Przekroczyç granice

Wytwórcy uk∏adów scalonych

napotkali powa˝nà barier´

dalszego post´pu

T

rwajà zawody – Gordon Moore
kontra Georg Simon Ohm i Mi-
chael Faraday. Prawu Moore’a –

cz´sto przytaczanej przepowiedni eme-
rytowanego szefa Intela, ˝e post´p
w rozwoju uk∏adów scalonych b´dzie
si´ odbywa∏ ogromnymi skokami do-
konywanymi w Êmiesznie krótkim cza-
sie – zaczynajà zagra˝aç zast´py omów
i faradów, jednostek oporu i pojemnoÊci
wywodzàcych swoje nazwy od wspo-
mnianych XIX-wiecznych uczonych.

Zgodnie z prawem Moore’a przez cià-

g∏e zmniejszanie rozmiarów tranzysto-
rów i upychanie ich coraz bli˝ej siebie
liczba miniaturowych prze∏àczników
(tzw. bramek) w jednym uk∏adzie scalo-
nym podwaja si´ co 18 miesi´cy. Jednak
zasada uzyskiwania „wi´cej w mniej-
szym” nie stosuje si´ do Êcie˝ek ∏àczà-
cych miliony tranzystorów w najszyb-
szych mikroprocesorach. „W pierw-
szych dziesi´cioleciach rozwoju tej dzie-
dziny to tranzystory, a nie po∏àczenia
mi´dzy nimi zaprzàta∏y nam g∏owy –
mówi Mark T. Bohr, dyrektor Intela ds.
architektury przetwarzania i integracji.

– Nie istnieje skuteczny sposób zmniej-
szenia rozmiaru po∏àczeƒ, tak jak to si´
robi z tranzystorami.”

Gdy zmniejsza si´ szerokoÊç Êcie˝ki,

a elektrony muszà przebywaç odleg∏oÊci
wielokrotnie przekraczajàce d∏ugoÊç tran-
zystora, to opór po∏àczeƒ stawiany pràdo-
wi elektrycznemu roÊnie. Równie˝ po-
jemnoÊç – niepo˝àdane gromadzenie si´
energii elektrycznej mi´dzy blisko po∏o-
˝onymi przewodami – mo˝e spowolniç
przep∏yw pràdu lub spowodowaç nie-
w∏aÊciwe prze∏àczenie bitu z 0 na 1.

Setki metrów po∏àczeƒ, które przeni-

kajà niektóre z najnowoczeÊniejszych
obecnie mikroprocesorów, jest odpowie-
dzialnych za mniej wi´cej po∏ow´ opóê-
nieƒ sygna∏ów krà˝àcych wewnàtrz
uk∏adów scalonych. W dodatku po∏àcze-
nie oko∏o 7 mln tranzystorów wewnàtrz
tych uk∏adów – wyczyn, którego efek-
tem jest pi´cio- lub szeÊciowarstwowy
stos przypominajàcy drapacz chmur –
poch∏ania dziÊ po∏ow´ kosztów produk-
cji. Pi´ç lat temu by∏a to trzecia ich cz´Êç.

Przez lata wytwórcy uk∏adów scalo-

nych nie przywiàzywali wagi do po∏à-
czeƒ. „ZajmowaliÊmy si´ nimi dopiero
w dalszej kolejnoÊci” – mówi Kenneth
Monnig, mened˝er programu w kon-
sorcjum przemys∏owym SEMATECH.
Problem ten wysunà∏ si´ jednak na czo-
∏o zagadnieƒ technologicznych, wymu-
szajàc du˝e zmiany w zakresie stosowa-
nych materia∏ów i przebiegu produkcji.

Rozwiàzaniem z pozoru prostym jest

zamiana po∏àczeƒ aluminiowych, obec-

nie standardowych, na miedziane.
Miedê ma mniejszà rezystywnoÊç i jest
mniej podatna na tzw. wiatr elektrono-
wy – zjawisko polegajàce na wybijaniu
atomów metalu przez g´sty pràd prze-
p∏ywajàcy cienkim przewodem. „W me-
talu tworzy si´ przerwa, poniewa˝ elek-
trony przedmuchujà czàsteczki miedzi
w koniec przewodu” – wyjaÊnia G. Dan
Hutcheson, prezes VLSI Research.

