КНС-технология - важнейший ресурс экстремальной электроники

ский состав Al2O3) прозрачен, как и кремниевая пленка субмикронной толщины [5].

Определяющий тренд развития микроэлектронной технологии во все времена заключается в непрерывном уменьшении топологических размеров L _min и повышении степени интеграции, то есть максимального количества элементов (транзисторов), размещаемых в чипе N _max. Этим достигаются повышение производительности и снижение стоимости обработки информации (передачи, хранения, преобразования и др.), что обе-

АЛЕКСАНДР ЮРЬЕВИЧ СМЕТАНОВ доктор экономических наук, заведующий кафедрой Московского государственного технического университета радиотехники, электро- ники и автоматики, профессор кафедры менеджмента Московского государственного технического университета (МАМИ), генеральный директор открытого акционерного общества «Научно-производственное предприятие “Сапфир”». Сфера научных интересов: экономика и управление. Автор более 45 публикаций спечивает последовательное проникновение микроэлектроники во все сферы человеческой деятельности, в той или иной степени связанной с обработкой информации. В наше время микроэлектроника стала универсальной технологией, пронизывающей практически все отрасли техники и науки. Это достигнуто благодаря разработке и сверхмассовому производству на-норазмерных сверхбольших интегральных схем. Высший современный уровень технологии характеризуется значениями Lmin ≤ 32 нм и Nмах ≥ 109–1010.

Высочайший динамизм прогресса микросхем (определяемый так называемым законом Мура¹) приводит к тому, что долго удерживаться на передовых позициях могут лишь такие фирмы-гиганты, как Intel, Samsung, Toshiba и другие, ведущих электронных стран (США, Япония, Южная Корея, Китай и др.). Дело в том, что стоимость производства сверхбольших интегральных схем непрерывно растет и достигает нескольких миллиардов долларов на создание одного современного завода. Оно оказывается рентабельным только при условии сверхмассового изготовления и потребления микросхем. Вся традиционная цепочка « научно-исследовательские работы – опытно-конструкторские работы – создание нового производства – само производство – применение » должна быть само-согласована по затратам.

В нашей стране этот баланс до 1980 годов поддерживался потребностями оборонной промышленности во время холодной войны. Тогда нам удавалось идти вслед за США с относительно незначительным отставанием (3–5 лет). Однако при переходе к степени интеграции N _мах ≥ 106 затраты на модернизацию производства оказались неподъемными для страны, началась стагнация, а известные политические события 1990-х годов окончательно выбили СССР из ряда сколь-нибудь заметных «микроэлектронных» держав мира².

Масштабные проекты последнего времени («нанотехнологии», «Сколково» и др.) – это позитивный посыл к развитию наукоемкого бизнеса и отходу от сырьевой экономики. Вместе с тем предложенные проекты, ориентированные на исследования и разработки, существуют сами по себе, а реальное производство аппаратуры (в тех мизерных объемах, которые как-то сохранились) само по себе, используя в значительных объемах импортную электронную компонентную базу, материалы, аналитику (мы говорим лишь о микроэлектронике). Следует отказаться от дезориентирующих призывов к возрождению нашей электрони-ки³, осознать свое реальное место в электронном мире и исходя из этого планировать развитие под запросы отечественного аппара-тостроения с учетом отечественных возможностей. Очевидно, что ни одна сфера гражданского применения (бытового, промышленного) не может рассматриваться в качестве конечного потребителя. Если в любой из этих сфер (светодиодное освещение, медтехника, волоконно-оптическая связь, мобильники, смартфоны и др.) объявить неподтасованный тендер, то его непременно выиграют китайцы. Только оборонная техника, защищаемая от импорта различными ограничениями и запретами, может и должна быть целью крупных электронных проектов. (Затронутые общие проблемы отечественной электроники несомненно требуют специального, более углубленного всестороннего анализа, чему в частности посвящен ряд наших предыдущих работ [6– 9]. В настоящей статье эти труды мы упомянули только для того, чтобы подтвердить тезис, вынесенный в заголовок.)

