eng
Выпуск #1/2018
В.Лукичёв
ФТИАН: три десятилетия исследований и разработок в области микро- и наноэлектроники
ФТИАН: три десятилетия исследований и разработок в области микро- и наноэлектроники
Просмотры: 3128
В текущем году исполняется 30 лет Физико-технологическому институту Российской академии наук (ФТИАН РАН) – ведущей научной организации в области исследований фундаментальных проблем электронной компонентной базы микро- и наноэлектроники.
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.80.1.08.19
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.80.1.08.19
В текущем году исполняется 30 лет Физико-технологическому институту Российской академии наук (ФТИАН РАН) – ведущей научной организации в области исследований фундаментальных проблем электронной компонентной базы микро- и наноэлектроники. О работе и достигнутых институтом результатах рассказал директор ФТИАН РАН, доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН Владимир Федорович Лукичёв.
Владимир Федорович, какое место занимает ФТИАН в системе институтов РАН и какими проблемами занимается?
Если говорить об истории создания нашего института, то к началу 1980-х годов сложилась ситуация, когда отечественные исследования и разработки в области микроэлектроники перешли преимущественно в прикладную плоскость и велись, в основном, в отраслевых НИИ профильных ведомств, что в конечном итоге привело к сужению научного горизонта в этих организациях и решению ими исключительно задач на ближайшую перспективу. Ввиду важности обеспечения теоретической базы для развития вычислительной техники и сопутствующих ей полупроводниковых технологий с более далеким горизонтом планирования, в 1983 году в Академии наук СССР было создано Отделение информатики, вычислительной техники и автоматизации (позднее – уже в 2000-х годах, – переименовано в Отделение нанотехнологий и информационных технологий – ОНИТ РАН). В 1988 году в его составе был организован Физико-технологический институт АН СССР – ФТИАН. Институт был создан для решения фундаментальных физико-технологических проблем изготовления интегральных схем с субмикронными (в то время) проектными нормами на основе математического моделирования приборов и технологических процессов, развития ключевых технологий – литографии высокого разрешения, разработки вакуумных и плазменных методов получения тонких пленок и их размерного микроструктурирования, исследования характеристик интегральных приборов микроэлектроники. Одним из инициаторов создания ОНИТ РАН и первым директором ФТИАН был академик РАН Камиль Ахметович Валиев, который в 1960–1970-х годах внес огромный вклад в становление отечественной микроэлектронной промышленности, возглавлял НИИ молекулярной электроники (НИИМЭ) и завод "Микрон", впервые в СССР обеспечил разработку и серийное производство монолитных кремниевых интегральных схем, ставших элементной базой отечественной вычислительной техники и оборонных систем. Шагая в ногу со временем, К.А.Валиев в 1995 году организовал и возглавил Лабораторию физики квантовых компьютеров в составе ФТИАН, введя проблемы квантовой информатики и элементной базы, обеспечивающей квантовые вычисления, в число основных научных направлений института. С 2005 по 2015 годы пост директора ФТИАН занимал его ученик – академик РАН Александр Александрович Орликовский – основоположник ряда направлений научных исследований в области физических основ технологии кремниевой микро- и наноэлектроники.
ФТИАН ведет исследования как фундаментального, так и прикладного характера. В настоящее время в число основных фундаментальных проблем, изучаемых в институте, входят квантовая информатика, физика нанотранзисторов и наноструктур, составляющих электронную компонентную базу вычислительных систем, научные основы плазменных технологий микро- и наноэлектроники, моделирование технологических процессов и приборов микро- и наноэлектроники, методы исследования и анализа многослойных структур, исследование свойств магнитных структур и наномагнетиков, изучение фазовых превращений в тонких и сверхтонких пленках и в многослойных приборных структурах.
К прикладным задачам относятся разработки широкоапертурных источников сильно ионизованной низкотемпературной плазмы и источников ионов для технологических применений, плазменного пилотного оборудования и технологий для нанесения пленок, микро- и наноструктурирования, иммерсионной ионной имплантации, методов и средств мониторинга плазменных процессов, а также элементов микро- и наноэлектромеханических систем (МЭМС, НЭМС) и сенсоров на основе кремниевой технологии.
Перечисленные исследования выполняются структурными подразделениями института: лабораторией физики квантовых компьютеров, лабораторией архитектуры высокопроизводительных вычислительных систем, лабораторией математического моделирования физико-технологических процессов микроэлектроники, лабораторией микроструктурирования и субмикронных приборов, лабораторией ионно-лучевых технологий, лабораторией физики поверхности микроэлектронных структур, лабораторией технологии микро- и наносистем. Важно понимать, что в настоящее время институт занимается ключевыми вопросами уже не только микро-, но и наноэлектроники, то есть электроники наноразмерных элементов интегральных схем. В наших лабораториях уже давно оперируют масштабами десятков и даже единиц нанометров.
В рамках реорганизации РАН в 2006 году в состав ФТИАН был включен Ярославский институт микроэлектроники и информатики (ИМИ РАН), который стал нашим филиалом. Нас объединяет не только общее название, но и общая тематика и научные направления исследований. Ярославские коллеги успешно занимаются плазменными технологиями для создания чувствительных элементов МЭМС и довели полученные результаты до внедрения в серийное производство. Значительная часть работ в ЯФ ФТИАН посвящена исследованиям в области магнитной памяти. На территории ЯФ ФТИАН расположен Центр коллективного пользования Ярославского университета, в котором представлено современное диагностическое научное оборудование. Центр оказывает высококвалифицированные услуги исследовательским учреждениям, предприятиям Ярославской области. В настоящее время в штате ФТИАН и филиала работают около 200 человек.
Какие достижения ФТИАН вы считаете наиболее существенными?
Если говорить о достижениях последних лет, то я бы выделил три направления, где наш институт получил прорывные результаты.