Jednak˝e zastàpienie aluminium mie-

dzià nie by∏o i nie jest marzeniem wy-
twórni z przesz∏o miliardowymi kapita-
∏ami. Chocia˝ fabryki uk∏adów scalonych
stosujà ju˝ stopy aluminium z niewiel-
kà iloÊcià miedzi, pe∏ne przestawienie na
nowà technologi´ b´dzie prawdopodob-
nie wymaga∏o zmian podstawowych za-
sad procesu wytwarzania.

Aluminium mo˝na nak∏adaç cienkà

warstwà i trawiç za pomocà plazmy jo-
nowej w celu wytworzenia linii po∏à-
czeniowych. Miedzià natomiast trzeba
wype∏niaç wàskie rowki wy˝∏obione
w otaczajàcym materiale izolujàcym.
Metal musi je wype∏niç jednolicie – row-
ki majà szerokoÊç jednej czwartej mi-
krona lub mniejszà. Ponadto miedê
przenika zwykle do otaczajàcego jà
krzemu, co mo˝e zablokowaç zdolnoÊç
tranzystora do prze∏àczania.

Wi´kszych sukcesów nale˝y si´ spo-

dziewaç po u˝yciu lepszych izolatorów,
inaczej dielektryków, dzi´ki czemu
zmniejszà si´ pojemnoÊci wbudowane
powodujàce opóênienia sygna∏ów. Dwa
przewody umieszczane coraz bli˝ej sie-
bie zaczynajà dzia∏aç bardziej jak kon-
densator, czyli element gromadzàcy ∏a-
dunek elektryczny, i przestajà przy-
pominaç autostrad´, którà elektrony p´-
dzà z miejsca na miejsce.

Wytwórcy uk∏adów scalonych poszu-

kujà obecnie zamiennika najcz´Êciej sto-
sowanego dielektryka – dwutlenku
krzemu. Jedynym jego grzechem jest
du˝a wartoÊç sta∏ej dielektrycznej – mia-
ry zapobiegania wzajemnemu zaburza-
niu sygna∏ów w sàsiednich przewodach.
Im sta∏a dielektryczna jest mniejsza, tym
∏atwiej uniknàç przes∏uchów.

Zamienniki dwutlenku krzemu sà

jednak obarczone mnóstwem niepo-
˝àdanych w∏aÊciwoÊci. „Styropianowy
kubek na twoim biurku ma niskà sta∏à
dielektrycznà, ale utrzymanie go w nie
zmienionym stanie w 400°C podczas
procesu produkcyjnego to ca∏kiem nowe
wyzwanie” – mówi Bohr. Testuje si´
polimery takie jak teflon, mi´knà one
jednak w wysokich temperaturach.
„Istnienie pi´ciu warstw takiego ma-
teria∏u jest wysoce niepo˝àdane” –
twierdzi Fabio Pintchovski, dyrektor
pracowni badaƒ materia∏ów w Motoro-
la Semiconductor.

18 Â

WIAT

N

AUKI

Lipiec 1997

MIKROELEKTRONIKA

DRAPACZ CHMUR utworzony przez stos po∏àczeƒ.

Nad powierzchnià mikrouk∏adu trzeba po∏àczyç, lekko liczàc, 7 mln tranzystorów

tworzàcych nowoczesny mikroprocesor. Wolframowe mostki zapewniajà

po∏àczenia mi´dzy warstwami przewodników. Przewody stajà si´ grubsze

w wy˝szych warstwach, aby zmniejszyç opór, dzi´ki czemu po∏àczenia

oddalonych grup tranzystorów mogà byç bardzo szybkie.

