Вклад талантливой молодёжи Зеленограда в формирование молодой микроэлектронной науки
Былые радужные перспективы Зеленограда
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. При этом возникал вопрос, какие качественно новые эффекты несет в себе микроэлектронная технология, кроме простого уменьшения размеров элементов.
Сверхвысокая идентичность микроэлектронных 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 резистивной 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, когда я руководил лабораторией в отделе Анатолия Ивановича 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. 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 требования системы.
Рождение интегральной акустоэлектроники
Когда Георгий Новиков в 1965 году пришел к своему будущему руководителю по аспирантуре Богдану Федоровичу Высоцкому с идеей использовать микроэлектронную технологию для изготовления кварцевых резонаторов, мудрый Богдан Федорович посоветовал ему взяться за решение более широкой проблемы частотной селекции в микроэлектронике. К тому времени для миниатюрных радиостанций были разработаны гибридные интегральные схемы, на фоне которых катушки индуктивности, намотанные по традиционной технологии, выглядели уродцами.
Несмотря на свою молодость, Георгий имел богатый опыт работы в Институте Космического Приборостроения и хорошо знал разработчиков и изготовителей элементов радиоэлектронной аппаратуры. По своей теме он быстро ознакомился с литературой, накопленной в головном предприятии по пьезотехнике, НПО «Фонон». Умея выделить главное, он сразу ухватился за перспективную идею захвата энергии в планарных кварцевых резонаторах, развиваемую лауреатом Нобелевской премии Уильямом Шокли. Но теория захвата энергии опиралась на сложнейшие системы дифференциальных уравнений, без умения формулировать и решать которые нечего было и думать об освоении и развитии нового направления.
Георгий предложил мне стать его союзником по решению проблемы частотной селекции в части разработки теоретических основ интегральной акустоэлектроники. Меня поразило разнообразие интересов и плодовитость Уильяма Шокли, ранее внесшего огромный вклад в разработку полупроводниковых приборов, а теперь дерзнувшего революционизировать пьезотехнику. При детальном изучении его теории оказалось, что сложнейшие уравнения для акустоэлектронных волн можно упростить и свести к уравнениям, хорошо мне знакомым из курса квантовой механики. Вскоре мне удалось разработать методы расчета планарных кварцевых резонаторов и монолитных кварцевых фильтров, состоящих из нескольких резонаторов, взаимодействующих друг с другом на одной кварцевой пластине. Но первые попытки сравнить теорию с экспериментом окончились неудачей.
Мы с Георгием пытались разобраться в тонкостях нового направления, подолгу задерживались в лаборатории, а потом до поздней ночи ходили вдоль Березовой Аллеи, обсуждая варианты усовершенствования технологии и расчетных методов. Наши визиты в НПО «Фонон» встречали недоуменные вопросы специалистов и даже насмешки: «Неужели вы надеетесь освоить технологию, которой мы занимаемся 30 лет?». Но уже через один год мы создали такие резонаторы и фильтры, которые были не под силу традиционным специалистам. Дело в том, что они по старинке изготавливали маски для напыления электродов резонаторов на сверлильном станке и пропиливали в маске дорожку для электрода надфилем. О совмещении таких масок для двух сторон кварцевой пластины не было и речи: маски над пластиной болтались в пределах одного миллиметра. Мы же использовали фотолитографию для изготовления масок и методы их прецизионного совмещения для двух сторон кварцевой пластины.
В последующие годы я не раз слышал подобные вопросы и насмешки от специалистов в области фотографии, оптики, телевидения, космической радиосвязи. И всякий раз оказывалось, что опора на Зеленоград с его прогрессивной микроэлектронной технологией и обилием талантливой молодежи приводила к нашей победе над загордившимися и застывшими в своем развитии «профессионалами».
Георгий быстро собрал коллектив высококвалифицированных молодых специалистов и сформировал опытный производственный участок по изготовлению монолитных кварцевых фильтров, укомплектованный технологическим и измерительным оборудованием. Молодежь работала увлеченно и изобретательно. Света Бармина разработала метод совмещения масок под микроскопом. Были отработаны методы повышения точности шлифовки пластин с достижением высокой однородности их толщины. Как только толщина стала однородной, мои расчетные методы начали совпадать с экспериментом до четвертого знака!
Перед нами открылась возможность увеличить число резонаторов на одной пластине, что вело к более совершенным фильтрам. Огромную роль в совершенствовании технологии и методов расчета фильтров играло тесное взаимодействие со схемотехниками, которые формулировали требования к создаваемым фильтрам с учетом достигнутых возможностей нашей технологии и тут же применяли их в своих разработках. Вскоре поток заказов превысил наши скромные производственные возможности, и пришлось передать разработку в НПО «Фонон».
В качестве признания высоких достижений НИИ микроприборов в становлении интегральной акустоэлектроники мне было дано поручение министра Электронной Промышленности СССР Александра Ивановича Шокина сделать доклад на НТС министерства. Доклад оценивал не только результаты развития интегральной акустоэлектроники, но и её перспективы, и вызвал большой интерес присутствующих специалистов, включая приглашенных из Академии Наук СССР.
Мой доклад на семинаре академика В.Л. Гинзбурга в Физическом Институте Академии Наук о теории эффекта захвата энергии также вызвал большой интерес, особенно в части аналогий с квантовыми системами, с которыми присутствующие были прекрасно знакомы.
Когда Георгий представил свою диссертацию к защите, директор НИИ Микроприборов Геннадий Яковлевич Гуськов был озадачен, почему об эффекте захвата энергии ничего не известно в электронике сверхвысоких частот, в которой он был большим специалистом. Он попросил меня провести аналогию между пьезоэлектрическими и свч резонаторами. Мне пришлось нарисовать ему конструкцию гипотетического свч резонатора с эффектом захвата энергии. Этот разговор положил начало нашему глубокому научному сотрудничеству.
И когда я в 1973 году предложил идею синхронного накопления энергии изображений в матрицах приборов с зарядовой связью на борту космического аппарата, Геннадий Яковлевич сразу поверил мне, хотя долгое время после этого я встречал возражения многих признанных специалистов в стране против этой идеи. Но об этой работе – в следующей статье.