A Hét 1990/1 (35. évfolyam, 1-26. szám)

1990-01-05 / 1. szám

Bár már csaknem negyedszázad eltett azóta, hogy a Texas Instruments a piacra dobta az első kis integráltságú ún. SSI (Small Scale Integration) áramkörét, amely tucatnyi áramköri elemet tartalmazott, a gyártási eljárás — legalábbis elvileg — egészen napjainkig nem sokat változott, így jelenleg is fénylitográfiás módszerrel készül a legtöbb áramkör. Bár időről-időre megjelennek olyan hirek a sajtóban, hogy másfajta eljárással jobb eredmények érhetők el, viszont azt már ritkábban reklámozzák, hogy ezek az eljárások általában jóval kisebb termelékenységűek, összehasonlíthatatlanul bonyolultabb berendezéseket igényelnek, ennek következtében akár tízszer-hússzor drágábbak a hagyományos módszernél. Jogosan vetődhet fel a kérdés, hogy minek új gyártási eljárásokkal kísérletezni, ha egyszer a régi is megfelel ?

Annakidején egy bö emberöltővel ezelőtt jelent meg a tranzisztorgyártásban a fénylitográfiás eljárás. Ennek lényege, hogy a tranzisztor egyes szerkezeti elemeit rajztáblán készítették el, amit megfelelő (több százszoros) kicsinyítés után helyeztek el a szilícium egykristály lapocskára, melyet előzőleg fényérzékeny réteggel vontak be. Az áramköri elem kicsinyített rajzát az ún. maszkot megvilágítva azokon a helyeken, ahol az emulziót fény érte, polimerizáció játszódott le, ennek következtében a fényérzékeny réteg e része az oldószerrel szemben ellenállóvá vált, míg a megvilágítatlan helyeken változatlan maradt. így aztán a kővetkező munkafázisban eltávozhatták a nem exponált részekről az emulziós lakkot. Ezt követően savval maratták le az egykristályon levő, a maszk által kirajzolt szilíciumoxid védőréteget. Az így keletkezett „ablakocskába" rétegnövesztéssel, diffúzióval vagy párologtatással juttatták be azokat a szennyező anyagokat, amelyek hatására kialakulnak az egyes zónák — az emitter, kollektor és a bázis —, a tranzisztor működését biztosító szerkezeti elemek. Az integrált áramkörgyártás technológiai szempontból nem jelent előrelépést a tranzisztortechnikával szemben, csupán a szilícium morzsán egyidejűleg több tranzisztort, diódát, ellenállást és összekötő vezetéket alakítanak ki. A Texas Intstruments mérnökeinek nagyszerű találmánya végső soron az (a ma már) logikus ötlet volt, hogy pazarlás tizenegy „morzsán" tizenegy tranzisztort kialakítani, aztán ezeket egy nyomtatott áramköri lapon összekapcsolni, ha egyszer ugyanazt megtehetik egyetlen szilícium lapon is. Ráadásul jóval kisebb méretek és energiafelhasználás mellett. Az 1965-ös piacra dobást kővetően lázas verseny indult meg a gyárak között az integrálási fok növelése érdekében. Persze ez a verseny egyáltalán nem volt öncélú: miközben évente megkétszereződött a szilícium morzsán kialakított áramköri elemek száma, ezzel egyidejűleg egy-egy szerkezeti elem ára a felére csökkent, vagyis a kész, tokozott integrált áramkör ára változatlan maradt! Ennek köszönhetően öt évvel később, 1970-ben a több száz tranzisztort tartalmazó közepes integráltsági fokú MSI (Medium Scale Integration) áramkör ugyanannyiba került, mint az első kis integráltságú társa. Ugyanez érvényes a hetvenes évek közepén piacra kerülő nagy integráltságú LSI (Large Scale Integration) áramkörökre is (leszámítva persze az első időszakot, amikor még a tömegtermelés beindulása előtt az ár a csillagos eget ostromolja, viszont ez hónapokon belül bukórepülésszerű zuhanásba kezd). Csakhogy eközben már a műszaki jellegű problémák is sokasodni kezdtek. Amint ugyanis eljutottak a gyárak az ezred - milliméteres tartományba, kiderült, hogy az áramköri elem kialakítása nem is olyan egyszerű. A maszk megvilágításához használt fény ugyanis a finom rajzolatok élén, szélein