Окончание. Начало в No 5
10
В предыдущей публикации мы остановились на том, что весьма перспективным заменителем кремния в микроэлектронике может оказаться углерод.
Это один из самых распространённых элементов, имеющих самое большое количество так называемых аллотропных модификаций – то есть веществ, одинаковых по химическому составу, но отличающихся по физико-химическим параметрам из-за расположения атомов. В качестве примера обычно сравнивают алмаз и, например, сажу или графит.
Однако кремний – полупроводник, а алмаз является диэлектриком, то есть изоляционным материалом. Эта проблема уже решена, современные технологии позволяют легировать поверхность алмаза, например, фосфором, превращая его в полупроводник, и создавать на его поверхности электронные схемы. Ожидается, что использование синтетических алмазов обеспечит технологический прорыв, тем более что перспективный метод создания алмазных плёнок был разработан более трёх десятилетий тому назад в инженерном центре «Плазмотег» АН Беларуси.
Выяснилось, что полупроводники на алмазах способны работать при пятикратном превышении рабочих температур кремниевых устройств без ухудшения производительности. У них выше величина пробивного напряжения и более высокая теплопроводность. Вполне возможно, что со временем алмазные материалы для полупроводников вытеснят кремниевые, в том числе и такие «продвинутые», как карбид кремния, использование которого заметно растёт. Но проблема в том,что пока не существует относительно дешёвых, доступных пластин монокристаллического алмаза диаметром более 100 миллиметров, пригодных для серийного производства. Кроме того, при температуре выше 600°C в присутствии кислорода он начинает «портиться», а при 900°C превращается в графит.
Кроме того, алмаз трудно обрабатывать из-за его твёрдости и химической стойкости. Есть ещё сложности, но они будут решены тогда, когда возникнет промышленная алмазная технология. Хотя разработки приборов на синтетическом монокристаллическом алмазе ведутся на протяжении многих лет, о массовом производстве говорить пока не приходится – необходимо решить целый комплекс научных и технологических проблем.
И эти проблемы решаются. И, порой, весьма остроумными способами. Так, например, не столь давно специалисты из Курчатовского института совместно с учёными из Института общей физики РАН исследовали физические свойства алмазных пластин, выращенных в микроволновой плазме в смеси метана и водорода на специальной подложке. Так вот: сама подложка представляла собой плотно уложенную «мозаику» из мелких синтетических монокристаллов алмаза, на которую и был наращён алмазный слой.
Перспектива такой технологии очевидна – алмазная мозаика с покрытием из алмазной же плёнки не уступает по качествам монопластине. Более того, здесь открываются широкие возможности для получения больших пластин, необходимых для «конвейерного» использования в производстве микрочипов в несколько отдалённой перспективе – из-за чисто экономических причин – и в самом ближайшем будущем – для детекторов и датчиков «штучной» необходимости в исследованиях как в области ядерной, так и космической физики.
Наособицу стоят сверхпроводящие, а потому и сверхчувствительные детекторы. И здесь решающее слово сказали наши учёные из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН и других ведущих научных организаций. Использование алмаза в таких детекторах требует металлизации, то есть необходимо покрыть металлом его поверхность. А на больших пластинах адгезия, то есть связь между его поверхностью и, например, золотыми контактами, была слабой, контакты и проводящие линии плохо держались. И вот в этом году выяснилось, что адгезию алмаза можно улучшить с помощью такого металла, как ниобий. На поверхность алмаза наносят ниобий, затем его отжигают и получают карбид ниобия, который, кстати, при температуре 19,4° обладает свойствами сверхпроводника.
Как видим, исследования по разработке новых материалов и технологий их применения ведутся весьма активно. Но за большими достижениями в основных направлениях нельзя забывать о тех «мелочах», которые, казалось бы, несущественны на фоне больших достижений. И здесь великие победы могут быть нивелированы тем самым «гвоздём», которого не было в кузнице и из-за которого захромала лошадь командира...
11
Подобно тому, как самые совершенные и высокоскоростные автомобили теряют свои преимущества на раскисшей от дождя грунтовой дороге, так и самые продвинутые микроэлектронные компоненты зависят от «дороги», то есть от токопроводящих соединений и припоев. А вот здесь прогресс завис на оловянно-свинцовых сплавах, хотя ещё с конца прошлого века делались попытки перехода на другой уровень. Речь идёт о так называемых токопроводящих клеях (ТК).