Во-первых, коллективом лаборатории физики квантовых компьютеров получены результаты, обеспечивающие создание прототипов квантовых вычислительных и коммуникационных устройств, а также систем проектирования таких устройств. Было осуществлено реалистичное моделирование элементной базы квантовых компьютеров с учетом квантовых шумов, а также произведена симуляция зашумленных основных квантовых алгоритмов, в том числе с использованием суперкомпьютеров РАН (МВС-100К и МВС-10П) и суперкомпьютера "Ломоносов". Лабораторией архитектуры высокопроизводительных вычислительных систем предложены реалистичные конструкции микроструктур, выполняющих функции кубитов и позволяющих построить полномасштабный квантовый компьютер на двойных квантовых точках. Кстати, перспективность именно двойных квантовых точек для квантовых вычислений впервые была теоретически показана и опубликована группой наших сотрудников под руководством Л.Е.Федичкина в Лаборатории академика К.А.Валиева в 2000 году. Здесь ФТИАН имеет мировой приоритет. В настоящее время приступаем к решению технологических задач по практическому созданию таких структур с масштабируемой архитектурой.
Во-вторых, в лаборатории микроструктурирования и субмикронных приборов проведены исследования и разработаны технологические подходы формирования структур кремниевых полевых транзисторов с размерами элементов менее 10 нм. В рамках этой работы впервые в России были получены экспериментальные, так называемые кремниевые Fin-структуры с высокой подвижностью носителей и критическим размером 7,8 нм. Процесс изготовления включает высокоразрешающую электронную литографию, прецизионное анизотропное плазменное травление, операцию удаления нарушенного слоя кремния. Такие структуры являются основой FinFET нанотранзисторов с проектной нормой менее 14 нм, массива (до 104 элементов) суб-10 нм Si-нанопроводов для твердотельных терагерцовых генераторов, твердотельного квантового регистра квантового компьютера, конструкция которого предложена во ФТИАН РАН. В настоящее время ведутся работы по атомно-слоевому осаждению материалов диэлектриков и металлических затворов для получения полноценной структуры суб-10 нм нанотранзистора.
И, в-третьих, важнейший прикладной научно-технический результат, раскрывающий инновационный потенциал института, получен лабораторией технологии микро- и наносистем совместно с Ярославским филиалом ФТИАН РАН и заключается в разработке конструкции, технологии и изготовлении чувствительных элементов МЭМС-микрогироскопов и комплекта МЭМС-акселерометров. Эта разработка была успешно внедрена в серийные изделия и представлена Председателю Правительства РФ Д.А.Медведеву.
Проблемы создания квантового компьютера привлекают все большее внимание не только научной, но и широкой общественности. Как вы оцениваете положение дел в этой области?
По прогнозам, создание полномасштабного квантового компьютера станет реальным к 2030 году. Системы, которые уже созданы, или анонсированы к появлению в ближайшие несколько лет, – это все же, по большому счету, демонстраторы технологий и квантовые симуляторы. Думаю, что базой для полномасштабного квантового компьютера станут твердотельные элементы, так как иные системы (например, на молекулах жидкостей, на отдельных атомах в ловушках) не позволяют реализовать полномасштабный компьютер, в составе которого должно быть до 1 000 взаимодействующих кубитов – квантовых битов. При этом нужно понимать, что квантовый компьютер не заменит повсеместно компьютер классический и необходим для решения достаточно специфического класса весьма сложных задач. Чтобы читатели представили масштабы создаваемой вычислительной системы, в которую будет включен квантовый компьютер, следует подчеркнуть, что только для управления его работой потребуется очень мощный классический суперкомпьютер.
Мы занимаемся квантовой информатикой с 1995 года, сотрудничаем в этой области с Казанским федеральным университетом, Казанским физико-техническим институтом им. Е.К.Завойского, Институтом физики полупроводников СО РАН, участвуем в работе квантового консорциума, созданного на базе МГУ им. М.В.Ломоносова. К сожалению, в России нет возможностей для полноценного выполнения экспериментальной части работ по созданию твердотельной элементной базы для квантового компьютера. Многое из требуемого научного, экспериментального оборудования у нас в стране давно не производится. Поэтому проводимые в этой области во ФТИАНе работы – большей частью теоретические исследования. Тем не менее у нас есть оригинальные идеи, какими должны быть твердотельные структуры кубитов будущего квантового компьютера, как использовать огромный пласт технологий наноэлектроники для их создания.
Гораздо ближе к широкой практической реализации – квантовые методы обработки информации, позволяющие создать весьма защищенные каналы передачи информации. На них мы делаем акцент в нашей работе на ближайшую перспективу.
В любом случае, считаю, что создание полноценной квантовой вычислительной системы – квантового компьютера – может быть решено только как единая общегосударственная задача.
Каковы, на ваш взгляд, перспективы и тенденции развития технологий микро- и наноэлектроники?
С тех пор, как наш институт был организован для исследования проблем технологий микроэлектроники и физики приборов, топологические нормы и критические размеры интегральных приборов уменьшились с 2 мкм до современных 7–10 нм. Тенденция масштабирования в область наноразмеров позволила создать схемы высокопроизводительных микропроцессоров, содержащих до 20 млрд транзисторов на кристалле, и дала разработчикам архитектуры вычислительных систем невиданные ранее возможности. Однако эта же тенденция привела к достижению пределов кремниевой технологии, когда уже практически невозможно дальнейшее уменьшение размеров транзисторов, потому что достигнут физический предел, при котором основной элемент интегральной схемы – МДП-транзистор перестает работать как совершенный ключ. Теоретически этот предел, в том числе количественно, был предсказан академиками К.А.Валиевым и А.А.Орликовским более 15 лет назад. А ведь именно на таких ключах построено выполнение логических операций в чипе процессора.
