A Hét 1980/1 (25. évfolyam, 1-26. szám)
1980-05-31 / 22. szám
TUDOMÁNYTECHNIKA a nagyfokú parányítást, ami néhány év múltán, a megfelelő technológiai eljárások kidolgozásával be is következett. Már az ötvenes évek folyamán megjelentek az első sorozatgyártásé tranzisztorok, amelyek hamarosan borsónyi méretűre zsugorodtak, ami már nagy haladást jelentett az elektroncsövekkel szemben. Azonkívül alacsony feszültség mellett működtek - tízszer kisebb a feszültség- és áramfelvételük, mint hagyományos társaiké —, ami óriási előnyt biztosított szószabadalmat is kapott négy alapművelet elvégzésére alkalmas zsebszámológépére. Bár a mikroelektronika bevezetése nem jelent minőségi változást a tranzisztorgyórtóssal szemben, a miniatürizálás lehetővé teszi, hogy olyan területeket is meghódítson magánok, amelyről régebben álmodni sem lehetett. Mind a tranzisztort, mind az integrált áramkört fénylitogrófiás eljárással készítik, melynek egy mesterségesen növesztett henger alakú szilícium egyhosszát, mígnem eljutottak a röntgensugaras litográfiát Ennek hátránya, hogy a megvilágítás nagyon hosszú időt vesz igénybe, ezért olyan fényérzékeny anyagok kikísérletezése került előtérbe, amelyek ezt az időt jelentősen csökkentik. Sikerült is olyan fényérzékeny lakkot előállítani, amely az eredeti néhány órás megvilágítási időt pár percnyire csökkentette. Ennek eredményeként a hetvenes években megjelentek a nagy integráltsági fokú (LSI — Large Scale lnérdemes-e évről évre ilyen ütemben növelni az áramkörök integróltsági fokát és hogy gazdaságos-e előállítani ezeket. Különösen az űrtechnológia és a számítástechnika számára jelentős, tekintve, hogy csupán korlátozott súlyú szerkezeteket lehet az űrbe juttatni és nem mindegy, hogy ezek .mit tudnak”. Ami a számítógépeket illeti, ott az utóbbi időben gondot okoz, hogy az egyes áramköri elemek túlságosan is messze vannak egymástól. A TRANZISZTORTÓL AZ ELEKTRONIKUS ENCIKLOPÉDIÁIG Az 1948-ban rendezett bemutatón az elektronika nagy öregjei elnéző mosollyal nyugtázták, a nagyközpnség kissé csodálkozva nézegette a különös, cipőkrémes doboz nagyságú szerkezetet, amelyet megalkotói, John Bardeen, Walter Houser Brattain és William Bradford Shockley tranzisztornak nevezett el és azt állította róla, hogy a jövő nagy ígérete, minőségi lépést jelent az elektronika fejlődésében. Nem is lehet csodálkozni az értetlenségen: a „szerkezet" csaknem háromszor akkora volt, mint egy trióda, amelynek funkcióját teljesítette, egyetlen előnynek csupán az tűnt, hogy alacsony tápfeszültség kellett az üzemeltetéséhez. Azt már csak a beavatottak és a legnagyobb elméleti fizikusok tudták, hogy e különös áramköri elem megszületéséhez a szilárdtestfizika, kvantummechanika és a félvezetőelmélet sokéves eredményei szükségeltettek. Ekkor még a három feltalálón kívül kevesen hittek abban, hogy ez a felfedezés gyökeresen új irányt szab az elektronika fejlődésének, egyik fontos elindítója lesz az űrelektronika kialakulásának és lehetővé teszi, hogy a különféle furfangos áramkörök mindennapi életünk tartozékává váljanak. Mennyiben jelent minőségi előrelépést a félvezetőtechnika a vákuumcsővel szemben? Az elektroncső belsejében légritkított térben a repülő elektronok hozzák létre az áramot, ezért a vökuumnak jelentős a szerepe. A miniatürizálásnak megvannak a műszaki akadályai: ha túl közel kerülnek egymáshoz az elektródák, ionkisülés jön létre közöttük, az elektroncső egyszerű vezetőként, nem pedig erősítő elemként működik, az áramkör nem képes funkcióját teljesíteni. Gyakorlatilag a ma is használt ujjnyi vastagságú elektroncsövek a lehető legkisebbek, méretük további csökkenése már nem ajánlatos. Ezzel szemben a félvezető olyan anyag, amelynek belsejében atomi szinten előfordulnak az elektronok számára olyan nehezen áthágható sávok, mint az elektroncső légritkított tere, ezért az anyag belsejében, néhány milliárdod centiméteres távolságokon lejátszódhatnak ugyanezek az események. A szemfüles