Б. Малин

Создание первой отечественной микросхемы

Недавно не стало Б. В. Малина — одного из первых российских специалистов в области микроэлектроники, разработчика и создателя первой серии отечественных интегральных схем.

Незадолго до кончины по просьбе редакции и сотрудников кафедры микроэлектроники МИФИ Борис Владимирович начал работу над статьёй о создании первой отечественной интегральной схемы.

Отдавая последний долг незаурядному человеку, специалисту, учителю, мы публикуем авторский набросок статьи, оставшейся, к сожалению, незавершённой.

А. Осипов, научный редактор

Предпосылки создания — наличие производства биполярных и униполярных транзисторов, теория расчёта таких транзисторов Шокли, Десея и Росса, Теснера. Разработки головного транзисторного института — НИИ-35 (НИИ «Пульсар»). В отечественной технологии разработки и производства транзисторов период до начала 60-х годов характерен использованием монокристаллов германия в качестве исходного материала и выпуск только биполярных транзисторов. Униполярные транзисторы не выпускались. Техника интегральных схем требовала наличия обоих типов транзисторов в качестве активных элементов микроэлектронных схем различного функционального назначения и внедрения технологии монокристаллов кремния. В период 1957–1961 гг. автором были разработаны германиевые униполярные транзисторы серии 339, и на основе этих работ была защищена диссертация.

Концепции миниатюризации и развития микроэлектроники — микромодульная техника и американский проект “Тинкертой” Армии США, освоенный в КБ-1. Одновременно с развитием производства биполярных транзисторов и их использования в оборонной и космической технике Головным транзисторным НИИ-35 развивалась техника и технология их схемотехнического применения, в первую очередь, в качестве стандартных конструктивных схемных элементов по программе микромодулей — основные разработчики Барканов (КБ-1) и Невежин (НИИ-35). В основе лежали принципы миниатюризации транзисторов и радиодеталей, а также принципы автоматизации сборки из миниатюрных стандартных деталей набора стандартных блоков различных схем (по типу проекта “Тинкертой” Армии США).

Освоение критической технологии на кремнии — планарная технология кремния. МЭП. Стратегическим прорывом в США в области создания транзисторов и интегральных схем надо считать разработку и производственное внедрение технологии на кремнии, особенно такой критической технологии как планарная. В отечественной производственной практике освоение планарной технологии практически было начато только в 1962 году с нулевого уровня.

Существенным толчком к развитию работ явилось изобретение кремниевых интегральных схем в 1959 году в США Джеком Килби и их производство американской фирмой “Тексас” для использования в системе наведения ракеты “Минитмен”. Попытки создания объёмных интегральных отечественных схем на германии осуществлялись автором в НИИ-35 в 1959–1962 годах. С 1959 года разработки отечественных кремниевых интегральных схем, по сути дела, представляли собой непрерывный процесс конкурентной заочной борьбы с Джеком Килби.

Действовали концепции повторения и копирования американского технологического опыта — методы так называемой “обратной инженерии” МЭП. Образцы-прототипы и производственные образцы кремниевых интегральных схем для воспроизводства были получены из США, и их копирование было строго регламентировано приказами МЭП (министр Шокин). Концепция копирования жёстко контролировалась министром на протяжении более 19 лет, в течение которых автор работал в сис-теме МЭП, вплоть до 1974 года.

Это относилось не только к разработкам микроэлектроники, но и к созданию на её основе компьютерной техники, например, при воспроизводстве компьютеров серии IВМ-360 — (отечественная серия “РЯД 1-2”). Наибольшую технологическую помощь оказывал процесс копирования реальных действующих американских образцов кремниевых интегральных схем. Копирование осуществлялось после разгерметизации и снятия крышки с образца, копирования плоского (планарного) рисунка транзисторов и резисторов в схеме, а также после исследования под микроскопом структуры всех функциональных областей. Результаты копирования выпускались в виде рабочих чертежей и технологической документации.

Создание первой отечественной кремниевой интегральной схемы было сконцентрировано на разработке и производстве с военнной приёмкой серии интегральных кремниевых схем ТС-100 (37 элементов — эквивалент схемотехнической сложности триггера, аналога американских ИС серии SN-51 фирмы Texas Instruments). Работы проводились НИИ-35 (директор Трутко) и Фрязинским заводом (директор Колмогоров) по оборонному заказу для использования в автономном высотомере системы наведения баллистической ракеты.

