Файл: Федотов, Я. А. Инженер электронной техники.pdf

никякоГб значения. Когда же йспы+ания машины успешно за­ вершены и встал вопрос о с е р и й н о м производстве, прото­ типом машины начинают заниматься технологи. Их задача ре­ шить, как проще, экономичней, с меньшими затратами средств и труда осуществить изготовление деталей, сборку машины и ее наладку. Дальнейшие задачи технолога сводятся к наблю­ дению за процессом изготовления и его усовершенствованием.

В р а д и о э л е к т р о н и к е разработчик-схемотехник со­ здает схему электронного устройства и собирает его макет. И здесь работа ведется, что называется, «на коленке». Для раз­ работчика схемы важно убедиться, что устройство действи­ тельно обладает заданными электрическими характеристиками и выполняет все функции, которые на него возложены. После этого оно попадает в руки конструкторов. Они ищут конструк­ тивное решение: конструкцию шасси и панелей, расположение приборов и элементов управления устройством, взаимное рас­ положение и компоновку деталей и элементов, способы выде­ ления и отвода тепла, амортизацию, обеспечивающую устойчи­ вость схемы к ударам и вибрациям, и т. д. А затем, как и в машиностроении, технологи решают вопрос о том, как орга­

структором и создавал детали, из которых собиралось устрой­ ство в целом. Во втором случае разработчик пользовался го­ товыми деталями (транзисторами, диодами, резисторами, кон­ денсаторами и т. д.) и создавал устройство из них. Конструк­ тор и технолог завершают труд разработчика.

Совсем иначе обстоит дело в полупроводниковой электро­ нике. Полупроводниковый прибор или интегральная схема представляют собой один сплошной кристалл полупроводнико­ вого вещества. В нем практически нет самостоятельных дета­ лей и элементов (если не считать корпуса; но корпус — это арматура, это вещь, вообще-то, не обязательная, не имеющая отношения к п р и н ц и п у действия прибора).

30

Итак, полупроводниковый прибор (включим в это понятие и изделия микроэлектроники) — это одна единая деталь, при­ обретающая сложные свойства (часто соответствующие свой­ ствам целой электронной схемы), пройдя через последователь­ ный ряд операций. В чем же заключаются эти операции?

Как уже говорилось выше, основной их смысл сводится к перестройке кристаллической структуры в отдельных обла­ стях кристалла, причем в областях микроскопических — то, что мы и называем полупроводниковой структурой.

Машиностроение построено на ф о р м о о б р а з о в а н и ч . Металлу, из которого изготавливаются детали, придают ту или иную форму. Полупроводниковая электроника построена на с т р у к т у р о о б р а з о в а н и и. Форма кристалла не имеет существенного значения.

В процессе создания полупроводникового прибора функ­

структуру), и к а к это сделать (т. е. владеть всем арсеналом технических средств, позволяющих реализовать результаты своих расчетов). Зачастую при этом вопрос, к а к делать, стоит на первом месте. Конструкция прибора определяется часто теми техническими возможностями и теми средствами структурообразования, которыми мы располагаем. Конечно, между тем, ч то делать, и к а к делать, всегда есть «обрат­ ная связь», но все же в машиностроении на первом месте стоит форма детали и на втором — способ ее изготовления.

В полупроводниковой электронике в о б щ и х ч е р т а х известно, что должна представлять собой структура, но лишь в общих чертах. Разработчик прибора, зная арсенал техниче­ ских средств и их возможности, выбирает необходимый способ изготовления или комплекс процессов, которые в значительной мере определяют форму и размеры тех или иных областей структуры.

Этот комплекс процессов, в результате которых создается сложная полупроводниковая структура, и называют в полупро­ водниковой электронике технологией. Отсюда технологом мы

31

называем разработчика, создателя полупроводникового прибо­ ра. Это главный и основной смысл, который мы вкладываем в понятие технолог. Итак, технолог — это человек, создающий полупроводниковый прибор, человек, знающий теорию и умею­ щий практически д е л а т ь полупроводниковые приборы.

В машиностроении разработчиком машины является кон­ структор. Создать машину — значит создать комплект черте­ жей. В полупроводниковой электронике разработчиком прибора является технолог. Создать прибор — значит создать комплект технологической документации.

Правда, и в полупроводниковой промышленности есть тех­ нологи, которые не создают новых приборов, а «заведуют» выпуском и усовершенствованием уже созданных приборов, но главное не в этом. Главное, что в полупроводниковой промыш­ ленности разработчик прибора — специалист, хорошо владею­ щий точнейшим оборудованием, легко справляющийся с доля­ ми микрона и микроскопическими количествами примесей, спе­ циалист, буквально «выдергивающий» из кристаллической ре­ шетки одни атомы и заменяющий их другими.

