Nə etmək lazımdır

1.3. Mikroelektronikanın müasir problemləri, istiqamətləri və inkişaf perspektivləri

Mikroelektronikanın əsas inkişaf tendensiyası mikrosxemlərin inteqrasiya dərəcəsinin artmasıdır. 1965-ci ildə verilmiş və həmin vaxtdan etibarən Mur qanunu kimi tanınan məşhur proqnoza əsasən daha sürətli prosessorlarda tranzistorların şərti sayı hər 1,5 ildən bir iki dəfə artır. Təbii ki, bu tendensiya daimi ola bilməzdi və artıq XX əsrin 90-cı illərindən başlayaraq müxtəlif mütəxəssislər qeyd edirlər ki, mikroelektronika öz inkişafında həm İBİS və UBİS kristallarının ölçülərinin böyüdülməsinin texnoloji həddinə, həm də kristalda komponentlərin yerləşdirilmə “sıxlığının” sonrakı artırılmasına çox yaxınlaşıb. Mikroelektron məmulatların layihələndirilməsi və istehsalı zamanı həll edilən çoxsaylı konstruktor-texnoloji problemlərin içərisində beş əsas problemi ayırmaq olar.

Birinci yerdə İS-lərin elementlərinin ölçülərinin azaldılması problemi durur. Müasir tranzistorların rəzələrinin ölçüləri tranzistorun özünün ölçüsünü müəyyən edən əsas amillərdən biridir. Hesab edilir ki, kvant məhdudiyyətləri səbəbindən silisium tranzistorunun rəzəsi 5 nm-dən az ola bilməz. Rəzənin ölçüsünü daha da kiçiltməyə cəhd etdikdə onda elementin işinə tunel effekti neqativ təsir göstərir. Bu halda sızma cərəyanları və digər problemlərdən tranzistor öz funksiyalarını yerinə yetirə bilmir. Sərhəd göstərici sayılan 5 nm-ə elektron qurğuları istehsalçıları hələ nail ola bilməyiblər. Bu gün tranzistorların rəzələrinin minimal ölçüsü 20 nm təşkil edir.
Yarımkeçiricilər texnologiyasının kritik prosesi litoqrafiya olduğu üçün ölçülərin kiçildilməsi üzrə əsas diqqət məhz burada cəmlənmişdir. Nümunə kimi Ekstremal ultrabənövşəyi (Extreme Ultra Violet – EUV) maşınıdır ki, onun işlənib hazırlanmasını fotolitoqrafiyanın flaqmanı hesab edilən Hollandiya firması ASML həyata keçirir. Bu texnologiyanın dalğa uzunluğu 13,5 nm təşkil edir. Bu texnologiyanın reallaşması nəticəsində mərkəzi prosessorun elementlərinin ölçüləri 32 nm-ə qədər azalmış olur.
Litoqrafiyanın ayırdetmə qabiliyyətinin artırılmasının sonrakı perspektivlərini mütəxəssislər ekspozisiya zamanı ~1 nm dalğa uzunluğuna malik yumşaq rentgen şüalanmasının, həmçinin elektron litoqrafiyanın müxtəlif üsullarının istifadəsi ilə əlaqələndirirlər. Elektron litoqrafiya üsulunun variantlarından birində ümumiyyətlə rezistor maskaları texnologiyasından istifadə edilmir, burada silisium oksid təbəqəsinə elektron dəstəsinin bilavasitə təsiri nəzərdə tutulmuşdur.
Mikroelektronikanın aktual məsələləri sırasında ikinci yeri daxili birləşmələr problemi tutur. Mikrosxemin altlıqda yerləşdirilmiş çoxsaylı elementləri öz aralarında elə kommutasiya olunmalıdır ki, siqnallar üzərində müəyyən əməliyyatların etibarlı və düzgün icrası təmin edilsin. Bu məsələ çoxsəviyyəli ayrılmanın köməyi ilə həll edilir: birinci (ən aşağı) səviyyədə məntiqi ventillər, ikincidə – trigger tipli ayrı-ayrı rəqəmsal qovşaqlar, üçüncüdə – ayrı-ayrı bloklar (məsələn, registrlər) və sonra funksional mürəkkəbliyinin artan dərəcəsinə görə formalaşdırılır.
