Внутри смартфона
Факт, который часто вспоминают, говоря о троицкой науке: если взять любой современный смартфон, то его процессор, скорее всего, сделан по технологиям, начало которым положили исследования Института спектроскопии. 15 мая об этом узнали и старшеклассники Гимназии им. Пушкова.
Они пришли в Дом учёных на лекцию «Фотолитография, или как производят чипы для ваших смартфонов» Вячеслава Медведева, завотделом атомной спектроскопии ИСАН – того самого, где создавались передовые технологии нанолитографии. Кстати, в 2018-м Медведев стал троицким «Человеком года» в номинации «Инновации» как гендиректор компании «РнД-М». Вячеслав не раз делал доклад на конференциях в ИСАНе, на Школе учителей физики… Но для школьников надо начинать с азов.
В первых рядах – две дочери лектора. «Стало интересно послушать, – говорит старшая, Елизавета. – В школе мы это ещё не проходили, но я уже кое-что знаю, папа рассказывал…» «Знаете ли вы, что такое спектроскопия? Кто слышал?» – начинает рассказ Медведев. «Разбиение света на спектр», –
отвечает самый смелый. Короткий эксперимент: мощный фонарик в руках учёного и дифракционная решётка (отражающий элемент), которую держит Лиза. Вот и радуга видна, прямо на
потолке!
Ближе к теме. Что нужно от смартфона? Компактность и эффективность. «Для этого на поверхности устройства должно быть как можно больше, например, транзисторов, – поясняет Медведев. – Уменьшая их, вы снижаете энергопотребление. Когда элементы микросхем превышали 100 нанометров, смартфоны были невозможны именно по этой причине. Ёмкости батарей и тепловые нагрузки были бы неприемлемо высокими».
Как делаются чипы? Сначала нужно изготовить цилиндр трёхметрового диаметра из монокристалла кремния. Эта «колбаса» режется на пластины по 0,5 мм, наносится покрытие («стройматериал» для микроэлементов) и фоторезист –
светочувствительный слой, на который проецируется и вытравливается «чертёж» микросхемы. «Это всё равно что выжигать на дереве при помощи лупы и света. Вы когда-нибудь это пробовали де-
лать?» – спрашивает он. Школьники молчат… Дальше диск разрезают на крохотные кусочки – чипы, от английского chip – «щепки, обломки» (отсюда же слово «чипсы»).
Какие характерные размеры элементов? «Одна десятитысячная миллиметра!» «Значит, 100 нанометров, – мгновенно пересчитывает лектор. – Неплохая догадка. Но современные технологии, реализованные в смартфонах или серверных компьютерах, стремятся к элементам в несколько нанометров».
Почему же нельзя сделать поменьше? Оказывается, чтобы «выжигать» элементы, нужна особая лупа и особый свет. Нельзя сделать пятно излучения меньше, чем позволяет дифракционный предел: функция от длины волны и апертуры оптической системы. Значит, надо переходить от видимого света (380 – 760 нм) к ультрафиолету. В 2000-е на пике были эксимерные лазеры, например, на молекулах аргон-фтор. Это 193 нм, а элементы делают и мельче, до десятков нанометров, за счёт многократной экспозиции и других ухищрений. Но это дольше, сложнее, выше процент брака. Нужны были новые источники. Они есть –
например, лазер на свободных электронах, занимающий примерно футбольное поле. И тут, кстати, пришлось одно из исследований ИСАНа по лазерной плазме (пары олова), излучающей на 13,5 нм.
В 2000-х были научные доклады, с 2011-го начался бурный рост индустрии EUV-литографии. Научным руководителем Вячеслава Медведева как раз был автор этих работ Константин Кошелев. История технологии, покорившей мир, требует отдельного рассказа…
Но и тут, по законам жанра, появляются проблемы. Коэффициент светопропускания обычных линз резко падает в ультрафиолете, используя зеркала и особые материалы, можно спуститься чуть ниже – до 100 нм, но в
13,5 нм все они будут «черны». Работают специальные интерференционные зеркала из нанометровых слоёв молибдена и кремния.
«В полной мере объяснить вам, как они действуют, можно будет, только когда вы пройдёте курс общей физики в институте», – замечает лектор.
«А почему нельзя сделать меньше, чем нанометр? – задаёт он вопрос на внимательность. – Какие есть ограничения?» «Размер атома!» – отвечает самый сообразительный парень. А каков он? Ребята теряются. Видно, что зал «поплыл» и пора ставить точку, а также позвать школьников на экскурсию в ИСАН, где находится одна из исследовательских установок с лазером на парах олова.
Не тяжеловат ли оказался материал для слушателей? «Сложно бывает всегда, – считает лектор. –
Им приходится напрягаться для того, чтобы что-то понять, нам приходится напрягаться для того, чтобы им это понятнее объяснить. Важно, чтобы шёл диалог. Поэтому нужно постоянно встречаться, разговаривать с учителями и со школьниками».
Владимир МИЛОВИДОВ,
фото автора