Technologie półprzewodnikowe jako wyzwania badawcze

fot. oskay/CC/Flickr

Technologia półprzewodnikowa pozwala tworzyć inteligentne czujniki, niezawodne systemy i układy scalone wykorzystywane w telekomunikacji, medycynie, ochronie środowiska, chemii, biochemii, przemyśle samochodowym, lotniczym, kosmicznym, rozrywkowym.

Globalny rynek na produkty krzemowe szacowany jest na 14 mld dolarów. Wyzwań dla badaczy i konstruktorów nie brakuje, bo w mikroskali można wykonać nie tylko to, co buduje się w skali makro, ale także - i przede wszystkim - to, co w świecie "normalnych" wymiarów wydaje się nierealne. Ten, kto stworzy produkt, jakiego nie ma jeszcze na rynku, może liczyć na zyski kilkaset razy przewyższające nakłady - mówił 24 listopada na Politechnice Warszawskiej prof. dr hab. Ryszard S. Jachowicz. 

Wykład "Czy krzem może latać?" w cyklu otwartych wystąpień popularyzatorskich Wszechnica WEiTI (Wydziału Elektroniki i Technologii Informacyjnych PW) miał zachęcić młodzież licealną do wyboru studiów inżynierskich.

Jak tłumaczył prof. Jachowicz, najbardziej popularny materiał dla półprzewodników to krzem - pierwiastek czterowartościowy dodatni, z którego budowana jest większość wszystkich układów scalonych. Układy te opierają się na przepływie ładunków elektrycznych, ale krzem może pracować na wiele różnych sposobów w oparciu o swoje właściwości mechaniczne i cieplne.

"Krzem ma znakomite parametry materiałowe, pod wieloma względami lepsze od stali, m.in. jeżeli chodzi o wytrzymałość, o powtarzalność i stabilność parametrów stal w ogóle nie może się z nim równać! Wiele konstrukcji, które są budowane w skali makro, jako wielkie konstrukcje mechaniczne, można zrobić w mikrowymiarach, a będą pracować znacznie lepiej" - przekonywał.

Uczony rozszyfrował skróty obecne w naukowej terminologii, pochodzące od angielskich nazw poszczególnych gałęzi wiedzy i zastosowań. Wyjaśnił, że dziedzina, która mówi o budowaniu mikrosystemów określana jest jak MST, natomiast MEMS to skrót oznaczający mikrosystemy oparte na elektrycznym i mechanicznym działaniu. Obecnie nazwy te stosowane są wymiennie. Na przecięciu kilku dziedzin, takich jak mechanika, optyka i elektronika, powstała gałąź technologii zwanych MOEM. Istnieją też mikrosystemy do analizy składu chemicznego i takie, w których strukturze znajduje się materiał biologiczny, czasem wcześniej żywy, a nieraz żywy - jak bakteria czy grzyb.

Młodzież zgromadzona na Politechnice Warszawskiej dowiedziała się, że technologia mikrosystemów pozwala robić systemy o wielkim stopniu komplikacji. W elektronice zastępują one elementy o dużej zawodności - przełączniki, elementy mechaniczne. Ich wysoka niezawodność wynika między innymi z faktu, że są wykonywane w super czystych warunkach. Dlatego łatwo jest zapewnić sterylność takich konstrukcji dla zastosowań medycznych.

"W technologii półprzewodnikowej ogromną zaletą jest masowa produkcja. Płyty krzemu wielkości dużego talerza stołowego pozwalają na wykonanie wielu struktur o wymiarach 2,5 mm na 2,5 mm. Może ich być nawet kilkaset tysięcy na jednej płycie, a w procesie wytwórczym do pojemnika wkłada się 25 płyt. Wszystko jedno, czy wykonujemy jedną sztukę, czy kilkadziesiąt tysięcy - kosztuje to tyle samo i dlatego potem jednostkowo jest takie tanie" - wyjaśniał prof. Jachowicz.

Technologia półprzewodnikowa zapewnia zatem wyjątkowo niskie koszty wytwarzania. Choć przygotowanie konstrukcji jest drogie, to późniejsza produkcja dużej liczby systemów jest bardzo opłacalna. Rynek na produkty krzemowe tworzy telekomunikacja, medycyna, ochrona środowiska, chemia, biochemia, przemysł - w tym rozrywka, inteligentne domy, zastosowania militarne, samochodowe i kosmiczne. Globalnie spektrum zastosowań szacowane jest na 14 mld dolarów.

"Mam nadzieję, że was to na tyle zainteresuje, że nie tylko będziecie to chcieli poznać dogłębniej, ale później robić takie rzeczy, projektować, badać" - powiedział słuchaczom wykładowca. Dodał, że wyzwań nie brakuje, a sukces, także finansowy, jest w zasięgu ręki.

"Dzisiaj można każdą rzecz zrobić w mikroskali. To tylko kwestia pieniędzy i czasu, takiego iloczynu. Różnorodność potrzeb aparaturowych w tej dziedzinie może rozwiązać potrzeby ochrony środowiska, motoryzacji, przedmiotów powszechnego użytku... W przyszłości - cokolwiek byście wymyślili takiego, co wydaje się nierealne - może być realne w tej technologii. (...) To właśnie wykorzystuje venture capital w Silicon Valley. Oni finansują tylko te produkty, których dotychczas na rynku nie było - te, najbardziej nowoczesne, które potem można sprzedawać po dowolnej cenie" - zachęcał prof. Jachowicz.

Zaznaczył, że na 100 takich projektów jedynie 30 się sprawdza, zaś w 70 przypadkach to są "pieniądze wyrzucone w błoto". Ale zyski z tych przedsięwzięć, które się powiodą, kilkaset czy kilkadziesiąt razy przewyższają nakłady. Technologia jest opłacalna, bo nawet mała linia technologiczna pozwala na rozwinięcie produkcji seryjnej wielu unikalnych rozwiązań, gdzie zapotrzebowanie może być liczone w dziesiątkach tysięcy sztuk.

Prof. Jachowicz zapewnił licealistów, że sam zajmuje się technologią półprzewodnikową od wielu lat, a wciąż jest nią zafascynowany. Jego zdaniem ci, który podzielą tę fascynację, powinni zająć się zawodowo podobnymi badaniami. Podkreślił, że człowiek, który wybierze zawód stanowiący jednocześnie jego pasję, przez całe życie nie będzie musiał pracować, bowiem praca będzie dla niego zabawą.

Wśród wielu przykładów, jakie profesor zaprezentował podczas wykładu otwartego, znalazły się czujniki przyspieszenia stosowane w samochodowych poduszkach bezpieczeństwa, silniki elektrostatyczne uzyskujące do 74 tys. obrotów na minutę, sztuczne oko, sztuczny nos, krzemowe owady do zastosowań militarnych, mikroroboty wspierające zabiegi chirurgiczne i maleńkie igły, które potrafią pomóc zarówno diabetykom, jak i osobom pragnącym jak najdłużej zachować urodę.

Więcej na ten temat w serwisie Nauka w Polsce w materiale: "Prof. Jachowicz o niezwykłych właściwościach krzemu".

PAP - Nauka