Üçüncü yerdə istilikötürmə problemi durur. İnteqrasiya dərəcəsinin artması adətən həm elementlərin öz ölçülərinin, həm də elementlər arasındakı məsafənin azalması ilə bağlıdır ki, bu xüsusi səpələnmə gücünün artmasına gətirib çıxarır. Adi rejimdə (əlavə istilikötürmə olmadan) müasir mikrosxemlərin yol verilən səpələnmə gücü 0,05 Vt/mm²-i ötmür, bu da altlıqda elementlərin yerləşdirilmə sıxlığını məhdudlaşdırır. Bu məhdudiyyətin qarşısının alınması üçün bir neçə üsuldan istifadə etmək olar: qida gərginliyinin azaldılması, tranzistorların iş mikrorejiminin istifadəsi, daha qənaətli element bazasına (məsələn, metal - dielektrik - yarımkeçirici - KMDY komplementar strukturu) keçid və, nəhayət, süni soyutma. Lakin bu üsullardan hər birinin öz spesifik çətinlikləri vardır. Məsələn, qida gərginliyinin azaldılması maneəyədavamlılığın azalmasına səbəb olur.
Dördüncü problemə altlığın qüsurlarını aid etmək olar. Kristalın sahəsini böyütməklə, inteqrasiya dərəcəsini artırmaq olar, lakin bu zaman kristal strukturlu qüsurların (ilk növbədə, dislokasiyaların) işçi oblasta düşmə ehtimalı proporsional olaraq artır. Altlığın qüsurları mikrosxemin texnoloji hazırlanma prosesinin pozulmasına və uyğun olaraq mikrosxemin yararsız olmasına gətirib çıxara bilər. Bu problemin yeganə həlli altlıqların hazırlanma texnologiyasının təkmilləşdirilməsidir.
Beşinci, lakin əhəmiyyətinə görə ilk yerdə duran problem parametrlərə nəzarətdir. Məlumdur ki, elektronika insan fəaliyyətinin bütün sahələrinə nüfuz etmişdir. Bu gün avtomatik sistemlər böyük nəqliyyat axınlarını, olduqca mürəkkəb (bəzən potensial təhlükəli) texnoloji prosesləri və s. idarə edir. Belə sistemdə nasazlıq faciəli nəticələrə gətirib çıxara bilər. Bu şəraitlərdə avadanlığın etibarlılığı və keyfiyyəti və, nəticə etibarilə, elektron sənayenin istehsal etdiyi məhsulun parametrlərinə nəzarət problemləri birinci dərəcəli əhəmiyyət kəsb edir. Yerinə yetirdiyi funksiyaların mürəkkəblik dərəcəsindən asılı olaraq, müasir İBİS-lərin xarici informasiya çıxışlarının sayı onlarladan iki yüz-üç yüzə qədər dəyişir. Əgər qiymətləndirmə üçün informasiya çıxışlarının sayını 50-ə bərabər qəbul etsək və onların hər birində rəqəmsal siqnalın iki qiymət (“0” və ya “1”) ala biləcəyini nəzərə alsaq, onda yalnız tək İBİS-in və yalnız statik rejimdə fəaliyyətinin düzgünlüyünün tam yoxlanılması üçün 2⁵⁰ ölçmə lazım olacaq. Hər bir ölçülmənin müddəti 0,1 mks olarsa, bu prosesə iki ildən çox vaxt sərf edilər. Verilmiş qiymətləndirmələr göstərir ki, nəzarətin real təşkili üçün ölçmələr, zərurət yarandıqda, seçilmiş nümunələr üzərində aparılmalıdır. Buna görə də yoxlama metodikasının dəqiqliklə öyrənilməsi (nəzarət edilən parametrlərin seçilməsi, effektiv sınaq alqoritmlərinin işlənib hazırlanması, həmçinin uyğun ölçü avadanlığının və proqram təminatının işlənib hazırlanması) çox mühüm və olduqca mürəkkəb məsələdir.
Hal-hazırda sadalanan problemlərin hər birinin aradan qaldırılması yolunda müəyyən nailiyyətlər əldə edilmişdir.
