В первое воскресенье октября в России отмечается День работника электронной промышленности. Отрасль объединяет фундаментальную науку, инженерные разработки и производство, а её развитие невозможно без новых материалов и технологий их получения. Именно свойства материалов во многом определяют характеристики будущих электронных компонентов — от полупроводниковых приборов и интегральных микросхем до СВЧ-устройств, сенсоров и элементов магноники.
Национальный проект «Новые материалы и химия» прямо связывает развитие новых и перспективных материалов с технологическим лидерством и предусматривает как разработку наукоёмких технологий, так и опережающую подготовку специалистов. Сегодня требования к материалам электроники меняются вместе с развитием индустрии. Все большее значение приобретают широкозонные полупроводники, многокомпонентные гетероструктуры, магнитные и двумерные материалы, тонкие пленки и наноструктуры. При этом задача исследователя заключается не только в поиске вещества с нужными свойствами: необходимо научиться управлять его составом и структурой, разрабатывать воспроизводимые технологии получения и интегрировать новые материалы в электронные устройства.
О современных направлениях материаловедения микро- и наноэлектроники, перспективных материалах и технологиях их получения рассказывает доктор физико-математических наук, профессор, действительный член Академии инженерных наук РФ, заведующий кафедрой технологии материалов электроники НИТУ МИСИС Владимир Костишин.
Материалы с заданными свойствами
Кремний остается основой современной микроэлектроники и в ближайшем будущем его значение вряд ли уменьшится. Однако задачи электронной промышленности становятся настолько разнообразными, что одного материала уже недостаточно.
Для силовой электроники, СВЧ-техники, фотоники и других направлений нужны материалы с совершенно разными свойствами. Поэтому все большее значение приобретают карбид кремния, германий, различные гетероструктуры, а также магнитные и оптические материалы. Особенно показателен пример нитрида галлия. В отличие от кремния, этот материал позволяет создавать компоненты, рассчитанные на работу при высоких частотах, мощностях и температурах.
Например, для производства чипов нужны не только кремниевые пластины, но и высокочистые химические соединения, подложки, фотошаблоны. Минпромторг планирует направить в
Граница раздела как рабочий элемент прибора
Одна из тенденций современной электроники — переход от исследования материала как однородного вещества к управлению его структурой на разных масштабах. В ряде приборов характеристики определяются не объёмом материала, а несколькими атомными слоями, поверхностью или границей между двумя веществами. На границе раздела возникают электронные, магнитные и оптические состояния, которыми можно управлять при работе прибора.
Поэтому технологии нанесения тонких плёнок оказываются не менее значимыми, чем разработка самого материала. Осаждение из газовой фазы, эпитаксиальный рост, физические и химические методы нанесения позволяют формировать структуры толщиной от микрометров до нескольких нанометров с заданным составом.
Меняется и представление о материале. Для инженера это не обязательно объёмное вещество: это может быть многослойная система, поверхность с заданным химическим составом, нанокомпозит, массив наночастиц или гетероструктура, в которой каждый слой выполняет свою функцию.
Свойства материала можно менять через размер и форму его частей. На наноуровне вещество ведёт себя иначе, чем в макроскопическом состоянии: изменение размера частиц, толщины плёнки, числа слоёв или формы наноструктуры меняет электрические, магнитные и оптические характеристики.
При этом я не стал бы говорить о скором отказе от кремниевой электроники в пользу двумерных материалов. От физического эффекта до серийного прибора лежит длинный технологический путь, и задача материаловедения состоит в том, чтобы сокращать его.
Цифровое материаловедение
Раньше исследователь обычно шёл от синтеза к измерению: получал материал, изучал его структуру, измерял свойства и только потом решал, где его применить. Сегодня чаще сначала определяют нужные характеристики, а состав, структуру и технологию подбирают с помощью математического моделирования и машинного обучения. Это направление называют цифровым материаловедением.
Модель должна опираться на достоверные физические данные, а результат расчёта нужно подтвердить на реальном материале. Поэтому, на мой взгляд, вычислительные и экспериментальные методы следует объединять, а не противопоставлять.
От материала к технологическому маршруту
Способ получения материала важен не меньше самого материала. Вещество с высокими характеристиками трудно применять в промышленности, если для его производства нужно редкое оборудование, сложный процесс или строго выдерживаемые условия. Поэтому в исследованиях всё чаще оценивают масштабируемость технологии.
Специалисту по материалам электроники поэтому нужно понимать весь технологический цикл: физику материала и его состав, оборудование, осаждение и удаление слоёв, методы диагностики и характеристики готового прибора.
Почему материаловедение снова становится стратегически важной дисциплиной
Главное изменение профессии материаловеда я вижу в том, что мы все больше занимаемся созданием материала под конкретную задачу. Нужно заранее понимать, какие свойства потребуются устройству, на каком масштабе их необходимо сформировать и какой технологический маршрут проложить.
Под меняющиеся требования отрасли нужны специалисты нового типа. Поэтому, например, программа специализированного высшего образования «Материалы и технологии современной электроники» НИТУ МИСИС, реализуемая в рамках пилотного проекта по изменению уровней высшего образования, построена с учетом актуальных индустриальных задач. Студенты изучают физику полупроводников и магнитных материалов, осваивают технологии микро- и наноэлектроники и могут выбрать трек по твердотельной магнитоэлектронике или микро- и наноэлектронике. Значительная часть обучения связана с исследовательской работой в лабораториях: будущие инженеры работают с ферритами, полупроводниками, тонкими пленками и наноматериалами, осваивают методы рентгенофазового и микроскопического анализа, электрофизические исследования и технологии получения материалов. Это позволяет еще во время обучения пройти путь от фундаментального свойства материала до технологии и будущего электронного устройства. В образовательную программу впервые включён курс «Основы магноники». Магноника изучает спиновые волны и их кванты — магноны. Их рассматривают как альтернативу электронам и фотонам, которые служат носителями информации в классической электронике и фотонике. С развитием этого направления связывают создание быстродействующих энергоэффективных вычислительных устройств, а также устройств логики и обработки информации.
