Нанонауки. Невидимая революция - Кристиан Жоаким

Чтобы производить интегральные схемы в больших количествах, нужна была технология, обеспечивавшая автоматизацию сборки электронных компонентов на подложке. Поначалу вопрос о миниатюризации даже не поднимался — всем казалось очевидным, что новинка будет внедрена незамедлительно, например в электронике, устанавливаемой на военных реактивных снарядах и ракетах. Электроника следит за устойчивостью полета, и потому такая управляющая система включает в себя гироскоп, замеряющий отклонение от курса, и систему управления подачей топлива в реактивный двигатель. Инженеры-электронщики в союзе с армией физиков извлекли немалые выгоды из космической программы «Аполлон», обеспечивающей постоянный запрос на все более миниатюрную микроэлектронику. В реактивном снаряде или ракете тесно, а каждый лишний грамм груза — это дополнительный расход топлива, поэтому соображения места и массы имеют первостепенное значение. К тому же чем мельче транзистор, тем выше его быстродействие. А если транзисторов в интегральной схеме (в том же объеме) становится больше, то и возможностей у микросхемы прибавляется. Так что плотность расположения транзисторов начиная с 1960-х годов неуклонно возрастала, подчиняясь эмпирической закономерности, замеченной в 1965 году Гордоном Муром.

Защитив диплом в Калифорнийском университете, где он какое-то время сотрудничал с одним из изобретателей транзистора Уильямом Шокли, Гордон Мур вскоре начал работать в фирме Fairchild Semiconductors. В апреле 1965 года главный редактор американского журнала Electronics попросил Мура написать статью о перспективах электроники[9]. На момент написания статьи в самых сложных интегральных схемах содержалось десятка три электронных элементов, в том числе несколько транзисторов. Не так уж много, но Гордон Мур верил в эту технологию. Приглядевшись к темпам ее развития, он заметил: после изобретения интегральной схемы число компонентов за год выросло с четырех до восьми, а еще через год — до 16. Получалось, что примерно за год количество компонентов удваивается. Вовсе не думая об открытии или тем более навязывании какого-то закона собственного имени, Мур просто высказал надежду на появление все более миниатюрных электронных схем и тех деталей, из которых они строятся, предсказывая, что при этом схемы будут усложняться и дешеветь.

О том, что случится в будущем, Мур, конечно, мог только догадываться, но он был уверен: невероятный курс на немыслимую миниатюризацию взят. А назвал это его простенькое опытное — эмпирическое — наблюдение «законом Мура» вовсе не сам Мур, а преподаватель Калифорнийского технологического института Карвер Мид. Мур же в 1975 году подправил «свой» закон: плотность размещения компонентов на подложке интегральной схемы удваивается каждые два года. Между тем Мур познакомился с Робертом Нойсом, одним из изобретателей интегральной схемы, и в июле 1968 года Мур и Нойс зарегистрировали фирму Intel Corporation, которая в 1971 году выпустила первый микропроцессор[10] — микросхему, среди компонентов которой насчитывалось 2250 транзисторов. После этого закон Мура точно предсказывал рост плотности транзисторов в объеме микросхемы — в 2007 году их стало более 250 миллионов! Что и говорить — рост молниеносный.

Причем транзисторы не только становились меньше: они и работали все лучше и лучше. В грубом приближении уполовинивание объема равносильно удвоению быстродействия, поскольку электронам приходится преодолевать вдвое меньшее расстояние. И мощность, рассеиваемая на транзисторе, тоже уменьшается. Но поскольку плотность размещения транзисторов учетверилась, то общее количество рассеиваемого тепла осталось тем же самым. Зато способности к счету возросли в восемь раз. А ведь за сорок лет размеры уменьшились не вдвое, как в нашем примере, а в сто раз с лишним! Следствия налицо: если первая электронно-вычислительная машина весила 50 т и потребляла 25 кВт, выполняя лишь какую-то сотню команд в секунду, то любой нынешний микропроцессор весит считаные граммы, выполняет за секунду сотни миллионов команд и потребляет ничтожную энергию — во многие тысячи раз меньше, чем первые ЭВМ!

Времени-то прошло всего ничего, а какое продвижение! И сколько новшеств! И каких! Правда, если честно, то ни единое из этих новшеств не поменяло ни принципов функционирования транзистора, ни способов производства интегральных схем. И сегодняшние микросхемы изготавливаются теми же методами маскировки и гравировки — их окрестили литографией, — которыми по большому счету воспользовался Джоуль, когда ему понадобилось проградуировать свой сверхточный термометр. Только Джоуль резал воск острым ножом, а теперь гравируют лучом света. Оптическая литография (она же — фотолитография) состоит в том, что свет проходит через маску и освещает светочувствительную смолу, нанесенную тонким слоем на кремниевую пластинку. Маска — это трафарет, непрозрачные участки которого оберегают те места на кремниевой пластинке, которые не должны освещаться; так что свет воспроизводит на смоле узор маски — рисунок электронной схемы с ее транзисторами и другими деталями, включая металлические дорожки, служащие соединительными проводниками.

