В одном кубическом метре обычного городского воздуха содержится около 50 миллионов пылинок. В зеленых зонах их содержание падает до 2 миллионов в одном кубометре, а при изготовлении наиболее сложных БИС запыленность воздуха в основных помещениях не должна превышать 3000 пылинок на кубометр, причем на рабочем месте, возле обрабатываемой пластины, запыленность должна быть не более 30 пылинок. Конечно, брак все равно будет, но с ним приходится мириться, как с неизбежным злом.

О том, зачем нужна такая чистота, дает представление следующий пример. Если в помещении запыленность достигнет 50 тысяч пылинок на кубометр, то на поверхности в один квадратный сантиметр за один час осядет около 40 пылинок размером в несколько микрометров и гораздо больше более мелких частиц. Неумолимая статистика свидетельствует: при такой запыленности на каждый квадратик поверхности со стороной 1,4 миллиметра придется не менее одной пылинки размером 1—3 микрометра и пять-десять пылинок размером 0,3—0,5 микрометра. Такие условия гарантируют стопроцентный брак.

Приведу еще несколько цифр, чтобы окончательно убедить читателя, что мы живем в пыли и сколь труд, но от нее избавиться. Даже в состоянии покоя человек каждую минуту создает до 100 тысяч пылинок, а если еще начнет энергично двигаться, число «генерируемых» им пылинок возрастает в 10 и более раз. Если в помещении площадью сто квадратных метров в отсутствие людей в одном кубометре насчитывается 10 000 пылинок, то при наличии здесь же 12 человек запыленность возрастает до 3,5 миллиона пылинок в одном кубометре.

А вот еще одна статистика, свидетельствующая о том, что курильщик — потенциальный источник брака в полупроводниковом производстве. Оказывается, любой курящий выдыхает в течение примерно часа после курения частицы, загрязняющие среду.

В экспериментах, проведенных одним американским исследователем, воздух, выдыхаемый курящим и некурящим, направлялся в устройство, подсчитывающее количество содержащихся в нем частиц. Устройство устанавливалось на расстоянии 25 миллиметров от рта испытуемых. В первую минуту после выкуренной сигареты курильщик выдыхал (в пересчете на один кубометр) более 800 тысяч частиц, в то время как некурящий — 27 тысяч частиц. Через 10 минут количество частиц в воздухе, выдыхаемом курильщиком, снижалось до 160 тысяч. Большинство частиц оказалось клетками эпителия, покрывающими полость рта. Размер частиц — в пределах от 0,2 до 12 микрометров.

В другом эксперименте в промежутках между замерами пили кофе. По-видимому, курильщики вместе с напитком проглатывали большую часть клеток эпителия. Число выдыхаемых ими частиц сократилось, но и спустя 63 минуты все же была видна существенная разница в замерах для заядлого курильщика и некурящего. Даже когда некурящий съел 12 крекеров, количество выдыхаемых им частиц не увеличилось.

Правда, экспериментатор нашел довольно простое решение, как частично нейтрализовать курильщика: дать ему выпить стакан воды, прежде чем он вернется в цех.

Эти данные еще раз подтверждают, что находиться рядом с курящим далеко не безвредно. Курильщика можно уподобить микровулкану никотиновой пыли.

Что только не делают, чтобы избавиться от пыли. Изолируют помещение от внешней среды, рабочие облачаются в белоснежные халаты, маски и перчатки, причем из «непылящих» материалов (на поверку вышло, что самая гигиеничная одежда, из хлопчатобумажных тканей, сильно пылит). В течение часа воздух в рабочем помещении сменяется несколько сот раз.

Однако для изготовления схем с толщиной линии в доли микрометра даже такие цехи покажутся безнадежно грязными. Для их производства в одном кубометре допускается не более 10 частиц размером 0,2 микрометра. Такой степени обеспыленности можно достичь только в герметичных камерах с особым микроклиматом в атмосфере инертного газа. Присутствие человека в производственной зоне, конечно, исключается.

Пожалуй, одна из самых больших трудностей состоит в том, как отпечатать запутанные тончайшие схемы из миллионов элементов на полупроводниковую пластинку. Причем процесс печати повторяется не единожды, и каждый раз надо точно совмещать новую «картинку» с предыдущей. Самое крошечное несовпадение, и — брак. Схема работать не будет.