Таким образом, в электронной технике технолог — это спе­ циалист, овладевший техникой микроразмеров и микроколи­ честв. Технология же — это сложнейший физический экспери­ мент по перестройке кристаллической структуры вещества в микроскопических объемах. Технология полупроводниковой электроники использует большое количество процессов и видов оборудования в самых различных сочетаниях. Однако основой основ современной технологии полупроводниковой электроники является и останется, вероятно, на ближайшие 10—15 лет так называемая планарная * технология в ее модификациях и разновидностях.

* Планарная технология — совокупность наиболее распро­ страненных в настоящее время технологических приемов изго­ товления полупроводниковых приборов и микроэлектронных устройств. Она получила свое название от того, что весь при­ бор изготавливается на одной поверхности кристалла. В пла­ нарную технологию входят процессы фотолитографии, диффу­ зии и т. д.

33

изъять, заменить на годную. В брак пойдет одна-единственная деталь, стоимость которой составляет незначительную часть от стоимости всей машины.

Полупроводниковый прибор — это одна-единственная и очень сложная деталь. Изготавливается эта деталь в результа­ те десятков и сотен операций. Ошибка на любой из этих опе­ раций, по чьей бы вине она ни произошла, — это брак. Прибор не будет работать, и мы не можем уже ничего изъять, заме­ нить, поправить.

Сложность производства проявляется, таким образом, прежде всего в повышенном проценте потерь от брака. Если в машиностроении потери от брака могут составлять доли процента, то в полупроводниковой промышленности они исчис­ ляются десятками процентов. При больших объемах производ­ ства за этими цифрами вырастают десятки и сотни миллионов рублей. В чем причины этих потерь? Как с ними бороться?

Первая причина — несовершенство используемых материа­ лов. Микроскопические неоднородности, которые мы не можем даже проконтролировать, могут попадать в те или иные рабо­ чие области прибора и приводить к его разрушению. Следует улучшать свойства материалов, совершенствовать методы их контроля, хотя стоимость материалов при этом будет возрас­ тать. Вероятно, применение новых, более дорогих материалов окажется оправданным только в том случае, когда повышение

Его возможности ограничены проверкой соответствия качества материалов нормам технических условий.

Вторая причина — недостаточная точность работы техно­ логического оборудования. Оборудование имеет какую-то пре­ дельную точность, определяющую какой-то минимальный, счи­ тающийся допустимым процент брака. Однако в ходе работы оборудование разлаживается, появляются все большие и боль­ шие отклонения. Если за работой оборудования не установить самого жесткого контроля, если его периодически не налажи­ вать и не настраивать, то процент брака будет постоянно

34

Возрастать, И это будет лежать целиком на совести персонала. Третья причина — случайные отклонения от норм техноло­ гического процесса, обусловленные ошибками персонала (не­ внимательность, небрежность и т. д.). Воспитательная работа может весьма существенно снизить потери по этой причине. Четвертая (и далеко не последняя) причина — несовершен­ ство самого технологического процесса, поэтому постоянное совершенствование его (замена старых принципов более новы­ ми и прогрессивными), являющееся законом развития любо - г о производства, имеет особо важное значение для производ­

ства полупроводниковых приборов.

Если внимательно оценить специфику полупроводникового производства, учесть высокие потери от брака в этой отрасли, учесть, что потери от брака находятся в прямой связи с уров­ нем подготовки персонала, то становится ясно, что экономиче­ ские проблемы полупроводниковой промышленности предъяв­ ляют к персоналу исключительно жесткие требования.

Есть у этого производства и еще одна специфическая чер­ та — это высочайшие требования к надежности изделий. Для обеспечения запуска и полета космических кораблей используются десятки и сотни тысяч полупроводниковых при­ боров. Разве можно допустить, чтобы выход из строя не­ скольких полупроводниковых приборов ценою в 2—3 рубля привел к срыву космического эксперимента стоимостью не в один миллион рублей? Однако никакие формы контроля го­ товой продукции не могут обеспечить в полной мере высокой надежности полупроводниковых приборов. Высокая надеж­ ность закладывается только в ходе изготовления этих прибо­ ров, в ходе технологических процессов. Небольшая ошибка персонала, нарушение инструкций и предписаний, казалось бы совсем несущественные и никем не замеченные, — а в прибор уже внесен скрытый дефект, который проявится через несколь­ ко месяцев или даже лет, причем в самый ответственный мо­

выясняется, две стороны одного и того же вопроса: четкой организации производственных процессов.

Все это приводит к тому, что полупроводниковое произ­ водство характеризуется:

—повышенным процентом инженерно-технических работ­ ников (ИТР) по сравнению с их числом в других отраслях;

—высоким уровнем профессиональных знаний ИТР и осо­ бенно хорошим знанием дисциплин физического и физико-хи­ мического циклов;

—высокой общеобразовательной подготовкой рабочих кадров, позволяющей осваивать сложные технологические про­ цессы и оборудование;

—высокими знаниями ИТР в области экономики и орга­ низации производства;

—сознательной дисциплиной всего персонала (как ИТР, так и рабочих) — важнейшим залогом обеспечения высоких экономических показателей производства и высокой надежно­ сти выпускаемой продукции.