Поскольку маска прилегает к смоле не слишком плотно, а находится на каком-то удалении от нее, воспроизводимый на слое смолы узор получается несколько размытым — дорожки, например, выходят более широкими, чем на самой маске. А транзисторы нужны маленькие — чем меньше, тем лучше. Чтобы сфокусировать луч света (и получить дорожку поуже), применяют оптические линзы — вроде известных увеличительных или зажигательных стекол, фокусирующих солнечные лучи. Благодаря линзам, узор на маске можно делать большим по размеру и, значит, более точным и с большими подробностями (линзы все равно сделают его маленьким, таким, как потребуется — или удастся). После облучения смолу удаляют, и облученные участки кремния становятся задуманной микросхемой, со всеми ее транзисторами и прочими компонентами. Для удаления смолы кремний промывают кислотой — так же как Джоуль удалял со стекла пчелиный воск. Но точность операций теперь много выше. Если Джоуль своим ножом наносил риски длиной 50 мкм (то есть 50 тыс. нанометров), то в конце 1960-х фотолитография обеспечивала стократно лучшую точность, позволяя «нарисовать» транзистор в квадрате со стороной в 10 000 нм. В 2006 году промежуток между входом и выходом транзистора составляло всего 90 нм: иначе говоря, на пятнышке размером с ноготь теперь умещается более 80 миллионов транзисторов! В 2007 году появились интегральные схемы с расстоянием между входным и выходным выводами транзистора 65 нм, а в 2008 году этот показатель обещают сократить до 45 нм. Эти транзисторы уже в сто раз меньше красного кровяного тельца!

Ключевая роль в этой головокружительной миниатюризации принадлежит фотолитографии. Эта технология похожа на рисование тонюсенькой кисточкой, которой можно вычерчивать самые меленькие узоры. А чем тоньше линии этих узоров, тем тоньше гравировка на поверхности полупроводника, и добиваться «утонченности» можно, уменьшая длину волны используемого света. Разрешение — так называется наименьшее расстояние между двумя соседними (разными и потому различимыми) точками на схеме — определяется как раз этой длиной волны. Чем она короче, тем тоньше могут быть воспроизводимые узоры и тем лучше будет разрешение. Сначала полупроводник освещали видимым светом (длина волны от 400 до 800 нм), затем ультрафиолетовыми лучами (350–450 нм), потом жестким ультрафиолетом (220–310 нм), а теперь применяют лучи с длиной волны в 193 нм. Сегодня (с транзисторами величиной порядка 45 нм) предполагается применить иммерсионную фотолитографию. «Иммерсия» значит погружение — в этом случае кремний покрывается жидкостью; с поверхности кремния маска покажется увеличенной — жидкость действует как дополнительная линза, и поэтому можно использовать ту же длину волны для формирования транзисторов меньшего размера.

Но что делать уже на следующем этапе (транзисторы величиной 32 нм), инженеры не знают. Можно бы опять уменьшить длину волны, но это потребует фотолитографии, способной работать в диапазоне крайнего ультрафиолета (длина волны 13,5 нм). Иначе говоря, понадобится сверхмудреная и соответственно очень дорогая оптика, чтобы фокусировать такие лучи и освещать ими поверхность полупроводника. Волны еще короче — это уже рентгеновское излучение: казалось бы, здорово — волны длиной порядка 1 нм. Но для таких коротких волн все прозрачно — из чего тогда делать маску? А оптику? Что это за линзы должны быть, чтобы управляться со столь коротковолновым — и жестким, то есть разрушающим вещество, особенно живое, — излучением?

Вместо рентгеновских лучей можно бы использовать пучки электронов: если электроны как следует разогнать, то длины волн тоже могут быть сколь угодно малыми. Электронная литография известна с 1960 года, тогда Готфрид Молленштедт в Тюбингенском университете в Германии воспользовался потоком электронов вроде тех, что применяются в электронных микроскопах, чтобы нанести на поверхность смолы тоненькие риски: он сумел нарисовать логотип своего университета штрихами длиной порядка 100 нм. Происходит, в сущности, то же самое, что и в оптической литографии: на полимерную пленку обрушивается поток электронов, и в пленке происходят химические изменения. Чтобы обнаружить эту перемену, достаточно обработать пленку растворителем — облученные участки смоются, те же, что не подвергались облучению, уцелеют, и, значит, появится задуманный узор. Пока что электронная литография применяется в производстве масок для фотолитографии, а в продвинутых исследовательских лабораториях и для изготовления самых маленьких транзисторов в мире — с расстояниями между входом и выходом в 20, 15 и даже 9 нм! Словом, пресловутая иголка в стоге сена! Причем сами эти транзисторы не остаются на поверхности полупроводника, а норовят вырасти над нею — получается что-то вроде россыпи грибов. Кучка таких новых транзисторов похожа (под микроскопом) на скопление лисичек или шампиньонов.