Эволюция кремниевой наноэлектроники на пути к 10-нм чипам привела к изменению конструкции транзисторов – от планарной к 3D-геометрии к широкому внедрению новых материалов – диэлектриков и металлов, а также новых технологий. Последний вариант интегрального МДП-транзистора, так называемый туннельный транзистор, как ожидается, позволит несколько отодвинуть "тепловую стену" и значительно увеличить тактовые частоты процессоров либо создавать схемы с ультранизким потреблением энергии. Мы ведем такие исследования в области туннельных транзисторов как теоретически, так и занимаемся экспериментами по созданию ультратонкого "спейсера" в конструкции такого транзистора, который будет ключевым элементом данного прибора. Я думаю, мы сможем порадовать здесь видимыми результатами в ближайшее время.
Одновременно постоянно ведется поиск альтернатив кремнию. В первую очередь, это ряд других полупроводников с более высокой подвижностью, выращиваемых на кремниевой подложке. Создание новых транзисторных структур предусматривает и более экзотические сейчас варианты – на базе 2D- и 1D-материалов (графен, МоS2, углеродные нанотрубки) и других структур. Препятствия, ограничивающие применение таких новых транзисторов кажутся весьма серьезными, но их изготовление даже в виде экспериментальных приборов дало небывалый толчок развитию абсолютно новых технологий. При условии продолжения исследований, в ряде случаев такая "экзотика" вполне может найти свою нишу в коммерческих изделиях.
Возвращаемся к кремниевой технологии. Чтобы сохранить заданные известным законом Мура темпы роста плотности транзисторов на кристалле (которые все же падают), тенденцией стало создание трехмерных интегральных схем с наращиванием числа чипов путем соединения нескольких кристаллов вертикально. Вопросы 3D-интеграции ИС важны еще и потому, что этот подход позволяет совместить чипы, выполненные по разной технологии, и объединить в единую систему логические, аналоговые, интерфейсные схемы, память и др., то есть построить интегральную 3D-систему целиком, убрав часть проблем, связанных с применением печатных плат.
Касаясь экономических тенденций, хочется заметить, что важность закона Мура для потребительского рынка определяется экономическими факторами – необходимостью регулярного обновления номенклатуры товаров, постоянного роста потребительских качеств, удешевлением интегральной схемы в пересчете на один транзистор. Такой подход к развитию микроэлектроники оправдывается только при монопольно высоком уровне выпуска коммерческих ИС. Но в области приборов для специальных задач этот закон выглядит иначе, так как во главу угла ставятся такие характеристики, как, например, радиационная стойкость и низкое потребление энергии, надежность, существенно превосходящая массовые интегральные схемы. Неслучайно актуальными проблемами, например, в космической технике является специфическая задача создания радиационно-стойкой памяти и процессоров с низкой мощностью потребления, работающих в широком диапазоне температур. Здесь допустимо и закономерно считать, что стоимость продукции является хотя и важным, но далеко не единственным фактором, определяющим целесообразность разработки и производства.
В результате, разница в требованиях привела к тому, что сферы потребительской и специальной электроники все сильнее отдаляются друг от друга, для них характерны различные схемотехнические решения, иногда оказываются оправданными и более дорогостоящие технологии.
Находят ли разработки ФТИАН применение в электронной промышленности и других прикладных областях?
Исследования фундаментальных основ технологии, в конечном счете, ориентированы на практику. Поэтому ряд наших работ находит своих заказчиков, например АО "НИИМЭ" и ПАО "Микрон", для которых мы разрабатывали ключевые технологии структурирования для создания перспективных интегральных схем с проектными нормами 32 нм. Также сейчас изучаются и моделируются процессы криогенного травления кремния, когда подложка охлаждается до температуры от –110 до –130 °C и с воздействием химически активной плазмы возможно получить специальные микроотверстия с глубиной до 100 мкм и более. Такие структуры как раз нужны для 3D-интеграции уже производящихся интегральных схем.
Хочу указать на важность математического моделирования физико-технологических процессов. Чем меньше становятся топологические размеры, тем больше проявляется новых эффектов, которые сначала надо понять и математически описать, и только потом можно разбираться, как их использовать или избегать в эксперименте. Такой подход по-английски называется process design – конструирование процесса. Он не только экономит массу времени и средств, но и лежит в основе разработки новых технологий. Очень важно также моделировать процессы, которые определяют деградацию интегральных схем при их эксплуатации. В частности, одной из изучаемых нами в настоящее время проблем является электромиграция – явление, с которым столкнулись при уменьшении поперечных сечений проводящих элементов и росте плотности тока в системах металлизации ультрабольших интегральных схем.
Работы в области наномагнетизма, которые ведутся совместно с Курчатовским институтом, также имеют прикладное значение. Так, если ввести наномагнитные частицы в состав лекарств, то методом Мессбауэровской спектроскопии можно следить, как последние усваиваются в организме. Такие исследования уже проводятся на животных.
Лаборатория ионно-лучевых технологий разрабатывает источники быстрых нейтральных частиц, которые применяются в том числе для получения сверхпрочных алмазоподобных покрытий. Этот результат нашел применение в создании покрытий роторов насосов, заменяющих человеческое сердце. Такие устройства позволяют людям дождаться очереди на пересадку сердца. Экспериментальный образец насоса со значительно увеличенным ресурсом сделал 10 млрд оборотов без ухудшения характеристик.
Разработки лаборатории технологии микро- и наносистем используются в создании датчиков различных типов. Чувствительный элемент для микрогироскопов навигационных систем в десятки раз меньше традиционных приборов. Совместно с Раменским приборостроительным конструкторским бюро этот проект доведен до промышленного внедрения.
В разных областях востребованы наши ноу-хау в тонкопленочных технологиях, например, по заказу НПП "Пульсар" мы разработали нанесение диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью на приборные структуры нитрида галлия с целью получения мощного СВЧ-переключателя. А результатом совместной работы с Институтом физики полупроводников СО РАН им. А.В.Ржанова стал защитный высококачественный пассивирующий слой для чипа с нанотранзисторными биосенсорами (Lab-on-Chip), работающими в биологически активных жидкостях, который обеспечил возможность многоразового использования такого устройства.
