Прорывы СССР в технологии ALD: как молекулярное наслоение стало западной индустрией

Тема: История технологии ALD и её советские корни · Молекулярное наслоение в СССР и западная коммерциализация метода для производства чипов

Кратко

В статье описан путь технологии ALD: советские учёные ЛТИ им. Ленсовета Алешковский и Кольцов в 1960-х создали метод молекулярного наслоения, но в СССР он остался лабораторным. В 1974 году финн Туомо Сунтола независимо запатентовал ту же идею; на Западе ALD стала ключевой для нанесения High-k диэлектриков в транзисторах меньше 45 нм. В итоге Россия закупала западные установки ALD, использующие принципы, открытые за 40 лет до этого в Ленинграде.

Главное

  • В 1960-х Алешковский и Кольцов из ЛТИ им. Ленсовета первыми сформулировали принцип молекулярного наслоения — поочерёдную подачу реагентов для выращивания атомарно ровных плёнок.
  • ALD позволяет создавать слои толщиной в один атом и необходима для современных транзисторов с элементами 7 или 5 нанометров.
  • В 1974 году Туомо Сунтола независимо запатентовал аналогичный метод как Atomic Layer Epitaxy.
  • В СССР технология осталась невостребованной из-за отсутствия прецизионной механики, сверхчистых газов и управляющей электроники.
  • После перехода к транзисторам меньше 45 нм ALD стала единственным способом наносить High-k диэлектрики, в том числе на основе гафния.
  • Оборудование для промышленной ALD создали Applied Materials и ASML/ASM, а российские «Микрон» и «Ангстрем» закупали такие установки.

История Atomic Layer Deposition (ALD) — это самый наглядный пример того, как фундаментальный прорыв, совершенный в СССР, превратился в многомиллиардную западную индустрию, без которой сегодня не работал бы ни один смартфон.

Советский приоритет: «Молекулярное наслоение»

В 1960-х годах в Ленинградском технологическом институте им. Ленсовета (ЛТИ) профессора Валентин Алешковский и Станислав Кольцов разработали теорию, которую назвали «МН» (молекулярное наслоение).

Они первыми в мире сформулировали принцип: чтобы построить идеальный кристалл или пленку, не нужно «напылять» материал кучей (как из баллончика с краской), нужно заставлять поверхность саму «строить» себя, подавая реагенты по очереди.

Уникальность технологии

Чтобы понять, почему без ALD нельзя сделать современный чип (процессор), нужно представить масштаб. В транзисторе размером 7 или 5 нанометров слой изолятора должен иметь толщину всего в несколько атомов.

Обычные методы (CVD/PVD): Это как засыпать яму гравием. Сверху ровно, но внутри пустоты, а толщина гуляет.

ALD (Молекулярное наслоение): Это химическая самосборка.

Подаем первый газ — он прилипает к поверхности ровно в один слой. Лишнее выдуваем.

Подаем второй газ — он реагирует только с тем слоем, который уже прилип.

Получается идеальная пленка толщиной ровно в один атом.

Почему СССР не смог, а Запад внедрил?

Несмотря на сотни патентов и защищенных диссертаций в ЛТИ им. Ленсовета, технология в СССР осталась «лабораторной игрушкой». Причины были чисто техническими.

Отсутствие прецизионной механики:

Для ALD нужны клапаны, которые открываются и закрываются за миллисекунды миллионы раз подряд без протечек. Советская промышленность не могла массово выпускать такие узлы.

Чистота газов:

Для процесса нужны сверхчистые химические реагенты (прекурсоры). Малейшая примесь — и «атомная мозаика» разрушается. В СССР химия такого уровня была дефицитом.

Электроника управления:

Процессом должен управлять компьютер, который идеально синхронизирует подачу газов и вакуумную откачку.

Западный путь:

В 1974 году финн Туомо Сунтола (не зная о работах ленинградцев) запатентовал ту же идею под названием Atomic Layer Epitaxy. Он нашел применение в плоских дисплеях, а позже Intel поняла, что это единственный способ спасти закон Мура и продолжать уменьшать транзисторы.

