MG 1998/4

Mikroelektronika Lietuvoje

Inž. JUOZAPAS JANUŠONIS

Mikroelektronikos pradžia

Mikroelektronikos Lietuvoje pradžia - 1962 metai. Šios pramonės šakos ištakų reikia ieškoti tuo metu pradėtoje statyti Vilniaus skaičiavimo mašinų gamykloje, kuri ateityje turėjo gaminti perforatorius ir tabuliatorius. Gamykloje buvo įkurtas specialus konstravimo biuras, kurio inžinieriai, įkvėpti amerikiečių laimėjimų šioje srityje, nutarė laboratorinėmis sąlygomis pagaminti plonasluoksnę mikroschemą. Plonasluoksnius laidininkus užgarino tam pritaikę 10 l butelį, o trafaretą, per kurį buvo garinamas metalas, išpjovė iš metalinės folijos paprastu peiliuku. Mikroschemos pagrindui pritaikė 2x2 mm stikliuką, padovanotą medikų. Kiek buvo visiems džiaugsmo, kai prie padaryto padėklo prijungus du modulinius tranzistorius, mikroschema ėmė veikti!

Toks primityvus gaminys nenusileido to meto TSRS mikroelektronikos lygiui, todėl jį pamatę maskviečiai tuoj pat parengė Vyriausybės nutarimą Vilniuje statyti mikroelektronikos įmonę. Tada Lietuvos partinė valdžia nepritarė tokiai idėjai ir netgi pareiškė nepasitenkinimą pagrindiniu šios idėjos autoriumi Donaldu Zanevičiumi. Tačiau atvirai prieštarauti Maskvai tuo metu buvo pavojinga, todėl Vyriausybės nutarimas buvo pradėtas įgyvendinti. Netrukus D.Zanevičius buvo paskirtas kuriamos mikroelektronikos įmonės direktoriumi.

Lietuvoje tokios specialybės inžinierių nebuvo, todėl specialistų branduolį sudarė inžinieriai iš Skaičiavimo mašinų gamyklos: V.Gedminas, A.Adomavičius, Š.Spivakas ir kiti, kurie buvo perkvalifikuoti Maskvoje. Į kolektyvą įsiliejo jauni ir energingi specialistai iš Vilniaus universiteto, Kauno politechnikos instituto ir kitų aukštųjų mokyklų.

Kurį laiką mikroelektronikos įmonė, pavadinta p/d 78, buvo įsikūrusi Savanorių prospekte, baldų kombinatui priklausiusiose patalpose. Ten pradėtas konstruoti bortinės elektroninės skaičiavimo mašinos maketas, skirtas Kijevo Antonovo gamyklos krovininių lėktuvų centruotei ir degalų kiekiui apskaičiuoti. Bazinį loginį elementą sudarė ant getinakso plokštelės sumontuoti paprasti tranzistoriai, varžos ir kondensatoriai. Tačiau dėl daugybės jungčių ir elementų parametrų išsibarstymo šio projekto nepavyko įgyvendinti - veikė tik viena mašinos dalis. Buvo nuspręsta pradėti gaminti ''etažerės'' tipo modulius, juos montuoti ant spausdintinio montažo plokščių ir taip surinkti mašiną. Tuo pat metu buvo projektuojami plonasluoksniai loginiai elementai, kurių pasyviąją dalį sudarė ant sitalo užgarintas metalas, o aktyviąją - privirintas bekorpusis tranzistorius. Paskui konstrukcija buvo užliejama kompaundu.

