Статьи

Основная глобальная проблема реиндустриализации Новосибирской области, которую предстоит решить, заключается в том, с помощью каких механизмов связать исследовательские институты и заводы, полагает директор Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН член-корреспондент РАН Александр Васильевич Латышев.

Прогресс программы реиндустрализации Новосибирской области (НСО) связан с федеральными мегапроектами, привлечением крупных инвесторов, с повышением уровня мотивации предприятий НСО для участия в инновационных совместных работах, с формированием «локомотивных проектов», где будут задействованы промышленность и научные организации СО РАН.

В частности, одним из последних может выступить формирующийся Новосибирский научно-производственный кластер микро- и фотоэлектроники в кооперации с ОАО «Росэлектроника» (НПО «Электроника Сибирь»), АО «НЗПП с ОКБ», АО «НПП “Восток”», АО «НЗР “Оксид”» и институтов Сибирского отделения.

Высокорентабельный конкурентоспособный комплекс способен занять лидирующие позиции в области разработки и производства электронной компонентной базы и радиоэлектронной аппаратуры с увеличением объема выпуска продукции. Цель - создание необходимых технологических линий с нанометровым разрешением, которых у нас в стране практически нет.

Один из признанных лидеров в области наноэлектроники и нанотехнологий - Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН), в котором проводятся исследования, направленные на создание перспективных изделий микро- и наноэлектроники на основе эффектов квантовой электроники, оптоэлектроники, спинтроники, биоэлектроники.

Институт имеет все необходимые компетенции в этой области благодаря академической стратегии, направленной на фундаментальные научные открытия, доведению исследований до прикладных инновационных разработок, востребованных современной экономикой, и подготовке высококвалифицированных научных исследователей и элитных инженерно-технических специалистов.

Фундаментальные и практические результаты деятельности ИФП СО РАН обеспечили создание целого ряда продуктов полупроводниковой опто- и наноэлектроники с высоким потенциалом коммерциализации.

Процесс внедрения новых разработок в промышленность непрост. Во-первых, недавно сформированные решения требуют применения дополнительных организационных и технологических мер, нарушают некий устоявшийся производственный цикл, который уже существует. Собьешь его - и будет другая продукция, а предприятиям такое не очень нужно.

Во-вторых, мы передаем еще не опробованные в крупных масштабах прототипы — а что случится, когда будет большая партия? Заработает вообще или нет? Отсутствие необходимых производственных мощностей становится существенным ограничением для внедрения.

Руководителю той организации, куда надо отдать инновацию, необходимо рисковать. Кроме того, следует иметь реальный бизнес-план. Ведь придется потратить много денег, и нужно представлять, кто и сколько вышедшей продукции будет покупать.

Отметим, что современный процесс производства электронной компонентной базы требует очень дорогого технологического оснащения — это чистые производственные комнаты, сверхчистые используемые материалы, автоматизированные и роботизированные технологические линии и экстремально дорогие лицензионные соглашения. Поэтому необходимо производить продукцию в большом объеме, чтобы такое производство было рентабельным, что, в свою очередь, создает препятствие для передачи инноваций в индустрию.

По-хорошему, внедрение должно происходить так, чтобы опробовать предложения ученых на деле, а для этого следует создавать промежуточные инфраструктурные объекты. Кто-то называет их инжиниринговыми. В нашей сфере деятельности, например, это центры прототипирования, что означает следующее: вы передаете разработанную вами технологию на небольшой завод, который выпускает малые партии. Другими словами, это сервисная технологическая компания по производству единичных, малых и средних объемов структур био- и наноэлектроники и специализированных интегральных схем на основе научных разработок.

Дальше идет доведение до стандартов большой промышленности: изготавливается пробная партия, определяется количество годных элементов, проводится тестирование вместе с представителями перспективных заказчиков, и если все хорошо, то продукт направляется на полупроводниковую фабрику для массового производства. Центр прототипирования изделий наноэлектроники, с моей точки зрения, - это такая структура, которая не должна быть полностью самоокупаемой. Нужно, чтобы ее кто-то поддерживал. Однако ей необходимо быть открытой для всех, тогда это заработает.

