CC BY
31
2
Микро- и нанотехнологии в новом технологическом укладе
Центру микротехнологии и диагностики Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» — 25 лет!
Центр микротехнологии и диагностики (ЦМИД) ведет свою историю с марта 1986 г. Именно тогда на базе специально построенного в Ленинградском электротехническом институте (ЛЭТИ) (в настоящее время Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ») комплекса гермобло-ка был создан Межвузовский отдел микроэлектронной технологии (МОМЭТ)1. Он вошел в состав НИЧ ЛЭТИ и, кроме того, стал выполнять функции структурного подразделения Северо-Западного регионального экспериментально-производственного комплекса МВиССО РСФСР. Руководителем МОМЭТ был назначен канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры диэлектриков и полупроводников В. В. Лучинин.
МОМЭТ был ориентирован на ускорение разработок в области гибких производственных систем микроэлектроники на основе корпускулярной технологии и диагностики для освоения приборов интегральной электроники и оптики, а также на совершенствование подготовки соответствующих инженерных, научных и педагогических кадров.
Для кадрового обеспечения деятельности нового подразделения был сформирован временный научно-производственный коллектив2, в состав которого вошли сотрудники МОМЭТ, ряда кафедр (ДП, МИТ, РЭЛП, ЭИВТ, АиПУ) и лабораторий (ЭФПДП, СКУ). Впоследствии многие сотрудники этих подразделений ЛЭТИ стали сотрудниками МОМЭТ.
К середине 1986 г. были введены в эксплуатацию основные инженерные системы гермоблока ЛЭТИ, и уже к концу 1987 г. МОМЭТ представлял собой современный экспериментально-лабораторный комплекс, оснащенный аналитической аппаратурой Сумского ПО «Электрон» и технологическим оборудованием, приобретенным в Зеленоградском научном центре.
Основными направлениями деятельности МОМЭТ на стадии становления были определены:
• разработка и создание новых композиций материалов и приборов для сверхскоростной обработки информации и работы в экстремальных условиях;
• корпускулярная диагностика материалов и элементов микро- и оптоэлектроники, включая аппаратно-программные средства;
• молекулярная электроника на основе биосред.
К концу 1980-х гг. в МОМЭТ уже работало до
60 человек, а его доля в общем объеме НИОКР ЛЭТИ составляла более 15 %. В 1986 г. сотрудники МОМЭТ за разработку первых в стране автоматизированных электронных микроскопов — растрового и просвечивающего — были удостоены золотой и серебряной медалей ВДНХ. В этот период
1 Приказ ректора ЛЭТИ от 10.03.86 г. № 265 «О развитии учебно-научно-производственной базы вуза» во исполнение приказа Минвуза СССР от 30.07.84 г. № 242.
2 Приказ ректора ЛЭТИ от 07.05.86 г. № 487 «Об организации временного научно-производственного коллектива».
основными заказчиками МОМЭТ являлись предприятия Минприбора, Минэлектронпрома, Минрадио-прома и Минсудпрома.
В 1991 г. МОМЭТ был реорганизован1 в Центр микротехнологии и диагностики (ЦМИД) в составе электрофизического факультета.
Целевым назначением ЦМИД были определены фундаментальные и прикладные исследования, а также подготовка, переподготовка и повышение квалификации кадров на основе интеграции научного и учебного потенциалов с использованием современной экспериментально-производственной базы.
Целевую ориентацию ЦМИД на тот момент определяли следующие тематические направления:
— разработка новых технологий синтеза широкозонных неорганических материалов электронной техники;
— разработка новых технологий синтеза биокристаллических сред и их аналогов для сенсорики и молекулярной электроники;
— разработка новых технологий нанесения функциональных, защитных и декоративных покрытий;
— разработка и изготовление элементов функциональной электроники и микромеханики;
— разработка новых методов диагностики микрообъектов неорганической и органической природы;
— разработка технологических, аналитических и функциональных систем для целей микротехнологии, научного приборостроения, точного машиностроения, а также для медико-биологических целей (включая системы контроля окружающей среды, состояния человека и других биообъектов) с использованием новых физических принципов и элементной базы.