Разработка включала шесть типовых интегральных кремниевых планарных схем серии ТС-100 и с организацией опытного производства заняла в НИИ-35 три года (с 1962 по 1965 год). Ещё два года ушло на освоение заводского производства с военной приёмкой во Фрязино (1967 год). Анализ внедрения цикла планарной технологии (свыше 300 технологических операций) в отечественной практике показал, что эту критическую технологию пришлось осваивать с нулевого уровня и практически самостоятельно, без помощи извне, в том числе, и по технологическому оборудованию. Над решением этой проблемы работал коллектив в 250 человек научно-технологического отдела НИИ-35 и опытного цеха, специально созданного при отделе. Одновременно отдел служил полигоном для обучения специалистов многих предприятий МЭП, осваивавших эту технологию. Например, специалисты полупроводникового завода 2-го Главного управления МЭП в Воронеже (директор Колесников, ведущий — Никишин), обучались именно в этом отделе.

Основное внимание при разработке планарной технологии было уделено производственному освоению техники промышленной фотолитографии с высоким оптическим разрешением, вплоть до 1000–2000 линий на миллиметр. Эти работы велись в тесном взаимодействии со специалистами-оптиками из ЛИТМО (Капустина) и ГОИ (Ленинград).

Большую роль сыграли также разработки отдела по автоматизации планарной технологии и конструированию специального технологического оборудования (ведущий конструктор Захаров). Разрабатывались автоматизированные агрегаты пооперационной обработки кремниевых технологических пластин (отмывка, нанесение фоторезиста, конвейерное окисление и т.п.) на основе использования пневмоавтоматики и пневмоники.

В 1964 году научно-технологический отдел НИИ-35 по разработке интегральных схем посетил Председатель ВПК Смирнов. После этого визита отдел получил японское научное оборудование, которое было использовано в перспективных разработках. Весной 1965 года состоялся визит в опытный цех научно-технологического отдела НИИ-35 по разработке кремниевых интегральных схем Председателя Совета Министров Косыгина. За период разработки с 1962 по 1967 год автору, как начальнику отдела, приходилось неоднократно докладывать о ходе работ Председателю ГКНТ и зам. председателя СМ Рудневу, Президенту АН Келдышу, а также быть в постоянном контакте с отделом науки ВПК и оборонным отделом ЦК, в то время отделом авиационной техники Министерства обороны, руководившим организацией военной приёмки.

Создание Зеленограда. Зеленоград — центр микроэлектроники в составе 6 предприятий с опытными заводами, отечественный аналог Кремниевой долины в Калифорнии. Автор в начале 1963 года читал курс лекций действующему директору Зеленограда, зам. Министра МЭП Ф.В. Лукину, на основе которых составлялись технические предложения по развитию полупроводникового машиностроения для Зеленограда, в частности, по термическим процессам и фотолитографии (для директора Савина), для закупок технологического оборудования по импорту (группы Назарьяна и Стружинского), в том числе, для опытно-показательного завода во Фрязино.

Результаты разработок автора зафиксированы и подтверждаются рядом научно-технологических отчётов НИИ-35, авторскими свидетельствами, рядом статей, опубликованных в сборниках “Полупроводниковые приборы и их применение”, “Микроэлектроника” и изданными книгами и брошюрами за период до 1974 года.

Г. Члиянц

Изобретение интегральных схем

История создания интегральных схем (ИС) ведёт своё начало со второй половины уходящего столетия. Их появление было обусловлено острой необходимостью повышения надёжности аппаратуры и автоматизации процессов изготовления и сборки электронных схем. Сборка аппаратуры в то время была преимущественно ручной — весьма трудоёмкой, длительной и, к тому же, очень плохо поддающейся автоматизации. Многократно увеличилось число переключающих приборов в цифровом оборудовании, особенно в компьютерах. Так же резко снизилась надёжность и время наработки на отказ. Так, компьютер типа CD1604, выпущенный в 1960 г. американской фирмой Control Data Corp., содержал около 100 тыс. диодов и 25 тыс. транзисторов и мог безотказно работать не более 2–3 часов.

