Nanores: polska nanotechnologia podbija europejski rynek półprzewodników

– Nanores to firma technologiczna, która działa dwutorowo. Z jednej strony prowadzimy własne studio startupów, w którym koncentrujemy się na tworzeniu, opracowywaniu i wdrażaniu naszych autorskich technologii. Z drugiej – funkcjonuje Nanores Lab, czyli laboratorium nanotechnologiczne – wyjaśnia dyrektor Nanores Lab Jakub Gawczyński. – W ramach laboratorium wspieramy naszych partnerów w opracowywaniu i dostarczaniu przełomowych rozwiązań technologicznych. Realizujemy to w dwóch obszarach. Po pierwsze, oferujemy badania materiałowe i nanotechnologiczne na poziomie najlepszych uczelni i instytutów, jednocześnie zachowując standardy współpracy B2B, charakterystyczne dla działalności biznesowej. Po drugie, zajmujemy się produkcją mikro- i nanokomponentów w skali większej niż laboratoryjna, co pozwala naszym klientom na szybsze wdrażanie innowacji.

Od diamentów do półprzewodników

Nanores zaczynał jako typowy start-up – od unikalnego pomysłu, który wyróżniał się na tle ówczesnych projektów. Punktem wyjścia do powstania firmy, była technologia zmiany właściwości świetlnych i znakowania diamentów w skali nano. Rozwiązanie pozwalało w sposób trwały określić pochodzenie kamienia i potwierdzić jego autentyczność.

– To projekt, który realizowaliśmy od początku i który kontynuujemy do dziś, choć w zmienionej formie – mówi Jakub Gawczyński.

Idea narodziła się w CERN. Dlaczego w Szwajcarii? Jeden z założycieli firmy, Paweł Modrzyński, pracował tam nad technologiami fotonicznymi. Właśnie wtedy wpadł na pomysł wykorzystania zjawisk świetlnych do znakowania diamentów. Projekt postanowił zrealizować w Polsce. Sprzyjał temu moment, bo w kraju zaczęły pojawiać się fundusze wspierające innowacje. Wspólnie z Marcinem Wielebskim, przedsiębiorcą z doświadczeniem w zarządzaniu, powołał do życia spółkę nanotechnologiczną.

– Dołączyłem do zespołu bardzo szybko, byłem jedną z czterech pierwszych osób w firmie. Co więcej, znaliśmy się praktycznie od dzieciństwa, co od początku budowało duże zaufanie – wspomina Jakub Gawczyński. – Wiedzieliśmy jednak, że praca nad przełomową technologią to nie tylko ekscytujące możliwości, ale i ogromne ryzyko. Dlatego nie chcieliśmy stawiać wszystkiego na jedną kartę. Gdy udało nam się skompletować zespół inżynierów i uruchomić laboratorium, uznaliśmy, że obok rozwoju własnych technologii powinniśmy stworzyć też stabilniejsze fundamenty – działalność usługową, oferującą badania i produkcję mikro- i nanokomponentów dla partnerów zewnętrznych.

Zaplecze technologiczne na światowym poziomie

Dziś Nanores dysponuje unikalną w skali regionu infrastrukturą. Najważniejszym elementem zaplecza badawczego firmy są mikroskopy elektronowo-jonowe SEM/FIB. Łączą one możliwość obserwacji materiałów w bardzo dużym powiększeniu z precyzyjną ich obróbką. Dzięki nim można analizować struktury o wielkości kilkunastu nanometrów, wykonywać nacięcia i otwory o średnicy około 100 nm, a także przygotowywać przekroje i lamelki do badań TEM.

Uzupełnieniem tego zaplecza jest laser femtosekundowy, który pozwala na szybkie operacje w większej skali – od setek mikrometrów po centymetry – przy minimalnym wpływie termicznym na badany materiał. Do metod nieniszczących Nanores wykorzystuje tomografię komputerową (CT), umożliwiającą analizę układów MEMS bez ingerencji w ich strukturę. Precyzyjne profilowanie warstw zapewnia mikroskopia konfokalna, natomiast narzędzie Xe-PFIB (zogniskowana wiązka jonów plazmy ksenonu) pozwala na szybkie i dokładne usuwanie kolejnych warstw (delayering) w nowoczesnych strukturach półprzewodnikowych.