Принципиально важным являлось то, что ЦМИД работает на условиях самофинансирования. Это отражало реалии того времени и определило финансовую модель работы Центра вплоть до настоящего момента. К концу 1991 г. ЦМИД с помощью своего стратегического партнера ЦНИИ «Гранит» модернизировал лабораторную базу, создав современные участки фотолитографии и технохимии на базе отечественного комплекса «Лада». Несмотря на объективные трудности «лихих 90-х», ЦМИД не только сохранил, но и развил научно-образовательный и кадровый потенциалы в таком перспективном, быстро развивающемся направлении, как физика и технология микро- и наносистем.
В качестве доминирующих научно-образовательных направлений были выбраны:
• развитие материаловедческого базиса микро-и наносистем на основе естественных и искусственно создаваемых материалов неорганической и органической природы, обладающих полиморфизмом и склонных к самоорганизации;
1 Приказ ректора ЛЭТИ от 12.10.91 г. № 1064 «О преобразовании Межвузовского отдела микроэлектронной технологии (МОМЭТ) в Центр микротехнологии и диагностики (ЦМИД)».
• развитие перспективных процессов атомно-мо-лекулярной технологии и диагностики, включая молекулярное наслаивание и матричную сборку, сверхлокальное корпускулярно-лучевое травление, зондовую атомно-силовую и растровую электронную микроскопию;
• создание микро- и наносистем (сенсоров, транс-дьюсеров, актюаторов) на основе синтезированных и природных неорганических и органических материалов и их композиций для сверхминиатюрных сенсорных, исполнительных, энергетических устройств и машин, аналитико-технологических, медико-биологических и робототехнических систем нового поколения;
• обеспечение требуемого уровня подготовки высококвалифицированных кадров, адаптированных к современным физико-химическому и информационному базисам, способных организовать научные исследования и учебный процесс с использованием прогрессивных технологий.
Исходя из имеющегося аппаратурного базиса и наработанной технологической культуры в качестве основных материалов неорганической природы были выбраны широкозонный полупроводник карбид кремния и его изоструктурный аналог нитрид алюминия, обладающие кристаллохимической и термомеханической совместимостями, а также сверхустойчивостью к воздействию высоких температур и радиации.
В качестве второй группы материалов были определены органические амфифильные вещества — аналоги фосфолипидов. Данный выбор был предопределен тем, что природные фосфолипиды составляют основу оболочек биомембран, образуя разнообразные молекулярно-упорядоченные бислойные или многослойные наносистемы.
Интегративным элементом для выбранной группы неорганических и органических материалов являлся углерод, который может образовывать (независимо от природы вещества, в синтезе которого он участвует) сходные структурные конфигурации при гибридизации связей на атомно-молекулярном уровне и, кроме того, в силу пространственного «энергетического конформизма» (конформационной изомерии) способен в условиях молекулярных комплексов поддерживать структурно-конформацион-ную вариабельность, т. е. полиморфизм.
Реализация вышеуказанного комплекса работ в эти трудные для отечественной науки и образования годы осуществлялась в рамках ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники гражданского назначения» (подпрограмма «Технологии, машины и производство будущего»), межвузовских научно-технических программ: «Научное приборостроение», «Человек в экстремальных условиях», «Приборы и устройства интегральной электроники», «Алмазоподобные композиции», «Датчики» и плана работ Международного научно-технического центра (проект МНТЦ 204-95), грант ЩТАЙ 13-93.
К 2000 г. коллективу ЦМИД удалось:
• разработать аппаратурно-методическое обеспечение процессов получения слоевых, мезаструктур-ных и латерально-упорядоченных гомо- и гетеро-
эпитаксиальных композиций в неорганической системе «карбид кремния — нитрид алюминия»;
• разработать и реализовать способы искусственного синтеза и кристаллизации низкомолекулярных органических амфифильных веществ — аналогов фосфолипидов, являющихся основой биомембран, исследовать структурные и электрофизические свойства материалов, полученных в твердом состоянии.