Другой причиной создания ИС стала технологическая возможность размещения и соединения между собой множества электронных компонентов — диодов, транзисторов и так далее, на одной пластине полупроводника. Дело в том, что созданные к тому времени меза- и планарные транзисторы и диоды изготавливались по технологии групповой обработки на одной пластине-заготовке одновременно.

Концепция ИС была предложена задолго до появления групповых методов изготовления полупроводниковых приборов. В 1952 году на конференции по электронным компонентам, проходившей в Вашингтоне, сотрудник Британского королевского радиолокационного управления в Малверне Джеффри Даммер представил доклад о надёжности элементов радиолокационной аппаратуры, содержавший пророческое утверждение: "С появлением транзистора и работ в области полупроводниковой техники вообще можно себе представить электронное оборудование в виде твёрдого блока, не содержащего соединительных проводов. Он может состоять из слоёв изолирующих, проводящих, выпрямляющих и усиливающих материалов, в которых определённые участки вырезаны таким образом, чтобы они могли непосредственно выполнять электрические функции".

Первые в мире ИС были разработаны и изготовлены в 1959 году американцами Джеком Сент Клером Килби (фирма Texas Instruments) и Робертом Н. Нойсом (Fairchild Semiconductor) независимо друг от друга.

В мае 1958 г. Джек Килби перешёл в фирму Texas Instruments (TI) из фирмы Centralab — в ней он возглавлял программу по разработке слуховых аппаратов, для которых фирма создала небольшое предприятие по созданию германиевых транзисторов. Уже в июле 1958 г. Килби пришла в голову идея создания ИС. Из полупроводниковых материалов уже умели изготовлять резисторы, конденсаторы и транзисторы. Резисторы изготовляли, используя омические свойства "тела" полупроводника, а для создания конденсаторов использовались смещённые в обратном направлении p-n-переходы. Оставалось только научиться создавать такие переходы в монолите кремния.

Килби разрезал пластину на кусочки размером 1,6ґ9,5 мм, содержащие диффузионные области двух типов. Эти области и имевшиеся контакты он использовал для создания схемы генератора, соединяя элементы тонкими золотыми проволочками. После выполнения защиты одна из диффузионных областей травилась обычным способом. Из неё создавался мезатранзистор. Другая область образовывала RC-цепочку с распределёнными параметрами, необходимую для создания сдвига фазы. ИС Колби заработала, и он поставил перед собой задачу аналогичным образом разработать триггер.

В начале октября 1958 г. он начал создавать конструкцию триггера на одном кусочке монолитного германия. Для его изготовления был применён метод фотогравировки, которым владела фирма TI. В начале 1959 г. такая "твёрдая схема" была изготовлена и в марте 1960 г. представлена на выставке американского Института радиоинженеров. Килби подал заявку 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".

Однако, несмотря на широкое освещение прессой, это достижение было встречено весьма скептически, хотя большинство критических замечаний были верными: ограничения, связаннные с интеграцией (параметры индивидуальных компонентов ИС нельзя оптимизировать); выход годных ИС был менее 10%; дороговизна готовой матрицы-образца ИС; невозможность в последующем видоизменять и дорабытывать схему.

Рабочий образец первой ИС (линейный размер указан в дюймах)

Многие недостатки "твёрдых схем" были устранены позднее Робертом Нойсом. С января 1959 года, занимаясь в фирме Fairchild Semiconductor (FS) исследованием возможностей планарного транзистора, он вплотную занялся выдвинутой им идеей создания интегральных диффузионных или напылённых резисторов методом изоляции приборов с помощью смещённых в обратном направлении р-n-переходов и соединения элементов через отверстия в окисле путём напыления металла на поверхность. Вскоре была подана соответствующая заявка на патент, и разработчики элементов в тесном контакте со специалистами по фотолитографии начали работать над вопросами соединения диффузионных резисторов и транзисторов на кремниевых пластинах.

Разработки ИС стали продвигаться лихорадочными темпами. Фирма FS пригласила в качестве разработчика схем Роберта Нормана из фирмы Sperry. Норман был знаком с резисторно-транзисторной логикой, выбранной в качестве основы для будущей серии ИС — Micrologic... Это было начало новой эры.