К счастью (для нас), современная микроэлектроника по кругу решаемых задач столь многомер- на, что не сводится исключительно к наноразмерным сверхбольшим интегральным схемам. Существуют и обширные потребительские ниши, требующие принципиально иных изделий. Например, сверхвысокочастотная (СВЧ) электроника – основа радиолокационных оборонных систем, экстремальная электроника, которая обеспечивает функционирование аппаратуры в условиях сверхжестких внешних воздействий (механических ударов и вибраций, резких перепадов температуры, различных видов проникающей радиации), микроэлектроника вторичных источников питания, фото и лазерная электроника и др. Заметим, что эти направления, преимущественно оборонного назначения, успешно закрываются микросхемами, не требующими обязательного достижения рекордных значений Lmin и Nmax. Но в тоже время здесь особенно остро ставится вопрос о высочайшей надежности и долговечности. Так, к аппаратуре перспективных спутников предъявляется требование бессбойной работы в течение 12–18 лет (и это в условиях жесткой космической радиации), а для стратегических ракет шахтного базирования гарантированный срок хранения микросхем должен составлять десятки лет. Подчеркнем, что такие обнадеживающие характеристики обеспечиваются не только конструктивно-технологическим совершенством изделий, но и методами контроля качества, которые постепенно стали столь изощренными, организационно- и наукоемкими, что превратились в важнейший самостоятельный фрагмент разработок и производства.

Заметим, что в советское время система контроля качества в электронике вполне соответствовала мировому уровню, в чем решающую роль играл институт во- енных представителей в промышленности. Увы, и эта сфера в постперестроичные годы катастрофически деформировалась, однако традиции еще живы, так что восстановление былого отношения к качеству отечественных микросхем вполне реально, нужна только политическая воля.

Именно на этих, казалось бы, «частных» направлениях, напрямую не связанных с наноразмер-ными сверхбольшими интегральными схемами, отечественной электроникой достигнуты наиболее впечатляющие результаты. Мы имеем в виду всю цепочку «разработка – производство – потребление» (например, взлет «Пульсара» и «Истока» на сверхвысокочастотной тематике, устойчивое развитие Минского и Воронежского микроэлектронных концернов и др.).

В этом же ряду стоит и КНС-технология. Напомним ее отличительные особенности.

Техпроцесс начинается с того, что кремниевая пленка растравливается системой канавок до образования обособленных друг от друга островков кремния, в которых и формируются отдельные транзисторы (рис.)

Рис. Процесс формирования КНС-транзисторов

Тем самым возможные паразитные связи между транзисторами обязательно проходят через сапфировую подложку, а она представляет собой практически идеальный изолятор, в том числе и в сверхвысокочастотном диапазоне. Кроме всего, сапфировая подложка химически и термически стойка, механически прочна и обладает относительно высокой теплопроводностью. Все это, несомненно, вносит свой вклад в надежность КНС-микросхем.

Названные физические и конструктивные особенности константны обязательны для КНС-микросхем любого назначения. Отсюда вытекают два принципиальных достоинства КНС-микросхем, выделяющих их среди всех других разновидностей микросхем того же класса.

Во-первых, это повышенное быстродействие цифровых КНС-микросхем, близкое к быстродействию подобных микросхем на основе GaAs или GeSi. При этом мощность, потребляемая КМОП– КНС (структурой «комплементарный металл – оксид – полупроводник» – «кремний на сапфире») микросхемой, заметно меньше, иногда в разы [1]. Это обусловлено минимизацией всех паразитных емкостей и токов утечки. Фактически только КНС-технология позволяет полностью реализовать потенциальные возможности КМОП-схем. В случае аналоговых КНС-микросхем это достоинство выступает как повышенная высокочастотность . Кроме того, отсутствие паразитных связей обуславливает низкий уровень помех, исключительную линейность в коммутаторах, аттенюаторах, смесителях и широкий динамический диапазон. Дополнительным достоинством является простота объединения в одной микросхеме цифровых и аналоговых функций.

