К новому качеству!

По материалам книги Седунова и Шерстюка "Драма зелёного града"

В 60-е годы прошлого века Зеленоград был исключительно молод. Средний возраст его жителей был 26 лет. Это создавало удивительную атмосферу творческого поиска на предприятиях. Молодёжь была увлечена грандиозной задачей формирования нового направления в науке и технике – микроэлектроники. Были надежды на моделирование умственной деятельности, мечты о плоском телевизоре во всю стену или,  наоборот, карманном телевизоре. При этом возникал вопрос, какие качественно новые эффекты несет в себе микроэлектронная технология, кроме простого уменьшения размеров элементов. Одно отличие от старого способа производства было в использовании групповой технологии изготовления элементов, когда в одном технологическом процессе изготавливают миллионы, а теперь и триллионы таких элементов, как транзисторы. Это вело к сокращению цен на транзисторы от долларов до микроцентов. Но как групповая технология могла повлиять на качество микроэлектронных изделий?

Сверхвысокая однородность компонентов

Один из ответов на этот вопрос вскоре дали молодые ученые Костя Татаринов и Ольга Бондаренко. Костя разрабатывал в НИИ Микроприборов аналого-цифровые преобразователи и дал задание Ольге разработать технологию изготовления прецизионных резистивных делителей для его АЦП. Для каждого АЦП требовались сотни прецизионных резисторов, и было разумно разместить их все на одной микросхеме. При испытании изготовленных Ольгой микросхем были выявлены их замечательные свойства: коэффициент деления резистивных делителей оказался исключительно стабильным. В партии микросхем мог быть значительный разброс параметров резисторов, но на одной подложке они были совершенно идентичны! Сами резисторы могли менять свои значения при изменении температуры или со временем на проценты, но коэффициент деления оставался неизменным с точностью до сотых и тысячных долей процента. Внедрив на опытный завод свои разработки, молодые ученые вскоре защитили кандидатские диссертации. Для меня их научный успех был первой демонстрацией наличия в микроэлектронике собственного глубокого научного содержания, не сводимого к простой «тысяче мелочей».

Через несколько лет, в руководимой мной лаборатории физической надёжности в отделе А. И. Коробова, мы набрали огромную статистику по разбросам параметров элементов в пределах одной подложки и в партии подложек. Оказалось, что параметры элементов на одной подложке группировались во много раз ближе друг к другу, чем на различных подложках. Эффект идентичности параметров микроэлектронных элементов, размещенных рядом на одной подложке, был немедленно использован разработчиками дифференциальных и операционных усилителей, для которых технолог Веньямин Ржанов разработал технологию изготовления парных транзисторов. Это была простейшая полупроводниковая интегральная схема, содержавшая всего два активных элемента, но обладавшая замечательными свойствами. Параметры транзисторов в паре не расходились ни во времени, ни при изменении температуры. Использование парных транзисторов в схемотехнике дало широкую гамму прецизионных аналоговых усилителей, разрабатываемых в отделах Варфоломеева и Демешина. Талантливый схемотехник Володя Чирков неоднократно восхищался огромными возможностями в конструировании усилителей, открывшимися благодаря парному транзистору.

Эффект высокой идентичности параметров близко расположенных элементов лежит также и в основе высокого качества изображений, получаемых с помощью матриц приборов с зарядовой связью и отображаемых мониторами и проекторами на жидких кристаллах. Без этого эффекта было бы невозможно разместить миллиарды транзисторов в одной интегральной схеме процессора или памяти.

Эффект масштаба производства

Вскоре проявился и второй качественный эффект  микроэлектронной технологии: рост однородности параметров по мере роста объёмов выпуска продукции. Именно уверенность в безграничных возможностях микроэлектронной технологии позволила мне в 70-е годы взять на себя риск и заложить в создаваемую систему космического наблюдения матрицы приборов с зарядовой связью, неоднородность параметров которых в то время в сотни раз превышала требуемую для системы. Видя полосатые или в крапинку изображения, доставляемые первыми матрицами ПЗС, оппоненты насмехались: "И эти матрицы должны заменить великолепную фотоплёнку?" Но с переходом от выпуска одиночных матриц ПЗС к выпуску миллионов штук однородность параметров матриц стала сравнимой с качеством фотоплёнки.

Скажи мне, кто твой друг, и я скажу, кто ты

И позднее проявился ещё один эффект: корреляция процента выхода годных микросхем на одной пластине с их надёжностью. Действительно, большое число негодных микросхем на пластине говорит о большом числе дефектов. Те из них, которые успели проявить себя на этапе контроля качества микросхемы, вызвали её отказ. Но остались спящие  дефекты, которые могли вызвать отказ не только микросхемы, но и дорогой аппаратуры в процессе эксплуатации. Так что выявилась необходимость выбраковывать условно годные микросхемы, если они находились на подложке, богатой негодными микросхемами. Как говорится, с кем поведёшься, от того и наберёшься!