Кремниевая эволюция

Кремниевая эволюция

Ирик Имамутдинов

В Санкт-Петербурге научились превращать вузовские разработки в высокотехнологический бизнес и запускать инновации в массовое производство. Помогла этому советская история

Рисунок: Константин Батынков

Виктор Лучинин начинал свою карьеру в Высшем военно-морском училище радиоэлектроники им. А. С. Попова. Туда он поступал, намереваясь пойти по стопам отца, служившего флотским офицером-медиком, и мечтая о службе на подводной лодке, но на четвертом курсе был комиссован и потому вынужден искать гражданское место учебы по схожей специальности. Лучинин выбрал ЛЭТИ — в то время один из самых престижных технических вузов страны, в котором на электрофизическом факультете существовала мощная школа гидроакустики члена-корреспондента АН СССР Сергея Соколова . Но при зачислении его уговорили пойти учиться на другую кафедру — диэлектриков и полупроводников, предполагавшую более широкую научную специализацию.

Вскоре талантливый, отлично учившийся Виктор Лучинин привлекает внимание профессора Юрия Таирова , и его приглашают в лабораторию, которая занимается ростом кристаллов карбида кремния. Еще в 1950-е фундаментальные исследования американцев, тогдашних передовиков по части полупроводников, показали, что если изготавливать полупроводниковые приборы: диоды, транзисторы, терристоры и другие элементы — на основе этого материала вместо привычного кремния, то они будут отличаться очень высокой надежностью и смогут стабильно работать при очень высоких температурах и в условиях повышенного радиационного фона. Причем эти приборы можно делать значительно компактнее кремниевых аналогов, в том числе потому, что карбид кремния не теряет своих свойств даже при значительном повышении температуры и приборам, изготовленным на его основе, не нужны специальные рассеиватели тепла. Оставалось разработать саму технологию выращивания крупных кристаллов карбида кремния, а вот как раз это американским разработчикам и не удавалось. В середине 1970-х такую технологию с группой коллег в своей лаборатории сумел освоить Юрий Таиров (подробнее о судьбе таировской технологии, получившей в итоге коммерческое применение в США, мы писали в статье «Америка доказала, что мы можем», «Эксперт» № 45 за 2012 год). Одним из участников, а по его собственным словам, «подмастерьем» в процессе освоения роста кристаллов этого материала и был Виктор Лучинин. Как вспоминают его коллеги, они сразу поняли, что новичок — «незаурядный человек с нестандартным, образным мышлением, титаническим трудолюбием и жесткой самодисциплиной».

Лучинин рассказывает, что о междисциплинарности особенно много говорят в последнее десятилетие, но для него самого и его коллег еще в 1970-е было очевидно, насколько важно взаимопроникновение различных научных дисциплин для создания прорывных технологий. Будучи еще студентом, он начал работать над так называемой проблемой политипизма, или полиморфизма, карбида кремния — как раз над этим так долго бились американцы, безуспешно пытаясь решить проблему роста крупных и бездефектных кристаллов. Дело в том, что при росте кристалла этого материала в рамках одной химической формулы образуется целое многообразие веществ с различными свойствами: электрофизическими — ширина запрещенной зоны, подвижность носителей заряда; оптическими — коэффициенты поглощения и преломления; химическими — скорость окисления, скорость диффузии примесей. При этом в рамках классической термодинамики нельзя просчитать, как и почему именно такие свойства приобретает полученный кристалл в ходе роста. В то же время нужно было научиться закреплять необходимые для практического применения свойства этого многообещающего материала.

