Rozmowa z dr. Zygmuntem Łuczyńskim, dyrektorem Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych

Prace nad tym materiałem prowadzone były również w ZSRR. Po rozpadzie Związku duża część tamtejszej kadry naukowej wyemigrowała do Stanów Zjednoczonych. Duży udział w tym procesie ma tamtejsza firma Cree, która zainwestowała wiele milionów dolarów w badania nad technologią węglika krzemu i kadra naukowców zza granicy była dla niej atrakcyjnym nabytkiem. Prace nad tym materiałem prowadzone były głównie w latach 90., a ich celem stało się wytworzenie dobrych podłoży dla diod LED opartych na azotku galu. Płytki węglika krzemu są znacznie lepszym materiałem podłożowym dla azotku galu, z którego wykonuje się struktury niż szafir. Dodatkowo materiał ten ma znacznie lepszą przewodność cieplną.

Popularność tego materiału jest pochodną gwałtownie rosnącego zapotrzebowania na białe i niebieskie diody wysokiej jasności, gdyż elementy te są coraz powszechniej używane do podświetlania, jak również zastępują tradycyjne żarówki. Wszystkie te diody wykonywane są na podłożu z węglika krzemu, a głównym światowym producentem jest właśnie firma Cree, która nie tylko produkuje gotowe diody, ale również sprzedaje innym firmom gotowe struktury. Można wręcz powiedzieć, że Cree zmonopolizowało rynek zastosowań optoelektronicznych w zakresie tego materiału.

• Czy węglik krzemu to obecnie tylko nowoczesne źródła światła?

Mimo, że cząsteczka węglika krzemu składa się jedynie z dwóch atomów, istnieje wiele sposobów układania się poszczególnych warstw w trakcie tworzenia się monokryształu. Nazywa się je politypami i z punktu widzenia zastosowań w elektronice liczą się tylko dwa z nich: 6H – pasujący dobrze do azotku galu i nadający się na podłoża dla elementów elektronicznych i optoelektronicznych oraz znacznie trudniejszy w hodowli polityp 4H nadający się do wytwarzania przyrządów elektronicznych, elektroniki heavy-duty na wysokie napięcia, prądy i temperatury.

Zapotrzebowanie na takie elementy również jest coraz większe, gdyż przemysł energetyczny modernizuje wiele z posiadanych urządzeń i zastępuje je elektronicznymi, aby m.in. zmniejszyć straty. Są one również kluczowym elementem elektroniki elektrowni wiatrowych, układów zasilania w samochodach hybrydowych i wielu innych podobnych aplikacjach. Są to już dzisiaj masowe aplikacje, tworzące spore zapotrzebowanie na materiał. Istnieją opracowania, których autorzy szacują, że przyrządy z węglika krzemu są w stanie doprowadzić finalnie do 30-procentowej oszczędności energii elektrycznej. Dla producentów materiałów i podzespołów oznacza to duże zyski.

• Dlaczego ITME zdecydowało się ponownie w kraju zająć badaniami tego materiału?

Duży i perspektywiczny rynek przyciąga niczym magnes inne firmy, również europejskie. Przykładem może tutaj być belgijska firma Umicore, z którą Instytut współpracuje od kilku lat zajmując się innymi perspektywicznym materiałem półprzewodnikowym, jakim jest fosforek indu. Umicore nawiązała współpracę z jedną z belgijskich uczelni, w ramach którego próbowano rozwinąć technologię produkcji monokryształów SiC.

Efekty trzech lat pracy były mizerne, dlatego zarząd Umicore postanowił zrezygnować z dotychczasowej umowy, a całość aparatury technologicznej przekazać do ITME. W zamian nowoczesny sprzęt, czyli innymi słowy kompletną linię technologiczną, zobowiązaliśmy się do współpracy i prowadzenia badań nad węglikiem krzemu, a jeśli osiągniemy sukces, to postanowiliśmy, że będziemy go razem komercjalizować.

• Dlaczego Umicore nawiązało kontakt właśnie z ITME?