Šių elementų pagrindu buvo pagaminta pirmoji TSRS bortinė skaičiavimo mašina, pavadinta ''Nerimi'', o loginiai elementai, kuriuos gamino Šiaulių ''Nuklonas'', dar apie dešimtį metų buvo pagrindiniai elektroninės aparatūros, eksploatuojamos povandeniniuose laivuose, elementai. ''Neris'' apie dvejus metus buvo bandoma karinių dalinių bandymų stotyse, Čkalovo bei Panevėžio aerodromų lėktuvuose ir buvo pripažinta tinkama pradėti serijinei šio tipo mašinų gamybai. Generalinis lėktuvų konstruktorius pristatė mašinos kūrėjų kolektyvą Lenino premijai gauti, bet nebuvo skirta ne tik premija - nebuvo pradėta ir serijinė mašinų gamyba. Vienintelis paaiškinimas - neva kolektyvas pernelyg jaunas premijai gauti. Dar keistesnis ir nesuprantamesnis buvo delsimas pradėti gamybą, juo labiau kad mašina ''Neris'' ne kartą buvo eksponuojama liaudies ūkio pasiekimų parodoje Maskvoje, kaip pavyzdinis darbas buvo rodoma kitų Sąjungos įmonių vadovams, akcentuojant, kad jų pasiekimai šioje srityje kur kas kuklesni.

''Neries'' loginių elementų bazėje buvo sukurtos dar kelios elektroninės sistemos, bet kolektyvas jau brandino mintį, kad laikas imtis mikroschemų projektavimo ir gamybos, siekiant visus loginio elemento komponentus suformuoti silicio plokštelėje. Tam tikslui reikėjo sukurti integrinių schemų barą, suburti technologų grupę ir išspręsti daugybę kitų klausimų.

Tuo metu įmonė Paupio gatvėje išsinuomojo kailių fabrikui priklausančias patalpas ir pavedė Algiui Griciui sukurti integrinių schemų gamybos barą. Pastato patalpos visiškai neatitiko šio darbo reikalavimų, bet darbuotojai buvo jauni, kupini entuziazmo, pasitikintys savimi bei savo sugebėjimais, todėl labai greitai toks gamybos baras buvo sukomplektuotas, o jau 1967 m. vasario 16 d. buvo pagamintas pirmasis tranzistorius Lietuvoje. Darbo pabaiga sutapo su Vasario 16-ąja - Lietuvos Nepriklausomybės atkūrimo diena. Šis sutapimas kai kam labai nepatiko, buvo net pasiūlyta plakatą, sveikinantį visą kolektyvą, pakabinti kitą dieną, bet vis dėlto ''tylųjį karą'' laimėjo Lietuvos labui dirbantys žmonės.

Prie Jeruzalės, tolokai nuo Vilniaus, sparčiai buvo statoma nauja, moderni gamykla, pritaikyta integrinėms mikroschemoms gaminti. Joje buvo numatyti gamtosaugos įrenginiai, švarios gamybinės patalpos, azoto ir deguonies gamybos cechas ir dejonizuoto vandens stotis. Visi įmonės darbuotojai laisvu nuo darbo laiku talkino vykdant statybą - kas kirto mišką, kas kasė kanalus ryšių kabeliams tiesti, kas tvarkė patalpas.

Nelengva buvo ryžtis perkelti gamybinę liniją į naują korpusą - Valstybinei komisijai reikėjo gaminti 100-ąją seriją, problemų buvo apstu, todėl ne tik dienos, bet ir valandos buvo be galo brangios. Antra vertus, delsti nebuvo galima - laukė kur kas didesni ir svarbesni darbai, kuriuos atlikti senosiose patalpose jau nebuvo nė mažiausios galimybės.

Institutas ir gamykla sparčiai augo. Žmonių darbavosi daugiau kaip 3 tūkstančiai, jų trečdalis - inžinieriai. To meto atlyginimai buvo gana nemaži, taigi pritraukti naujus kvalifikuotus darbuotojus nebuvo sudėtinga. Projektų vadovams ir vykdytojams buvo sudarytos palankios sąlygos apsiginti mokslinius darbus - jie galėjo naudotis medžiaga, gauta mokslinių tyrimų metu. Kadangi darbai buvo planiniai, nemaža dalis specialistų tapo daktarais arba habilituotais daktarais.

Užsakomieji darbai darėsi vis sudėtingesni, todėl specialistų ir darbininkų kvalifikacija sparčiai augo. Be įmonės specialistų, darbavosi ir Vilniaus valstybinio universiteto, Kauno politechnikos instituto bei Lietuvos mokslų akademijos mokslininkai.