На базе своих разработок в области плазменных источников и плазменных технологий мы сконструировали и изготовили около 10 экспериментальных установок, которые эксплуатируются, в частности, в Зеленограде и Новосибирске. Хотел бы особо отметить, что мы достигли глубокого понимания технологических процессов, и готовы помогать промышленным предприятиям и научным организациям осваивать новые для них технологии.
Участвует ли институт в международном сотрудничестве?
Еще в середине 1990-х годов у нас установились хорошие связи с институтами немецкого Общества Фраунгофера, в частности с Институтом интегральных схем в Эрлангене, и позже – с Институтом электронных наносистем в Хемнице. Давние отношения связывают нас также с известными научными центрами микроэлектроники IMEC в Левене (Бельгия) и CEA-Leti в Гренобле (Франция). Сотрудничаем и с несколькими японскими научными организациями, в том числе с Токийским университетом, а также университетом Тохоку. Институт выполнял совместные проекты министерств науки России и Германии (DFG), пилотные проекты в рамках общеевропейской программы FP7. К сожалению, из следующей такой программы – Horizon 2020 – Россия была исключена, поэтому планировавшиеся в ее рамках разработки с участием ФТИАН РАН приостановлены.
Раз в два года, начиная с 1994 года, мы проводим в России англоязычную Международную научную конференцию по микро- наноэлектронике, и, как правило, к нам всегда приезжают до 30 коллег из Франции, Германии, Восточной Европы, Японии, Кореи. Также были с визитом ученые из США, Великобритании, Индии, других стран. Конференция (www.icmne.ftian.ru) обеспечивает уникальную для России площадку общения отечественных и зарубежных ученых по самому широкому кругу вопросов современной наноэлектроники и квантовой информатики.
Помимо научных организаций из дальнего зарубежья, стараемся привлекать к сотрудничеству также и институты академий наук стран СНГ, в частности, из Белоруссии, Казахстана, Азербайджана, Киргизии. Уже 10 лет работает Международная ассоциация академий наук (МААН), куда входят члены вышеуказанных академий. Ежегодно в разных странах-участниках проводятся научные сессии МААН, где осуществляется координация научных исследований, представляющих взаимный интерес. Физико-технологический институт – сопредседатель от России в Совете МААН.
Каким образом ФТИАН участвует в подготовке кадров для науки и промышленности?
В МФТИ у нас есть базовая выпускающая кафедра "Наноэлектроника и квантовые компьютеры", организованная еще академиком К.А.Валиевым, в МИФИ – научно-образовательный центр по квантовым и нанотехнологиям, кроме того, преподаем в МИРЭА. Практически все ведущие сотрудники ФТИАН РАН читают курсы лекций на базовой кафедре МФТИ и в HОЦ, либо руководят бакалаврскими и магистерскими работами студентов, которые выполняются на нашем научном оборудовании. В институте функционирует академическая аспирантура, куда ежегодно приглашаем от двух до пяти человек. У нас же проходят подготовку и выполняют диссертационные работы аспиранты МФТИ, руководителями которых являются сотрудники института. При ФТИАН РАН действует диссертационный совет по защите кандидатских и докторских диссертаций, причем большинство его членов – доктора наук института. Ярославский филиал ФТИАН тесно сотрудничает с ЯрГУ в подготовке студентов по направлению "Микроэлектроника".
С какими проблемами приходится сталкиваться в работе?
Современную науку двигают вперед не только карандаши теоретиков и вычислительные мощности персональных компьютеров. Для проведения экспериментов требуется сложнейшее исследовательское, технологическое и аналитическое оборудование. Основная проблема – сложность покупки нового оборудования и его поддержки. Во-первых, мешают ограничения, наложенные США и ЕС, при практически полном отсутствии научного приборостроения в России. Во-вторых, в условиях снижения бюджетного финансирования институтов РАН, с каждым годом все сложнее находить необходимые средства. При этом с обслуживанием и ремонтом уже установленного оборудования, поддержкой его инфраструктуры дело обстоит еще хуже – на эти цели деньги не выделяют ни ФАНО, ни заказчики внебюджетных научно-исследовательских работ. Грантами научных фондов какие-то серьезные деньги на научное оборудование тоже не предусмотрены. По стандартам глобальной ассоциации полупроводниковой промышленности SEMI, на поддержание функционирования оборудования (часто весьма дорогостоящего) необходимо ежегодно выделять 7–10% его стоимости. Если этого не делать, парк научных и технологических установок придет в негодность через 5 лет.
Текущая ситуация такова, что деньги, выделяемые на эти цели ФАНО, передаются исключительно Центрам коллективного пользования при институтах РАН и на содержание уникальных научных установок. Это лишь небольшая часть научного оборудования, в основном аналитического, которую используют институты, в том числе ФТИАН, при проведении своих работ. Я думаю, что доля оборудования в составе ЦКП не превышает 20% от общего числа задействованных в исследованиях установок. Этот важнейший для любой экспериментальной науки вопрос все равно придется решать. Но в случае запоздалых решений научное оборудование придется приобретать заново. Скупой, как известно, платит дважды.
Каковы планы развития института?
Большие планы связаны с участием ФТИАН РАН в микроэлектронном консорциуме, который был организован в 2015 году НИИМЭ во главе с академиком РАН Г.Я.Красниковым для решения задач отечественной промышленной микроэлектроники – создания отечественных перспективных технологий, разработки и организации производства современного отечественного технологического оборудования. Была разработана и утверждена программа консорциума, уже пошли, пусть и не очень пока масштабные, но наукоемкие проекты. При этом имеющийся во ФТИАНе научный задел востребован уже сейчас, по крайней мере, частично.
Однако мы не забываем, что в традициях Академии наук всегда во главе угла было получение фундаментальных результатов, с использованием которых и становилось возможным решение прикладных задач промышленности. Нужно смотреть вперед, в будущее – это главная функция науки, даже если нет полного понимания, как полученные результаты сразу же могут быть использованы в окружающей нас жизни. По мере накопления критической массы знаний приходят и практические решения. Поэтому мы будем и дальше развивать исследования квантовой информатики и наноэлектроники.