Инженер электронной техники должен быть сам образцом сознательной дисциплины и постоянно воспитывать подчинен­ ный ему персонал в духе сознания высокой ответственности за

порученное дело, за достижение высоких экономических и тех­ нических показателей.

К перечисленным выше пунктам следовало бы добавить еще один, являющийся в какой-то степени производным от них — постоянное повышение квалификации, техническая учеба в каждом звене, от рабочего до командира производства, по­ тому что полупроводниковое производство является не только сложным, но и быстро развивающимся. Из года в год в этой отрасли сохраняются высокие темпы роста объемов производ­ ства, которых не знают другие отрасли.

Было бы ошибкой считать, что возрастание вдвое объемов производства сопровождается пропорциональным увеличением производственных площадей и численности персонала. Опыт работы отечественной промышленности показывает, что объ­ емы производства растут значительно быстрее, чем. числен-

36

tiOcfb персонала и производственные площади, а это значит, что производительность труда предприятий электронной техни­ ки непрерывно и существенно возрастает. Обеспечить этот рост может только думающий сознательный персонал. Думать в этой отрасли приходится, пожалуй, больше, чем во многих других...

В то же время с каждым годом вступают в строй новые корпуса, новые заводы. Тысячи молодых людей, выпускников школ, приходят на производство. Обучить их, привить им ува­ жение к своей профессии, воспитать в них сознательное отно­ шение к порученному делу — благородная задача инженера электронной техники.

Гомеопатов нам, конечно, не догнать...

Где-то на грани XVIII и XIX столетий врачи разде­ лились на гомеопатов и аллопатов. Лозунг гомеопатов: «По­

в больших количествах или концентрациях может вызвать эффект, аналогичный симптомам той или иной болезни, то

в очень малых концентрациях и количествах это средство мо­ жет служить лекарством против этой же болезни. Исходя из этого, в качестве лекарств гомеопаты применяют сильно разве­ денные вещества. У них есть системы разведений: децималь­ ная (десятичная) и центимальная (сотенная).

В десятичной системе степень разведения соответствует степени числа 10, в сотенной системе — степени числа 100. Так, например, шестая десятичная степень разведения представляет собой одну часть лекарства на миллион частей растворителя (обычно спирта). Ту же самую концентрацию дает и третья сотенная (1003) степень разведения. Говорят, что гомеопаты с «особой любовью» прибегают к 18—30 центимальным разве­ дениям, что соответствует единице с 36—60 нулями в знаме­ нателе дроби...

О таких цифрах как-то даже неудобно говорить всерьез, проводить подсчеты, рассчитывать, на сколько морей или океа­

37

нов воды придется одна молекула растворимого вещества...

В этой области мы вряд ли сможем конкурировать с гомеопа­ тами, да и есть ли в этом необходимость? Но мы увидим сейчас на вполне конкретных примерах, что мы действительно работаем в области примерно до десятого децимального (пя­ того центимального) разведения...

Итак, наша задача сейчас сводится к тому, чтобы пока­ зать, что полупроводниковая техника является действительно техникой микроскопических количеств. Поговорим о некоторых величинах, характеризующих чистые и сверхчистые вещества.

Начнем с воды, тем более, что в полупроводниковом про­ изводстве она применяется исключительно широко. Нам известно, что молекулы кислот, щелочей, солей в воде диссо­ циируют, распадаются на положительные и отрицательные ионы — катионы и анионы. Обычная природная вода имеет весьма высокое содержание растворенных в ней веществ. Если такую воду использовать для промывки полупроводниковых кристаллов, то ионы могут собираться поверхностью кристалла и «портить» его свойства. Воду необходимо освободить от ионов — деионизовать. Это осуществляется пропусканием воды через колонны, наполненные крупинками специальных актив­ ных смол. Смолы эти носят название ионообменных. Есть смо­ лы, удерживающие анионы, есть смолы, удерживающие катио­ ны. Их так и называют: анионитные и катионитные.

Допустим, что вода прошла очистку. А как определить, остались ли в ней ионы и сколько их? Очень просто. Вода с ионами в ней — это электролит. Чем больше ионов, тем выше электропроводность электролита. По величине электропровод­ ности можно определить содержание в воде растворенных ве­ ществ. Измеряется обычно удельная проводимость (или удель­ ное сопротивление), т. е. проводимость или сопротивление ку­ бика вещества (в данном случае — воды), сторона которого равна 1 см.

На первый взгляд, вода, полностью освобожденная от ионов растворенных в ней 1веществ, должна обладать бесконеч­ ным сопротивлением, т. е. стать изолятором. Однако на прак­

38