Во-вторых, высокая радиационная стойкость КНС-микросхем. Отсутствие паразитных транзисторных связей элементов схемы между собой и с подложкой, а также незначительность объема кремния под затворами МОП-структур исключает возникновение защелкивания при воздействии γ-импульсов, тяжелых заряженных частиц, мощных электромагнитных импульсов. Исключение из конструкции микросхем элементов с высокими атомны- ми номерами (в продукции «Сапфира» это достигается монтажом чипов на гибкий ленточный поли-имидный носитель с алюминиевой металлизацией) обеспечивает устойчивость микросхем к воздействию мощных импульсов сверхжесткого рентгеновского излучения. Мощные электромагнитные импульсы и сверхжесткие рентгеновские излучения сопутствуют ядерному взрыву. Обобщение результатов теоретических оценок и многочисленных натурных и имитационных испытаний всего многообразия кремниевых микросхем приводит к заключению, что КМОП КНС – это единственная технология, обладающая стойкостью ко всем радиационным эффектам космического происхождения, возникающим вблизи ядерно-энергетических объектов, сопутствующих ядерно-му взрыву [11].

Отметим, что КНС-технология наилучшим образом подходит для изготовления КМОП-приборов, она позволяет получать почти идеальные характеристики КМОП-ключей. С другой стороны, именно КМОП-транзисторы лучше, чем какие-либо другие, обеспечивают возможность использования КНС-структур. Можно сказать, что КНС и КМОП удачно нашли друг друга.

Существенно и то, что принципы КНС-технологии оказались созвучны будущим представлениям о перспективах развития кремниевой микроэлектроники. Авторитетные международные конференции наших дней IEDM и ISSCC утверждают гегемонию КMOП-приборов, изготавливаемых в обедненном кремнии, «утопленном» в изолятор FD-SOI [8]. Разумеется, решение ищется для области минимальных размеров транзисторов ~ 20–10 нм и менее, что недоступно КНС-технологии, но общность генеральной идеи – минимизация объема кремния под затвором транзистора – налицо. Порой складывается впечатление, что наиболее продвинутые технологи, будь их воля, вообще исключили бы полупроводники из полупроводниковой микроэлектроники (шутка). А если серьезно, то дело к этому и идет, если задуматься о германиевых и кремниевых моноатомных пленках как возможном материале транзисторов будущего [2].

Подтверждением сказанному служит многолетний опыт нашего предприятия в деле разработки и производства КНС-микросхем трех серий: Б1825, Б1620, 1523.

Серия Б1825 представляет собой микропроцессорный комплект, предназначенный для построения цифровой аэрокосмической аппаратуры. В состав комплекта входят разрядно-модульный микропроцессор, арифметический расширитель, умножитель, а также ряд микросхем сопряжения с различными периферийными интерфейсами. Всего в комплекте 10 микросхем: Б1825ВСЗ-2 – 16-раз-рядный модульный микропроцессор; Б1825ВР5-2 – арифметический расширитель 8х8; Б1825ВРЗ-2 – умножитель 16х16; 1825ВБ2Н2 – перестраиваемый синхронизатор; Б1825ВВ1-2 – кодер-декодер мультиплексного канала; Б1825ВА1-2 – логический элемент согласования; Б1825ВА2-2 – коммутатор магистралей; Б1825ВАЗ-2 – магистральный приемопередатчик; Б1825ИР1-2 – многофункциональный регистр; Б1825ВК1-2 – мажорирующий элемент.