Įmonės specialistų techninis lygis rodė, kad nuo pirmaujančių Vakarų firmų atsilikta ne daugiau kaip 1-2 metus. Šiek tiek labiau buvo atsiliekama pagal ekonominius rodiklius.

Įmonės veiklą ypač vertino TSRS mašinų gamybos ir gynybos įmonės, todėl užsakymų ir pinigų darbams vykdyti netrūkdavo. Įmonei, be buvusio pavadinimo p/d, buvo suteiktas antras, viešas pavadinimas - ''Venta''.

Per 36 savo gyvavimo metus ''Venta'' ir jos filialas Šiaulių ''Nuklonas'' nuveikė labai daug: aprūpino darbu beveik 7000 piliečių, daug lėšų skyrė miesto infrastruktūrai plėtoti, statė butus savo darbuotojams, materialiai rėmė mokslo įstaigas.

Buvo sukurta daug gerų parametrų mikroschemų. ''Ventos'' nuopelnai: aukštojo dažnio analogas-kodas, kodas-analogas, keitikliai, superaukštojo dažnio davikliai, vaizdo technikos mikroschemos. Už mikroschemų komplektą, skirtą televizijos pramonei, šio kolektyvo darbuotojai, tarp jų ir autorius, buvo apdovanoti Lietuvos Aukščiausiosios Tarybos premija. Iš viso ''Venta'' suprojektavo ir gamino: 19 tipų aukštojo dažnio daviklių, 11 tipų mikroprocesorinių komplektų, 10 tipų sparčiųjų įtampos komparatorių, 13 tipų analogo skaitmeninių keitiklių, 11 tipų skaitmeninių analoginių keitiklių, 23 tipus padidinto spartumo loginių schemų, 34 skaičiavimo technikos integrių schemų tipus ir 13 tipų buitinės technikos mikroschemų (fotoaparatų, elektros variklių, terminių krosnių, vaizdo technikos komplektavimui).

Visa tai padaryti nebuvo lengva, nes mikroelektronikos pramonė gali plėtotis tik kartu su kitomis pramonės šakomis: metalurgijos, chemijos, mašinų gamybos, statybos ir kt., tuo tarpu mikroelektronikos šaka buvo gerokai pažengusi į priekį.

Reikalavimai medžiagų kokybei, patalpų būklei ir operatoriams

Medžiagos mikroschemoms gaminti privalo būti nepaprastai švarios, daugelyje jų priemaišų neturi būti daugiau kaip 0,0001 procento pagrindinės medžiagos kiekio. Šios medžiagos į darbui skirtus indus perpilamos specialiose patalpose, naudojant įrangą, apsaugančią medžiagų sąlytį su kambario oru ir operatoriumi. Technologinės dujos (deguonis, azotas, vandenilis), prieš patekdamos į darbo vietą, yra džiovinamos ir valomos. Kadangi reikia didelio dujų kiekio, be to, jos turi būti ypatingai švarios, dujos gaminamos pačioje mikroelektronikos įmonėje.

Gamybinės patalpos darbo zonoje, viename oro litre gali būti tik 0,035 dulkelės 0,5 mikrometro skersmens (paprastai jų būna dešimtys tūkstančių), aplinkos temperatūra turi būti pastovi ir gali svyruoti ne daugiau kaip 3 laipsnius, oro drėgmė neturi būti didesnė kaip 60 procentų. Nors patalpose nemažai terminių įrenginių, nuolatos vaikšto operatoriai, veikia oro pučiamoji ir ištraukiamoji ventiliacija, keičiasi lauko temperatūra, reikiamos sąlygos yra palaikomos.

