Конструкция реакторной установки БРЕСТ-1200 Химические аккумуляторы Реакторы на быстрых нейтронах Нанопористые материалы Космические материалы атомной отрасли Машиностроение для энергетики Радиологические лечебные технологии

Экологические проблемы энергетики

Портативные топливные элементы для малой электроники

Основное направление деятельности Ассоциации «АСПЕКТ» в последние 15 лет связано с исследованием, разработкой технологии и практическим применением нанопористых материалов.

В последнее время, используя собственные уникальные разработки микрофильтрационных металлокерамических мембран, Ассоциации «АСПЕКТ» ведет успешные работы по созданию малогабаритных топливных элементов.

Особенность оригинальной конструкции элемента состоит в использовании металл-углерод-керамических пористых матриц в качестве носителей для создания всех элементов мембранно-электродных сборок. Например, твердоэлектролитная часть сборки представляет собой матрицу, заполненную новыми протонпроводящими полимерами. Следует отметить, что в рамках международного сотрудничества Федерального агентства по науке и инновациям этот проект был выбран в качестве международного проекта по программе International Partnership for the Hydrogen Economy — IPHE (Международное партнерство по водородной экономике).

Ассоциация «АСПЕКТ» объединила ведущие научные центры России для участия в программе IPHE. Зарубежными партнерами в этом проекте являются такие известные центры, как Ливерморская национальная лаборатория (США), Институт Фраунгофера (Германия), Корпорация CMR (Англия) и другие. Программа включает разработку пластичной нанопористой керамики, разработку новой технологии для наноуглеродных слоев с нанокластерами катализаторов, расположенных в порах, теоретические и экспериментальные исследования размерных эффектов массопереноса и электропроводности в градиентных нанопористых структурах. В России проект реализуется по заказу Федерального агентства по науке и инновациям.

В рамках проекта решается проблема микроминиатюризации в микроэнергетике за счет высокой плотности компоновки элементов устройства. Применение градиентно-пористых структур позволяет реализовать все устройства в единой твердотельной матрице и избежать сложных сборочных операций, свойственных современной гибридной технологии топливных элементов.

Значительное число новых размерных эффектов в таких структурах связано не только с малостью размера пор, но и с неоднородным градиентным строением нанопористого материала. Например, на толщине несколько десятков микрон размер пор может изменяться в десятки тысяч раз.

Проект реализуется на базе Московской академии тонкой химической технологии (МИТХТ), тем самым опытно-промышленные технологии, научные лаборатории и студенческие практикумы неразрывно взаимосвязаны. Лаборатории и учебный центр должны стать основой научно-учебного центра коллективного пользования в области водородной энергетики. По своей концепции и технической оснащенности центр не уступит аналогичным центрам в Мичиганском и Техасском университетах США. В России в число соисполнителей проекта входят ведущие институты РАН:

Институт нефтехимического синтеза (ИНХС) РАН;

Институт проблем химической физики (ИПХФ) РАН;

Институт проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов (ИПТМ) РАН;

высшее учебное заведение — Государственное образовательное учреждение (ГОУ) МЭИ;

промышленные партнеры: ОАО «Приборный завод «Тензор»; ООО «Научно-производственное предприятие (НПП) «ЛИТИЙ».

Задача проекта — создание портативных топливных элементов (ПТЭ) двух типов — мощностью 1–2 Вт и 20–25 Вт.

В качестве инновационной основы в проекте использована оригинальная разработка, не имеющая аналогов, — градиентно-пористая мембранная структура.

Эта разработка прошла международное патентование. Правообладателем на два патента является Ассоциация «АСПЕКТ». Кроме того, в процессе реализации проекта подано еще семь новых патентов, защищающих отечественный приоритет в этой области.

В ходе реализации проекта будет организован производственный участок на предприятиях «Тензор» и «Литий», представлена конструкторская и технологическая документация, опытные образцы ПТЭ двух типов.

Ассоциация «АСПЕКТ» развивает дополнительные направления, расширяющие горизонты работ по ПТЭ и создающие заделы на перспективу. Это:

создание межвузовского учебно-научного центра,

международное партнерство в программах IPHE и Initiatives for Proliferation Prevention — IPP («Инициативы по предотвращению распространения оружия массового поражения»),

предложения для коммерциализации разработки за рубежом путем выпуска экспортно-ориентированной продукции в особой экономической зоне наукограда Дубна.