В серию Б1620 вошли следующие микросхемы запоминающих устройств, предназначенных главным образом для работы совместно с микропроцессорным комплектом серии Б1825: Б1620РУ2- – оперативное запоминающее устройство с информационной емкостью 4К; Б1620РЕ1-2 и Б1620РЕ2Н-2 – масочные постоянные запоминающие устройства с информационной емкостью 16К и 32К соответственно.

Особняком стоят микросхемы серии 1523 , сочетающие цифро-

вые и аналоговые функции: микросхема 1523ПА1 – быстродействующий цифро-аналоговый преобразователь на 10 двоичных разрядов; микросхема 1523 ХП1 – преобразователь временных интервалов в цифровой код; применяется в дально-, высото-, толщиномерах, в радиолокационной технике; микросхема 1523ХП2 – измеритель временных интервалов; микросхема 1523 ПВ1, ПВ2 – быстродействующие параллельные шестивосьмиразрядные аналого-цифровые преобразователи.

Микросхемы серии 1523 изготавливаются в металлокерамических 24-выводных корпусах, имеют все расширяющееся применение, отличающееся от предназначения основных микросхем разработанного КНС-семейства серии Б1825 и Б1620. Они используются в бортовых системах управления ракетных комплексов стратегического назначения (более подробное описание их характеристик и технологии применения дано в работах «Микроэлектроника бортовых вычислительных комплексов. Стратегия успеха» и «КНС-микроэлектроника в Науч- но-производственном предприятии “Сапфир”» [3, 5]).

Отметим, что кроме тех принципиальных достоинств, которыми обладают КНС-изделия (высокое быстродействие при малой потребляемой мощности и высокая радиационная стойкость), в процессе разработки микросхем серий Б1825 и Б1620 было обеспечено выполнение некоторых специфических требований, продиктованных условиями их применения. Это: расширение допуска на колебания напряжения питания (от 4,5 до 7,5 В вместо традиционного 5В ± 10%); бескорпус-ное оформление чипов на полии-мидных носителях с ленточными выводами (модификация –2), пригодное для автоматизированного монтажа микросхем в герметизируемые модули; гарантирование срока службы приборов до 100 тыс. час., то есть свыше 12 лет.

Так появились микросхемы, не имеющие аналогов ни в отечественной, ни в зарубежной микроэлектронике, которые полностью удовлетворяли заказчиков – Научно-производственное объединение автоматики им. Н.А. Се- михатова (г. Екатеринбург) и Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (г. Саров), головные предприятия «Роскосмоса» и «Росатома» и обеспечивали плавный переход от стадии опытноконструкторской работы к производству как микросхем, так и аппаратуры на их основе.

Это стало возможным лишь тогда, когда традиционные взаимоотношения заказчика и исполнителя претерпели принципиальные изменения. По многим «граничным» проблемам обе стороны фактически стали соисполнителями : писались совместные научные публикации, установились доверительные взаимоотношения, осуществлялся постоянный обмен информацией, а также согласование перспективных планов. Это принципиально: подобная «закольцованность» проекта создания новых электронных компонентных баз (разработка, производство, аппаратурное применение) на уровне научно-производственных предприятий разных ведомств – это есть эффективный путь прогресса отечественной электроники . Отметим, что описанная организационно-техническая концепция не есть ноу-хау Научно-производственного предприятия «Сапфир». Она показала свою дееспособность в целом ряде успешных микроэлектронных проектов, в частности особенно ярко в создании СВЧ–ЭКБ для радиолокации совместными усилиями Научно-производственного предприятия «Пульсар» (разработчик электронных компонентных баз) и Лианозовского электромеханического завода (разработчик радиолокационных систем) [4].

На основе сказанного сформулируем общий тезис: становление новой технологии может быть успешным лишь при ориентации на важнейшие оборонные системы, при этом формирование пула реальных потребителей микросхем как основы постановки и развития производства должно рас- сматриваться в качестве главнейшей составной части проекта [9].

