eng
Отдел прикладных нанотехнологий НИЦ "Курчатовский институт" – один из наиболее современных российских центров, занимающихся исследованиями в области СВЧ-электроники, сверхпроводящих материалов, микрофлюидики и других прорывных направлений науки.
DOI:10.22184/1993-8578.2015.56.2.34.4
DOI:10.22184/1993-8578.2015.56.2.34.4
Теги: microfluidics microwave electronics superconducting materials микрофлюидика сверхпроводящие материалы свч-электроника
Лаборатория прикладных нанотехнологий входит в структуру Курчатовского комплекса НБИКС (нано-, био-, информационных, когнитивных и социогуманитарных) технологий и расположена в одном здании с единственным в России и СНГ специализированным источником синхротронного излучения. Лаборатория создавалась под непосредственным научным руководством директора НИЦ "Курчатовский институт" М.В.Ковальчука в несколько этапов – в итоге были построены две чистые комнаты, в которых установили свыше 50 единиц оборудования. К началу 2015 года инженерная инфраструктура лаборатории в основном закончена, более 70% оборудования запущено в эксплуатацию.
В отделе прикладных нанотехнологий работает около 20 человек. По словам его начальника, к.ф.-м.н. Максима Занавескина, специалистов здесь предпочитают растить со студенческой скамьи, причем коллектив сформирован из выпускников вузов с разной специализацией: МФТИ, МГУ, МЭИ, МИРЭА, МИФИ и других.
Оборудование для широкого круга задач
Оборудование лаборатории позволяет исследовать широчайший спектр проблем из разных областей электроники, микрофлюидики, нейроморфных систем и других прорывных направлений науки. "Фактически мы располагаем микроэлектронным заводом лабораторного типа", – констатирует М.Занавескин. В частности, лаборатория оснащена установками для эпитаксии разных типов, системой оптической контактной литографии для пластин диаметром до 150 мм, системой безмасочной литографии, которая может использоваться как для изготовления масок для фотолитографии, так и для прямого экспонирования пластин, установками плазмохимического травления – вплоть до сложных систем, позволяющих в едином цикле выполнять селективное травление подложки с последующим осаждением пассивирующих слоев. Установка бондинга дает возможность сращивать пластины из различных материалов, что особенно востребовано в производстве НЭМС и МЭМС. Установка для атомно-слоевого осаждения применяется для получения пленочных покрытий на различных поверхностях, в том числе с очень сложной топологией, например для создания подзатворных диэлектриков или для пассивации гри-
бообразных затворов. В диагностической комнате установлен растровый электронный микроскоп с функциями электронной и ионной микроскопии, оптические микроскопы, а также система наноимпринт-литографии, которая формирует изображение на пластине контактным способом. Последним по времени крупным приобретением стала установка электронно-лучевого литографа Raith EBPG5200 для пластин диаметром 200 мм.
При проектировании лабораторий было предусмотрено, что камеры загрузки модульного оборудования располагаются в чистых помещениях, а сами реакторы – в "серой зоне" с меньшим классом чистоты, что обеспечило экономию пространства дорогих чистых помещений. Расположение в одном здании с источником синхротронного излучения дает массу преимуществ – и чисто организационных, и научных. В частности, синхротрон может быть использован для глубокой литографии в области, в том числе, микрофлюидики.
Несмотря на то, что большую часть оборудования для комплектования лаборатории пришлось закупать за рубежом, отечественные разработки здесь также представлены. "Среди российских производителей хочу отметить компанию "Научное и технологическое оборудование", которая под своим брендом SemiTEq производит в Санкт-Петербурге широкий спектр высоковакуумного технологического оборудования, – рассказывает М.Занавескин. – Ключевой компетенцией компании является разработка и производство систем молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE) для полупроводниковых материалов А3N, А3В5 и широкозонных материалов А2В6. При выборе поставщика мы остановились на установке SemiTEq STE3N3. Техническим преимуществом системы является возможность получения пленок при более высоких температурах, чем в большинстве моделей конкурентов. Как показывает наш опыт, это очень полезное качество, так как некоторые режимы работы требуют температур значительно выше 1000°С. Кроме того, достоинством отечественного оборудования является оперативная техническая поддержка, что очень важно для нашей работы".