Сегмент рынка, на который ориентируется Ассоциация «АСПЕКТ», осуществляя проект ПТЭ, — рынок малой электроники: все компании, разрабатывающие ПТЭ для сотовых телефонов и ноутбуков, например SONY, Nokia, Motorola, SFC, NEC, Toshiba, Casio, STMicroelectronics, Samsung.

По результатам проекта и с учетом перечисленных перспективных направлений, развиваемых Ассоциацией «АСПЕКТ», предусматривается следующая стратегия дальнейшего развития проекта — «Поставка отечественных комплектующих — МЭБ в системы, разрабатываемые зарубежными компаниями» (например, SONY, Nokia, Motorola и др.). Можно выделить следующие три направления для коммерциализации:

Компании-разработчики ПТЭ для сотовых телефонов и ноутбуков.

Собственные потребители — заводы «Тензор» и «Литий» и их клиенты (с потребностью в сотни тысяч изделий): системы охранной сигнализации, системы безопасности.

Совместное с заводами «Тензор» и «Литий» обеспечение разработки лабораторных комплексов по тематике ПТЭ для всех вузов страны, имеющих специализацию по химии, электрохимии, водородной энергетике, возобновляемым источникам энергии.

 

Маршрут проектирования микросхем памяти

Микросхемы памяти играют важнейшую роль во многих системах различного назначения. Они постоянно совершенствуются как в схемотехнической области, так и в области развития новых архитектур. В настоящее время созданы и используются десятки различных типов ЗУ, применяемых в различной аппаратуре.

В НИИИС производятся микросхемы памяти, для использования в аппаратуре специального назначения. Для таких микросхем важна, как большая информационная емкость, так и стойкость к различным факторам, в частности к воздействию радиации.

Существуют отечественные и зарубежные аналоги подобных микросхем. Поэтому, для того, чтобы производить микросхемы, по уровню не уступающие зарубежным аналогам, требуются стабильный спецстойкий технологический процесс и четко отработанный маршрут проектирования микросхем.

Так как к микросхемам памяти, разрабатываемым НИИИС, предъявляются высокие требования по радиационной стойкости, то применяемые при разработке микросхем технологии должны способствовать повышению радиационной стойкости микросхем.

Наиболее устойчивыми к радиации являются микросхемы, выполненные по технологиям кремний на сапфире (КНС) и кремний на изоляторе (КНИ). Для производства устойчивых к радиации микросхем памяти по КНС технологии в НИИИС используется стандартный маршрут проектирования микросхем. Он включает в себя следующие основные этапы:

- разработка технических требований на проектирование;

- разработка структурной схемы памяти;

- разработка норм КТО, модельных тестовых структур;

- разработка и изготовление тестового кристалла, измерение характеристик тестовых элементов и извлечение Spice-параметров;

- разработка и моделирование принципиальной электрической схемы, разработка топологии СБИС;

- разработка правил верификации и экстракции, проверка норм КТО, сравнение топологии с электрической схемой, экстракция электрической схемы из топологии;

- моделирование электрической схемы с учетом паразитных параметров;

- изготовление и исследование экспериментальных образцов;

Проектные нормы, с которыми возможен выпуск микросхем по технологии КНС в НИИИС, составляются 1,5 мкм. Для увеличения информационной емкости микросхем памяти, требуется уменьшение проектных норм. Однако, при использовании технологии КНС, уменьшение норм связано с определенными трудностями, возникающими при выращивании слоя кремния на сапфировой подложке.

Технология КНИ позволяет производить микросхемы, по радиационной стойкости не уступающие микросхемам, выполненным по технологии КНС, но с меньшими проектными нормами.

За рубежом технология КНИ широко используется при проектировании и изготовления радиационно-стойких микросхем памяти. Однако, в России, проектирование микросхем по этой технологии не так развито. Поэтому качественно проработанный маршрут проектирования микросхем памяти по технологии КНИ крайне важен для оборонной промышленности нашей страны. Таким образом, была поставлена задача разработки маршрута проектирования микросхем по технологии КНИ.