Роль в современных чипах (< 45 нм)

До 2000-х годов микросхемы делали «по старинке». Но когда элементы стали меньше 45 нанометров, обычные диэлектрики (диоксид кремния) перестали работать — они начинали «протекать» (ток уходил сквозь слишком тонкую стенку).

Решение пришло именно через ALD - с помощью этой технологии стали наносить так называемые High-k диэлектрики (например, на основе гафния).

Только ALD позволяет создать абсолютно ровный слой изолятора толщиной 2–3 нанометра внутри сложнейших 3D-структур транзисторов.

Итог: Круг замкнулся

В 1990-е и 2000-е годы, когда Россия пыталась реанимировать свою микроэлектронику (заводы «Микрон» и «Ангстрем»), выяснилось, что своих установок для послойного осаждения нет.

Фундаментальная наука была в Ленинграде.

Оборудование создали в США (Applied Materials) и Нидерландах (ASML/ASM).

Итог:

Россия закупала за миллионы долларов установки, работающие на принципах, которые за 40 лет до этого были описаны советскими учеными в ЛТИ им. Ленсовета.

* * *

Другие прорывы, освоенные Западом:

- троичная ЭВМ «Сетунь».

- ЭВМ «МИР»

- "Эльбрус-1"

- РЕФАЛ.

- Ракетный Двигатель Закрытого Цикла.

-  Ионные (плазменные) двигатели

- «Стелс» (Stealth)

Фрагменты

ALD (молекулярное наслоение) — технология нанесения плёнок, при которой реагенты подаются поочерёдно, чтобы каждый слой прилипал к поверхности ровно в один атом.

Обычные методы CVD/PVD похожи на засыпание ямы гравием: сверху ровно, но внутри пустоты, а толщина гуляет. ALD работает как химическая самосборка: первый газ прилипает одним слоем, лишнее выдувается, второй газ реагирует только с этим слоем.

В 1960-х годах в ЛТИ им. Ленсовета Валентин Алешковский и Станислав Кольцов первыми сформулировали принцип: для идеальной плёнки не нужно напылять материал кучей, нужно подавать реагенты по очереди, позволяя поверхности строить себя сама.

Почему СССР не смог внедрить технологию: требовались прецизионные клапаны, сверхчистые химические реагенты и компьютерное управление процессами. Советская промышленность не могла обеспечить эти компоненты в нужном качестве.

Западный путь: в 1974 году Туомо Сунтола запатентовал идею как Atomic Layer Epitaxy, нашёл применение в плоских дисплеях, а позже Intel использовала метод для продолжения закона Мура при уменьшении транзисторов.

Когда транзисторы стали меньше 45 нанометров, диоксид кремния перестал работать как изолятор — через слишком тонкую стенку начинал протекать ток. Решением стало нанесение High-k диэлектриков на основе гафния с помощью ALD.

В 1990-е и 2000-е годы Россия закупала западные установки для послойного осаждения, потому что собственного оборудования не было, хотя фундаментальные принципы были описаны советскими учёными за 40 лет до этого.

Вопросы и ответы

Что такое ALD?
ALD — это технология нанесения плёнок, при которой реагенты подаются на поверхность поочерёдно: первый газ прилипает слоем в один атом, лишнее выдувается, затем второй газ реагирует только с уже прилипшим слоем.
Кто и когда изобрёл принцип ALD?
В 1960-х годах профессора ЛТИ им. Ленсовета Валентин Алешковский и Станислав Кольцов разработали метод «молекулярное наслоение». В 1974 году финн Туомо Сунтола независимо запатентовал ту же идею под названием Atomic Layer Epitaxy.
Почему ALD не внедрили в СССР?
Из-за технических ограничений: отсутствовали прецизионные клапаны, сверхчистые химические реагенты и управляющая электроника, способная идеально синхронизировать подачу газов и вакуумную откачку.
Зачем ALD нужна в современных чипах?
Когда элементы стали меньше 45 нанометров, обычный диоксид кремния начал пропускать ток. ALD позволяет наносить High-k диэлектрики на основе гафния слоем 2–3 нанометра внутри сложных 3D-структур транзисторов.