Сторонники этого тезиса, которых становится все больше, частенько дополняют его таким оптимистическим, как им кажется, соображением: технология оборонных систем в конечном счете приведет их к прогрессу в области аппаратостроения для гражданских нужд. Таковы руководители отрасли и публицисты, болеющие за отечественную электронику. В конечном счете все это может и сбудется, но в реальном времени это иллюзия, ведь у гражданки свои законы, здесь из чисто экономических соображений следует ориентироваться на импортную электронную компонентную базу, как это делается, например, в отечественной светотехнике.

Вернемся к технологиям оборонного назначения. Подчеркнем, что только таким путем может быть решена пресловутая проблема импортозамещения. В недавние времена ответственные ведомства, руководствуясь стремлением ускорить создание того или иного нового образца военной техники, принимали решение использовать для этого импортную электронную компонентную базу (другой нет, а прогрессировать хочется), одновременно с этим оговаривая, что это разрешение временное, и предписывая обеспечить разработку отечественного аналога и осуществить импортозамещение. Естественно подобное чисто кабинетное решение, не учитывающее технико-экономических реалий жизни, в большинстве случаев оставалось «бумажным». Исполнялась, причем немедленно, лишь его первая часть (использование импортной электронной компонентной базы), вторая же либо замыливалась, либо исполнялась с такой задержкой, что аналог не мог быть использован там, где предполагалось (поезд ушел, особен- но если изделие подошло к стадии постановки на вооружение).

Кроме всего, сама специфика микроэлектроники сверхбольших интегральных схем такова, что создаются и поставляются не отдельные микросхемы, а комплекты (микропроцессоры, память, интерфейс и др.), подчас с широчайшей номенклатурой микросхем, поэтому смена поставщика или тем более переориентация создателя аппаратуры на нескольких поставщиков оказывается технически и экономически невыгодной, часто неприемлемой.

Разработанный аналог импортной микросхемы не нужен и предприятию производителю – нет потребности. Фактически единственный способ решения проблемы импортозамещения состоит в том, чтобы не создавать этой проблемы.

Развитие КНС-направления у нас идет менее успешно, чем за рубежом. Бытует мнение, что КНС-технология является лишь частным случаем общего направления КНИ («кремний на изоляторе») . Здесь подложка микросхемы – это окисленная пластина кремния с выращенной на окис-ле тончайшей пленкой «рабочего» кремния. КНС уступает ему по таким важнейшим показателям, как степень интеграции и себестоимость изготовления. Поэтому КНС – это временное решение и серьезно вкладываться в него не следует. По нашему мнению, эта оценка внешне вроде бы верная, но не полная, а потому и не корректна. Принципиальное достоинство КНС-подложки – идеальная изоляция, в том числе и на СВЧ, что в полной мере технологией КНИ вряд ли будет достигнуто, таковы свойства изолирующей пленки диоксида кремния SiO₂.

Что касается высокой степени интеграции, то, во-первых, для многих видов микросхем она не является критичной харак- теристикой, во-вторых, видны пути уменьшения толщины пленки «кремния на сапфире», хотя они и недостаточно интенсивно прорабатываются. А толщина пленки кремния определяет минимальную длину затвора МОП-транзистора, согласно эмпирическому правилу Lmin > (3–5)Н, где Н – толщина кремниевой пленки в структуре КНС. При используемых сейчас структурах с Н = 0,6 мкм достижимо лишь Lmin ≈ 2–3 мкм, а переход к Н = 0,3 мкм (что фактически отечественными материаловедами достигнуто) уже обеспечит Lmin ≈ 1–1,5 мкм. А скачок к структурам с H = 0,1–0,05 мкм, что вполне вероятно4, позволит освоить субмикронную область с Lmin = 0,5 мкм и в перспективе с Lmin = 0,25^0,18 мкм (что является высшим достижением отечественной КНИ-технологии) [12].