Patalpų sienos neturi generuoti dulkelių, todėl jos klojamos marmuro plytelėmis arba dažomos specialiais dažais. Matavimo įrenginiai yra įžeminti, o prie jų dirbantys operatoriai dėvi specialią aprangą, kad jų drabužiuose nesikauptų statiniai elektros krūviai, kurie, prisilietus prie mikroschemos, ją sugadintų. Prie įėjimo į patalpas klojami antistatiniai kilimėliai, įrengiama laminarinė ventiliacija, nuo įeinančių darbuotojų drabužių nupučianti dulkeles. Pavojingos nikotino ir pelenų dulkelės, kurias paskleidžia rūkantis operatorius, todėl pirmenybė priimant į darbą teikiama nerūkančiam operatoriui. Operatoriai dėvi sandarius, kosmonautų skafandrus primenančius specialius drabužius, pirštines ir vadinamuosius ''bachilus'' (ant kojų užmaunami medžiaginiai batai iki kelių).

Labai svarbu gamyklos aplinka, nes dulkėmis, mašinų išmetamosiomis dujomis ar kitų gamyklų atliekomis užterštą orą labai sunku išvalyti, be to, transporto sukelta dirvos vibracija trukdo formuoti mažus (iki 1,5 mikrometro) mikroschemų elementus. ''Venta'' buvo pastatyta toli nuo miesto, bet pamažu plečiantis miestui, atsidūrė judrių gatvių sankryžoje prie benzino kolonėlės. Jos teritorijoje įsikūrė padangų restauravimo bendrovė, kuri teršia orą.

Mikroschemų gamybos proceso trukmė - 1,5-2 mėnesiai, kurių metu atliekama šimtai technologinių operacijų. Užtenka vieno operatoriaus neatidumo, ir mikroschema patenka į broką. Nors proceso metu naudojamos labai brangios medžiagos, mikroschemos savikaina palyginti nėra didelė. Taip yra dėl to, kad ant silicio plokštelės vienu metu formuojama nuo kelių šimtų iki keleto tūkstančių kristalų, o tokių plokštelių vienu metu apdorojama 50 ir daugiau. Taigi net jei kiekvienoje plokštelėje yra tik 10-50 procentų gerų kristalų, jų savikaina nėra didelė.

Technologija

Integrinės mikroschemos gali būti formuojamos ant silicio, germanio arba galio arsenido plokštelių. Jų skersmuo būna nuo 30 iki 250 milimetrų. Kokį skersmenį pasirinkti, lemia technologinių įrenginių galimybės ir mikroschemai skirto kristalo matmenys, mat išpjauti mažą kristalą iš storos plokštelės labai sunku, o plokštelės storis tiesiogiai priklauso nuo jos skersmens.

Lietuvoje naudojamos 100 mm skersmens plokštelės, kurių storis yra apie 0,6 milimetro.

''Ventoje'' taikomos dvi pagrindinės technologijos: l) trijų difuzijų technologija, kai mikroschema formuojama tiesiog ant silicio plokštelės; 2) epitaksinė, kai ant puslaidininkinio pagrindo nusodinamas 1,5-20 mkm storio legiruoto silicio sluoksnis ir jame formuojama mikroschema. Pažymėtina, kad visos šios technologijos yra klasikinės ir naudojamos kitose panašaus profilio įmonėse, skiriasi tik įmonių technologiniai įrenginiai ir joje dirbančių specialistų išradingumas.