– Podstawą naszej pracy jest mikroskopia elektronowo-jonowa. Korzystamy z dwuwiązkowych mikroskopów, które umożliwiają nie tylko obserwację materiałów w bardzo dużym powiększeniu, ale również ich precyzyjną modyfikację. Dzięki temu jesteśmy w stanie zobaczyć elementy o wielkości nawet kilkunastu nanometrów, a następnie – w razie potrzeby – wprowadzić zmiany. Pozwala nam to zarówno analizować wady materiałów, jak i wytwarzać mikro- i nanokomponenty – wyjaśnia Jakub Gawczyński. – Drugim kluczowym narzędziem, z którego często korzystamy, jest laser femtosekundowy. Umożliwia on pracę w skali większej niż nano – od setek mikrometrów, przez milimetry, aż po centymetry. Choć ma mniejszą precyzję niż wiązka jonów, działa znacznie szybciej. Dzięki temu możemy efektywnie obrabiać większe obszary i wolumeny, co jest istotne przy realizacji złożonych projektów.

Badanie komponentów – zwłaszcza półprzewodników – opiera się na kompleksowym podejściu, które łączy różne techniki i narzędzia.

– Każde z narzędzi, którymi się posługujemy, ma swoje specyficzne możliwości. To są zarówno urządzenia dostępne w naszym laboratorium, jak i sprzęt, do którego mamy dostęp dzięki współpracy z zewnętrznymi partnerami – między innymi Politechniką Wrocławską i Politechniką Śląską. Ta rozbudowana sieć współpracy, pozwala nam rozszerzać możliwości badawcze w sytuacjach, gdy nie jesteśmy w stanie wykonać jakiejś analizy w ramach własnej infrastruktury – mówi Jakub Gawczyński.

- Najlepiej widać zalety integracji metod na przykładzie półprzewodników – obszaru, na którym w ostatnich latach szczególnie się koncentrujemy. Analizując tak złożone komponenty, jak procesory czy moduły pamięci, zawsze zaczynamy od metod nieniszczących. Tomografia komputerowa daje nam obraz całego układu i pozwala wskazać miejsca, w których mogą pojawiać się defekty, nawet jeśli nie zapewnia jeszcze precyzji w skali nano. Dopiero później przechodzimy do badań wymagających ingerencji w materiał. Dzięki pełnemu zapleczu metalograficznemu możemy rozebrać procesor na części i dotrzeć do samej płytki krzemowej. Na kolejnych etapach schodzimy w coraz mniejszą skalę – od mikroskopii świetlnej, przez precyzyjne przekroje laserem femtosekundowym, aż po najbardziej zaawansowane narzędzia, takie jak mikroskopy elektronowo-jonowe czy transmisyjne mikroskopy elektronowe. To podejście pozwala nam analizować nawet najcieńsze warstwy układu, liczące zaledwie kilka nanometrów i docierać aż do pojedynczych tranzystorów – dodaje.

Półprzewodniki jako naturalny kierunek

Przez blisko dekadę Nanores realizował projekty w różnych branżach – od medycyny i lotnictwa, przez druk 3D, po baterie litowo-jonowe. W każdej z nich skala nano pojawiała się od czasu do czasu, ale zwykle była tylko ułamkiem całego procesu.

- Jesteśmy laboratorium nanotechnologicznym, które działa już prawie 10 lat. Na początku nie koncentrowaliśmy się wyłącznie na półprzewodnikach – realizowaliśmy projekty w różnych branżach, takich jak medycyna, lotnictwo, druk 3D, elektronika drukowana czy baterie litowo-jonowe. W każdej z nich pojawia się skala nano, ale zwykle stanowi tylko niewielki ułamek całego procesu – tłumaczy Jakub Gawczyński. – Półprzewodniki są jednak wyjątkiem – tu bardzo duża część procesów zachodzi właśnie w tej skali.