Себестоимость сапфировых подложек, как ожидается, может сильно уменьшиться в связи с тем, что эти же подложки используются в технологии «белых» светодиодов и их сверхмассовое производство рано или поздно дожмет себестоимость подложек до приемлемого уровня. Кроме того, если все же КНС-микросхемы останутся дороже КНИ-аналогов, то и это не страшно при малом объеме потребления.

Таким образом, сравнение КНС с классическим КНИ приводит к заключению, что каждое из этих направлений имеет свою потребительскую нишу, в которой оптимально или одно или другое: для наноразмерных сверхбольших интегральных схем несомненно безальтернативна КНИ-технология [10], в экстремальной электронике микросхем средней степени интеграции предпочтительны КНС – БИС. Подтверждением жизнеспособности КНС на длительную перспективу служит триумфальное восхождение американской фирмы Perеgrine на мировом микроэлектронном рынке в период с 2001 года. Группа энтузиастов, создавшая стартап в Сан-Диего (Калифорния), использующая венчурный капитал и не имеющая собственного производства (fabless), раскрутила производство СВЧ-, КНС-микросхем для мобильников на предприятиях Австралии, Японии, Юго-Восточной Азии в объемах до 2–2,5 млн шт. в день! Эти микросхемы, изготавливаемые по субмикронной технологии (Lmin≅0,25–0,5 мкм), смогли выдержать конкуренцию со всеми изделиями традиционной микроэлектроники. «КНС – это наиболее успешный вариант КНИ-технологий», – заявил в 2011 году вице-президент фирмы Peregrine при вручении ему престижной премии «IEEE» за вклад в развитие технологии [11].

В заключение обратим внимание читателей на особенную привлекательность КНС-тематики для научных сотрудников высших учебных заведений. Прежде всего заметим, что любые эксперименты с наноразмерными сверхбольшими интегральными схемами практически сопряжены с непреодолимыми техническими трудностями и материальными затратами: они могут проводиться лишь на действующем уникальном и дорогостоящем производственном оборудовании, причем без изменения режимов обработки пластин и используемых расходных материалов. Поэтому вузовским исследователям остается лишь теоретизировать в основном применительно к системе автоматизированного проектирования и моделирования, а также проводить эксперименты на готовых микросхемах, например изучать воздействие радиации.

По тематике КНС дело обстоит иначе. Здесь много нерешенных физических, материаловедческих, технологических проблем, которые могут исследоваться в обычных полупроводниковых лабораториях. Это прежде всего ис- следование гетерограницы «сапфир – кремний» с целью резкого уменьшения ее дефектности и разработки технологии получения тонких и супертонких пленок совершенного монокристаллического кремния, что откроет для КНС-микроэлектроники дорогу в субмикронный и нанометровый диапазоны. Напомним, что получение совершенных гетерограниц в системах на основе GaAs и GaN привело в свое время к созданию гетеролазеров (1968) и суперяр-ких светодиодов (1992).

Перспективными видятся исследования в области КНС-фото-электроники, основанные на прозрачности сапфировой подложки. Возможно, в перспективе будут созданы эффективные фотодиоды и фотодиодные матрицы в ультрафиолетовой области спектра, преобразователи солнечной энергии, сверхминиатюрные оптроны и оптронные матрицы, новые виды микросхем памяти и в конечном счете высокопроизводительные вычислительные устройства с оптическими связями через подложку, в том числе трехмерные. Несомненно, КНС-фотоприборы могут оказаться удобными для модных ныне «систем в корпусе».

Несомненно, полезной будет разработка аналоговых КНС-микросхем СВЧ-диапазона для нужд радиолокации, здесь можно начать прежде всего с воспроизведения изделий фирмы Peregrine.

Подчеркнем, что многие из этих исследований и разработок под силу малым наукоемким предприятиям (например, стартапам), вузовским лабораториям, технопаркам. Особенно если они будут проводиться в содружестве с научно-производственными предприятиями.