Любой умелец, который своими руками может собрать или отремонтировать электронное устройство, знает, что такой клей можно без проблем и за небольшие деньги приобрести хоть в специализированных магазинах, хоть на сетевых торговых сайтах. Собственно говоря, это своего рода масса с низким удельным сопротивлением и высокой теплопроводностью. Благодаря этим свойствам её используют для склеивания деталей и токопроводящих элементов электрических приборов, в том числе для создания токопроводящих линий на микросхемах, приклеивания полупроводников к микросхемам, восстановления нитей накаливания в системах обогрева автомобильного стекла и т. п. С помощью ТК приклеивают полупроводники к микросхемам, и он практически незаменим, когда нельзя использовать «горячую» пайку. Это знакомо всем, кто наблюдал, как работают, например, с микросхемами
смартфонов или ноутбуков, в которых токопроводящие линии созданы напылением алюминия на электронные платы.
Состав ТК весьма прост – клеевая основа и электропроводящий материал, как правило – серебро или графит. Одно из главных преимуществ ТК – его быстрое отвердение, что очень важно во время сборок большого количества микрокомпонент. Для этого в качестве основы используются, например, цианоакрилат (в быту известный как «Суперклей») или аналогичные по свойствам полимеры. Американцы, как известно, используют для микроэлектроники военного применения ТК на основе эпоксидного клея и серебра. Но тут есть нюанс – устройства, собранные на подобном ТК, недолговечны, они быстро «устают», поскольку высокая влажность и температура, а также сильная вибрация выводят электронные платы из строя. Неудивительно, что США включили разработку технологий токопроводящих клеёв в госпрограмму развития национальной электроники и средств на это не жалеют.
Но к успеху первыми пришли наши специалисты. Буквально на днях мы запатентовали уникальный токопроводящий клей. Как стало известно из открытых источников, холдинг «Росэлектроника» ГК Ростех разработал не имеющий аналогов клей для монтажа микросборок и сложных блоков радиоэлектронной аппаратуры, в том числе и военного назначения. А последнее предполагает особые требования к качеству. Как пояснила пресс-служба холдинга, наш ТК обладает высокой электрои теплопроводностью и позволяет отказаться от закупки импортных материалов.
Известно также, что ТК, разработанный входящим в структуру «Росэлектроники» ЦКБ радиоматериалов, сохраняет свои характеристики при температуре от минус 60 до плюс 175 градусов при 100 процентах влажности окружающей среды и выдерживает более 2000 часов эксплуатации при максимально допустимом нагреве. Массовое производство нашего ТК начнётся после государственных испытаний. Что же касается американцев, да и европейцев, то, несмотря на огромные капиталовложения, им за четверть века так и не удалось избавиться от ключевой проблемы «усталости» ТК.
Военный аспект подобных разработок приобретает особую злободневность на фоне известных событий, когда беспилотная боевая техника и управляемые снаряды с одной стороны стремятся к миниатюризации, а с другой – к объединению в единые системы управления с помощью так называемого искусственного интеллекта (на самом деле – комплекса программ, имитирующих ИИ). В этом смысле такие сюжеты, как, например, управляемый полёт пули (фильм «Беглец» 1984 года, режиссер М.Крайтон) или самообучающиеся дроны, наподобие «Страж-птицы» (одноимённый рассказ Р. Шекли, 1953), медленно, но неотвратимо переползают из научной фантастики в конструкторские бюро. Благо миниатюризация электроники рано или поздно позволит совершить нанореволюцию в мировом масштабе. И «революционеры» особенно уповают на успех использования графена в создании микрочипов.
12
Графен, к которому сейчас приковано внимание широких научно-технических масс, – это разновидность углерода, его двумерная модификация, материал, который может достигать толщины в один атом, не теряя свойств. В ряде публикаций имена Нобелевских лауреатов 2010 года Андрея Гейма и Константина Новосёлова сопровождаются титулом «открыватели графена». Но это, мягко говоря, неточность.