elektronikai gyárak szakembereit nem riasztotta vissza az első tranzisztor aránylag nagy mérete. Rájöttek, hogy a működési elv lehetővé teszi mukra a hirtelen fejlődésnek indult számítástechnika területén. Míg az elektroncsöves számítógépek több helyiséget is megtöltöttek, és rendkívül nagy gondot jelentett az egyes áramkörök hűtése, addig tranzisztoros változatuk nagyobb ruhásszekrény nagyságúak voltak. Az ötvenes évek közepére annyira nyilvánvalóvá vált a tranzisztor teljes győzelme a klasszikus elektronika fölött, hogy — igaz több éves késéssel — a három tudós megkapta tranzisztoráért az 1956-os fizikai Nobel-díjat. Mivel ebben az időben már a megvalósulás stádiumába kerültek az első űrrakéták, rendkívüli fontosságot kapott a minél kisebb térfogatba maximális mennyiségű áramköri elem elhelyezése. Ezt kezdetben az egyes áramköri elemek parónyításával próbálták elérni, ennek folyamán alakult ki az ún. mikromodul-technika. Hamarosan kiderült, hogy a kontaktusok összepréselése, illetve forrasztásai nagyobb helyet foglalnak el, mint az egyes áramköri elemek, ezért megpróbálták az összekötő huzalokat, diódákat, tranzisztorokat egyetlen lapocskán egyesíteni (integrálni). 1960- ban született meg az első ilyen szilícium lapocskára készített mikroelektronikus — integrált — áramkör, amelyet kezdetben csak az űrtechnikában alkalmaztak. Az Egyesült Államok déli részén egy ismeretlen kis üzem, a Texas Instruments érezte meg elsőként az integrált áramkörben rejlő rendkívüli üzleti lehetőséget, így 1965-ben piacra dobta az első kis integráltságú (SSI — Small Scale Integration) áramkörét, amely egyetlen gyöngyszemnyi fémtokban tizenegy tranzisztort, néhány diódát és ellenállást egyetlen szilíciumlapocskón egyesített és ún. műveleti (operációs) erősítőként dolgozott. Ezzel meg is csinálta a szerencséjét: egycsapásra dúsgazdag és világhírű lett, olyannyira, hogy még ugyanebben az évben megindította a miniszámítógépek (és számológépek) kifejlesztését célzó kísérleteit és két év múlva kristály a kiinduló nyersanyaga. Ezt a három-négy centiméter átmérőjű hengert a kristálysíkok megállapítása után gyémántfűrésszel apró lapocskákra szabdalják. A lapocskát sziliciumoxid védőréteggel vonják be, amelyre fényérzékeny réteget visznek fel. Erre a rétegre vetítik a tranzisztor egyes részeinek, vagy az egész integrált áramkör elemeinek képét. A megvilágított helyeken a fényérzékeny lakk polarizálódik, ezzel az oldószerrel szemben ellenállóvá válik, a meg nem világított részen eltóvolitják a lakkot, majd savval kimaratják az oxidált védőréteget. Az így nyert „ablakocskába" párologtatással, rétegnövesztéssel, vagy diffúzióval juttatják be a szenynyező anyagokat, amelyek az áramköri elem, illetve az egész áramkör villamos tulajdonságait, ezzel működési elvét meghatározzák. Hasonlóképpen párologtatással viszik fel az összekötő elektródokat is. Az integrált áramkörök maszkját rajztáblán készítik el, ezt megfelelő kicsinyítés után vetítik a kb. két négyzetmilliméteres szilícium lapocskára. Ha leemeljük a tranzisztor vagy az integrált áramkör „kalapját", külső burkát, láthatjuk, hogy a parányi áramkör mellett milyen groteszkül hatnak az ormótlan oszlopoknak tűnő elektródok, amelyek a nyomtatott áramköri lap kivezetéseihez csatlakoznak. Az összekötő vezetékek és az elektródok így sokkal nagyobb helyet foglalnak el, mint maga az áramkör, ebből logikusan következett a fejlődés iránya: lehetőleg minél több áramköri elemet létesíteni egyetlen lapocskán. Néhány év múltán, 1970-ben piacra is kerültek az első közepes integráltságú (MSI - Medium Scale Integration) áramkörök, amelyekben mór több, mint száz tranzisztort sikerült egyetlen szilíciummorzsán egyesíteni. A méretek további csökkentésének azonban különböző akadályok állták útját. A legnagyobb gondot a fény hullámhossza okozta. A fény minden test határán elhajlik, szóródik. Ez mindaddig nem okoz gondot, mig a test, vagy rés sokkal nagyobb, mint a fény hullámhossza. A