Umicore postawiło na nas przede wszystkim dlatego, że mieli dobre doświadczenia z wcześniejszej współpracy z nami nad innymi materiałami półprzewodnikowymi. Nasi partnerzy mieli do nas zaufanie i wiedzieli, że dysponujemy znacznymi kompetencjami merytorycznymi. Liczyła się nawet tradycja w pracach nad tym materiałem w Polsce. Niewiele osób wie, że wymieniony wcześniej Ośrodek badawczy był zalążkiem ITME, a do niedawna pracowały u nas jeszcze osoby, które wtedy zajmowały się węglikiem krzemu. Jednak niewątpliwie największym atutem był doświadczony zespół technologów, specjalizujący się w hodowli trudnych kryształów.

• Czy monokryształy węglika krzemu jest trudno wyhodować? Ile kosztują gotowe płytki?

Krystalizacja SiC następuje z fazy gazowej w temperaturze około 2300°C i w obniżonym ciśnieniu. Tempo wzrostu kryształu jest niewielkie i wynosi około 1cm na dwa tygodnie.

Jeśli chodzi o ceny, to płytka 2-calowa krzemu kosztuje około 5 dolarów. Takiej samej wielkości płyta arsenku galu kosztuje już 40 dolarów, fosforku indu – około 120 dolarów, a węglika krzemu od 1 tysiąca do około 3,5 tysięcy dolarów. Sam surowiec nie jest ani drogi, ani trudny do zdobycia, gdyż jest to jeden z popularniejszych materiałów ściernych. Warunki technologiczne też nie można uznać za wyjątkowo trudne. Przyczyna wysokiej ceny i kłopotów z hodowlą leży w niekorzystnym zjawisku powstającym przy hodowli monokryształów, jakim są mikrorurki. Są one głębokimi mikrokanalikami prowadzącymi pionowo od powierzchni do środka kryształu. Po pocięciu kryształu na płytki tworzą one szereg otworków tak, że całość przypomina sito. Widziałem kryształy tak podziurawione, że sączyła się przez nie woda! Jak struktura ma dziurę, to jest oczywiste, że nie da się na niej zrobić struktury diody na 1,5kV. Dlatego wszystkie firmy prowadzą wyścig technologiczny, aby tych mikrorurek było jak najmniej. Aktualny stan prac jest taki, że najgorsze płytki dostępne w sprzedaży mają około 100 mikrorurek na cm², ale jasne jest, że docelowo materiał powinien nie mieć ich wcale.

• Na pewno otrzymanie sprzętu technologicznego jest równoznaczny z dobrym początkiem, ale przecież badania też są kosztowne. W jaki sposób Instytut chce je finansować?

Badania rozpoczęliśmy w oparciu o własne środki, ale jednocześnie zaczęliśmy się ubiegać o finansowanie badań naukowych z budżetu nauki. Było to tym łatwiejsze, że koszt pozyskanego sprzętu oceniony został na około 1,5 mln euro, co z pewnością jest solidnym wkładem w rozwój technologii.

Złożyliśmy kilka projektów finansowania badań związanych z materiałem, jak również wniosek inwestycyjny na zakup urządzenia do wykonywania warstw epitaksjalnych na węgliku krzemu. W planach mamy zarówno wykonywanie płytek typu 6H jak i 4H. Na politypie 6H mamy już urządzenie do epitaksji azotku galu, które zostało nam z programu rozwoju niebieskiej optoelektroniki, to drugie tworzyłoby więc pożądany komplet.

Dotację na zakup tego sprzętu udało się nam uzyskać z tzw. funduszu prywatyzacyjnego. Zawiera on 2% środków finansowych uzyskanych z prywatyzacji, które przeznacza się na finansowanie rozwoju nauki. Urządzenie kosztowało ponad milion euro i od miesiąca już działa.

Jest jeszcze jeden ważny program finansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego, który lada moment zostanie również uruchomiony. Jego celem jest opracowanie technologii wytwarzania monokryształów węglika krzemu i pokazanie, że można na nich produkować przyrządy półprzewodnikowe. Podstawowym demonstratorem ma być wykonana dioda Schottky’ego 600V i 5A. Nie są to jeszcze rewelacyjne parametry, ale niewątpliwie już będą dowodem użyteczności materiału do produkcji bardziej złożonych podzespołów elektronicznych.

Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych w ramach tego programu zajmie się wytwarzaniem monokryształów i warstw epitaksjalnych. Równolegle do nas koledzy z kilku Politechnik mają pracować nad konstrukcją podzespołów. W momencie, gdy stwierdzimy, że mamy już dopracowaną technologię, całe środowisko będzie gotowe do dalszego jej rozwoju w oparciu o zdobyte doświadczenia i posiadany materiał.