При толщине линии 1—2 микрометра схема отпечатывается на кристалле с помощью ультрафиолетовых лучей. При более тонких, субмикронных линиях копирование исходного оригинала под силу лишь рентгеновским лучам и сфокусированным пучкам электронов.

Чтобы создать чип, надо его спроектировать, изготовить и испытать. Эти задачи уже вышли за рамки человеческих возможностей. Разместить несколько миллионов деталей на крохотной полупроводниковой пластине — с такой задачей может справиться только компьютер. А под силу ли человеку проверить десятки, сотни тысяч схем в чипе? Тоже без компьютера не обойтись. В общем, наступает пора, предсказанная фантастами: чипы начнут производить себе подобных. Возникает естественный вопрос; где же предел малости? Где предел интеграции схем? А бели конкретнее — сколько все-таки можно будет разместить транзистор0в на одном кристалле?

Грубую оценку можно дать, разделив наибольший практический размер кристалла на наименьший практический размер транзистора.

Чтобы транзистор устойчиво работал, число подвижных электрических зарядов в его кристалле должно быть не менее определенной величины. При меньшем числе зарядов он просто не сможет нормально выполнять свои функции по обработке информации на тех физических принципах, которые приняты в современной вычислительной технике.

Подвижными зарядами в транзисторе являются атомы примеси. Обычно один атом примеси дает один подвижный заряд. Чтобы число этих зарядов, например в кремниевом транзисторе, было достаточным, его линейный размер должен быть не менее 400 постоянных кристаллической решетки. (Постоянная кристаллической решетки — это линейный размер элементарной ячейки кристалла.) На практике приходится учитывать целый ряд других факторов, поэтому размер транзистора увеличивается еще в три раза. У кремния постоянная решетка равна 5,4∙10^—8 сантиметра. Если умножим ее значение на 400, а затем еще на три, получим, что минимальный линейный размер транзистора равен примерно одному микрометру, а его площадь соответственно одному квадратному микрометру, или 10^—8 квадратных сантиметра.

Предельный размер кристалла самого чипа определяется экономическими соображениями. Кристаллы нарезаются из одной пластины большого размера. В свою очередь, эта пластина, одна из многих десятков тонких пластин, на которые разрезан цилиндр монокристаллического кремния. Современная технология позволяет выращивать кристаллы кремния диаметром до 15 сантиметров, а в ближайшем будущем, возможно, удастся получать кристаллы диаметром до 20 сантиметров.

В большой пластине кремния неизбежно где-то есть микроскопические дефекты, и внутри и на поверхности. Чем на более крупные квадратики разрезается круглая пластина, тем больше вероятность того, что в исходную пластину для чипа попадет микродефект. В настоящее время считается, что нарезать кристаллы площадью более одного квадратного сантиметра неэкономно. Но специалисты надеются, что со временем предельная площадь кристалла увеличится до 10 квадратных сантиметров.

Сколько же транзисторов можно расположить на пластине такого размера? К сожалению, большая ее часть (90 процентов) пойдет на соединения элементов схемы и изоляцию их друг от друга. И только около одного квадратного сантиметра может быть заполнено транзисторами. Если каждый транзистор будет занимать площадь примерно 10^—8 квадратного сантиметра, то на одном кристалле уместится 100 миллионов транзисторов. Если учесть, что современные чипы уже содержат два миллиона транзисторов, то их сложность может быть увеличена в 50 раз, прежде чем кремниевая технология исчерпает себя.

При нынешних темпах научно-технического прогресса этот рубеж будет достигнут за десятилетие. Тогда один такой суперчип сможет выполнять всю работу сегодняшних стационарных ЭВМ. По имеющимся оценкам, мировой объем изделий электронной промышленности в настоящее время превышает 200 миллиардов долларов, что приблизительно равно объему валового национального продукта такой страны, как Индия. Не так уж и мало, если учесть, что она по этому показателю возглавляет вторую десятку государств. К концу нынешнего столетия объем продажи составит примерно один триллион долларов. Так что в перспективах электронной промышленности сомневаться не приходится.