Также планируем расширять сотрудничество с академиями стран ЕвразЭС, СНГ. Несмотря на достаточно сложные времена, в текущем году, как всегда, в первую неделю октября проведем нашу регулярную Международную конференцию ICMNE-2018 и пригласим на нее европейских коллег. В рамках года Россия – Япония хотим провести круглый стол с японскими учеными.
Владимир Федорович, какое место занимает ФТИАН в системе институтов РАН и какими проблемами занимается?
Если говорить об истории создания нашего института, то к началу 1980-х годов сложилась ситуация, когда отечественные исследования и разработки в области микроэлектроники перешли преимущественно в прикладную плоскость и велись, в основном, в отраслевых НИИ профильных ведомств, что в конечном итоге привело к сужению научного горизонта в этих организациях и решению ими исключительно задач на ближайшую перспективу. Ввиду важности обеспечения теоретической базы для развития вычислительной техники и сопутствующих ей полупроводниковых технологий с более далеким горизонтом планирования, в 1983 году в Академии наук СССР было создано Отделение информатики, вычислительной техники и автоматизации (позднее – уже в 2000-х годах, – переименовано в Отделение нанотехнологий и информационных технологий – ОНИТ РАН). В 1988 году в его составе был организован Физико-технологический институт АН СССР – ФТИАН. Институт был создан для решения фундаментальных физико-технологических проблем изготовления интегральных схем с субмикронными (в то время) проектными нормами на основе математического моделирования приборов и технологических процессов, развития ключевых технологий – литографии высокого разрешения, разработки вакуумных и плазменных методов получения тонких пленок и их размерного микроструктурирования, исследования характеристик интегральных приборов микроэлектроники. Одним из инициаторов создания ОНИТ РАН и первым директором ФТИАН был академик РАН Камиль Ахметович Валиев, который в 1960–1970-х годах внес огромный вклад в становление отечественной микроэлектронной промышленности, возглавлял НИИ молекулярной электроники (НИИМЭ) и завод "Микрон", впервые в СССР обеспечил разработку и серийное производство монолитных кремниевых интегральных схем, ставших элементной базой отечественной вычислительной техники и оборонных систем. Шагая в ногу со временем, К.А.Валиев в 1995 году организовал и возглавил Лабораторию физики квантовых компьютеров в составе ФТИАН, введя проблемы квантовой информатики и элементной базы, обеспечивающей квантовые вычисления, в число основных научных направлений института. С 2005 по 2015 годы пост директора ФТИАН занимал его ученик – академик РАН Александр Александрович Орликовский – основоположник ряда направлений научных исследований в области физических основ технологии кремниевой микро- и наноэлектроники.
ФТИАН ведет исследования как фундаментального, так и прикладного характера. В настоящее время в число основных фундаментальных проблем, изучаемых в институте, входят квантовая информатика, физика нанотранзисторов и наноструктур, составляющих электронную компонентную базу вычислительных систем, научные основы плазменных технологий микро- и наноэлектроники, моделирование технологических процессов и приборов микро- и наноэлектроники, методы исследования и анализа многослойных структур, исследование свойств магнитных структур и наномагнетиков, изучение фазовых превращений в тонких и сверхтонких пленках и в многослойных приборных структурах.
К прикладным задачам относятся разработки широкоапертурных источников сильно ионизованной низкотемпературной плазмы и источников ионов для технологических применений, плазменного пилотного оборудования и технологий для нанесения пленок, микро- и наноструктурирования, иммерсионной ионной имплантации, методов и средств мониторинга плазменных процессов, а также элементов микро- и наноэлектромеханических систем (МЭМС, НЭМС) и сенсоров на основе кремниевой технологии.
Перечисленные исследования выполняются структурными подразделениями института: лабораторией физики квантовых компьютеров, лабораторией архитектуры высокопроизводительных вычислительных систем, лабораторией математического моделирования физико-технологических процессов микроэлектроники, лабораторией микроструктурирования и субмикронных приборов, лабораторией ионно-лучевых технологий, лабораторией физики поверхности микроэлектронных структур, лабораторией технологии микро- и наносистем. Важно понимать, что в настоящее время институт занимается ключевыми вопросами уже не только микро-, но и наноэлектроники, то есть электроники наноразмерных элементов интегральных схем. В наших лабораториях уже давно оперируют масштабами десятков и даже единиц нанометров.
В рамках реорганизации РАН в 2006 году в состав ФТИАН был включен Ярославский институт микроэлектроники и информатики (ИМИ РАН), который стал нашим филиалом. Нас объединяет не только общее название, но и общая тематика и научные направления исследований. Ярославские коллеги успешно занимаются плазменными технологиями для создания чувствительных элементов МЭМС и довели полученные результаты до внедрения в серийное производство. Значительная часть работ в ЯФ ФТИАН посвящена исследованиям в области магнитной памяти. На территории ЯФ ФТИАН расположен Центр коллективного пользования Ярославского университета, в котором представлено современное диагностическое научное оборудование. Центр оказывает высококвалифицированные услуги исследовательским учреждениям, предприятиям Ярославской области. В настоящее время в штате ФТИАН и филиала работают около 200 человек.
Какие достижения ФТИАН вы считаете наиболее существенными?
Если говорить о достижениях последних лет, то я бы выделил три направления, где наш институт получил прорывные результаты.
Во-первых, коллективом лаборатории физики квантовых компьютеров получены результаты, обеспечивающие создание прототипов квантовых вычислительных и коммуникационных устройств, а также систем проектирования таких устройств. Было осуществлено реалистичное моделирование элементной базы квантовых компьютеров с учетом квантовых шумов, а также произведена симуляция зашумленных основных квантовых алгоритмов, в том числе с использованием суперкомпьютеров РАН (МВС-100К и МВС-10П) и суперкомпьютера "Ломоносов". Лабораторией архитектуры высокопроизводительных вычислительных систем предложены реалистичные конструкции микроструктур, выполняющих функции кубитов и позволяющих построить полномасштабный квантовый компьютер на двойных квантовых точках. Кстати, перспективность именно двойных квантовых точек для квантовых вычислений впервые была теоретически показана и опубликована группой наших сотрудников под руководством Л.Е.Федичкина в Лаборатории академика К.А.Валиева в 2000 году. Здесь ФТИАН имеет мировой приоритет. В настоящее время приступаем к решению технологических задач по практическому созданию таких структур с масштабируемой архитектурой.