Развитие отечественного приборостроения для электроники, по мнению М.Занавескина, задача важная и при правильном подходе решаемая, значительно сложнее проблема отсутствия чистых химических компонентов – чистых газов, источников галлия и алюминия, металлоорганики и т.п., которые в России не выпускаются или производятся недостаточного качества. Но дорогу осилит идущий, надо этим заниматься.
Разработка СВЧ-электроники
Важнейшее направление исследований, которые проводит лаборатория, – разработка приборов СВЧ-электроники на основе нитридных гетероструктур. Современные аналоговые СВЧ-приборы применяются в системах связи, в том числе космической, а также в радиолокационной технике.
Для ростовых процессов в лаборатории применяются установки MBE и химического осаждения из газовой фазы (CVD). "Технологии CVD и MBE позволяют получать нитридные гетероструктуры, а также используются на следующих этапах производства СВЧ-устройств, – рассказывает М.Занавескин. – Согласно сложившейся практике, как правило, применяется или один метод, или другой. Мы же научились сочетать в одном процессе высокую производительность CVD с возможностью создания четких гетеропереходов по технологии MBE для получения хороших электрофизических характеристик приборов. В настоящее время мы практически единственные в стране умеем производить гетероструктуры высокого качества на пластинах диаметром 3 дюйма для создания устройств частотного диапазона 100 ГГц и выше".
Лаборатория тесно сотрудничает с ИСВЧПЭ РАН. В ходе совместной работы, помимо получения высококачественных гетероструктур, специалисты лаборатории добились хороших результатов в создании так называемых "невжигаемых" контактов. Если по обычной технологии контакты формируются путем нанесения нескольких слоев металла с последующим их вплавлением через высокоомный барьерный слой, то в совместном разработанном с ИСВЧПЭ РАН решении для контактов вытравливаются "окна" в нитриде глубже канала двумерного газа, а потом методом MBE наращивается легированный кремнием нитрид галлия. По такой технологии границы контактов получаются более четкими, что позволяет сблизить исток и сток, и имеют меньшее сопротивление – около 0,1–0,2 Ом против в лучшем случае 0,5 Ом при использовании "вжигания".
Разработки лаборатории в области производства СВЧ-приборов заинтересовали ряд промышленных предприятий, в частности, ведущего российского разработчика СВЧ-приборов, фрязинское НПП "Исток", и результаты лабораторных исследований постепенно начинают внедряться в производство.
ВТСП-материалы нового поколения
Установки импульсного лазерного осаждения, оснащенные эксимерными лазерами, используются в лаборатории для разработки технологии производства высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) второго поколения. ВТСП-провода применяются в производстве токоограничителей, когда провод выступает физическим предохранителем: если ток превышает определенное значение, материал выходит из сверхпроводящего состояния, причем делает это быстрее других физических аналогов. Этот же принцип позволяет не закладывать в электросетях дополнительные мощности, что интересно для энергетики. Также ВТСП-провода позволяют создавать более компактные двигатели, что может быть востребовано в различных областях, например в судостроении.
Замена металлических проводов в линиях электропередач на ВТСП-провода позволяет существенно повысить передаваемую электрическую мощность без перестройки энергетической инфраструктуры. Такие решения уже доведены до стадии внедрения, в частности, пилотный проект реализуется в Санкт-Петербурге.
Системы ВТСП первого поколения представляют собой серебряную трубку, содержащую ВТСП-порошок, но такая конструкция проводника обеспечивает только случайное сопряжение кристаллов, характеризующихся высокой анизотропией. Чтобы добиться формирования пленки с оптимально ориентированными кристаллами в системах второго поколения стала применяться эпитаксия. Установки импульсного лазерного осаждения работают по следующему принципу: в условиях высокого вакуума или контролируемой атмосферы в мишень направляется луч эксимерного лазера, превращающий материал в плазму, которая летит на разогретую подложку, формируя покрытие. Технология оптимальна для получения покрытий из сложных стехиометрических соединений, так как при простом нагреве мишени компоненты материала будут иметь разную скорость, а воздействие лазера направляет вещество порциями без разложения на компоненты.
