Цивилизация
— Как наука влияет на развитие микроэлектроники
— Для микроэлектроники научно-исследовательские работы – это альфа и омега всей работы. Дело в том, что, в отличие от ряда других областей, микроэлектроника развивается очень динамично, постоянно качественно меняется, а это невозможно без быстрого внедрения новейших научных разработок.
Микроэлектроника очень изменилась даже с тех пор, как я пришел в эту область, а это было в начале 80-х годов. В течение всего этого времени микроэлектронике предрекают крах наличием сложнейших «нерешаемых» научных и технических задач. В специальной среде бытуют, выражаясь вульгарным языком, «страшилки».
Это значит, что существует ряд научных проблем, настолько серьезных, что без их решения микроэлектроника остановится в своем развитии, — и таких проблем десятки.
Одна из самых известных заключается в том, что, используя излучение видимого диапазона, нельзя достигнуть минимального размера транзистора. Литография (то есть процесс изготовления чипа) должна проводиться с помощью рентгеновского, синхротронного излучения, ионных пучков, что существенно удорожит производство. «Страшилка» заключалась в том, что длина волны излучения не может быть больше топологических размеров транзистора. Исследования по использованию других видов излучения (более коротковолнового и высокого по энергии) для литографии ведутся, однако микроэлектроника оптического диапазона не зашла в тупик: с помощью новых технологий делаются транзисторы линейного размера в 22 нм с помощью излучения длиной 193 нм, то есть почти на порядок больше. Есть планы по созданию транзисторов в 16 нм и 14 нм на том же излучении. Параллельно идут исследования для использования других видов излучения, в частности так называемого экстремального УФ-излучения с длиной волны в 13,5 нм, и даже 5 нм, но пока они не используются. Другая проблема – подготовка диэлектриков. Страшилка состоит в том, что с уменьшением топологических размеров транзистора диэлектрики перестанут справляться со своей функцией и «горячие» электроны будут проходить сквозь них. Сейчас эта проблема решена: разработаны новые типы диэлектриков, которые функционируют даже при столь малых топологических размерах.
— Почему микроэлектроника развивается столь бурно?
— Это развитие заложено в самой сути микроэлектронной промышленности. Еще в 1965 году будущий основатель Intel Гордон Мур заметил, что появление новых моделей микросхем наблюдается спустя примерно одинаковые периоды времени (18–24 месяца), при этом количество транзисторов в них возрастает каждый раз приблизительно вдвое. Мур пришел к выводу, что
при сохранении этой тенденции мощность вычислительных устройств за относительно короткий промежуток времени может вырасти экспоненциально.
В 1970 году Мур изменил период смены технологического поколения с 1 года до 18 месяцев. В 80–90-е проектные нормы стали меняться каждые 1,5–2 года, а сейчас этот период растянулся уже до 2–3 лет. Это связано с ростом стоимости оборудования и чистых комнат: чтобы амортизировать такие капитальные расходы, производителям сегодня требуется более длительный срок. Однако помимо постоянно уменьшения топологических размеров транзистора есть еще один фактор, обуславливающий бурное развитие: стоимость одного транзистора в течение всего времени развития микроэлектроники стремительно падает.
— Каково будущее микроэлектронной науки, какие инновационные технологии будут использоваться в ближайшее время?
— Научные задачи связаны, как и прежде, с особенностями поведения материалов при уменьшении топологического размера транзистора. Например, используемая нами медь имеет особенность: материал неоднородный, образует зерна, а от размера зерен зависит проводимость. С уменьшением размеров транзистора при фиксированном размере зерен значительно растет сопротивление, поэтому, чтобы двигаться вперед и продолжать уменьшение размеров транзистора, нужно уменьшить размеры зерен, иначе сопротивление становится слишком большим.
Другая проблема – сохранение высокой диэлектрической проницаемости диэлектриков при уменьшении толщины их слоя.
Современные транзисторы содержат по 10–12 слоев диэлектрика толщиной уже в ангстремы – десятые доли нанометра.
Чтобы сохранять диэлектрические свойства, создаются новые материалы, с гафнием например.
Еще одна задача — растущая необходимость учета квантовых эффектов при снижении топологических размеров. Фактически все задачи переднего края физики твердого тела и плазмохимии встают перед микроэлектроникой. Однако по ним есть и понимание, и планы по решению. Несмотря на то что за открытие графена в этом году была присуждена Нобелевская премия и ему прочат большое будущее, я не думаю, что он сможет полностью заменить кремний. Скорее всего,
для графена найдется ниша в производстве определенного рода устройств при общем сохранении господства кремния.
Квантовые компьютеры, хорошо приспособленные для, например, квантово-механических вычислений, все же не станут альтернативой обычным компьютерам, а будут успешно дополнять их для решения специфических задач.
— Как микроэлектроника обеспечивает такую высокую скорость внедрения научных разработок?
— Плотно взаимодействуя с учеными (в России мы называем этот комплекс НИОКР – научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, за рубежом используется термин R&D – Research and Development),
микроэлектроника способна на чудеса, как ни одна из других отраслей. То, что еще вчера казалось невозможным, существует в промышленных масштабах уже сегодня.