Виктор Лучинин рассказывает, что благодаря родителям-медикам был увлечен биологией и медициной и потому знал, что углерод и кремний — основополагающие элементы для возникновения различных биологических объектов. В ходе обсуждения с коллегами вопросов политипизма ему пришло в голову, что принцип матричного копирования, то есть генетическая передача структурной информации, универсальный для живой природы, можно перенести и в материаловедение. «Нашей группе удалось, — вспоминает ученый, — сформировать технологическую концепцию, основанную на биологическом принципе матричной репликации и представлениях о кинетическом ростовом фазовом переходе. Матрикс — от латинского mater: “основа”, “мать”, то есть важна структура “материнской” подложки, на которой происходит рост материала. Это очень похоже на эффект самокопирования биотканей. Эволюция подразумевает изменение, динамику. Я увидел, что в зависимости от скорости осаждения вещества на поверхность твердой фазы мы также можем варьировать структуры модификаций материала и закреплять его свойства. В результате были получены эпитаксиальные слои карбида кремния с “островками” иного политипа в заданной конфигурации». Так сформировалась принципиально новая для тех лет технологическая концепция — эволюционно-генетическая, причем перспективы ее развития и использования распространились далеко за пределы собственно карбидокремниевой технологии.

Должны зарабатывать сами

В аспирантуре Виктор Лучинин продолжил работать по карбидной тематике, по-прежнему занимаясь процессами эпитаксии карбида кремния методом сублимации и проблемами политипизма. Большой объем работы вместе с аспирантами выполняли студенты, которые охотно шли в лабораторию ради интересной работы и возможности прилично подработать, благо у ЛЭТИ было много хоздоговоров. «Без студентов экспериментальная наука в вузе невозможна, — говорит Лучинин. — Более того, благодаря научному авторитету нашей группы мы могли выбирать тогда лучших студентов и продолжаем эту практику сейчас».

Название диссертации звучало тогда необычно: «Эволюционно-генетическая модель политипизма карбида кремния». Научный руководитель Лучинина Юрий Таиров из-за консервативной реакции оппонентов: «У нас за концепции кандидатских степеней не присваивают» — предложил переформулировать название работы на другое, с более привычными для лэтишных технократов терминами, — «Гетероэпитаксия и микропрофилирование в технологии карбида кремния». Блестяще защитив свою научную работу, Лучинин продолжает работу в лаборатории в качестве младшего научного сотрудника, а потом получает место ассистента на кафедре. По его рассказу, он всегда занимался технологиями, и, памятуя об этом, его отряжают в Ленинградское объединение электронного приборостроения «Светлана», флагман советской электронной промышленности и ведущее предприятие ВПК в этой сфере. При объединении работал факультет повышения квалификации инженеров, где преподаватели ЛЭТИ читали лекции по курсу «Технология полупроводниковых приборов». Проблема заключалась в том, что профессура пыталась заново научить уже состоявшихся технологов и конструкторов тому, «как и что делается». Инженерно-технических же работников «Светланы», и без того знавших реальное производство лучше институтских преподавателей, больше интересовали вопросы, связанные с конкретными физико-химическими проблемами и технологическими нюансами, с которыми им приходилось сталкиваться по ходу работы. Курс Виктора Лучинина, всегда старавшегося разобраться в глубинных процессах применительно к полупроводниковым технологиям, получает популярность, молодой преподаватель успешно читает здесь лекции четыре года, попутно осваивая тонкости микроэлектронного производства.

С такой «птичкой» можно лететь в разведку

В 1984 году Лучинин занимает должность доцента на кафедре диэлектриков и полупроводников. Двумя годами позже в ЛЭТИ приступают к запуску нового лабораторного комплекса с так называемой гермозоной, на строительство которого государство выделило приличные деньги, и под эту статью можно было покупать приборы. В частности, были приобретены редкие тогда просвечивающий и растровый электронные микроскопы. Так началось комплектование оборудованием будущего Центра микротехнологии и диагностики (ЦМИД).

В ЛЭТИ был объявлен своеобразный конкурс на лучшие предложения, как эффективнее воспользоваться исследовательскими возможностями нового комплекса. Лучинин выдвинул два тезиса, объединенных в единую концепцию создания центра. С технологической точки зрения он должен был быть ориентирован в первую очередь на корпускулярно-пучковые технологии и диагностику, а с точки зрения организационной — превратиться в центр коллективного пользования, в отличие от других поданных проектов, предлагавших, по сути, растащить лабораторные площади по отдельным кафедрам. Идея, чтобы гермозона ЛЭТИ развивалась как целостная система, а не представляла собой эклектическую совокупность «удельных княжеств» в виде лабораторий разных кафедр, была поддержана Юрием Таировым, тогдашним проректором ЛЭТИ по научной работе, а с его подачи и научным советом института. На самого Виктора Лучинина возложили обязанности руководителя созданного межвузовского отдела микроэлектронной технологии, заведующие же кафедрами вошли в коллегиальный научно-технический совет при МОМЭТ.