Свойства графена начали изучать с середины позапрошлого века, с тех пор как в 1859 году британский химик Бенджамин Броди обработал графит сильными кислотами и получил суспензию из кристаллов оксида графена. Предположение о двумерности этой модификации углерода прозвучало в 1948 году, когда появились электронные микроскопы. Первые же зафиксированные одноатомные слои графена были зарегистрированы лишь в 1962 году в работах Ульриха Хоффмана и Ханса-Питера Бёма. Ими же было обнаружено, что при восстановлении оксида графита попадаются также фрагменты графита атомарной толщины. А в 1986 году Бём и его коллеги для обозначения монослойного графита предложили термин "графен".
Впервые графеновые слои удалось вырастить на металлических подложках из никеля, рубидия и рутения в 1970 году. Тогда же был получен патент, в котором предполагалось, что полевые транзисторы могут использовать «пиролитический графит» вместо кремния. Через пять лет графен научились выращивать на подложках карбида кремния, чуть позже и на других карбидах.
В 1995 году была выдвинута идея создания наноэлектроники на основе графеновых лент, выращенных на подложке карбида титана. К 2000 году в различных лабораториях научились расслаивать графен на фрагменты толщиной 20 нм (то есть около 60 одноатомных слоёв). Хотя при этом мировое научное сообщество опиралось на постулат о невозможности существования двумерных материалов без трёхмерной опоры в виде кристаллической подложки или раствора. Более того, авторитетные учёные, такие, например, как Лев Ландау, ещё в 30-е годы прошлого века утверждали, что строго двумерные кристаллы термодинамически нестабильны и не могут существовать. В конце 60-х эксперименты вроде бы доказывали верность утверждений авторитетов, поскольку температура плавления тонких плёнок быстро падала с уменьшением толщины, а сами плёнки расслаивались на фрагменты или разлагались при толщине в несколько десятков монослоёв.
Но только в 2004 году, после экспериментальных исследований Андрея Гейма и Константина Новосёлова, изучение графена и его свойств приобрело взрывной характер. Собственно говоря, лауреатами Нобелевской премии по физике «За новаторские эксперименты, касающиеся двумерного материала графена» они стали именно за относительно простой способ его получения, позволивший сотням лабораторий во всём мире подключиться к выявлению его свойств, а не за открытие давно открытого графена.
Итак, что сейчас известно о графене: он обладает большой механической жёсткостью, высокой электрои теплопроводностью, а также гидрофобностью, то есть практически не смачивается водой. Это самый прочный из известных материалов, он прочнее алмаза. Электропроводность графена, сравнимая с медью, позволяет создавать различные электроприборы. Высокая оптическая чистота (поглощение чуть более двух процентов видимого света) делает его практически невидимым, прозрачным. Его прочность сочетается с гибкостью, по этим параметрам он превосходит не только кремний, но и резину, что позволяет по необходимости менять форму и растягивать. По теплопроводности он на порядок превосходит медь, что снимает многие вопросы по охлаждению. Казалось бы, идеальный материал, если бы не различные «но»...
Возникла проблема получения однослойного графена большой площади с заданными характеристиками в промышленных масштабах. Кроме того, по своим свойствам промышленный графен проигрывал лабораторным образцам, хотя технологии непрерывно совершенствовались. И, наконец, его промышленное производство требовало больших затрат. Сейчас наработаны десятки методов получения графена различного качества, формы и размера, среди которых выделяются способы выхода трёх видов графена, а именно хлопьевидного восстановленного оксида графена, применяемого для проводящих красок, композитных материалов и т. д.; плоского графена для создания высокопроизводительных электронных устройств; и плоского графена для создания неактивных и низкопроизводительных устройств.
Для получения графена с относительно большой площадью наиболее распространённым процессом является химическое осаждения из паровой фазы, основанное на термическом разложении его предшественников на основе графита на металлической подложке медного или никелевого катализатора. Но это требует больших температур, а также переноса с металлической подложки для осаждения на подложку кристалла, что делает его непригодным в полупроводниковых технологиях. Эпитаксиальное, или твердофазное, выращивание графена также требует высоких температур, а его качество тоже не вполне удовлетворяет требованиям.
13
Многослойный графен сейчас используется в основном в производстве высокоэффективных систем накопления энергии – литиевых батарей и суперконденсаторов, которые применяются в самых различных отраслях, от производства носимых цифровых устройств до автомобильной промышленности и зелёной энергетики. Графен используется и в производстве конструкционных материалов, например, углеродных композитов, применяемых в автомобильной и авиационной промышленности, в производстве спортивного оборудования и др. Но наибольшие ожидания вызывает использование графена в микроэлектронике.