Были разработаны и созданы микроприборы и базовые структуры на основе широкозонных материалов и их композиций (карбид кремния, нитрид алюминия, аналоги фосфолипидов), включая:
• солнечнослепые нитридоалюминиевые фотоприемники жесткого (Амах = 0,24 мкм) ультрафиолетового излучения;
• тензорезистивные карбидокремниевые высокотемпературные (более 400 °С) радиационно-стойкие (более 1015 нейтронов/см2) датчики давления;
• структуры поверхностной микромеханики на основе высокотемпературной радиационно-стойкой композиции «карбид кремния — нитрид алюминия» для емкостных первичных преобразователей микроакселерометров и микрогироскопов;
• высокостабильные карбидокремниевые мезаре-зистивные структуры на изолирующей подложке мембранного типа для высокотемпературных бескорпусных терморезистивных датчиков температуры, термоанимометрических датчиков потока, мик-ротермонагревательных элементов, ИК-микроизлу-чателей;
• высокостабильные карбидокремниевые интегрированные микросистемы «нагреватель — датчик температуры» для миниатюрных аналитико-техно-логических систем и инструмента;
• низкоинерционные первичные преобразователи резистивного и емкостного типов на основе слоев аналогов фосфолипидов для датчиков влажности.
В этот непростой период ЦМИД сохранил свою штатную численность, омолодил научно-инженерный персонал. Сотрудники ЦМИД и аспиранты кафедры микроэлектроники, выполнявшие свои исследования на базе ЦМИД, защитили в эти годы одну докторскую и более 10 кандидатских диссертаций.
Начало XXI века ознаменовалось ростом востребованности разработок ЦМИД. В период 20022010 гг. наибольшее развитие получили работы в области микро- и наносистемной техники, включая разработку и создание:
• кристаллов чувствительных элементов для семейства отечественных микроэлектромеханических и теплофизических сенсорных систем (датчиков давления и ускорения, гироскопов и термоанемометров);
• виброакустических микрооптомеханических систем с волоконно-оптическим съемом информации;
• миниатюрных навигационно-ориентационных интегрированных модулей на основе микроэлектромеханических систем;
• низкоэнергопотребляющих радиотехнических компонентов на основе микроэлектромеханических ключей;
• микро- и наноаналитических систем («лаборатории на ЧИПе») для медико-биологической экспресс-диагностики.
биотехносфера
| № 1-2(13-14) 20 ]
Наряду с этим был создан аппаратурно-методи-ческий базис реинжиниринга кристаллов интегральных схем для обеспечения работ в области информационной безопасности.
В этот период основными заказчиками ЦМИД становятся организации силовых ведомств России. Значительно возрастают финансирование работ и их востребованность.
В 2007-2008 гг. ЦМИД активно участвует в реализации вузом инновационного образовательного проекта и вместе с другими кафедрами факультета электроники обеспечивает развитие научно-образовательного процесса в области физики и технологии микро- и наносистем в рамках направлений «На-ноэлектроника и фотоника», «Нанотехнология и диагностика», «Нано- и микросистемная техника». Этот этап характеризуется значительным техническим перевооружением Центра. Создается новая чистая комната с современной системой инженерного обеспечения (3-я стр. обложки, рис. 1). Вводится в эксплуатацию новейшее технологическое и аналитическое оборудование зарубежного производства.