При разработке маршрута проектирования микросхем памяти по технологии КНИ оптимизировался существующий маршрут с учетом возможностей проектирования и изготовления микросхем по данной технологии в НИИИС.

В настоящее время, оборудование, имеющееся в НИИИС, не позволяет изготавливать микросхемы по технологии КНИ. В связи с этим основу маршрута проектирования микросхем памяти, разработанного в НИИИС, был положен режим фаундри. Работа в этом режиме заключается в сотрудничестве НИИИС с другими предприятиями, имеющими оборудование для производства микросхем, которое позволяет выпускать микросхем по технологии КНИ. Единственное предприятие в России, обладающее подобным оборудованием является НИИСИ РАН. Таким образом, производство микросхем памяти реализовывается в НИИСИ РАН, а разработка - в НИИИС. Также, для полной совместимости проектных норм с используемым при производстве микросхем оборудованием, предприятием – изготовителем разрабатываются нормы КТО и предоставляются разработчикам.

Разработка микросхем памяти осуществляется на компьютере с помощью программных пакетов. Так как НИИСИ РАН кроме норм КТО разрабатывает и предоставляет разработчикам правила для проверки этих норм на компьютерном оборудовании, правила для сравнения разработанной топологии микросхемы памяти с электрической схемой, правила экстракции схемы из топологии, то при разработке микросхем памяти в НИИИС используется то же программное обеспечение, что и в НИИСИ РАН. Это программный пакет Cadence с входящими в его состав прикладными программами для разработки электрических схем и топологий, моделирования электрических схем с использованием Spice-моделей транзисторов, проверки норм КТО, правил верификации, а так же для проведения экстракции электрической схемы из разработанной топологии с учетом паразитных параметров.

Spice - модели транзисторов так же предоставляются НИИСИ РАН. Это набор различных физических и математических параметров транзисторов, таких как:

VTO – пороговое напряжение транзисторов;

UO – подвижность носителей тока в инверсном слое канала;

TOX – толщина окисла;

DELTA – коэффициент влияния ширины канала на пороговое напряжение;

NSUB – уровень легирования подложки.

Они извлекаются с использованием специализированных программ для получения Spice-параметров, которые используют ВАХ транзисторов, снятые на специализированном оборудовании с изготовленных тестовых структур, включающих в себя транзисторы различных типов, которые предполагается использовать в дальнейшем при проектировании микросхем. По полученным ВАХ программа для извлечения Spice-параметров так же строит ВАХ, но уже с использованием этих параметров. Далее, сравнив исходные вольтамперные характеристики с характеристиками, построенными программной, можно судить о точности извлечения Spice-параметров.

После разработки схемы и топологии следует изготовление экспериментальных образцов на оборудовании НИИСИ РАН. Все исследования микросхем после изготовления проводят в НИИИС на специализированном оборудовании. Микросхемы исследуются на стойкость к механическим воздействиям, климатическим воздействиям, к воздействию ионизирующего излучения, к разряду электростатического потенциала.

После проведения каждого из вышеперечисленных исследований микросхемы памяти тестируются на специализированном оборудовании, таком как тестер «Формула 2К» и Agilent 93000. На тестерах проводятся измерения электрических параметров микросхем, таких как токи утечки, токи потребления, входные и выходные напряжения. Так же проводится проверка функционирования микросхемы.

Рассмотренный маршрут проектирования в данное время успешно осваивается разработчиками НИИИС. С использованием данного маршрута ведется НИР по разработке оперативного запоминающего устройства с повышенной радиационной стойкостью, ОКР по разработке постоянного запоминающего устройства с масочным программированием и статического оперативного запоминающего устройства. В процессе проведения данных НИР и ОКР разработаны электрические схемы, топологии микросхем памяти, изготовлены тестовые образцы, проведены их исследования. По результатам исследований проведен анализ работоспособности микросхем и соответствия их параметров требованиям технического задания.

В дальнейшем рассмотренный маршрут будет совершенствоваться с целью еще большего сокращения времени и затрат на разработку и производство микросхем, в частности, на производственных площадях НИИИС планируется наладка кристального производства по технологии КНИ с проектными нормами 0,5 мкм.


Обзор зарубежного опыта строительства АЭС