Подбирая параметры ячейки материала и подложки, ростовые режимы, в лаборатории получают пленку ориентированных кристаллов. М.Занавескин: "Само по себе выращивание ВТСП-пленки на монокристалле – относительно простая проблема, значительно сложнее разработать технологию создания проводов, пригодных к использованию в промышленности. Мы формируем эпитаксиальное ВТСП-покрытие на длинных металлических лентах, текстурированных или аморфных, задавая текстуру ассистированием ионными пучками. Нашей лаборатории удалось первой в России создать ВТСП-провода второго поколения с использованием материалов отечественного производства, в частности, подложек, разработанных в НИИ Неорганических материалов им. академ. А.А.Бочвара".
Следующий этап проекта – создание проводов большой длины. Для этого закуплена первая в стране установка, оснащенная мощным лазером, которая позволяет в непрерывном режиме наносить ВТСП-покрытие на ленту длиной до 200 м. Процесс сложный: для того чтобы создать провод, необходимо нанести не менее пяти функциональных слоев, поэтому лента перематывается несколько раз, нагревается до температуры около 1000°С, причем на каждом этапе должна обеспечиваться сохранность ранее нанесенных слоев.
При одинаковых сечениях провода второе поколение ВТСП-систем характеризуется примерно в 100 раз большей токонесущей способностью чем первое.
Практическая микрофлюидика
Микроэлектронные технологии могут быть использованы не только в радиоэлектронике и энергетике, но и в биологии. Как известно, проблема определения структуры белков крайне важна для создания современных лекарств. Определение указанной структуры производится на соответствующей экспериментальной станции Курчатовского специализированного источника синхротронного излучения. Особенностью процесса кристаллизации белков является его чувствительность ко многим параметрам, в частности, к наличию гравитации. Наиболее качественные кристаллы выращиваются в космосе в условиях невесомости. Такие работы по инициативе М.В.Ковальчука были начаты еще в начале 1990 годов в Институте кристаллографии РАН, а затем в Курчатовском институте. Существуют различные системы для реализации роста белковых кристаллов на спутниках и космических станциях. В частности, весьма перспективно использование так называемой микрофлюидики.
Совместно с Институтом кристаллографии РАН специалисты лаборатории разрабатывают микрофлюидное устройство на базе микрочипа. Идея состоит в использовании эмульсии масла и воды, где микрокапли водяного раствора играют роль контейнеров для проб, которые разделены маслом. На микрочипе размером около 5 × 2 см размещается до 1 тыс. проб, в которых воспроизводятся разные условия для кристаллизации белка. Устройство с несколькими шприцевыми насосами и микрочипом характеризуется компактностью, что обеспечивает минимизацию затрат на его транспортировку в космос.
Разработки на базе мемристоров
Существование мемристора – четвертого пассивного электронного элемента – было теоретически предсказано в 1971 году на основе анализа симметрии параметров электронных сетей. Основным свойством данного элемента является зависимость его сопротивления от величины протекшего заряда. Таким образом, проводимость мемристора определяется не только сиюминутным значением приложенного напряжения, но и всей "историей" его предыдущей работы. Отсюда и название, означающее: "резистор с памятью".
Мемристоры могут использоваться для создания систем многобитной памяти как для оперативных запоминающих устройств, так и накопителей данных. Еще одна область применения мемристоров – коммутация. Лаборатория работает над проблемой создания на базе мемристоров коммутационных элементов для программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Если полупроводниковые коммутационные элементы занимают место на кристалле, то мемристоры могут интегрироваться в пассивные слои микросхемы над МОП-структурой, что позволяет оптимизировать конструкцию ПЛИС. При этом мемристоры имеют малую толщину и характеризуются достаточно высокой радиационной стойкостью.
Также совместно с другими группами НБИКС-центра исследуются перспективы использования мемристоров в нейроморфных системах. Пока такие системы строятся на классических полупроводниковых МОП-элементах, но прогнозируется, что внедрение мемристоров для эмуляции связей между нейронами значительно упростит аппаратную реализацию нейросетевых алгоритмов. Необходимость комплексного подхода к построению нейроморфных систем обработки информации, способных к обучению, классификации объектов и принятию решений, была несколько лет назад сформулирована М.В.Ковальчуком. Исследование свойств мемристорных систем – важная часть этого научного направления.