Mikroschema pradedama formuoti nuo plokštelių cheminio valymo ir plovimo dejonizuotame vandenyje. Dejonizuoto vandens gaunama specialioje stotyje, kurioje, pasitelkus anionines ir kationines dervas, sujungiami vandenyje esantys jonai. Ant nuvalytos plokštelės terminėje krosnyje, deguonies atmosferoje formuojamas silicio oksidas, kuris vėliau praverčia kaip apsauginis sluoksnis. Procesas atliekamas kvarco vamzdyje, nes oksidacijos temperatūra būna apie 1000^oC, o darbo zonoje neturi būti kitų priemaišų, kurios galėtų difunduoti į plokštelę. Suformavus ploną (apie 0,35 mkm) oksido sluoksnį, kuriame neturi būti skylučių (pagrindinė skylučių atsiradimo priežastis - dulkelės, patekusios ant plokštelės), fotolitografijos metodu jame formuojamas reikiamas piešinys. Fotolitografijos operacijos gana sudėtingos ir nuo jų skaičiaus priklauso gerų schemų plokštelėje kiekis, nes kiekviena fotolitografija padidina defektų skaičių plokštelėje. Fotolitografijos procesas vyksta taip: veikiant centrifūgai, ant plokštelės formuojama plona šviesai jautrios medžiagos plėvelė, kuri paskui džiovinama. Vėliau specialiuose įrengimuose, į kuriuos yra įstatomas reikiamas šablonas, apšviečiamos tos vietos, nuo kurių reikės pašalinti plėvelę. Įrenginys turi būti labai tikslus, nes plokštelės sutapatinimas su šablonu atliekamas dešimtųjų mikrometro dalių tikslumu. Vėliau, išryškinus apšviestąsias vietas ir cheminiu būdu pašalinus plėvelę ir silicio oksidą nereikalingose vietose, formuojami tranzistoriai, varžos, kondensatoriai ir metalo jungtys. Tranzistoriai formuojami terminėse krosnyse, 950^oC temperatūroje įterpiant į plokštelę borą ir fosforą. Temperatūra krosnyje turi būti pastovi ir svyruoti ne daugiau kaip vienu laipsniu.

Taigi, vykstant oksidinimo, fotolitografijos ir difuzijos procesams, suformuojami n-p-n arba p-n-p perėjimai, kurie ir sudaro tranzistoriaus pagrindinę dalį. Kadangi būsimuose kristaluose, kurių plokštelėje tūkstančiai, yra nuo keliasdešimties iki kelių šimtų tūkstančių tranzistorių, norint pagaminti konkrečias funkcijas atliekančią mikroschemą, tarp šių tranzistorių būtina suformuoti laidininkus. Plona metalo plėvelė (iki 0,5 mkm storio) užgarinama vakuuminiame įrenginyje. Šio įrenginio darbinė kamera yra hermetiška, iš jos išsiurbiamas oras iki 1x10 mm gyvsidabrio stulpelio, metalas, padėtas po gaubtu, kaitinamas, kol išsilydo (paprastai - labai grynas aliuminis). Veikiant elektromagnetiniam laukui, metalo molekulės patenka ant silicio plokštelės. Paskui, jau minėtosios fotolitografijos metodu, suformuojamas laidininkų tinklas.

Visų pagamintų kristalų fizines savybes ir elektrinius parametrus būtina atidžiai patikrinti. Tai taip pat nemaža problema, nes metalizuotų aikštelių kristale gali būti keli šimtai, prie jų zondus reikia vienu metu prijungti taip, kad kontaktas būtų patikimas ir kad zondai labai nepažeistų metalizuotų aikštelių. Kadangi metalizuotų aikštelių plotas - 80x80 mkm, o kontaktinių zondų gali būti daugiau nei šimtas, matyti, kad tai sudėtingas procesas. Matuoklis, išmatavęs kristalą, automatiškai pereina prie kito, o tuos, kurie netinkami pagal elektrinius parametrus, pažymi dažais.

Išmatuota plokštelė deimantiniu disku supjaustoma į atskirus kristalus, kurie vėliau sumontuojami į korpusus. Šie korpusai vėliau hermetizuojami, o elektriniai parametrai vėl matuojami. Mikroschemos, atitinkančios visus nustatytuosius reikalavimus, siunčiamos į mechaninių ir klimatinių bandymų laboratorijas.

Plataus vartojimo prekės

1970 m. pabaigoje visoms įmonėms, gaminusioms sunkiosios ir karinės pramonės gaminius, buvo nurodyta pradėti gaminti buitinę produkciją, nes parduotuvėse šio asortimento prekių sparčiai mažėjo. Pagrindinės lėšos, matyt, buvo skirtos ginklavimosi procesui, nemažus tuo metu atlyginimus gaudavo karinių gamyklų darbuotojai, antra vertus, už juos nebūdavo ką pirkti - turbūt visi prisimename tuščias to meto parduotuvių lentynas. Kiekviena įmonė privalėjo pagaminti prekių už tokią sumą, kad būtų visiškai padengtas tos įmonės darbo užmokesčio fondas.