Во-вторых, в лаборатории микроструктурирования и субмикронных приборов проведены исследования и разработаны технологические подходы формирования структур кремниевых полевых транзисторов с размерами элементов менее 10 нм. В рамках этой работы впервые в России были получены экспериментальные, так называемые кремниевые Fin-структуры с высокой подвижностью носителей и критическим размером 7,8 нм. Процесс изготовления включает высокоразрешающую электронную литографию, прецизионное анизотропное плазменное травление, операцию удаления нарушенного слоя кремния. Такие структуры являются основой FinFET нанотранзисторов с проектной нормой менее 14 нм, массива (до 104 элементов) суб-10 нм Si-нанопроводов для твердотельных терагерцовых генераторов, твердотельного квантового регистра квантового компьютера, конструкция которого предложена во ФТИАН РАН. В настоящее время ведутся работы по атомно-слоевому осаждению материалов диэлектриков и металлических затворов для получения полноценной структуры суб-10 нм нанотранзистора.
И, в-третьих, важнейший прикладной научно-технический результат, раскрывающий инновационный потенциал института, получен лабораторией технологии микро- и наносистем совместно с Ярославским филиалом ФТИАН РАН и заключается в разработке конструкции, технологии и изготовлении чувствительных элементов МЭМС-микрогироскопов и комплекта МЭМС-акселерометров. Эта разработка была успешно внедрена в серийные изделия и представлена Председателю Правительства РФ Д.А.Медведеву.
Проблемы создания квантового компьютера привлекают все большее внимание не только научной, но и широкой общественности. Как вы оцениваете положение дел в этой области?
По прогнозам, создание полномасштабного квантового компьютера станет реальным к 2030 году. Системы, которые уже созданы, или анонсированы к появлению в ближайшие несколько лет, – это все же, по большому счету, демонстраторы технологий и квантовые симуляторы. Думаю, что базой для полномасштабного квантового компьютера станут твердотельные элементы, так как иные системы (например, на молекулах жидкостей, на отдельных атомах в ловушках) не позволяют реализовать полномасштабный компьютер, в составе которого должно быть до 1 000 взаимодействующих кубитов – квантовых битов. При этом нужно понимать, что квантовый компьютер не заменит повсеместно компьютер классический и необходим для решения достаточно специфического класса весьма сложных задач. Чтобы читатели представили масштабы создаваемой вычислительной системы, в которую будет включен квантовый компьютер, следует подчеркнуть, что только для управления его работой потребуется очень мощный классический суперкомпьютер.
Мы занимаемся квантовой информатикой с 1995 года, сотрудничаем в этой области с Казанским федеральным университетом, Казанским физико-техническим институтом им. Е.К.Завойского, Институтом физики полупроводников СО РАН, участвуем в работе квантового консорциума, созданного на базе МГУ им. М.В.Ломоносова. К сожалению, в России нет возможностей для полноценного выполнения экспериментальной части работ по созданию твердотельной элементной базы для квантового компьютера. Многое из требуемого научного, экспериментального оборудования у нас в стране давно не производится. Поэтому проводимые в этой области во ФТИАНе работы – большей частью теоретические исследования. Тем не менее у нас есть оригинальные идеи, какими должны быть твердотельные структуры кубитов будущего квантового компьютера, как использовать огромный пласт технологий наноэлектроники для их создания.
Гораздо ближе к широкой практической реализации – квантовые методы обработки информации, позволяющие создать весьма защищенные каналы передачи информации. На них мы делаем акцент в нашей работе на ближайшую перспективу.
В любом случае, считаю, что создание полноценной квантовой вычислительной системы – квантового компьютера – может быть решено только как единая общегосударственная задача.
Каковы, на ваш взгляд, перспективы и тенденции развития технологий микро- и наноэлектроники?
С тех пор, как наш институт был организован для исследования проблем технологий микроэлектроники и физики приборов, топологические нормы и критические размеры интегральных приборов уменьшились с 2 мкм до современных 7–10 нм. Тенденция масштабирования в область наноразмеров позволила создать схемы высокопроизводительных микропроцессоров, содержащих до 20 млрд транзисторов на кристалле, и дала разработчикам архитектуры вычислительных систем невиданные ранее возможности. Однако эта же тенденция привела к достижению пределов кремниевой технологии, когда уже практически невозможно дальнейшее уменьшение размеров транзисторов, потому что достигнут физический предел, при котором основной элемент интегральной схемы – МДП-транзистор перестает работать как совершенный ключ. Теоретически этот предел, в том числе количественно, был предсказан академиками К.А.Валиевым и А.А.Орликовским более 15 лет назад. А ведь именно на таких ключах построено выполнение логических операций в чипе процессора.
Эволюция кремниевой наноэлектроники на пути к 10-нм чипам привела к изменению конструкции транзисторов – от планарной к 3D-геометрии к широкому внедрению новых материалов – диэлектриков и металлов, а также новых технологий. Последний вариант интегрального МДП-транзистора, так называемый туннельный транзистор, как ожидается, позволит несколько отодвинуть "тепловую стену" и значительно увеличить тактовые частоты процессоров либо создавать схемы с ультранизким потреблением энергии. Мы ведем такие исследования в области туннельных транзисторов как теоретически, так и занимаемся экспериментами по созданию ультратонкого "спейсера" в конструкции такого транзистора, который будет ключевым элементом данного прибора. Я думаю, мы сможем порадовать здесь видимыми результатами в ближайшее время.