В рамках организации исследований и образовательного процесса в области физики и технологии микро- и наносистем наиболее актуальными задачами определены:
• создание гетерослоевых и латерально-упоря-доченных микро- и нанокомпозиций на основе материалов неорганической и органической природы для приборов микро- и наноэлектроники, микросистемной техники;
• создание аппаратурно-методического базиса, обеспечивающего управляемый синтез неорганических и органических микро- и нанокомпозиций и возможность получения информации об их структуре, составе, геометрии, электрофизических и оптических параметрах (3-я стр. обложки, рис. 2, 3);
• разработка и создание микроприборов нового поколения для экстремальных условий эксплуатации, аккумуляции и генерации энергии (3-я стр. обложки, рис. 4,5), защиты от электромагнитного излучения, экспресс-контроля состояния человека и техногенно-опасных объектов.
В начале 2009 г. в связи с участием университета в реализации ФЦП «Развитие инфраструктуры нано-индустрии в РФ на 2008-2010 гг.» на базе ЦМИД создается научно-образовательный центр (НОЦ) «Нанотехнологии »1.
Профильной ориентацией, закрепленной за университетом и НОЦ «Нанотехнологии» в рамках работ, реализуемых Агентством по образованию в области наноиндустрии, была определена «Нанотехнологии для систем безопасности».
Директором НОЦ «Нанотехнологии» был назначен канд. физ.-мат. наук Корляков А. В., а научное руководство возложено на д-ра техн. наук В. В. Лу-чинина.
Ядро штатного состава НОЦ «Нанотехнологии» составили сотрудники ЦМИД. В качестве базовых научно-образовательных направлений НОЦ «Нано-
1 Приказ ректора СПбГЭТУ «ЛЭТИ» от 26.02.09 г. № 350 «О создании научно-образовательного центра по направлению "Нанотехнологии"».
технологии» на среднесрочную перспективу были определены следующие:
• развитие технологической и контрольно-диагностической баз для организации исследований и образовательного процесса по междисциплинарным направлениям создания информационных и биотехнических систем нового поколения, основанных на конвергенции наноразмерных объектов органической и неорганической природы;
• организация мелкосерийного производства нано-и микроразмерных оптоэлектромеханических, флюидных и биотехнических компонентов для сверхминиатюрных высокочувствительных сенсорных и исполнительных микроэнергопотребляющих робототех-нических устройств;
• решение задач аппаратно-методического обеспечения национальной безопасности, определяемой рисками и угрозами случайного и преднамеренного использования наносистем технической, биологической и конвергентной природы с недокументированными возможностями в отношении информационных и биологических воздействий на технические объекты, информационные сети и человека.
Финансирование НОЦ «Нанотехнологии» в рамках ФЦП позволило дополнительно создать в чистых комнатах гермоблока ряд лабораторий и участков нанотехнологической направленности и поставить ряд новых нанотехнологических процессов: молекулярную химическую сборку из газовой фазы, получение упорядоченных массивов углеродных на-нотрубок, молекулярное наслаивание из жидкой фазы (метод Ленгмюра—Блоджетт).
Наиболее значимой совместной работой ЦМИД и НОЦ «Нанотехнологии» стала реализация в 20092010 гг. контракта на создание и поставку научно-учебной лаборатории нанотехнологии и диагностики, представляющей собой многофукциональный комплекс из двенадцати специализированных рабочих мест.
В 2010 г. ЦМИД был переименован в НОЦ «Микротехнологии и диагностики»1.
На начало 2011 г. штатный состав НОЦ «Микротехнологии и диагностики» и НОЦ «Нанотехнологии» включал 125 сотрудников, в том числе 2 доктора и 28 кандидатов наук. Эти научно-образовательные центры являются экономически эффективными инновационными подразделениями университета, обеспечивающими взаимодействие фундаментальной и прикладной науки с образовательным процессом на разных стадиях, включая коммерческое использование результатов и кадровое обеспечение наукоемкого производства.
Директор Центра микротехнологии и диагностики, заведующий кафедрой микроэлектроники СПбГЭТУ, д-р техн. наук, профессор В. В. Лучинин.
1 Приказ ректора СПбГЭТУ «ЛЭТИ» от 01.06.10 г. № 1068 «О реорганизации Научно-учебного центра микротехнологии и диагностики в Научно-образовательный центр микротехнологии и диагностики».