Įmonė, norėdama maksimaliai panaudoti mikroschemų gamybos patirtį, nusprendė gaminti elektroninius muzikos instrumentus, pavadintus ''Vilniaus'' vardu (vėliau, ministro nurodymu, jų pavadinimas buvo pakeistas į ''Elektronikos''). Kurį laiką jie buvo surenkami iš paprastų detalių, vėliau buvo suprojektuotos ir pagamintos specialios mikroschemos, leidusios užtikrinti elektroninių muzikos instrumentų kokybę, sumažinti jų svorį ir kainą. Nemažai tuo metu pagamintų muzikos instrumentų buvo parduota ir Lietuvoje, bet didžiausia jų paklausa buvo Baltarusijos, Ukrainos ir Rusijos rinkose. Be muzikos instrumentų, įmonė gamino mikrobanges krosneles, tosterius, kai kurias automobilių apsaugos detales. 1990 m. ''Ventos'' gamyklos apimtys jau buvo tokios, kad per metus ji galėjo pagaminti net 100 000 000 mikroschemų.

Lietuva paskelbia nepriklausomybę

Atėjo 1990 m. kovo 11-oji. Lietuva tapo laisva. Rusija ir kitos tuo metu buvusios Tarybų Sąjungos sudėtyje respublikos nutraukė arba iki minimumo sumažino mikroschemų pirkimą. ''Venta'' pamažu, bet nenumaldomai ėmė netekti rinkos Rytuose, o Vakaruose jos paprasčiausiai nebuvo, nes beveik visos schemos buvo kuriamos pagal Vakaruose padarytus analogus. To reikalaudavo Sąjunginė ministerija, aiškindama, kad kopijuoti analogus yra kur kas pigiau ir greičiau.

Vėliau pradėjo stoti gamyklos Rusijoje, Baltarusijoje, Ukrainoje. Sumažėjus gamybos apimčiai, sumažėjo mikroschemų poreikis. Nepaisant visų pastangų, įmonei iškilo reali bankroto grėsmė. Iš dalies ši padėtis susiklostė ir dėl ankstesnių vadovų atkaklumo stokos. Darbų apimtys sumažėjo, buvo paskelbta priverstinė gamyklos prastova. Didžioji jaunesnių ir energingesnių darbuotojų dalis paliko įmonę, o kiti, visą gyvenimą praleidę ''Ventoje'', vis dar delsė, užsidirbdami duoną atsitiktiniais darbais. Ryšių su Vakarų firmomis pradėjo ieškoti vyriausiasis įmonės technologas L.Valeika ir direktorius R.Panavas. Jų pastangų rezultatas - gauti užsakymai iš Italijos ir Kinijos. Pamažu įmonės veikla ėmė atgyti.

Žinoma, per tuos kelerius metus susikaupė begalės problemų ir joms išspręsti reikės nemažai laiko ir jėgų - pakeisti susidėvėjusius technologinius įrenginius, reorganizuoti pačią gamyklą, kuriai rekonstruoti ir eksploatuoti būtinos nemažos investicijos. Šiaulių gamykla ''Nuklonas'' visiškai nutraukė gamybą, Lietuvai būtų labai paranku turėti pramonės įmonę, kuri nereikalautų didelio medžiagų kiekio (per metus jų užtektų apie 100 tonų) ir suteiktų darbą būsimiems kvalifikuotiems specialistams, kuriuos rengia Vilniaus universitetas, Vilniaus Gedimino technikos universitetas bei Kauno technologijos universitetas.

Įmonė eksportuoja savo produkciją į Italiją, Kiniją, Rusiją, įsidiegė ISO 9000 kokybės standartą. Šių metų pirmąjį pusmetį įmonė siekia gauti tarptautinį kokybės pripažinimą - ISO 9002 standarto sertifikatą.

Žmonės, visą gyvenimą atidavę šiai pramonės šakai Lietuvoje kurti ir plėtoti, ir toliau tiki savo ir savo įmonės geresne ateitimi.