Одновременно постоянно ведется поиск альтернатив кремнию. В первую очередь, это ряд других полупроводников с более высокой подвижностью, выращиваемых на кремниевой подложке. Создание новых транзисторных структур предусматривает и более экзотические сейчас варианты – на базе 2D- и 1D-материалов (графен, МоS2, углеродные нанотрубки) и других структур. Препятствия, ограничивающие применение таких новых транзисторов кажутся весьма серьезными, но их изготовление даже в виде экспериментальных приборов дало небывалый толчок развитию абсолютно новых технологий. При условии продолжения исследований, в ряде случаев такая "экзотика" вполне может найти свою нишу в коммерческих изделиях.
Возвращаемся к кремниевой технологии. Чтобы сохранить заданные известным законом Мура темпы роста плотности транзисторов на кристалле (которые все же падают), тенденцией стало создание трехмерных интегральных схем с наращиванием числа чипов путем соединения нескольких кристаллов вертикально. Вопросы 3D-интеграции ИС важны еще и потому, что этот подход позволяет совместить чипы, выполненные по разной технологии, и объединить в единую систему логические, аналоговые, интерфейсные схемы, память и др., то есть построить интегральную 3D-систему целиком, убрав часть проблем, связанных с применением печатных плат.
Касаясь экономических тенденций, хочется заметить, что важность закона Мура для потребительского рынка определяется экономическими факторами – необходимостью регулярного обновления номенклатуры товаров, постоянного роста потребительских качеств, удешевлением интегральной схемы в пересчете на один транзистор. Такой подход к развитию микроэлектроники оправдывается только при монопольно высоком уровне выпуска коммерческих ИС. Но в области приборов для специальных задач этот закон выглядит иначе, так как во главу угла ставятся такие характеристики, как, например, радиационная стойкость и низкое потребление энергии, надежность, существенно превосходящая массовые интегральные схемы. Неслучайно актуальными проблемами, например, в космической технике является специфическая задача создания радиационно-стойкой памяти и процессоров с низкой мощностью потребления, работающих в широком диапазоне температур. Здесь допустимо и закономерно считать, что стоимость продукции является хотя и важным, но далеко не единственным фактором, определяющим целесообразность разработки и производства.
В результате, разница в требованиях привела к тому, что сферы потребительской и специальной электроники все сильнее отдаляются друг от друга, для них характерны различные схемотехнические решения, иногда оказываются оправданными и более дорогостоящие технологии.
Находят ли разработки ФТИАН применение в электронной промышленности и других прикладных областях?
Исследования фундаментальных основ технологии, в конечном счете, ориентированы на практику. Поэтому ряд наших работ находит своих заказчиков, например АО "НИИМЭ" и ПАО "Микрон", для которых мы разрабатывали ключевые технологии структурирования для создания перспективных интегральных схем с проектными нормами 32 нм. Также сейчас изучаются и моделируются процессы криогенного травления кремния, когда подложка охлаждается до температуры от –110 до –130 °C и с воздействием химически активной плазмы возможно получить специальные микроотверстия с глубиной до 100 мкм и более. Такие структуры как раз нужны для 3D-интеграции уже производящихся интегральных схем.
Хочу указать на важность математического моделирования физико-технологических процессов. Чем меньше становятся топологические размеры, тем больше проявляется новых эффектов, которые сначала надо понять и математически описать, и только потом можно разбираться, как их использовать или избегать в эксперименте. Такой подход по-английски называется process design – конструирование процесса. Он не только экономит массу времени и средств, но и лежит в основе разработки новых технологий. Очень важно также моделировать процессы, которые определяют деградацию интегральных схем при их эксплуатации. В частности, одной из изучаемых нами в настоящее время проблем является электромиграция – явление, с которым столкнулись при уменьшении поперечных сечений проводящих элементов и росте плотности тока в системах металлизации ультрабольших интегральных схем.
Работы в области наномагнетизма, которые ведутся совместно с Курчатовским институтом, также имеют прикладное значение. Так, если ввести наномагнитные частицы в состав лекарств, то методом Мессбауэровской спектроскопии можно следить, как последние усваиваются в организме. Такие исследования уже проводятся на животных.
Лаборатория ионно-лучевых технологий разрабатывает источники быстрых нейтральных частиц, которые применяются в том числе для получения сверхпрочных алмазоподобных покрытий. Этот результат нашел применение в создании покрытий роторов насосов, заменяющих человеческое сердце. Такие устройства позволяют людям дождаться очереди на пересадку сердца. Экспериментальный образец насоса со значительно увеличенным ресурсом сделал 10 млрд оборотов без ухудшения характеристик.
Разработки лаборатории технологии микро- и наносистем используются в создании датчиков различных типов. Чувствительный элемент для микрогироскопов навигационных систем в десятки раз меньше традиционных приборов. Совместно с Раменским приборостроительным конструкторским бюро этот проект доведен до промышленного внедрения.
В разных областях востребованы наши ноу-хау в тонкопленочных технологиях, например, по заказу НПП "Пульсар" мы разработали нанесение диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью на приборные структуры нитрида галлия с целью получения мощного СВЧ-переключателя. А результатом совместной работы с Институтом физики полупроводников СО РАН им. А.В.Ржанова стал защитный высококачественный пассивирующий слой для чипа с нанотранзисторными биосенсорами (Lab-on-Chip), работающими в биологически активных жидкостях, который обеспечил возможность многоразового использования такого устройства.
На базе своих разработок в области плазменных источников и плазменных технологий мы сконструировали и изготовили около 10 экспериментальных установок, которые эксплуатируются, в частности, в Зеленограде и Новосибирске. Хотел бы особо отметить, что мы достигли глубокого понимания технологических процессов, и готовы помогать промышленным предприятиям и научным организациям осваивать новые для них технологии.
Участвует ли институт в международном сотрудничестве?