Хотя внедрение мемристоров и некоторые другие исследуемые в лаборатории проблемы, на первый взгляд, имеют достаточно туманные перспективы для промышленной реализации, практика показывает, что многие решения, еще вчера казавшиеся фантастикой, сегодня уже находят широкое применение, а завтра вытесняются еще более современными и эффективными технологиями. "Главное для ученого, чтобы результаты исследований были востребованы, – считает М.Занавескин. – Мы представляем академическую школу, но стараемся подвинуть фундаментальные знания как можно ближе к прикладной области".
В отделе прикладных нанотехнологий работает около 20 человек. По словам его начальника, к.ф.-м.н. Максима Занавескина, специалистов здесь предпочитают растить со студенческой скамьи, причем коллектив сформирован из выпускников вузов с разной специализацией: МФТИ, МГУ, МЭИ, МИРЭА, МИФИ и других.
Оборудование для широкого круга задач
Оборудование лаборатории позволяет исследовать широчайший спектр проблем из разных областей электроники, микрофлюидики, нейроморфных систем и других прорывных направлений науки. "Фактически мы располагаем микроэлектронным заводом лабораторного типа", – констатирует М.Занавескин. В частности, лаборатория оснащена установками для эпитаксии разных типов, системой оптической контактной литографии для пластин диаметром до 150 мм, системой безмасочной литографии, которая может использоваться как для изготовления масок для фотолитографии, так и для прямого экспонирования пластин, установками плазмохимического травления – вплоть до сложных систем, позволяющих в едином цикле выполнять селективное травление подложки с последующим осаждением пассивирующих слоев. Установка бондинга дает возможность сращивать пластины из различных материалов, что особенно востребовано в производстве НЭМС и МЭМС. Установка для атомно-слоевого осаждения применяется для получения пленочных покрытий на различных поверхностях, в том числе с очень сложной топологией, например для создания подзатворных диэлектриков или для пассивации гри-
бообразных затворов. В диагностической комнате установлен растровый электронный микроскоп с функциями электронной и ионной микроскопии, оптические микроскопы, а также система наноимпринт-литографии, которая формирует изображение на пластине контактным способом. Последним по времени крупным приобретением стала установка электронно-лучевого литографа Raith EBPG5200 для пластин диаметром 200 мм.
При проектировании лабораторий было предусмотрено, что камеры загрузки модульного оборудования располагаются в чистых помещениях, а сами реакторы – в "серой зоне" с меньшим классом чистоты, что обеспечило экономию пространства дорогих чистых помещений. Расположение в одном здании с источником синхротронного излучения дает массу преимуществ – и чисто организационных, и научных. В частности, синхротрон может быть использован для глубокой литографии в области, в том числе, микрофлюидики.
Несмотря на то, что большую часть оборудования для комплектования лаборатории пришлось закупать за рубежом, отечественные разработки здесь также представлены. "Среди российских производителей хочу отметить компанию "Научное и технологическое оборудование", которая под своим брендом SemiTEq производит в Санкт-Петербурге широкий спектр высоковакуумного технологического оборудования, – рассказывает М.Занавескин. – Ключевой компетенцией компании является разработка и производство систем молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE) для полупроводниковых материалов А3N, А3В5 и широкозонных материалов А2В6. При выборе поставщика мы остановились на установке SemiTEq STE3N3. Техническим преимуществом системы является возможность получения пленок при более высоких температурах, чем в большинстве моделей конкурентов. Как показывает наш опыт, это очень полезное качество, так как некоторые режимы работы требуют температур значительно выше 1000°С. Кроме того, достоинством отечественного оборудования является оперативная техническая поддержка, что очень важно для нашей работы".
Развитие отечественного приборостроения для электроники, по мнению М.Занавескина, задача важная и при правильном подходе решаемая, значительно сложнее проблема отсутствия чистых химических компонентов – чистых газов, источников галлия и алюминия, металлоорганики и т.п., которые в России не выпускаются или производятся недостаточного качества. Но дорогу осилит идущий, надо этим заниматься.
Разработка СВЧ-электроники
Важнейшее направление исследований, которые проводит лаборатория, – разработка приборов СВЧ-электроники на основе нитридных гетероструктур. Современные аналоговые СВЧ-приборы применяются в системах связи, в том числе космической, а также в радиолокационной технике.