Но было одно важное условие, в значительной мере предопределившее автономное развитие межвузовского отдела: ему ограничили институтский лимит на фонд заработной платы 24 тыс. рублей в год, а все остальное МОМЭТ должен был зарабатывать сам, самостоятельно находя хоздоговорные работы и не залезая в бюджет ЛЭТИ. Институтский бюджет, рассказывает Лучинин, в основном складывался из государственных вложений в НИР, а также из вложений промышленных предприятий, получавших необходимых им специалистов-выпускников и обязанных отдавать готовившему их вузу 10% своего НИОКР-бюджета. Конечно, и в самом институте, продолжает рассказ ученый, приличная часть и бюджета, и заработка преподавателей, аспирантов и студентов складывалась за счет таких работ, но в проблемные лаборатории института подобные заказы шли по накатанной от профильных предприятий. Новому же лабораторному комплексу как отдельному подразделению предлагалось искать заказы самостоятельно. «С 1986 года и до сих пор, — рассказывает ученый, — я живу на хозрасчете. Здесь у меня нет бессрочного штатного расписания (не считая небольшого административного аппарата), и тогда, и сейчас научный работник каждый год заново заключает срочное соглашение, так как я могу гарантировать ему работу только в течение определенного промежутка времени. Моя же задача — найти работы, которые давали бы возможность существовать самому центру и материально стимулировать и поддерживать работающих у меня профессионалов».

От декоративных покрытий к ядерной безопасности

Новый руководитель оправдывает надежды своих новых подчиненных, развив бурную деятельность в поисках новых заказов. Через год после образования МОМЭТ участвует в разработке, создании и организации серийного производства первого отечественного электронно-лучевого тестера интегральных схем РЭМ-102Э на сумском ПО «Электрон». Годом позже на этом же предприятии МОМЭТ налаживает промышленный выпуск первого отечественного полностью автоматизированного просвечивающего электронного микроскопа ПЭМ-100. Как и прежде, проводится много исследований по заказу предприятий ВПК, вносивших значительный вклад в финансирование разработок. В 1988 году в интересах НПО «Гранит» отрабатываются процессы создания приборов на поверхностно-акустических волнах для систем управления ракет, а НПО, в свою очередь, в рамках совместной программы устанавливает в лабораторию технологическую линию. С электронными предприятиями Зеленограда МОМЭТ разрабатывает электронно-зондовые системы для контроля и диагностики интегральных микросхем, которые нельзя было купить на Западе из-за ограничений Координационного комитета по экспортному контролю.

Продолжаются поисковые работы. Предвидя, что междисциплинарные и конвергентные технологии и системы ждет бурное развитие, Виктор Лучинин много работает в биологической сфере. Его аспиранты занимаются осаждением из жидкой фазы монокристаллов аналогов фосфолипидов — органических веществ, которые являются основой биологических мембран. По-прежнему продолжается разработка теории и реализация процесса матричного синтеза объектов неорганической природы, синтезируются редкие структурные модификации карбида кремния и нитрида алюминия.

К 1991 году на базе МОМЭТ сформировался мощный центр НИОКР, проводивший более 15% объема научно-исследовательской деятельности всего университета. Под началом Лучинина там работает уже около ста человек. Тогда же МОМЭТ был преобразован в Центр микротехнологии и диагностики.

