Elektronové mikroskopy v akci: Brněnské týmy vyvíjí energeticky úsporné čipy
Čipy pro solární články i nabíječky elektromobilů
Čipy na bázi nitridu galia poskytují více energie na malém prostoru a vysoce efektivně energii přeměňují. Díky tomu přímo přispívají k úsporám a špičkovým inovacím v oblasti zelených technologií. V široké škále aplikací, do kterých v rámci projektu budou směřovat, mají potenciál ušetřit celosvětově až 218 milionů tun CO2 za rok.
„V Česku obecně býváme vůči zelené energii dost skeptičtí. V případě aplikace všech typů čipů, na jejichž vývoji se v rámci projektu podílíme, se ale ušetří řádově šestina roční celosvětové výroby elektrické energie z jaderných elektráren. Pro Thermo Fisher Scientific je takové zaměření klíčové. Udržitelný design je nejen přímo technickým parametrem našich zařízení, ale zapojujeme se i do vývoje řešení, která k udržitelnosti významně přispívají, jako v případě projektu All2GaN,“ popisuje Tomáš Vystavěl z vývojového týmu předního světového výrobce elektronových mikroskopů.
Z nové generace tzv. GaN čipů budou těžit telekomunikace, datová centra a serverové farmy, stejně jako e-mobilita, obnovitelné zdroje energie a vysoce účinná řešení inteligentních sítí.
„Ač je nitrid galia dlouho studovaný materiál, stále existuje mnoho otázek a technologických problémů, jejichž vyřešení umožní výrobu pokročilých čipů s atraktivní cenou. Cílem je nové znalosti zužitkovat v součástkách, které zásadním způsobem změní trh s výkonovou elektronikou – plánovány jsou účinnější měniče napětí, elektronika v zařízeních pro konverzi energie, jako jsou solární články, anebo výkonná bezdrátová nabíječka pro elektromobily,“ přibližuje cíle projektu Miroslav Kolíbal z Fakulty strojního inženýrství a CEITEC Vysoké učení technické v Brně.
Zkoumání dislokací pomocí elektronových mikroskopů
Cesta k aplikaci těchto pokročilých čipů do výkonové elektroniky začíná u materiálového výzkumu. „Podílíme se na analýze a vývoji substrátů z nitridu galia pro výrobu čipů. Materiál obsahuje dislokace – čárové poruchy krystalové mříže, což může způsobit, že čip funguje jinak, než jak byl navržen. Přispíváme tak tomu, aby výrobci čipů mohli pracovat se substráty s minimálním počtem dislokací,“ popisuje Tomáš Vystavěl zapojení vývojového týmu firmy Thermo Fisher Scientific.
Ve vývoji čipů hrají zásadní roli zařízení umožňující v některých případech rozlišení až na úrovni atomů. „V Brně vyvíjíme mikroskopy, díky kterým jsme schopni pozorovat a kvantifikovat možné defekty čipu, a to bez poškození, což je velká přidaná hodnota. Tato tzv. nedestruktivní charakterizace se provádí díky unikátním technikám rastrovacího elektronového mikroskopu,“ vysvětluje.
Další fáze výzkumu spočívá v přípravě tenkého vzorku, který se následně pozoruje v transmisním elektronovém mikroskopu a vede například k odhalení příčin selhání čipu. „Tady spolupracujeme s kolegy z VUT, kteří jsou odborníky na fyziku defektů a zjišťují, jak mohou ovlivnit vlastnosti zařízení,“ zmiňuje Vystavěl úzké propojení na výzkumný tým Miroslava Kolíbala.
„Výzkum Thermo Fisher Scientific budeme podporovat komplementárními pokročilými analytickými technikami. V tomto ohledu je pro nás klíčová infrastruktura výzkumného centra CEITEC Nano,“ říká Miroslav Kolíbal, který se zabývá fyzikou materiálů, nanotechnologiemi a ve výzkumné činnosti v těchto oblastech využívá intenzivně právě elektronové mikroskopy vyrobené v Brně.
„V projektu se, stejně jako Thermo Fisher Scientific, zaměřujeme na dislokace, což je v řeči fyziků čárová porucha v pravidelném uspořádání atomů v krystalu. Jedním z výzkumných úkolů je pozorování pohybu dislokací v GaN materiálu pomocí transmisního elektronového mikroskopu. A ve spolupráci s dalšími industriálními partnery se budeme podílet na použití vybraných analytických technik ve výrobním prostředí,“ shrnuje Kolíbal zapojení do ALL2GaN.
„Máme už metodologii, jak defekty pozorovat, ale s potřebou velmi zkušeného operátora. Je to jako dodávat Formuli 1 s tím nejlepším pilotem. Naším úkolem je ale ověřit, že dnes manuální metody jsme schopni nastavit a automatizovat přímo při výrobě,“ přibližuje Vystavěl tuto část projektu All2GaN, ve které hrají brněnští odborníci stěžejní roli.
Uznávaní odborníci z Brna
Oba brněnské týmy se mezi celkem 45 partnerů projektu z 12 evropských zemí nedostali náhodou, ale jsou v oblasti polovodičového průmyslu etablovaní. Už v minulosti odborníci z Thermo Fisher Scientific úspěšně řešili projekty spojené s charakterizací defektů krystalové mřížky s výrobci napojenými např. na IMEC v Belgii.
I na VUT je vývoj detekčních technik pro analýzu povrchů a pevných látek ukotven historicky – výzkumná skupina profesora Tomáše Šikoly se podílela např. na úspěšném vývoji mikroskopu UHV SEM ve spolupráci s firmou Tescan, z výzkumné skupiny také vzešel spin-off NenoVision. „Konkrétně i s nitridem galia jsme pracovali už dříve v rámci spolupráce s Onsemi, takže v základním výzkumu orientovaném na tento materiál máme zkušenosti,“ říká Miroslav Kolíbal.
Zapojení do projektu All2GaN tak jen potvrzuje špičkový výzkum v regionu propojující elektronovou mikroskopii a polovodičový průmysl. Ten může mít podle docenta z Ústavu fyzikálního inženýrství strojní fakulty VUT v Brně do budoucna ještě větší přesah: „Těší nás, že výrazným rysem projektu je umístění celé výroby v Evropě. V souladu s aktuální aktivitou tzv. Chips Act může pomoci kontinentu ustavit vedoucí pozici v konkrétním segmentu polovodičového průmyslu, výkonové elektronice, kde je to narozdíl od logických obvodů v procesorech realistické.“
Výrazně k tomu přispívají právě vědecká pracoviště a firmy z #brnoregion, místa, ze kterého se bude koordinovat vznik a činnost národního kompetenčního centra pro čipy.