«К дефекту будущего чипа может привести даже упавшая пылинка»: как работает Центр полупроводникового материаловедения НовГУ

Научиться «выращивать» слой металла толщиной в один атом? Увидеть через сверхмощный микроскоп объекты в 16 тысяч раз тоньше человеческого волоса? Наконец, освоить технологию будущего – производство микрочипов? Всё это доступно студентам в Центре полупроводникового материаловедения НовГУ. Это одновременно технологически продвинутое производство, научная лаборатория и учебная площадка, а также партнёр ведущих предприятий региона.

Почему безопасность страны зависит от маленького чипа

Центр полупроводникового материаловедения был создан в 2024 году. Направление его работы – микроэлектроника, технология создания чипов.

Чип – это миниатюрное электронное устройство, в котором на крошечной пластинке полупроводникового материала (обычно кремния) содержатся тысячи, миллионы или даже миллиарды микроскопических компонентов: транзисторов, резисторов, конденсаторов и соединений между ними. По сути, это целая электронная схема, «выгравированная» на кристалле.

— Чипы можно назвать фундаментом цифровой эпохи, — отмечает ректор НовГУ Юрий Боровиков. — По сути, это «мозг» и «нервная система» практически любого современного устройства. На них основана работа процессоров в компьютерах и смартфонах, оперативной и долговременной памяти, Wi-Fi и Bluetooth-модулей, микроконтроллеров в автомобилях, бытовой технике, промышленных станках и так далее. Производство чипов – один из самых сложных, дорогих и наукоёмких процессов. Без освоения этой технологии невозможен технологический суверенитет и лидерство страны. Это вопрос национальной безопасности.

Сейчас передовой технологией производства микрочипов обладают США. Крупнейший производитель чипов – Тайвань. В России эта отрасль относится к развивающимся.

Здание, где разместится Центр полупроводникового материаловедения, ещё строится – это вторая очередь ИНТЦ «Валдай». Однако Центр работает – его лаборатории и производственные участки действуют в уже существующем корпусе ИНТЦ.

Пазл на пластинке

Первый этап производства чипов – проектирование. Этим занимается специальное подразделение – Дизайн-центр микроэлектроники.

— Вначале инженеры определяют, для чего нужен чип (например, для обработки графики), и проектируют его общую структуру: где будут ядра, кэш-память, блоки связи, — рассказывает руководитель Дизайн-центра Даниил Евстигнеев. — Автоматизированные программы «расставляют» эти виртуальные блоки на условном «поле» чипа и прокладывают между ними миллионы микроскопических дорожек-соединений. Это самая сложная часть, похожая на 3D-пазл с миллиардами элементов. Итоговый дизайн многократно проверяют на ошибки с помощью компьютерного моделирования.

Затем дизайн предстоит перенести на специальную заготовку – полупроводниковую пластину. Это тонкий диск, изготовленный из монокристаллического полупроводникового материала – чаще всего кремния.  Перенос осуществляется методом фотолитографии – это ключевая операция в микроэлектронике. Работает по принципу проявления фотоплёнки.

— Пластину покрывают тонким слоем светочувствительного материала – фоторезиста, — объясняет Даниил Евстигнеев. — Чертёж будущей схемы печатают на специальной стеклянной пластине – фотомаске. На ней непрозрачные чёрные области – это те места, где свет не должен пройти, а прозрачные – где должен. Пластину с нанесённым фоторезистом помещают в специальную установку – фотолитограф. Через фотомаску, как через трафарет, пропускают мощный свет – чаще всего ультрафиолетовый. Там, где свет попал на фоторезист, происходит химическая реакция: при одном типе резиста эти участки становятся растворимыми, при другом – наоборот, нерастворимыми. Затем пластину обрабатывают специальным химическим раствором, который смывает только растворимые участки фоторезиста. В результате на кремнии остаётся точный рельефный рисунок из затвердевшего фоторезиста, который повторяет узор с фотомаски. Весь этот цикл повторяется десятки раз, чтобы создать разные слои чипа – проводящие, изолирующие и так далее.

 Важнейший этап в технологии производства – получение пластин из кремния и других материалов для чипов. Основной партнёр НовГУ в этом проекте – компания «ОКБ-Планета».

Готовую пластину тестируют, чтобы найти нерабочие участки. Затем разрезают на отдельные чипы. Каждый из них помещают в корпус, который защищает его и позволяет соединить с платой. Так рождается микропроцессор, память, датчик и другие устройства. Всего на производство чипа уходит от трёх до шести месяцев.