В интегральных схемах на основе структуры металл– оксид–полупроводник (МОП) с развитием транзисторных технологий требования, предъявляемые к проводникам-межсоединениям, которые связывают миллиарды транзисторов, резко возросли. Если в 1960–1980 годах использовались алюминиевые проводники, то позже их заменили более эффективные алюминиево-медные. А с 1997 года и по сей день используется разработанный в компании IBM метод формирования многоуровневых систем медной металлизации с гальваническим покрытием. Такой метод позволил создавать более плотные, высокочастотные и надёжные проводники для чипов, но и его возможности имели предел.
Для дальнейшего масштабирования архитектуры чипов в рамках закона Гордона Мура (точнее, закономерности, подмеченной Муром, согласно которой количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые два года) в качестве вариантов замены проводников на основе меди были предложены кобальт, а затем и рутений. Но возможности этих материалов подошли к пределу, когда техпроцессы достигли 20 нм. Возникал резкий рост удельного сопротивления, элементы микрочипа нагревались, падала проводимость и, в итоге, производительность. Надежды на золото, платину и серебро тоже не оправдались.
Сама по себе высокая электропроводность графена мешает его использованию в качестве полупроводника, но это препятствие можно обойти, если наложить на него другой двумерный материал. Например, гексагональный нитрид бора, имеющий такую же структуру, что и графен, но являющийся изолятором. При наложении этих атомарных слоёв могут образоваться так называемые двумерные гетероструктуры. Исследования подтвердили, что гексагональный нитрид бора может хранить заряд. Таким образом, возникает структура толщиной в два атома, и эта структура может лечь в основу нанометрических элементов.
Исследования показали, что для проектирования межсоединений и систем предпочтителен не однослойный, а многослойный графен (multilayer graphene, MLG). Это связано с его более низким контактным сопротивлением, с его более высокой температурой плавления, чем у обычных металлов, и более высокой механической прочностью. Недавно исследовательская лаборатория наноэлектроники Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (Nanoelectronics Research Lab, NRL) предложила новый подход к выращиванию высококачественного MLG при значительно более низких температурах. Процесс осуществляется продавливанием атомов углерода через никелевый катализатор. В итоге MLG толщиной примерно 20 нм можно вырастить, используя механическое давление около 5–6 кг/см2 за 30–60 минут.
Метод оказался вполне универсальным и, что очень перспективно, может использоваться для прямого выращивания высококачественного низкотемпературного MLG различной толщины на подложках из произвольного материала. При этом качество такого MLG при введении подходящих легирующих примесей между слоями может привести к улучшению удельного сопротивления в пять раз, а также многократному росту других критических параметров. Отсюда прямой путь к подбору параметров роста и коэффициентов диффузии углерода в катализаторе роста и ростовой подложке для выращивания MLG на различных металлических поверхностях, в том числе и на поверхности диэлектриков. Что непосредственно приводит к применению этого метода для прямого выращивания высококачественных MLG на 300 мм стандартных пластинах, которые массово применяются в микроэлектронной промышленности.
Кстати, в начале 2024 года учёные из Технологического института Джорджии (США) заявили, что им удалось создать «первый в мире функциональный полупроводник, изготовленный из графена». Полученный ими материал демонстрирует в десять раз большую подвижность электронов, чем кремний. Они нашли способ выращивать графен на пластинах карбида кремния с использованием специальных печей, получив в итоге эпитаксиальный графен, объединённый с карбидом кремния. Эпитаксиальный метод – это графитизация поверхности карбида кремния при высокой температуре. Обычно процессы химического синтеза идут при низких температурах, что позволяет получать графен на разных подложках (тем более – полимерных) при температуре окружающей среды.
14
Возвращаясь к теме «гвоздя» скажем, что на одних микрочипах далеко не ускачешь. Наряду с разными деталями есть такие обязательные компоненты, как встроенные катушки индуктивности, без которых невозможны практически все современные электронные устройства – от смартфонов до компьютеров. При этом на микросхеме они занимают почти половину всей площадки.