В начале 1990-х рушится практически вся научно-производственная империя микроэлектроники, созданная в СССР (соотношение того, что было раньше, и того, что есть сейчас, — десять к одному, говорит ученый). В институтских лабораториях, руководители которых привыкли жить за счет госфинансирования, практически не остается людей, работавших в научно-исследовательском секторе. Для ЦМИД тоже наступают трудные времена. Но центр теряет только пятую часть своих работников, причем большей частью тех, кто увидел открывающиеся возможности для создания бизнеса. Привыкший искать и находить заказы, руководитель центра для выживания своего детища заключает контракты на нанесение упрочняющих и декоративных покрытий: на вакуумно-дуговых, ионно-плазменных установках лаборатории тонируют стекла машин, стеклянную посуду и столовые приборы. «Мы были вынуждены этим заниматься, — оправдывается Лучинин, — мне нужно было кормить людей. Они, конечно, получали небольшие деньги, но их хватало на самое необходимое. Я с гордостью могу сказать: у нас не было ни одного месяца и в эти тяжелые времена, чтобы работники не получали свою официальную зарплату». Еще одним источником финансирования становятся образовательная программа «Человек в экстремальных условиях» и технологическая «Научное приборостроение», которые удалось пробить в Комитете по науке и технике.

Виктор Лучинин, директор ЦМИД и заведующий кафедрой микро- и наноэлектроники ЛЭТИ

Фото: Александр Крупнов

Существенно помогают и заказы от западных фирм. Специалисты General Electric, где знали о дореформенных работах ЦМИД в области аналитического приборостроения, привозили для экспертизы на патентную чистоту микросхемы тайваньского и малайзийского производства, многие из которых были скопированы с оригинальных микросхем GE и других известных компаний.

В середине 1990-х в ЛЭТИ обратились специалисты Sandia National Laboratories, — национальной лаборатории министерства энергетики США, ведающей вопросами ядерной и экологической безопасности. Их интересовали и сама технология роста карбида кремния, и высокотемпературные радиационно стойкие датчики температуры и давления на карбиде кремния, необходимые для контроля ядерных объектов, которые к этому времени уже научились изготавливать в ЦМИД. Под этот проект Таирову и Лучинину удалось выиграть грант МНТЦ на 600 тыс. долларов на два с половиной года, огромные по тем временам деньги, которые дали возможность стабилизировать ситуацию в центре. «Люди воспрянули, — вспоминает Лучинин, — конечно, заниматься нанесением покрытий на товары народного потребления было необходимо, но они ведь раньше занимались наукоемкой продукцией, и возвращение к исследовательской работе создало в центре более благоприятный настрой».

Жуки, тараканы и e-текстиль

В конце 1990-х появляются деньги на выполнение программ Министерства образования и Министерства обороны. Военные финансируют разработку высокотемпературных, работающих в условиях повышенной радиации карбидокремниевых приборов — диодов, транзисторных структур. Второе направление их интереса — СВЧ-приборы с высокими импульсными и частотными характеристиками. В 1999 году Виктор Лучинин защищает работу на соискание докторской степени «Структура и форма образования микро- и наносистем широкозонных материалов», подготовленную еще в начале 1990-х, но отложенную до более спокойных времен. Помимо алмазоподобных материалов (политипов карбида кремния и нитрида алюминия) диссертация затрагивает и биологическую тематику, научная работа над которой продолжалась все эти годы. Вскоре появляется возможность достижения НИР в этой области перевести в практическую плоскость: американская компания заказывает в ЦМИД разработку так называемой лаборатории на чипе — миниатюрного прибора для оперативного химического и биологического контроля и диагностики. «Они обратились к нам, потому что мы были тогда и до сих пор остаемся — сейчас, конечно, в условиях России — лидерами в этой области и имеем несколько серьезных отечественных патентов», — рассказывает Виктор Лучинин.

Если говорить о наиболее значимых разработках мирового уровня, реализуемых в ЦМИД, то наряду с медико-биологической тематикой лабораторий на чипе это электронная компонентная база для сверхминиатюрных робототехнических систем и работы, связанные с возрождением на новом наноуровне вакуумной автоэмиссионной электроники. Последнее позволяет работать в условиях сверхвысоких частот, скоростей коммутаций и плотностей тока, рассказывает ученый. В рамках сформулированного им и его коллегами направления прорывных технологий «Бионические, робототехнические и биомедицинские системы для обеспечения жизнедеятельности человека и расширения его функциональных возможностей» в Центре микротехнологии и диагностики ЛЭТИ создаются бионические микроробототехнические комплексы, включая миниатюрные навигационно-ориентационные системы для автономной навигации и позиционирования. В частности, это миниатюрные летающие роботы-«птички», в прямом смысле порхающие крылышками. Они необходимы и для проведения разведки, и для обеспечения сбора информации в экстремальных условиях, к примеру при повышенной радиационной опасности, возгорании или задымлении объектов.