Суп из вольфрама и машина для обнимашек

Любое высокотехнологичное производство начинается не с оборудования, а с людей. Без своих инженеров, технологов и учёных передовую технологию не освоить. Поэтому одна из главных задач Центра сегодня – подготовка кадров. И она требует куда больше времени, чем производство самих чипов: не месяцы, а годы.

Для её решения Центр стал уникальной учебной площадкой. Студенты направления «Микроэлектроника» получают здесь доступ к передовому дорогостоящему оборудованию – ни на одном другом предприятии его бы новичкам никогда не доверили.

Вот, например, «сердце» Центра – установка молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Она способна создавать слои различных материалов толщиной всего в один атом. Звучит фантастически! Но Даниил Евстигнеев уверяет: принцип работы тот же, что при варке супа. Только вместо воды – вакуум, а ингредиентами становятся тантал, вольфрам, карбиды или нитриды.

В паре с установкой МЛЭ – бокс с длинными резиновыми перчатками. Сотрудники в шутку называют его «машиной для обнимашек» – из-за перепада давлений внутри и снаружи бокса перчатки раздуты и выглядят, как руки, тянущиеся к вам навстречу. На самом деле, эти «руки» нужны, чтобы вносить в установку чистые образцы без соприкосновения с атмосферным воздухом.

— Необходимо, чтобы все материалы были «чистыми», — объясняет Даниил Евстигнеев. — То есть, вкраплений посторонних веществ не должно быть даже на атомном уровне. К дефекту чипа может привести даже упавшая крошечная пылинка. Поэтому, например, на таких производствах обязательно есть «чистые комнаты» – помещения, воздух в которых проходит многоступенчатую систему фильтрации, чтобы всё «лишнее» отсеялось.

Чистые комнаты классифицируются по уровню защиты на 8 классов. Самую тщательную фильтрацию обеспечивает первый класс. «Самая чистая» комната, существующая в реальном мире, находится в Тайване и относится к четвёртому классу. В здании ЦППМ, которое сейчас строится, запроектирована, помимо прочих, комната пятого класса.

И, конечно, в Центре есть мощные микроскопы – электронный и атомно-силовой. С их помощью можно увидеть состав и текстуру вещества в разрешении до трёх нанометров. Для сравнения, толщина человеческого волоса – от 50 тысяч нанометров.

Вырастить научную школу

Центр полупроводникового материаловедения входит в структуру Политехнического института НовГУ. С 2025 года занятия в ЦППМ включены в учебный план для всех студентов направления «Микроэлектроника». Уже состоялся первый выпуск бакалавров, защитивших выпускные работы на темы, связанные с работой Центра. Каждый год в работе находятся 10-15 студенческих проектов Школы проектного обучения НовГУ – под руководством опытных наставников они выходят на уровень хорошего стартапа. Студенты участвуют в региональных и федеральных конкурсах, получают повышенные стипендии, а также работают в Центре.

— Студенты четвёртого курса и магистранты работают как лаборанты на полставки, выполняя реальные задачи, — рассказывает Даниил Евстигнеев. — Они распределены по зонам (обработка материалов, напыление, технологическая оснастка, разварка, корпусирование), учатся вести журналы, анализировать данные, писать научные работы. Мы всегда мотивируем их поступать в аспирантуру. Сейчас в НовГУ создаётся научная школа по микроэлектронике. При помощи специалистов с предприятий и сотрудников кафедр мы работаем над развитием таких направлений, как цифро-аналоговая микроэлектроника, СВЧ-компонентная база, фотоника и фотонные интегральные схемы. А в будущем научную школу будут формировать сегодняшние студенты университета, которых мы «выращиваем» сами, для которых будет важно не только выполнение рабочих задач, но и развитие вуза и региона.

Сотрудничество и планы

ЦППМ оказывает аналитические услуги, выполняет широкий спектр исследований и технологических операций, например, с помощью высокоточного оборудования здесь можно проверить качество материала или выполнить тончайшее напыление. Как отмечают сотрудники Центра, наиболее эффективная работа возможно только в сотрудничестве с предприятиями-партнёрами.

— Мы работаем со многими предприятиями региона, так как у нас есть более точные современные приборы, — отмечает Даниил Евстигнеев. — Кроме того, партнёры, с которыми мы решаем научные и производственные задачи, у нас есть по всей России: в Москве, Санкт-Петербурге, Новосибирске, Томске и других городах.

Навыки, полученные в Центре, позволят трудоустроиться на любое профильное предприятие в России. Востребованы такие специалисты и за рубежом.