Na cały program przyznano 20 mln złotych, z czego połowa zostanie wydana na badania nad materiałem. Pozostała część rozłożona na wiele placówek ma służyć głównie pracom wspomagającym to główne zadanie. Przykładem może być program Przemysłowego Instytutu Elektroniki, który będzie opracowywał konstrukcję pieca nowego typu przeznaczonego do hodowli kryształów węglika krzemu. Innym przykładem na szeroki zakres tematyczny programu jest część realizowana przez Akademię Górniczo-Hutniczą AGH), dotyczącą syntezy polikrystalicznego węglika krzemu, który jest surowcem do hodowli monokryształu.

Szeroko zakrojone prace, dotykające wielu różnych aspektów technologii materiałów i podzespołów są moim zdaniem warunkiem koniecznym, aby ten program nie zakończył się na tym jednym etapie, który właśnie jest realizowany.

• Do jakiego momentu doszliście, jeśli chodzi o technologię?

Przez dwa lata udało nam się osiągnąć dolną granicę technologii komercyjnej - mamy płytki z gęstością mikrorurek mniejszą niż 100/cm2. Gdybyśmy się na tym zatrzymali i zajęli ustabilizowaniem technologii w kierunku zwiększenia uzysku i nauczyli się ciąć materiał na płytki oraz je polerować, przez najbliższe trzy-cztery lata można by uznać ten materiał za sprzedawalny. Obróbka mechaniczna jest tutaj bardzo trudna, bo węglik krzemu jest bardzo twardy i większość operacji trzeba wykonywać za pomocą narzędzi diamentowych.

• Co planujecie osiągnąć za przyznane 10mln złotych w trakcie trwania programu?

Planujemy osiągnięcie jakości handlowej w zakresie monokryształów politypu 4H, a więc tego trudniejszego w wytwarzaniu. Dopuszczam możliwość, iż materiał ten będzie oferowany w kilku gatunkach, co na szczęście jest ekonomicznie uzasadnione. Liczę, że z tych kryształów będziemy mogli zrobić płytki i przygotować ich powierzchnię do procesu epitaksji.

Zwłaszcza ta ostatnia operacja jest trudna do opanowania gdyż, aby podłoże nadawało się do epitaksji, a więc nakładania kolejnych warstw półprzewodników tworzących strukturę podzespołu elektronicznego, powierzchnia musi być gładka na poziomie atomowym.

Takiej równości nie da się uzyskać za pomocą polerowania i jakiejkolwiek innej obróbki mechanicznej. Używa się do tego celu szeregu skomplikowanych operacji trawienia agresywnym gazem, a raczej mieszaniną gazów. Na rynku działa we Francji firma specjalizująca się w takiej obróbce, która wykonuje usługi poprawiania jakości powierzchni dla płytek dostępnych w handlu. Koszt chemicznego polerowania wynosi u niej aż 200 euro od jednej 2-calowej płytki SiC. Takie gładkie powierzchnie chcielibyśmy nauczyć się wytwarzać u nas. Technologię doskonalimy na własnych płytkach jak też na materiałach amerykańskich, które kupujemy na wolnym rynku, aby mieć materiał do porównań.

Jakość materiału najlepiej można zweryfikować wykonując na nim przykładowy podzespół – wtedy uzysk z produkcji pokazuje wtedy, jaki jest rzeczywisty wpływ mikrorurek w materiale na jakość elementu. Jednak na początku trzeba mieć wiedzę, czy proces produkcji nie jest pozbawiony wad, dlatego niezbędne są próby na materiałach innych producentów, co pozwala wyeliminować niepotrzebną niepewność.

Jeśli chodzi o materiał 6H i zastosowania optoelektroniczne, to mamy tutaj znacznie większe doświadczenie w zakresie wykonywania warstw epitaksjalnych i konstrukcji podzespołów, które zebraliśmy w ramach programu rozwoju niebieskiej optoelektroniki. Ta wersja węgliku krzemu jest łatwiejsza w produkcji, ale liczę, że i w tym przypadku uda nam się dokonać czegoś spektakularnego.

• Czym dla Instytutu jest możliwość rozwijania technologii węglika krzemu?