Комментарии

  1. Не уверен, что связка «прорыв - освоен Западом» корректно описывает механику событий. Сама статья даёт основания сомневаться в причинной связи: отсутствие в СССР прецизионной механики, сверхчистых газов и управляющей электроники означало, что метод существовал как опубликованный принцип, а не как инженерная технология, которую можно было «освоить». Сунтола в 1974 году запатентовал собственную реализацию и довёл её до лицензирования - согласно тексту, независимо от работ Алешковского и Кольцова. Тогда это параллельное открытие в иной инфраструктурной среде, а не заимствование, и заголовочная формула подменяет научный приоритет технологическим вкладом. Ключевой вопрос в том, почему теоретическая школа в СССР оставалась без инженерного контура, а не в том, кто первым описал поочерёдное осаждение - разве не этот разрыв определил, кто получил патенты и производство?

  2. Но в заголовке нет слова "заимствование". Посмотрите и другие мои Статьи, везде расписаны факты, как они были. И данной Статье - Прорыв был? Был. До внедрения дошло? Нет. Причина? - Технологическое отставание. - "почему теоретическая школа в СССР оставалась без инженерного контура", - Технологическое отставание.

  3. Справедливо, что слова «заимствование» в заголовке нет. Но связка «прорыв освоен Западом» всё равно подразумевает передачу готового результата, тогда как по тексту советская работа осталась опубликованным принципом, а Сунтола шёл своим путём. И «технологическое отставание» - скорее итоговый ярлык, чем объяснение: в статье перечислены конкретные разрывы - прецизионная механика, сверхчистые реагенты, управляющая электроника. Вопрос в том, почему теоретическая школа, опередившая Запад на десятилетие, не получила инженерного контура для доводки, а это уже про связку науки и промышленности, а не про абстрактное отставание

  4. - "а Сунтола шёл своим путём", - в чем лично я сильно сомневаюсь. 1974 год, Финляндия - Ленинград. Вспомните, те потоки финнов. в том числе и "туристов". - "Вопрос в том, почему теоретическая школа, опередившая Запад на десятилетие, не получила инженерного контура для доводки, а это уже про связку науки и промышленности, а не про абстрактное отставание". А напомню как расшифровывается название марки станка "ДиП". - Догнать и Перегнать

  5. ...не получила инженерного контура для доводки...весьма спорно. в том Рязанском НИТИ МЛЭ-200 сделали. вот кто искусственно межведомственные барьеры делал?

  6. Проблема была в первую очередь техническая-технологическая. Но если вспомнить межведомственную борьбу, то это тоже серьезный фактор.

  7. Потому что Брежнев и остальная компания сместившая Хрущева не желала видимо всерьёз заниматься технологиями. Они уже не стали переживать за то что их сменят другие более способные, как это предлагал Хрущёв - устраивать ротацию кадров. Потому они решили и заняться распродажей природных полезных ископаемых. Благо уже открыты огромные месторождения нефти и газа и начался их экспорт заграницу. Потом чтобы получить доступ к другим месторождениям они и начали строительство БАМа, а научно-технологический прогресс их не так уж и интересовал. Впрочем после развала СССР эта тенденция вовсю ускорилась. Новые капиталистические власти вообще решили, что они будут «Мы рассчитывали на то, что мы, продавая нефтегаз, уголь и металлические заготовки, будем получать все высокотехнологичное за эти деньги где-то за бугром. Но есть возможность. Появилась необходимость — оказалось, что есть и возможность производить все самим. Не все, но то, что нужно» . Так что отставание ещё больше ускорилось.

  8. Дочитала до «Микрона» с «Ангстремом» и вот о чём подумала 🙂 Может, дело было не столько в отставании, сколько в том, что ALD по-настоящему понадобилась всем только с транзисторами ниже 45 нм, то есть спустя десятилетия после работ Алешковского и Кольцова

  9. Тут тогда имеется проблема в Устойчивом Прогнозировании Будущего. Значит, у Запада она решается лучше.