В мире подобные фабрики прототипирования есть, например у флагманов электроники — американского Intel и корейского Samsung. В России, если таковые и имеются, то они заточены под конкретные технологии и практически недоступны для пользователей извне.

В Новосибирске рассматривалась возможность построить такой центр прототипирования на базе Технопарка Академгородка. Мне казалось, оптимальное решение должно быть следующим: создать при Академпарке некий современный центр, который мог бы ускорить коммерциализацию научных и технических разработок институтов Сибирского отделения РАН, дизайн-центров, предприятий малого и среднего бизнеса, учебных заведений Сибирского региона. Это обеспечило бы производственную цепочку по инновационным изделиям от идеи до технологической документации, передававшейся бы на крупное полупроводниковое производство.

В нашем институте есть технологии и проектные продукты, нужные городу. Вот только некоторые из них, способные внести вклад в программу реиндустриализации области: широкая линейка тепловизионных приборов на основе охлаждаемых и неохлаждаемых фотоприемных устройств от приборов ночного видения и медицинских тепловизоров до систем технического зрения; производство полупроводниковых структур «кремний-на-изоляторе» для изготовления радиационно стойкой электроники, биологических сенсоров, систем терагерцевой спектроскопии.

ИФП СО РАН имеет приоритет в развитии технологии молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) — одной из основных в современной физике полупроводников и полупроводниковой электронике. МЛЭ представляет собой процесс послойного контролируемого эпитаксиального роста различных соединений на уровне одного монослоя. Это позволяет создавать новые материалы для электроники, в том числе СВЧ и силовой, сенсорики и т.д.

Уже сегодня ИФП СО РАН выступает как субъект реального сектора экономики, поставляя на промышленные предприятия до тысячи эпитаксиальных пластин для арсенид-галлиевой электроники, необходимых в создании современных транзисторных систем СВЧ-диапазона, а также сотни гетероэпитаксиальных структур для инфракрасной техники и пластин «кремний-на-изоляторе» для производства электронных компонентов, работающих в условиях космоса и атомного реактора.

Конечно, мы в институте предпринимаем ряд действий, чтобы перевести имеющиеся у нас технологии в полупромышленный статус. У нас есть три высокотехнологические линейки для изготовления приборных структур и схем на основе трех видов полупроводниковых материалов: А4 (кремний и германий), А3В5 (арсенид галлия, нитриды) и А2В6 (кадмий-ртуть-теллур).

Разработка новых приборов и схем требует перехода на другой уровень технологического оборудования, в качестве ключевого требования к которому выдвигается обеспечение нанометровых размеров элементов в структурах и создающихся приборах и схемах.

К сожалению, возможности этих технологических линеек для практической реализации существенно затруднены, т.к. промышленные предприятия перешли на использование подложек диаметром 100 мм и более, тогда как имеющиеся у ИФП СО РАН ростовые установки имеют максимальный диаметр пластин 76 мм.

У нас есть высококвалифицированные специалисты, мастера своего дела, чтобы реализовывать самые высокие требования индустриального партнера, но все же для полномасштабного воплощения научного потенциала необходима современная технологическая база в виде центров прототипирования изделий био- и наноэлектроники, позволяющих разрабатывать и производить малые серии принципиально новых продуктов на основе технологий кремниевой наноэлектроники.

Какие вектора и точки роста мы видим в программе реиндустриализации новосибирского региона? Современная микроэлектроника развивается по пути изменения геометрического размера транзистора: известно, что каждые два года он уменьшается в два раза, а частота процессора двукратно увеличивается. В ИФП СО РАН мы занимаемся и этой проблемой, но она не единственная, поскольку переход на новый уровень требует наличия технологической линейки предыдущего уровня, доступ к которой для нас затруднен.

Наши усилия направлены на использование альтернативных, так называемых гетероэпитаксиальных подложек, когда на кремнии выращиваются дополнительные многоуровневые слои других материалов, созданных в сверхвысоком вакууме и не существующих в природе.