Tunel mikroskopiyasına əsaslanan, sürətlə inkişaf edən nanotexnologiyalar müəyyən perspektivlərə malikdir. Nanotexnologiya qurğusunun əsas işçi orqanı bərk ərinti materialından olan elektrik zondudur. Zondun iti ucu pardaxlanmış keçirici altlığın səthindən çox kiçik məsafədə (~10^-10 m) yerləşdirilir və altlıq və zond arasına müəyyən gərginlik tətbiq edilir. Aralığın kiçik olması səbəbindən tətbiq edilən gərginlik hətta çox kiçik olduqda belə, aralıqdakı sahə gərginliyi çox böyük (10⁸ ... 10⁹ V/m) qiymətə çata bilər. Bu da tunel cərəyanın yaranmasına səbəb olur. Bu tunel cərəyanını ölçməklə, pyezoçeviricilərin köməyi ilə aralığın qiymətini 10^-11 m tərtibli xətalarla qoruyub saxlamaq olur. Bu halda tunel elektronları dəstəsinin diametri ~10^-10 m-ə malik olur.
Elektronlar dəstəsinin enerjisini atomlararası rabitə enerjisi səviyyəsinə qədər artırmaqla, altlıqdan ayrıca atom qoparmaq və pyezomanipulyatorların köməyi ilə altlığı hərəkət etdirərək, onu zondla birlikdə yeni vəziyyətə gətirmək olar. Dəstənin enerjisi azaldıqda bu yeni vəziyyətdə atomu altlığın üzərinə çökdürmək mümkündür.
Zondun altındakı aktiv oblasta texnoloji qaz molekullarını daxil etməklə, kəskin qeyri-bircins elektrik sahəsi şəraitlərində onların ionlaşmasına və lazımi ionu zondla tutub, onun lazımi yerdə altlığın üzərinə çökdürülməsinə nail olmaq olar. Beləliklə, altlıqda 10^-9 m tərtibli xarakterik ölçülərə malik nöqtəvi və ya xətti strukturlar formalaşdırırlar. Qurğunun işçi oblastını aşılayıcı qazla dolduraraq, ayrı-ayrı atom zəncirlərini səthdən uzaqlaşdıran kimyəvi reaksiyalara başlayırlar ki, bu da dərinliyi nanometrlərlə ölçülən cızıqlar (dərinliklər) yaratmağa imkan verir.
Nanotexnologiyalar altlıqda atomar tərtibli ölçülərə malik elektron elementlər yaratmağa imkan verən həm planar, həm də həcmli strukturların qurulması imkanlarını açır. Nəzəri cəhətdən belə elementlərin cəldliyi 10^-12 san və hətta 10^-13 san tərtibindədir. Nanoelektron strukturların yüksək inteqrasiya dərəcəsi isə 10¹⁰ bit/mm² tərtibli ifrat yüksək informasiya yazılışı sıxlığına malik yaddaş qurğularını reallaşdırmağa imkan verir ki, bu müasir lazer disklərinin imkanlarından üç tərtib üstündür.
Lakin inteqrasiya dərəcəsinin artması İBİS-in tətbiq oblastını məhdudlaşdırır, çünki onlar çox ixtisaslaşmış olur və buna görə də məhdud partiyalarla hazırlanır ki, bu iqtisadi cəhətdən sərfəli deyil. Baza matris kristallarının işlənib hazırlanması və istehsalı bu vəziyyəti aradan qaldıra blər. Belə kristal matrisi təşkil edən çoxsaylı bənzər topoloji oyuqlardan ibarət olur. Hər bir oyuq müəyyən sayda kommutasiya olunmamış elementlərə malik olur. Bu elementlər elə seçilir ki, onlardan bir neçə funksional elementlər (triggerlər, məntiqi ventillər qrupu və s.) formalaşdırmaq mümkün olsun. Topoloji oyuqların içərisində metal ayırmanı (metallaşmanı) icra edərək və onları öz aralarında birləşdirərək, quruluşca olduqca mürəkkəb, funksional imkanlarına görə fərqli elektron bloklar almaq olar. Bir baza matris kristalı əsasında metallaşdırma fotoşablonlarının sadəcə əvəz edilməsi ilə BİS-in çoxlu sayda modifikasiyalarını reallaşdırmaq olar.
Mikroelektronikanın imkanları bununla bitmir, elm və texnologiya inkişaf etdikcə mikroelektronika da inkişaf edir. Lakin belə dinamik inkişaf edən oblastda uzunmüddətli proqnozlar vermək mənasızdır. Yaxın gələcəkdə yarımkeçiricilər texnikasını yeni texnologiyaların – funksional elektronikanın, kvant, optik və, nəhayət, bioelektronikanın əvəz edəcəyi mümkündür.