интегральных схем для космической электроники. В качестве элементов для таких схем предполагается использовать и катоды на основе диспергированных пленок. В Институте физики АН УССР продолжаются исследования, направленные на получение катодов с улучшенными показателями, в том числе не только из золотых пленок, но и из пленок других материалов. Найдены пленки, которые при хорошей стабильности обладают очень большой эффективностью электронной эмиссии - до 30 %.

В диспергированных металлических пленках электронной эмиссии сопутствует другое интересное и важное явление - электролюминесценция, т. е. излучение холодной пленкой света за счет потребляемой электрической энергии. Такое излучение было обнаружено в полупроводниках, но о его присутствии в металлах не было известно. Оно объясняется авторами открытия наличием в диспергированных пленках "горячих" электронов. Это подтверждается тем обстоятельством, что, запирая эмиссионный ток, т. е. увеличивая концентрацию "горячих" электронов в пленке, мы усиливаем яркость ее свечения. В Институте физики АН УССР разрабатывается теория механизма этого явления. Оно получит практическое применение в оптоэлектронике, для которой как раз нужны пленочные электролюминесцентные источники света.

В 1965 г. в журнале "Евро-нуклеар", освещающем проблемы развития европейских ядерных исследований, сообщалось: "Три украинских научных работника - П. Г. Борзяк, О. Г. Сарбей, Р. Д. Федорович открыли два явления металлов, которые получат практическое применение в области микроэлектроники. Их эксперименты установили, что холодный металл может эмитировать электроны, когда через него проходит ток, и начинает люминесцировать при этих условиях. Это открытия первостепенной важности, ибо они приближают создателей электронного оборудования к осуществлению их мечты- холодному металлическому катоду, т. е. источнику электронов, который сам не нагревается и потому не производит тепла..."

Описанное открытие зарегистрировано под № 31 с приоритетом от 26 июня 1963 г. Формула открытия следующая:

"Установлено ранее неизвестное явление, заключающееся в том, что при прохождении электрического тока через тонкие металлические пленки с островной структурой толщиной в несколько десятков (от 40 до 80 для золота) ангстрем возникает эмиссионный ток, обусловленный тем, что часть электронов, осуществляющих перенос заряда между металлическими островками в пленке, имеет компоненту скорости, нормальную к поверхности пленки".