Это позволяет развивать электронную компонентную базу на новых физических принципах. Уровень наших технологий соответствует лучшим мировым образцам, что позволяет нам быть поставщиками пластин с высокоподвижным двумерным электронным газом не только для различных университетов и исследовательских центров РФ, но и для ряда стран Европы, Америки, Китая.

Мы работаем также над проблемами перехода от двумерной к трехмерной схемотехнической архитектуре, используя технологии 3D-структурирования. Обычно в кремниевой пластине — один рабочий планарный слой, содержащий активные элементы и расположенный в глубине кристалла: к нему идут контакты, и вся информация извлекается только с него, остальная же толщина подложки остается незадействованной. Переход к трехмерной архитектуре многократно уменьшит размер полупроводникового чипа.

Все перечисленные направления исследования лежат в русле тенденций развития элементной базы современной полупроводниковой электроники и связаны с решением фундаментальных проблем в области полупроводниковых же наногетероструктур с квантовыми ямами и их комбинациями, а также включают решение задач синтеза наногетероструктур, выяснение закономерностей квантового электронного транспорта, оптических и магнитных явлений, ориентированных на создание приборов и устройств наноэлектроники, нанофотоники, спинтроники, сенсорики, квантовых информационных систем. Это и есть возможные точки роста развития полупроводниковой электроники в программе реиндустрализации региона.

Залог успеха в науке и технологиях сегодня - обладание парком современной базы, способной осуществлять диагностическое и метрологическое сопровождение на самом высоком уровне.

Действительно, эффективное развитие наукоемких критических технологий невозможно без опережающего прогресса современных аналитических методов физико-химической диагностики на атомно-молекулярном уровне, а для этого требуются адаптация традиционных и развитие новых способов исследования и анализа свойств и процессов, присущих объектам нанометровой геометрии и системам пониженной размерности. Уменьшение размеров исследуемых и создаваемых функциональных объектов влечет за собой многократное усложнение процесса измерения, калибровки и стандартизации с максимальной точностью.

Сложность диагностики функциональных нанообъектов и высокая стоимость соответствующего аналитического оборудования привела к созданию центров коллективного пользования такими приборами. Подобные ЦКП выступают составными частями формирующейся нанотехнологической сети РФ.

Преимущество программы реиндустриализации региона - то, что академические ЦКП входят в состав инфраструктуры Центра метрологического обеспечения и оценки соответствия нанотехнологий и продукции наноиндустрии в Сибирском федеральном округе, обеспечивая измерительные потребности предприятий в регионе.

В частности, ЦКП «Наноструктуры» при ИФП СО РАН оказывает диагностическую и метрологическую поддержку разработкам конкурентоспособных на мировом рынке продуктов и технологий в области индустрии наносистем в интересах микро- и наноэлектроники.

Сотрудники, работающие в ЦКП «Наноструктуры», - высококвалифицированные специалисты с многолетним опытом выполнения метрологических и научно-исследовательских работ, включая квалифицированное обслуживание сложного диагностического оборудования. С целью обеспечения единства измерений в ЦКП используются сертифицированное оборудование и аттестованные методики прецизионных измерений.

У института существуют долгосрочные крепкие партнерские отношения со многими полупроводниковыми предприятиями, в том числе в Новосибирске. Это ОА «НЗПП с ОКБ», ОА «НПО “Восток”», ОАО «Октава», ОАО «Швабе - Приборы», ОАО «Катод» и другие.

В числе совместных с НПО «Восток» разработок последних лет — изготовление многопиксельной фоточувствительной матрицы сложной архитектуры и сверхчувствительных нанопроволочных сенсоров с фемтомольной чувствительностью для биологов. Мы уже сейчас способны делать последние штучно, но для проведения экспертизы, доклинических и клинических испытаний их нужны тысячи. Пока не получается, хотя мы сотрудничаем с другими институтами, которые работают в этой области здесь, в Сибири, и в Москве.

И в заключение. Исследования Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова в области низкоразмерных систем выполнены на мировом уровне, а часть из них задают этот мировой уровень. Но на пути коммерциализации инноваций совместно с промышленностью без реорганизации процесса передачи разработки и без модернизации производственной структуры и не обойтись