IZOLATOR – DWUTLENEK KRZEMU

ALUMINIOWE PO¸ÑCZENIA

POLÑCZENIA WOLFRAMOWE

1

µm

TRANZYSTORY

POD¸O˚E KRZEMOWE

WARSTWA 5

WARSTWA 4

WARSTWA 3

WARSTWA 2

WARSTWA 1

INTEL CORPORATION; PETER SAMEK

Slim Films

Poprzez dodanie atomów fluoru lub

w´gla mo˝na uczyniç dwutlenek krze-
mu lepszym dielektrykiem. W Trikon
Technologies z Chatsworth (Kalifornia)
stwierdzono ostatnio, ˝e w´giel zmniej-
sza do po∏owy sta∏à dielektrycznà dwu-
tlenku krzemu. Przemys∏ przyjà∏ jednak
postaw´ wyczekujàcà, poniewa˝ dodat-
ki do dwutlenku krzemu mogà podczas
produkcji wywo∏ywaç niepo˝àdane re-
akcje chemiczne.

Wiedzàc, ˝e powietrze ma najni˝szà

sta∏à dielektrycznà spoÊród wszystkich
substancji, jedna z firm opracowa∏a tech-
nologi´ wytwarzania dielektryków
przypominajàcych szwajcarski ser. Po-
rowaty dwutlenek krzemu jest produ-

kowany przez Nanoglass – joint ventu-
re Allied-Signal z nowo powsta∏à Na-
noPore z Nowego Meksyku. Ârednica
wype∏nionych powietrzem porów wy-
nosi zaledwie 10 nm.

Materia∏ ten, podobny do substancji

znanych jako aero˝ele, mo˝e osiàgnàç
sta∏à dielektrycznà tylko niewiele prze-
kraczajàcà sta∏à samego powietrza. Pro-
ducenci muszà jeszcze okreÊliç, czy wy-
trzyma on wszystkie etapy produkcji.

Czas ucieka, a licznych problemów

technicznych nie uda∏o si´ rozwiàzaç.
„Odpowiedzi nie sà proste” – narzeka
Robert Havemann, pracownik Texas In-
struments. Nawet jeÊli producenci uk∏a-
dów scalonych b´dà mogli wprowadziç

po∏àczenia miedziane i dielektryki tak
dobre jak powietrze, to i tak wystarczy
to zaledwie na jakieÊ 10 lat – dopóki nie
pojawi si´ zapotrzebowanie na zupe∏-
nie nowà technologi´. Byç mo˝e po∏à-
czenia w obwodach elektrycznych b´dà
realizowane za pomocà fal Êwietlnych
lub sygna∏ów radiowych. Prawdopo-
dobne sà równie˝ ca∏kiem odmienne
rozwiàzania, które zrealizujà postulat
„mniejsze jest lepsze”. Je˝eli nowa re-
wolucyjna technologia si´ nie pojawi,
w wydanych w przysz∏oÊci ksià˝kach
historycznych prawo Moore’a b´dzie
opisane jako m∏odzieƒczy wybryk prze-
mys∏u elektronicznego.

Gary Stix

Â

WIAT

N

AUKI

Lipiec 1997 19

Opanowaç dr˝enie

Rozrusznik mózgu

wkracza na rynek

W

University of Kansas Medi-
cal Center w Kansas City
neurochirurg pochylony nad

wiert∏em drà˝y dwucentymetrowy
otwór w sklepieniu czaszki Russella D.
Shermana. Pacjent ledwie to czuje. Przy-
tomny i uÊmiechni´ty 69-letni hydraulik
z Carrington w Dakocie Pó∏nocnej wy-
t´˝a g∏os, usi∏ujàc przekrzyczeç
ha∏as, i wyjaÊnia, dlaczego po
raz piàty w ciàgu ostatnich dzie-
wi´ciu miesi´cy odby∏ t´ prawie
1300-kilometrowà podró˝, aby
poddaç si´ operacji polegajàcej
na wprowadzeniu cienkiego
przewodu elektrycznego do mó-
zgu. „Sam byÊ to zrozumia∏ –
mówi – gdybyÊ nie móg∏ ani pi-
saç, ani napiç si´ z kubka.”