elhajlik, szóródik, így a szilícium egykristályon egyre életlenebb kép alakul ki, ami a méretek radikális csökkentésének következtében egyre inkább befolyásolja az áramkör tulajdonságait. Nem marad más lehetőség, mint a használt fény hullámhosszának csökkentése. Hamarosan sikerült eljutni ezen az úton a látható fénytől az ibolyántúli tartományba. Csakhogy a 200 nm-es (0,2 ezredmilliméter) fény alkalmazásánál jelentkezett az újabb gond: a hagyományos fényforrások ezen a hullámhosszon már nagyon kis intenzitással sugároznak, így a fényérzékeny rétegben nem alakul ki a maszk képe. Végül az amerikai IBM (International Businnes Machines) és Tropel gyáraknak sikerült évtizedünk elejére megoldani ezt a kérdést speciális impulzuslézerek alkalmazásával. Ugyanis az előny a lézerek egyéb alkalmazási területén — a nagyfokú koherencia (hogy egyes fénykvantumok mindig meghatározott fázisban vannak) és a monokromatikus jelleg (vagyis hogy csupán egy hullámhosszú fényt sugároznak ki) — a fénylitográfiánál hátránynak bizonyult: a hagyományos lézersugár fokozott mértékben hajlott el és szóródott a parányi éleken. Végül is hosszú kísérletezés után sikerült xenon-klór gázlézer segítségével 0,308 ezredmilliméteres, ezt kővetően kripton-fluor gázlézerrel 0,248 ezredmilliméteres hullámhosszúságú fénnyel megoldani az integrált áramkörök gyártását. Ez a gyakorlatban 0,5—0,7 ezredmilliméteres elemek kialakítását is lehetővé tette, ennek következtében a 15X15mm2-es lapkán több százezer tranzisztort is össze lehetett zsúfolni. Ezzel az eljárással akár 16 MB kapacitású DROM tárlók is készíthetők! Persze a sorozatgyártás még nem tart itt, az utóbbi idő nagy szenzációja volt az 1 MB-es chipek megjelenése, majd a közelmúltban a 4 MB-es tárlók sorozatgyártásának a beindulása. Ez viszont már a milliónál is több áramköri elemet egyesítő ultra nagy integráció (ULSI — Ultra Large Scale Integration) gyakorlati megvalósítását jelenti. A fejlesztési eredményeket persze nem sietnek a gyárak publikálni, már csak jól felfogott érdekből sem, hiszen nem lehet tudni, hogy melyik adatból jön rá a résen levő konkurrencia a gyártási eljárás nyitjára, ráadásul az integrálási fok ilyen arányú növelésének bizony megvan a maga stratégiai jelentősége is. így például az Egyesült Államokban kifejezetten katonai célokat szolgált a VHSIC (Very High Speed Integrated Circuit) program, amelynek keretén belül sikerült elérni a fél ezredmilliméteres áramköri elemek kialakítását, miközben a hibaérték nem lépte túl a ± 50 milliomod millimétert! Annyi viszont kiszivárgott, hogy az IBM óriásvállalat által pénzelt „Gamma Blue" program, amely az ULSI áramkörök gyártására alkalmas berendezéseket kísérletezte ki, mintegy százmillió dollárba került! Ezután aligha lehet azon csodálkozni, hogy egyetlen áramkörkészitö fénylitográfiás gép kétmillió dollárba kerül.

Az új műszaki eszközök megjelenésével párhuzamosan intenzív kutatás folyik olyan fényérzékeny anyagok kikísérletezésére, amelyek egyre kisebb intenzitásnál is megfelelően jó rajzolatú képet adnak. A jelenlegi eredményeket figyelembe véve az optimista szakemberek úgy gondolják, hogy a „hagyományos" fénylitográfiás módszerrel lehetővé válik akár negyed ezredmilliméteres elemek kialakítása is. A szkeptikusok ezzel szemben arra számítanak, hogy 0,3—0,4 ezredmilliméter az alsó határ ennél a technológiánál. Persze ez is lélegzetelállító eredmény: nem kevesebbet jelent, mint hogy a jövőben lehetővé válhat akár 64 MB-os DRAM tárlók gyártása is, ami viszont százmilliói!) tranzisztor összezsúfolását is jelenti egyetlen áramköri lapkán. Ennek megfelelően úgy tűnik, hogy a fénylitográfiás eljárásnak nemcsak múltja, jelene de még egy ideig jövője is van.