Для ростовых процессов в лаборатории применяются установки MBE и химического осаждения из газовой фазы (CVD). "Технологии CVD и MBE позволяют получать нитридные гетероструктуры, а также используются на следующих этапах производства СВЧ-устройств, – рассказывает М.Занавескин. – Согласно сложившейся практике, как правило, применяется или один метод, или другой. Мы же научились сочетать в одном процессе высокую производительность CVD с возможностью создания четких гетеропереходов по технологии MBE для получения хороших электрофизических характеристик приборов. В настоящее время мы практически единственные в стране умеем производить гетероструктуры высокого качества на пластинах диаметром 3 дюйма для создания устройств частотного диапазона 100 ГГц и выше".
Лаборатория тесно сотрудничает с ИСВЧПЭ РАН. В ходе совместной работы, помимо получения высококачественных гетероструктур, специалисты лаборатории добились хороших результатов в создании так называемых "невжигаемых" контактов. Если по обычной технологии контакты формируются путем нанесения нескольких слоев металла с последующим их вплавлением через высокоомный барьерный слой, то в совместном разработанном с ИСВЧПЭ РАН решении для контактов вытравливаются "окна" в нитриде глубже канала двумерного газа, а потом методом MBE наращивается легированный кремнием нитрид галлия. По такой технологии границы контактов получаются более четкими, что позволяет сблизить исток и сток, и имеют меньшее сопротивление – около 0,1–0,2 Ом против в лучшем случае 0,5 Ом при использовании "вжигания".
Разработки лаборатории в области производства СВЧ-приборов заинтересовали ряд промышленных предприятий, в частности, ведущего российского разработчика СВЧ-приборов, фрязинское НПП "Исток", и результаты лабораторных исследований постепенно начинают внедряться в производство.
ВТСП-материалы нового поколения
Установки импульсного лазерного осаждения, оснащенные эксимерными лазерами, используются в лаборатории для разработки технологии производства высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) второго поколения. ВТСП-провода применяются в производстве токоограничителей, когда провод выступает физическим предохранителем: если ток превышает определенное значение, материал выходит из сверхпроводящего состояния, причем делает это быстрее других физических аналогов. Этот же принцип позволяет не закладывать в электросетях дополнительные мощности, что интересно для энергетики. Также ВТСП-провода позволяют создавать более компактные двигатели, что может быть востребовано в различных областях, например в судостроении.
Замена металлических проводов в линиях электропередач на ВТСП-провода позволяет существенно повысить передаваемую электрическую мощность без перестройки энергетической инфраструктуры. Такие решения уже доведены до стадии внедрения, в частности, пилотный проект реализуется в Санкт-Петербурге.
Системы ВТСП первого поколения представляют собой серебряную трубку, содержащую ВТСП-порошок, но такая конструкция проводника обеспечивает только случайное сопряжение кристаллов, характеризующихся высокой анизотропией. Чтобы добиться формирования пленки с оптимально ориентированными кристаллами в системах второго поколения стала применяться эпитаксия. Установки импульсного лазерного осаждения работают по следующему принципу: в условиях высокого вакуума или контролируемой атмосферы в мишень направляется луч эксимерного лазера, превращающий материал в плазму, которая летит на разогретую подложку, формируя покрытие. Технология оптимальна для получения покрытий из сложных стехиометрических соединений, так как при простом нагреве мишени компоненты материала будут иметь разную скорость, а воздействие лазера направляет вещество порциями без разложения на компоненты.
Подбирая параметры ячейки материала и подложки, ростовые режимы, в лаборатории получают пленку ориентированных кристаллов. М.Занавескин: "Само по себе выращивание ВТСП-пленки на монокристалле – относительно простая проблема, значительно сложнее разработать технологию создания проводов, пригодных к использованию в промышленности. Мы формируем эпитаксиальное ВТСП-покрытие на длинных металлических лентах, текстурированных или аморфных, задавая текстуру ассистированием ионными пучками. Нашей лаборатории удалось первой в России создать ВТСП-провода второго поколения с использованием материалов отечественного производства, в частности, подложек, разработанных в НИИ Неорганических материалов им. академ. А.А.Бочвара".