Od m∏odych lat Sherman cier-

pia∏ z powodu dr˝enia samoist-
nego, dziedzicznej choroby zwy-
rodnieniowej, która odznacza si´
regularnym i drobnofalistym
dr˝eniem koƒczyn (zazwyczaj
górnych), g∏owy, ˝uchwy oraz
g∏osu. Schorzenie to obj´∏o oby-
dwie jego r´ce i by∏o nie do opa-
nowania. Jednak jeszcze przed
operacjà powita∏ mnie silnym
uÊciskiem d∏oni. Dr˝enie prawej
r´ki ustàpi∏o po umieszczeniu
w lewej pó∏kuli mózgu elektro-
dy po∏àczonej ze specjalnym roz-
rusznikiem bateryjnym pod skó-
rà klatki piersiowej. DziÊ elek-
troda zostanie zaimplantowana
w prawej pó∏kuli w celu opano-
wania dr˝enia r´ki lewej.

Nast´pnego dnia po zabiegu Sher-

man przyk∏ada magnes do klatki pier-
siowej, ˝eby uruchomiç pulsowanie roz-
rusznika. „Och, patrz, patrz, kochanie
– wykrzykuje ˝ona, widzàc, ˝e nie kon-
trolowane dr˝enie r´ki prawie ustaje. –
Dotychczas musia∏ nosiç koszule na na-
py i buty na rzepy – mówi – teraz zapi-
na guziki i wià˝e sznurowad∏a.” Opa-
nowanie dr˝enia ràk Sherman zawdzi´-
cza temu, ˝e przed 45 laty pewien chi-
rurg pope∏ni∏ b∏àd. Chcàc usunàç innà
struktur´ mózgu u pewnej pacjentki,
przypadkowo odcià∏ dop∏yw krwi do
wzgórza. Po wybudzeniu dr˝enie ràk

u niej usta∏o. Neurochirurdzy w koƒcu
zlokalizowali we wzgórzu obszar wiel-
koÊci grochu, po zniszczeniu którego
dr˝enie ust´puje.

Jednak˝e metoda ta, zwana talamo-

tomià, wywo∏uje niekiedy zaburzenia
czucia i mowy. Wprowadzenie w póê-
nych latach szeÊçdziesiàtych trzech no-
wych leków zmniejszajàcych ruchy mi-
mowolne i dr˝enia charakterystyczne
dla choroby Parkinsona wyelimino-
wa∏o leczenie chirurgiczne. Leki te
wi´kszoÊci pacjentów pomagajà do-
raênie, ale oko∏o 5% chorych z dr˝e-
niem samoistnym i oko∏o 10% z choro-

bà Parkinsona nie doznaje od-
powiedniej ulgi. W 1987 roku
Alim L. Benabid z Université
Joseph Fourier w Grenoble
(Francja) wykona∏ inny zabieg
neurochirurgiczny. Zamiast
zwi´kszyç napi´cie na elek-
trodzie, ˝eby wypaliç ogniska
we wzgórzu, pozostawi∏ jà w
mózgu wysy∏ajàcà 130 razy na
sekund´ impulsy o niskim na-
pi´ciu. Metoda implantacyjna
zmniejsza∏a dr˝enie tak jak
talamotomia, ale okaza∏a si´
bezpieczniejsza.

Uzyskane wyniki Benabid

przekaza∏ firmie Medtronic
w Minneapolis. Jest ona g∏ów-
nym producentem defibrylato-
rów oraz rozruszników serca
i okaza∏a ˝ywe zainteresowa-
nie mo˝liwoÊcià ujarzmienia tej
niesfornej struktury mózgu.
W 1993 roku rozpocz´∏a bada-
nia kliniczne o zasi´gu global-
nym, a w 1995 roku – sprzeda˝
tego urzàdzenia w Europie Za-
chodniej, Australii i Kanadzie.
Dyrektor medyczny firmy
Medtronic, Donald H. Hark-
ness, twierdzi, ˝e u 80% spo-

MEDYCYNA

ELEKTRONICZNY WSZCZEP w mózgu zapobiega

samoistnemu dr˝eniu koƒczyn.

ZA ZGODÑ MEDTRONIC