Azt talán mondani sem kell, hogy a szakemberek tarsolyában ezen kívül is van egy és más. Nagy jövőt jósolnak a röntgensugarak használatának: ezúttal akár 0,5 nanométeres hullámhossz is alkalmazható, vagyis négyszázszor(l) nagyobb rezgésszámú jel, mint a kripton-fluor gázlézereknél. A baj

csupán a röntgensugár nagyfokú áthatolóképességében van, vagyis olyan maszkokat kell kikísérletezni, amelyek megfelelően engedik át az ilyen nagyon rövid hullámhosszúságú elektromágneses sugarakat és szükség szerint visszatartják azokat. Amennyiben sikerül valamennyi műszaki kérdést megoldani, lehetővé válik akár 256 MB kapacitású tárlók kialakítása is egyetlen chipen.

Már vagy két évtizeddel ezelőtt rendkívül nagy jövőt jósoltak az elektrolitográfiás eljárásnak. Az elektronsugár ugyanis villamosán töltött részecske révén rendkívül jól fókuszálható, könnyen szabályozható a sugár ereje, intenzitása, átmérője, külső elektromágneses térrel pedig úgy modulálható, ahogy csak akarjuk (erre legjobb példa, hogy a televíziós képernyőn a legbonyolultabb alakzatokat képes kirajzolni). Használják is az elektronlitográfiát a hetvenes évek elejétől. Csak éppen nem a gyárakban, hanem a kísérleti laboratóriumokban. Éspedig amiatt, mert nagyon drága (néhány millió dollárba kerül egy-egy berendezés) és nagyon kis termelékenységű. Ez utóbbit illetően a gyártók azt állítják, hogy néhány tucat áramkört képes elkészíteni óránként, a valóságban azonban csak néhány darab sikerül neki. Ennek megfelelően csak ott alkalmazzák, ahol a kis széria nem gond: új áramkörök prototípusának az elkészítésére, ahol meg kell győződni arról, hogy való.ban úgy működik az új termék, ahogyan azt megtervezték; illetve egyedi áramköröket készítenek vele — megrendelés alapján. Eme tények ismeretében aligha csodálható, hogy az IBM is csak negyven darabot állított elő belőle, de a konkurrencia sem állt rá a sorozatgyártásra: a japán JEOL gyár a JBX 6A II típusú elektrolitográfból 22 darabot, míg az amerikai Perkin Elmer 10 darabot gyártott le ez ideig. Tehát csak a legnagyobb, legerősebb vállalatok engedhetik meg maguknak ezt a luxust. A kutatók jelenleg azon fáradoznak, hogy legalább negyven áramkört (tehát másfél percenként egyet) lehessen az elektronlitográffal előállítani, ez esetben már gazdaságos lenne az alkalmazása. Ennek érdekében az egyik legjelentősebb félvezetőgyár, a Szilicium-völgybeli Fairchild saját elektronlitográfját a Cray-1 szuperszámítógép vezérletével működteti.

Az elektronlitográfiával rokon az ionlitográfia, ahol általában H+ ionok (protonok) segítségével alakítják ki az áramkör rajzát. Ennek több változatával is folynak kísérletek, csupán a jövő dönti el, hogy milyen sikerrel.

Az integrált áramkörgyártás negyedszázados története minden bizonnyal új szakaszához érkezett: az ULSI áramkörök megjelenése elérhető közelségbe hozta a többmilliós áramköri elemekkel telezsúfolt szuperchipek megjelenését. Ez pedig nem kevesebbet jelent, mint hogy nemsokára megjelenhet a digitális televizió és a könnyű asztali kis szuperszámítógép, amely több mint egymilliárd műveletet tud elvégezni másodpercenként (az elméleti határ állítólag 10'°, vagyis tizmilliárd művelet ebben a kategóriában). Ez bizony már ezerszer gyorsabb lenne a mai személyi számítógépnél. Minden előrejelzés ellenére igazán helyénvaló feltenni a kissé hitetlenkedő és kételkedő kérdést: van-e egyáltalán a növekedésnek felső határa? A válasz persze könnyű: van. Csak azt nem tudja senki, hogy hol. -OZOGÁNY ERNŐ