Следующий этап проекта – создание проводов большой длины. Для этого закуплена первая в стране установка, оснащенная мощным лазером, которая позволяет в непрерывном режиме наносить ВТСП-покрытие на ленту длиной до 200 м. Процесс сложный: для того чтобы создать провод, необходимо нанести не менее пяти функциональных слоев, поэтому лента перематывается несколько раз, нагревается до температуры около 1000°С, причем на каждом этапе должна обеспечиваться сохранность ранее нанесенных слоев.
При одинаковых сечениях провода второе поколение ВТСП-систем характеризуется примерно в 100 раз большей токонесущей способностью чем первое.
Практическая микрофлюидика
Микроэлектронные технологии могут быть использованы не только в радиоэлектронике и энергетике, но и в биологии. Как известно, проблема определения структуры белков крайне важна для создания современных лекарств. Определение указанной структуры производится на соответствующей экспериментальной станции Курчатовского специализированного источника синхротронного излучения. Особенностью процесса кристаллизации белков является его чувствительность ко многим параметрам, в частности, к наличию гравитации. Наиболее качественные кристаллы выращиваются в космосе в условиях невесомости. Такие работы по инициативе М.В.Ковальчука были начаты еще в начале 1990 годов в Институте кристаллографии РАН, а затем в Курчатовском институте. Существуют различные системы для реализации роста белковых кристаллов на спутниках и космических станциях. В частности, весьма перспективно использование так называемой микрофлюидики.
Совместно с Институтом кристаллографии РАН специалисты лаборатории разрабатывают микрофлюидное устройство на базе микрочипа. Идея состоит в использовании эмульсии масла и воды, где микрокапли водяного раствора играют роль контейнеров для проб, которые разделены маслом. На микрочипе размером около 5 × 2 см размещается до 1 тыс. проб, в которых воспроизводятся разные условия для кристаллизации белка. Устройство с несколькими шприцевыми насосами и микрочипом характеризуется компактностью, что обеспечивает минимизацию затрат на его транспортировку в космос.
Разработки на базе мемристоров
Существование мемристора – четвертого пассивного электронного элемента – было теоретически предсказано в 1971 году на основе анализа симметрии параметров электронных сетей. Основным свойством данного элемента является зависимость его сопротивления от величины протекшего заряда. Таким образом, проводимость мемристора определяется не только сиюминутным значением приложенного напряжения, но и всей "историей" его предыдущей работы. Отсюда и название, означающее: "резистор с памятью".
Мемристоры могут использоваться для создания систем многобитной памяти как для оперативных запоминающих устройств, так и накопителей данных. Еще одна область применения мемристоров – коммутация. Лаборатория работает над проблемой создания на базе мемристоров коммутационных элементов для программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Если полупроводниковые коммутационные элементы занимают место на кристалле, то мемристоры могут интегрироваться в пассивные слои микросхемы над МОП-структурой, что позволяет оптимизировать конструкцию ПЛИС. При этом мемристоры имеют малую толщину и характеризуются достаточно высокой радиационной стойкостью.
Также совместно с другими группами НБИКС-центра исследуются перспективы использования мемристоров в нейроморфных системах. Пока такие системы строятся на классических полупроводниковых МОП-элементах, но прогнозируется, что внедрение мемристоров для эмуляции связей между нейронами значительно упростит аппаратную реализацию нейросетевых алгоритмов. Необходимость комплексного подхода к построению нейроморфных систем обработки информации, способных к обучению, классификации объектов и принятию решений, была несколько лет назад сформулирована М.В.Ковальчуком. Исследование свойств мемристорных систем – важная часть этого научного направления.
Хотя внедрение мемристоров и некоторые другие исследуемые в лаборатории проблемы, на первый взгляд, имеют достаточно туманные перспективы для промышленной реализации, практика показывает, что многие решения, еще вчера казавшиеся фантастикой, сегодня уже находят широкое применение, а завтра вытесняются еще более современными и эффективными технологиями. "Главное для ученого, чтобы результаты исследований были востребованы, – считает М.Занавескин. – Мы представляем академическую школу, но стараемся подвинуть фундаментальные знания как можно ближе к прикладной области".
Отзывы читателей