Еще один очень специфический интересный проект, который в рамках гранта Российского фонда фундаментальных исследований ЦМИД реализует вместе с сотрудниками петербургского Института эволюционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова РАН, — это работа над так называемыми bioboats — живыми лодками. Речь идет о разработке сверхминиатюрной дистанционно управляемой конвергентной биотехнической системы — биоробота на основе интеграции моторики насекомых и искусственных сенсорно-информационных микросистем. На поверхности насекомого устанавливают электронные микрочипы различного назначения и системы управления его движением в виде миниатюрного импульсного генератора. Отправляя импульсы в определенные точки тела, например, таракана, можно определить направление и динамику его движения по управляющему радиоканалу. Такие биороботы найдут спрос и у военных, и у служб спасения, например для поиска людей в завалах.

Намного более массовой продукцией станут «лаборатории на чипе», предназначенные, в частности, для микробиологической экспресс-диагностики патогенных бактерий с использованием оригинальной технологии на основе наноматриц пористого оксида алюминия. Этими приборами заинтересовались специалисты в области борьбы с терроризмом, но в условиях вуза есть ограничения на работу с такими объектами, из-за чего приходилось работать с имитаторами. В итоге совместная работа завершилась передачей заказчику документации, но ОКР продолжает реализовываться с другой организацией.

Похожий проект, предназначенный уже для скрининга населения, по инициативе ЛЭТИ был недавно рассмотрен в Минпромторге. Сейчас министерство планирует выдвинуть его на конкурс, на котором должна быть определена организация для выполнения работ в рамках ФЦП «Развитие медицинской и фармацевтической промышленности Российской Федерации», и Лучинин надеется выиграть этот лот самостоятельно. Но если в конкурсе победит профильная промышленная организация, то можно полноправно рассчитывать на роль соисполнителя, так как лаборатории на чипах полностью подготовлены к промышленному внедрению: созданы рабочие образцы, проведены необходимые процедуры тестирования, укомплектован пакет необходимой технической документации. Промышленным исполнителем, говорит ученый, может стать практически любое из сохранившихся радиоэлектронных предприятий, которое занимается производством печатных плат. Для этого заводу придется предварительно провести модернизацию одного из своих цехов. В этой работе, как и в последующем внедрении технологии производства лабораторий на чипе, готовы участвовать специалисты компании «Центр прототипирования и контрактного производства микро- и нанотехники», созданной на базе ЦМИД для расширения возможностей более оперативной коммерциализации технологий.

«Идея здесь такая, — говорит Виктор Лучинин, — использование лабораторий на чипе предполагает массовое производство, это миллионы единиц продукции, и очевидно, что без взаимодействия с крупными предприятиями никак не обойтись. Но если я смог произвести опытный образец этого прибора у себя на промышленном оборудовании, значит, я смогу попытаться осуществить трансфер этой технологии и на эти предприятия». Со временем потребует внедрения и самая последняя разработка центра в области экспресс-диагностики, необходимая для комплексной доклинической диагностики инфаркта миокарда с последующей передачей полученной информации в телекоммуникационную медицинскую сеть.

Еще одним стимулом для создания компании послужил бурный рост в мире другого междисциплинарного направления — гибкой электроники и фотоники. Это направление, объясняет Лучинин, предполагает переход на системы со встроенными электронными объектами различного назначения на гибких носителях. Одно из применений опять-таки связано с медико-биологической тематикой. Это так называемый e-текстиль, или умная одежда, в которую интегрируется совокупность датчиков, сенсоров с возможностью передачи данных о состоянии человека в телекоммуникационные сети. Изначально исследования в этой области стимулировались военными, интерес которых состоял в возможности эффективно контролировать физиологическое состояние человека в экстремальных условиях. Сейчас эта микро- и нанотехника все больше носит социально ориентированный характер, и со временем речь пойдет о производстве миллионов единиц такой продукции, а значит, создаваемые сейчас технологии в дальнейшем тоже предстоит внедрять на предприятиях инженерам институтской компании.