mikrométerek világában azonban már olyan szóródásnak lehetünk tanúi, ami megnehezíti a maszk leképezését. Mivel a szóródás nagysága összefügg a fény hullámhosszával, fokozatosan csökkenteni kezdték a leképezéshez használt fény hullámtegration) áramkörök, amelyek a néhány négyzetmilliméternyi lapocskán tranzisztorok, diódák, ellenállások tízezreit egyesítik. A méretek további csökkentésére a hagyományos eljárás már nem ad lehetőséget. Ezért fel kellett a maszkolási eljárást cserélni egy sokkal pontosabb és a kisebb méreteket is jól kirajzoló módszerrel. Erre az elektronsugár látszott a legalkalmasabbnak, mivel elektromos töltése révén rendkívül jól fókuszálható és irányítható, mind intenzitása, mind átmérője tetszés szerint változtatható. Hamarosan kialakult az elektronsugaras litográfia, amelynél a szilíciummorzsóra számítógépvezérlésű elektronsugórnyaláb rajzolja ki az áramkör képét. A nanométerek „dimenziójában" a bepárologtatás és az ehhez hasonló eljárások túlságosan is durvák, ezért a félvezető lapocskába a szennyezőanyagot is sugárnyalábbal juttatják be: nehézionos bombázással, ún. ionplantálással változtatják meg a félvezető villamos tulajdonságait. Az eljárás fő előnye a nagyfokú pontosság: a sugárnyaláb intenzitásával a behatolási mélységet szabályozhatják, a nyaláb energiasűrűségével pedig a beplántálandó ionok szómat. A fejlődés eredményeként napjainkban megjelentek a nagyon nagy integráltsági fokú (VLSI — Very Large Scale Integration) áramkörök, amelyek már százezer tranzisztort és áramköri elemet is tartalmaznak. Ezek után nem meglepő, hogy a közelmúltban az amerikai IBM „Future System" (Jövő rendszere) és a japán „Communicative Society" program azt tűzte ki célul, hogy egymillió áramköri elemet zsúfoljanak össze egyetlen szilícium félvezető lapocskán. A cél megvalósításához el kell érni, hogy a tizednanométerek (tizedmilliomod milliméterek) világában is megfelelően pontos sugárral tudják kirajzolni az egyes elemeket, valamint beplóntálni az adalékanyagokat. Újabban ionsugaras maratással is kísérleteznek, önként adódik, a kérdés, hogy A gepek legtöbbje ma már egy nanoszekundum (ezredmilliomod másodperc) alatt több műveletet is el tud végezni, s gondot jelent, hogy ugyanezen idő alatt az információ (az elektromágneses jelek) csupán harminc centimétert tudnak a vezetékekben megtenni, tehát a gépek működését a fényterjedési sebesség véges volta lassítja. Minél több operációs egységet tudnak egyetlen lemezkére egyesíteni és minél közelebb kerülnek egymáshoz az egyes alkatrészek, annál gyorsabbá lehet tenni az immár a kvantumhatárral eljutott számítógépet. A rendkívüli miniatürizálás lehetővé teszi az eddiginél sokkal nagyobb mértékű információtárolást, ami a számítástechnika minőségi változását eredményezheti. Néhány évvel ezelőtt R. Feymann Nobel-díjos fizikus feltette a kérdést: Elférhet-e az Encyclopedia Britannica egy tű hegyén? Az elektronika fejlettségi szintjének és rohamos fejlődésének fényében maga adta meg a választ: Igen, ha oz elemi információtárolásra néhány száz atomot használnak fel. így az információ még megbízhatóan tárolható és előhívható. Jelenleg még a Feynmanni előrejelzés jámbor óhajnak számít, nagyon távol vagyunk még az atomok világától, a rohamos fejlődés ismeretében azonban bízvást remélhetjük, hogy ez is megvalósul. Ma már forgalomban vannak az ötszáz-ezer szó tárolására alkalmas tolmácsgépek. Hamarosan többezer szó tárolása sem lesz gond egy notesznyi minigépben. Már nincs messze az idő, amikor a nanoelektronika eredményeinek felhasználósával megjelennek az elektronikus lexikonok és enciklopédiák, amelyek zsebszótórnyi méretűk ellenére több kötetnyi írott szöveg tárolására alkalmasak, az adatok a másodperc töredéke alatt lehívhatók lesznek a kijelzőre vagy képernyőre. Ezzel valósággá válik Feynmann jóslata. Ha nem is egy gombostű hegyén fogják tárolni oz enciklopédiát, de egy elektronikus „zsebkönyvben" minden bizonnyal. OZOGANY ERNŐ 18