Prowadzone prace są dla nas dużym wyzwaniem. W odróżnieniu od wielu innych programów, w których udawało się nam coś osiągnąć, ale nie dochodziło do produkcji i wdrożenia, tutaj mamy belgijskiego partnera, który wręcz liczy, że będzie mógł skorzystać z naszych doświadczeń w produkcji. Belgowie regularnie nas odwiedzają i interesują się stanem zaawansowania prac, gdyż są zainteresowani komercjalizacją technologii.

Firma Umicore ma fabryki na całym świecie, dlatego nie można wykluczyć żadnego wariantu, jak w przyszłości rozwinie się sytuacja, nawet tego, że fabryka powstanie u nas w kraju. Dzisiaj jest jednak o wiele za wcześnie, aby snuć domysły w tym kierunku.

Komercjalizacja technologii będzie wymagała dużych nakładów finansowych i jasne jest, że za 10 mln złotych z programu rządowego nie uda się tego zrobić. Tempa wzrostu kryształu wynoszącego centymetr na dwa tygodnie nie da się przyspieszyć, dlatego trzeba zbudować szereg równoległych linii technologicznych. Jeden centymetr monokryształu daje się podzielić na około 10 płytek, zatem osiągnięcie dużej wydajności produkcji oznacza naprawdę duże wydatki.

Podobne różnice między pracami badawczo-rozwojowymi a produkcją widać w urządzeniach do epitaksji. Te najtańsze za milion euro obsługują jednocześnie tylko trzy płytki, sprzęt o większej pojemności jest już znacznie droższy. Zwłaszcza taki, który jest w stanie działać automatycznie, co jest zrozumiałe w sytuacji, gdy realizuje się produkcję masową.

Mimo, że produkcja masowa jest jeszcze odległą przyszłością, w małej skali chcemy wytwarzać struktury elementów mocy po to, aby doskonalić technologię. Szczęśliwie mamy w kraju firmę chętną kupować od nas te elementy - znaną z półprzewodników mocy Laminę. Takie wykorzystanie w praktyce nawet w małej skali naszej produkcji jest bardzo ważne, gdyż prowadzi od równoległości w pracach badawczych i aplikacji.

• Kto obecnie zajmuje się jeszcze produkcją monokryształów węglika krzemu na świecie?

W tej chwili faktycznym monopolistą, z nie mniejszym udziałem w rynku niż 60%, jest właśnie amerykańska firma Cree, która właśnie niedawno kupiła kolejną fabrykę węglika krzemu specjalizującą się w politypie 4H. Wskazuje to, że po zawładnięciu rynkiem materiału 6H Cree wchodzi w nowy obszar. Innym miejscem jest Japonia, gdzie też realizowany jest duży rządowy program rozwoju elektroniki bazującej na węgliku krzemu. Jeśli chodzi o Europę, to prowadzi się tutaj raczej działalność naukową.

• Jakie jest największe wyzwanie stojące przed zespołem naukowców w ITME?

Moim zdaniem z pewnością zalicza się do tego opanowanie technologii wytwarzania monokryształu 4H. Zaczęliśmy już prace w tym kierunku i widać, że będzie to bardzo trudne zadanie. Sytuacja jest o tyle trudna, że tempo pracy jest z konieczności niezwykle wolne. Kryształ rośnie bardzo wolno, dlatego każda próba technologiczna trwa co najmniej tydzień. Po dokonaniu najmniejszej zmiany technologii dopiero za tydzień mamy szanse zobaczyć, czy coś się poprawiło, czy też nie.

Zmuszenie par węglika krzemu, aby układały się na powierzchni zarodka w pożądany sposób, też można zaliczyć do ekstremalnego wyczynu inżynierskiego, gdyż jedyne elementy regulacji obejmują profil rozkładu temperatury w piecu i ciśnienie gazu obojętnego, jaki go wypełnia. Kolejna trudność związana jest z tym, że nikt na świecie nie sprzedaje materiału na zarodki do hodowli kryształów komercyjnych. Można wprawdzie kupić płytkę 4H do badań, ale jednocześnie trzeba podpisać zobowiązanie, że nie wykorzysta się jej w roli zarodka. Duże i bogate firmy takie jak Cree mają dość pieniędzy, aby wywalczyć w sądach duże odszkodowanie, gdyby jakaś firma „zapomniała” o tym zobowiązaniu.

Rozmawiał Robert Magdziak