Еще в середине 1990-х годов у нас установились хорошие связи с институтами немецкого Общества Фраунгофера, в частности с Институтом интегральных схем в Эрлангене, и позже – с Институтом электронных наносистем в Хемнице. Давние отношения связывают нас также с известными научными центрами микроэлектроники IMEC в Левене (Бельгия) и CEA-Leti в Гренобле (Франция). Сотрудничаем и с несколькими японскими научными организациями, в том числе с Токийским университетом, а также университетом Тохоку. Институт выполнял совместные проекты министерств науки России и Германии (DFG), пилотные проекты в рамках общеевропейской программы FP7. К сожалению, из следующей такой программы – Horizon 2020 – Россия была исключена, поэтому планировавшиеся в ее рамках разработки с участием ФТИАН РАН приостановлены.
Раз в два года, начиная с 1994 года, мы проводим в России англоязычную Международную научную конференцию по микро- наноэлектронике, и, как правило, к нам всегда приезжают до 30 коллег из Франции, Германии, Восточной Европы, Японии, Кореи. Также были с визитом ученые из США, Великобритании, Индии, других стран. Конференция (www.icmne.ftian.ru) обеспечивает уникальную для России площадку общения отечественных и зарубежных ученых по самому широкому кругу вопросов современной наноэлектроники и квантовой информатики.
Помимо научных организаций из дальнего зарубежья, стараемся привлекать к сотрудничеству также и институты академий наук стран СНГ, в частности, из Белоруссии, Казахстана, Азербайджана, Киргизии. Уже 10 лет работает Международная ассоциация академий наук (МААН), куда входят члены вышеуказанных академий. Ежегодно в разных странах-участниках проводятся научные сессии МААН, где осуществляется координация научных исследований, представляющих взаимный интерес. Физико-технологический институт – сопредседатель от России в Совете МААН.
Каким образом ФТИАН участвует в подготовке кадров для науки и промышленности?
В МФТИ у нас есть базовая выпускающая кафедра "Наноэлектроника и квантовые компьютеры", организованная еще академиком К.А.Валиевым, в МИФИ – научно-образовательный центр по квантовым и нанотехнологиям, кроме того, преподаем в МИРЭА. Практически все ведущие сотрудники ФТИАН РАН читают курсы лекций на базовой кафедре МФТИ и в HОЦ, либо руководят бакалаврскими и магистерскими работами студентов, которые выполняются на нашем научном оборудовании. В институте функционирует академическая аспирантура, куда ежегодно приглашаем от двух до пяти человек. У нас же проходят подготовку и выполняют диссертационные работы аспиранты МФТИ, руководителями которых являются сотрудники института. При ФТИАН РАН действует диссертационный совет по защите кандидатских и докторских диссертаций, причем большинство его членов – доктора наук института. Ярославский филиал ФТИАН тесно сотрудничает с ЯрГУ в подготовке студентов по направлению "Микроэлектроника".
С какими проблемами приходится сталкиваться в работе?
Современную науку двигают вперед не только карандаши теоретиков и вычислительные мощности персональных компьютеров. Для проведения экспериментов требуется сложнейшее исследовательское, технологическое и аналитическое оборудование. Основная проблема – сложность покупки нового оборудования и его поддержки. Во-первых, мешают ограничения, наложенные США и ЕС, при практически полном отсутствии научного приборостроения в России. Во-вторых, в условиях снижения бюджетного финансирования институтов РАН, с каждым годом все сложнее находить необходимые средства. При этом с обслуживанием и ремонтом уже установленного оборудования, поддержкой его инфраструктуры дело обстоит еще хуже – на эти цели деньги не выделяют ни ФАНО, ни заказчики внебюджетных научно-исследовательских работ. Грантами научных фондов какие-то серьезные деньги на научное оборудование тоже не предусмотрены. По стандартам глобальной ассоциации полупроводниковой промышленности SEMI, на поддержание функционирования оборудования (часто весьма дорогостоящего) необходимо ежегодно выделять 7–10% его стоимости. Если этого не делать, парк научных и технологических установок придет в негодность через 5 лет.
Текущая ситуация такова, что деньги, выделяемые на эти цели ФАНО, передаются исключительно Центрам коллективного пользования при институтах РАН и на содержание уникальных научных установок. Это лишь небольшая часть научного оборудования, в основном аналитического, которую используют институты, в том числе ФТИАН, при проведении своих работ. Я думаю, что доля оборудования в составе ЦКП не превышает 20% от общего числа задействованных в исследованиях установок. Этот важнейший для любой экспериментальной науки вопрос все равно придется решать. Но в случае запоздалых решений научное оборудование придется приобретать заново. Скупой, как известно, платит дважды.
Каковы планы развития института?
Большие планы связаны с участием ФТИАН РАН в микроэлектронном консорциуме, который был организован в 2015 году НИИМЭ во главе с академиком РАН Г.Я.Красниковым для решения задач отечественной промышленной микроэлектроники – создания отечественных перспективных технологий, разработки и организации производства современного отечественного технологического оборудования. Была разработана и утверждена программа консорциума, уже пошли, пусть и не очень пока масштабные, но наукоемкие проекты. При этом имеющийся во ФТИАНе научный задел востребован уже сейчас, по крайней мере, частично.
Однако мы не забываем, что в традициях Академии наук всегда во главе угла было получение фундаментальных результатов, с использованием которых и становилось возможным решение прикладных задач промышленности. Нужно смотреть вперед, в будущее – это главная функция науки, даже если нет полного понимания, как полученные результаты сразу же могут быть использованы в окружающей нас жизни. По мере накопления критической массы знаний приходят и практические решения. Поэтому мы будем и дальше развивать исследования квантовой информатики и наноэлектроники.
Также планируем расширять сотрудничество с академиями стран ЕвразЭС, СНГ. Несмотря на достаточно сложные времена, в текущем году, как всегда, в первую неделю октября проведем нашу регулярную Международную конференцию ICMNE-2018 и пригласим на нее европейских коллег. В рамках года Россия – Япония хотим провести круглый стол с японскими учеными.
Отзывы читателей