Все «неразрешимые» задачи решаются, у исследовательских центров существуют «дорожные карты» (англ. Road map), где задачи и график их решения расписаны на годы вперед. Работа НИОКР идет непрерывно, все больше и больше снижается топологический размер транзистора:
сейчас то, что мы по привычке называем микроэлектроникой, по сути является уже наноэлектроникой.
С другой стороны, создаются новые эффективные технологические решения, позволяющие снижать стоимость одного транзистора вместе с его размерами и, таким образом, продолжать шествие микроэлектроники по закону Мура. Сейчас около 90% всех инноваций в физике твердого тела в той или иной мере исходят от микроэлектронной отрасли. Именно поэтому микроэлектронные предприятия устроены крайне сложно, и существует такое понятие, как микоэлектронный кластер: сегодня ни одна фирма не в состоянии поднять и решить весь пласт проблем, который встает перед современной микроэлектроникой. Именно поэтому вокруг любой такой фирмы существует целый кластер научно-производственных компаний, R&D-центров, лабораторий.
— Какие основные базовые предприятия и лаборатории составляют микроэлектронные кластеры?
— Во-первых, это класс компаний, которые занимаются разработкой, синтезом и производством новых материалов. Это и различные диэлектрики, и особо чистые вещества (фтор- и хлорсодержащие, молибден, вольфрам, медь).
Во-вторых, это производители самого современного высокотехнологичного оборудования, которые ведут работы по созданию этого технологического оборудования. Пример – литография, которая совершенствуется с развитием микроэлектроники. Сейчас уже используются и ионные пучки, и электронные пучки, и гамма-излучение, и эксимерный лазер, и экстремальное УФ-излучение. Это целый пласт лабораторий, который занимается исследованиями технологий.
Третья часть — компании-специалисты в области дизайна интегральных схем. Это и софт-производители, и компании, связанные с моделированием технологических процессов на самом сложном уровне. Пример работ такого рода — использование фотошаблонов для переноса изображения на наноразмерные носители, которое позволяет использовать относительно длинноволновое излучение для литографии. Обеспечение точности проведения такого процесса требует разработки крайне сложных математических моделей, которые под силу лишь специальным математическим подразделениям.
Работа на уровне наномира требует учитывать в расчетах квантовые эффекты в физике твердого тела,
поэтому большая работа ведется по моделированию работы самого транзистора, который уже значительно отличается от традиционного транзистора 20-летней давности, работавшего в рамках классической механики.
Четвертая группа специалистов — это высококвалифицированные аналитики, специалисты по исследованию состава и структуры вещества. В микроэлектронике важно знать мельчайшие детали строения твердых веществ, например распределение примесей по площади пленок, которые используются в интегральных схемах. Для этого используются туннельные микроскопы, электронные микроскопы, масс-спектрометрия, оже-спектрометрия — целый набор сложнейших лабораторных аналитических технологий. Необходимо не только иметь эти приборы, но и обладать штатом высококвалифицированных специалистов, способных интерпретировать их данные.
В результате микроэлектронный кластер — это сотни высокотехнологичных компаний самого разного профиля.
— Какими мощностями обладает российское микроэлектронное производство в Зеленограде? Чего ему не хватает?
— Формирование микроэлектронного кластера в Зеленограде сейчас ведется фактически заново.
При СССР существовала хорошая кооперация между отраслевыми и академическими институтами, в перестройку отраслевая наука потерпела большой урон, а это связь в значительной степени прервалась.
Сейчас мы расширяем круг задач, которые нам удается решить своими силами здесь, в России. Например, сверхточные анализы газов и воды нам раньше приходилось делать за рубежом, в Дрездене или под Парижем, а сейчас мы создаем у себя совместное предприятие, которое сможет обслуживать наши заказы. Мы развиваем связи с дизайнерскими центрами в России и за рубежом, мы сертифицировали несколько иностранных компаний, которые делают для нас фотошаблоны для литографии, но в перспективе мы планируем делать их у нас. Мы налаживаем связь и с академическими институтами, которые берут на себя те или иные исследования, работы по новым материалам, по моделям. В частности, мы работаем с Физико-технологическим институтом Академии наук, с Институтом физики полупроводников Сибирского отделения Академии наук, сейчас подключаем другие институты, так как сфера большая, широкая.
— Обществу нужно такое бурное развитие микроэлектроники?
— Микроэлектроника и связанные с ней аспекты физики твердого тела, математики, химии меняют нашу повседневную жизнь, как ни одна другая область науки и техники.
Прогресс, который уже достигнут, позволяет ей осваивать все новые и новые области применения.
Например, 10 лет назад никто не верил, что цифровые фотоаппараты сравнятся по качеству с пленочными, а теперь цифровые фотоаппараты завоевали все ниши рынка — и все благодаря уменьшению размеров транзисторов и их цены. Если проследить динамику уменьшения цены транзистора с 1964 года и наложить на нее, например, цены на автомобили, то, если бы цена автомобиля имела такую же динамику, он сейчас стоил бы доли цента. Поэтому микроэлектроника стабильно обеспечена заказом как со стороны промышленности, так и со стороны потребителей.