Масштабирование катушки индуктивности, в отличие от транзисторов, трудно реализовать, так как их параметры напрямую зависят от магнитной индуктивности. Поэтому конструкция катушки не изменилась с момента её изобретения почти два века назад американским учёным Джозефом Генри (отсюда единица индуктивности катушки – Гн). Проблема была решена в той же компании NR за счёт большой кинетической индуктивности в индукторах на основе MLG с легированием при комнатной температуре. В результатеполучилисьматериалыссамойвысокойплотностью индуктивности. Дело в том, что, в отличие от обычной магнитной индуктивности, кинетическая индуктивность возникает из-за внутренней инерции носителей заряда и последовательно с магнитной индуктивностью. А это увеличивает общую индуктивность конкретного индуктора. Поскольку легирование MLG обеспечивает высокую добротность (отношение индуктивного сопротивления катушки индуктивности к её активному сопротивлению) до 12, а кинетическая индуктивность увеличивает общую плотность (энергию поля на единицу объёма) индуктивности примерно в 1,5 раза, то впервые реализуется масштабирование индуктора. Открываются новые перспективы для дальнейшей миниатюризации устройств, использующих микроэлектронные компоненты.
Имеются подвижки и в области применения графена для создания ячеек электронной памяти. Недавно в Университете Райс (США) удалось создать экспериментальные кремниевые модули, на которых располагались 10 атомарных слоёв графена общей толщиной около 5 нм. В этих модулях базовые ячейки хранения информации примерно в 40 раз меньше, чем используемые в самых современных 20-нм модулях NAND-памяти (энергонезависимой флеш-памяти, которая может хранить данные в неподключённом к источнику питания режиме). К тому же, вместе с многократным увеличением ёмкости, такие модули памяти сохраняют информацию при сильном радиационном излучении и температуре до 200°C. Что касается расхода энергии, то для кодирования 1 бита информации в графеновых модулях, по сравнению с кремниевыми аналогами, её требуется в миллион раз меньше.
Мы видим, что работы по «графенизации» микроэлектроники, несмотря на многие проблемы, не останавливаются. Сейчас в мире зарегистрировано более 50 тысяч патентных заявок с упоминанием графена. В Европе действует инновационная программа Graphene Flagship бюджетом в миллиард евро. В США работает National Graphene Association, графеновой тематикой заняты в IBM, SanDisk, Ford, Boeing и в других крупных компаниях. В Китае, с его 80 процентами мировых запасов кристаллического графита, создан Инновационный альянс графеновой промышленности: 29 промышленных парков, 54 института и восемь инновационных центров. Суммарные мощности китайских производств – более пяти тысяч тонн графеновых порошков в год.
Свойства графена и возможность его использования в промышленности в России изучают в НИИграфит имени С.Е.Вяткина, Институте теплофизики имени С. С. Кутателадзе СО РАН, Институте проблем химической физики РАН, Технологическом институте сверхтвёрдых и новых углеродных материалов. Лаборатории работают в Тамбовском ГТУ, МГТУ имени Н. Э. Баумана, СПбГУ, МГУ имени М. В. Ломоносова, а также на частных предприятиях.
В прошлом году в Инжиниринговом центре пермской компании «Силур» запустили в эксплуатацию Опытно-промышленный участок производства нанопластин многослойного графена толщиной до 30 нм, который незначительно уступает по своим полезным свойствам однослойному графену. Проектная мощность участка – до 100 кг материала в месяц. Казалось бы – незначительное количество по сравнению с лидерами производства графеновых нанопластин – китайской Ningbo Morsh Technology и американской XG Sciences, ежегодно производящих сотни тонн графеновых нанопластин для электродов литий-ионных батарей и суперконденсаторов, электропроводящих чернил, смазочных материалов, защитных и экранирующих покрытий, теплои токопроводящих паст, полимеров и т. д.
Но мы удивим (в очередной раз!) так называемое мировое сообщество нашей способностью быстро и эффективно решать поставленные задачи в неблагоприятных обстоятельствах. И нас не должны успокаивать картина общей деградации производственной культуры в США, перерастание структурного кризиса в системный и трансформация классического западного капитализма в нечто непотребное.
***
Наша цивилизация, при всей её изощрённости, прямо скажем, напоминает динозавра – громоздкого и несколько заторможенного, медленно реагирующего на угрозы со стороны мелких тварей как раз в силу своего гигантизма. Мы знаем, что динозавры исчезли, а вирусы остались. Может ли человек, созданный, как он надеется, по образу и подобию Творца, стать золотой серединой между Великим и Малым?
Марина ГЕВОРКЯН