Петербургские ученые выращивают материал для микросхем будущего

Импортозамещению поможет беглый атом. Технологи Петербургского института проблем машиноведения придумали, как синтезировать карбид кремния — материал, идеально подходящий для любой электроники. Сделать открытие помогла наблюдательность.

Есть такие минералы, которые много сотен миллионов лет лежат в воде, и их живые клетки замещены неорганические в процессе длительного синтеза в морской воде в теплой температуре. Поэтому возникла мысль, что нужно вытащить часть атомов кремния, и внедрить атомы углерода, но так, чтобы не разрушить.

Сергей Кукушкин, руководитель лаборатории структурных и фазовых превращений в конденсированных средах Института проблем машиноведения РАН

Эксперименты начались еще в 2004 году, технологи провели тысячи опытов, пробовали разную температуру, разное давление, разное количество углекислого газа. Если нагреть кремний слишком сильно, то он плавится. Если температура недостаточна, то реакция не идет. Идеальные условия нашли.

Контролируют выращивание карбида кремния с помощью приборов: один измеряет температуру, другой запускает газы, третий контролирует вакуум, есть панель управления и генератор. Включаем питание, цифры появляются, включаем прибор и можем управлять мощностью: делаем несколько оборотов по часовой стрелке, чтобы мощность стала больше. Процесс запущен.

Чтобы синтезировать карбид кремния, материал надо разогреть до 1 200 градусов по Цельсию. В таких условиях из молекулы кремния «убегает» один атом. Если в этот момент под нужным давлением запустить угарный газ, то вакантное место занимает атом углерода. Получается как в музыке, когда пауза становится элементом симфонии.

Карбид кремния — это совершенно уникальный материал, в котором отсутствие одного атома кремния обеспечивает все необходимые свойства, которые люди искали на протяжении десятилетий. В настоящее время для этого используются современные очень дорогостоящие ускорители с частицами, которые выбивают атомы из карбида кремния. А мы в нашей лаборатории разработали совершенно другой, несопоставимо более дешевый способ.

Андрей Осипов, главный научный сотрудник лаборатории структурных и фазовых превращений в конденсированных средах Института проблем машиноведения РАН

У Института проблем машиноведения есть две лаборатории. Если в одной проводят опыты и выращивают карбид кремния, то в другой высчитывают, исследуют образцы и готовят пленку для синтеза.

В лаборатории на Васильевском острове много есть много приборов. Самый инновационный из них — эллипсометр. Он измеряет свойства тонких пленок. 

Именно в этой подвальной лаборатории всё начиналось. Профессор Сергей Кукушкин заразил идеей коллег по институту, и они стали искать новые материалы. Энтузиазм принес свои плоды, но его хватает не на всё.

Сейчас мы находимся как раз в такой точке, когда мы уже всё сделали: диод светится, транзистор работает, решена совершенно не тривиальная проблема выращивания этих слоев на кремниевых пластинах. Решены все технологические проблемы, которые принципиально могли возникнуть уже в производстве самих элементов. И всё равно дело не двигается.

Владимир Полянский, директор Института проблем машиноведения РАН

Карбид кремния можно использовать при температуре до 300 градусов и в космическом вакууме. Его синтез — это прорывная российская технология. Но дорога до серийного производства уже не в компетенции ученых, и пока выращивание этого инновационного материала остается просто разработкой, пусть и уникальной.