Półprzewodniki od samego początku były więc naturalnym kierunkiem rozwoju dla Nanores. Problem polegał na tym, że jeszcze sześć–siedem lat temu europejski rynek półprzewodników był hermetyczny i trudno dostępny, szczególnie dla firmy z Polski.

– Dla takiej firmy jak nasza dostęp do rynku półprzewodnikowego był bardzo trudny. W tamtym czasie mało komu przychodziło do głowy, że w Polsce może funkcjonować laboratorium o takim profilu. Dlatego początkowo rozwijaliśmy się raczej poprzez współpracę z uczelniami, startupami, firmami medycznymi czy z branżą lotniczą – wspomina Gawczyński.

Na szczęście sytuacja stopniowo zaczęła się zmieniać, a momentem przełomowym okazało się być ogłoszenie w 2022 roku programu European CHIPS Act.

– Ogłoszenie European CHIPS Act w 2022 roku było momentem przełomowym. Rynek półprzewodników zaczął się wtedy przetasowywać, pojawiły się nowe startupy, a cały sektor stał się bardziej otwarty na Europę Środkowo-Wschodnią. Od tamtej pory zaczęliśmy systematycznie pozyskiwać klientów spoza Polski. Obecnie część naszych projektów realizowana jest dla krajowego przemysłu, ale większość – dla partnerów zagranicznych. Wśród naszych klientów są startupy, instytuty badawcze, średnie firmy, a także duże międzynarodowe korporacje – dodaje Gawczyński.

Firma aktywnie uczestniczy w inicjatywach kształtujących przyszłość branży.

– Uczestniczymy w strategicznych konsultacjach dotyczących przyszłości branży na poziomie europejskim. Bierzemy udział m.in. w inicjatywie All-Pros, której celem jest szkolenie kadr dla przyszłego przemysłu półprzewodnikowego w Europie. Ostatnio, razem z kilkoma innymi firmami z Polski i z Ministerstwem Rozwoju, uczestniczyliśmy w Hadze w warsztatach poświęconych przyszłemu finansowaniu strategicznych projektów półprzewodnikowych – podkreśla dyrektor Nanores Lab. – Takie działania pozwalają nam nie tylko mieć realny wpływ na kształtowanie polityki europejskiej w tym sektorze, ale też zapewniają stały dostęp do całego ekosystemu firm półprzewodnikowych w Europie.

Wyzwania: koszty błędów i defekty warstw

Jednym z największych wyzwań, z jakimi mierzą się dziś firmy działające w europejskim sektorze półprzewodników, jest rosnące zainteresowanie projektowaniem układów scalonych do zastosowań specjalistycznych – od dronów i motoryzacji, po rozwiązania militarne. Każda nowa konstrukcja niesie ze sobą ryzyko błędów projektowych, a te w tej branży są wyjątkowo kosztowne.

– W Europie jednym z największych wyzwań – z naszej perspektywy – jest rosnące zainteresowanie projektowaniem układów scalonych pod kątem zastosowań specjalistycznych – także militarnych. Ponieważ są to nowe konstrukcje, błędy w procesie projektowania zdarzają się stosunkowo często. Każdy taki błąd jest bardzo kosztowny – wyprodukowanie jednego wafla to wydatek rzędu kilkudziesięciu tysięcy euro. Znajduje się na nim od kilkuset do kilku tysięcy układów, więc jeśli zostaną wykonane błędnie, straty finansowe są ogromne – wyjaśnia Gawczyński, dodając: - Spotykamy się z sytuacjami, w których czipy nie działają prawidłowo, a firma ma już pomysł na poprawę projektu, lecz nie jest pewna czy wprowadzona zmiana rozwiąże problem. W takich przypadkach jesteśmy w stanie ręcznie zmodyfikować pojedyncze układy – poprzez przerwanie lub połączenie określonych ścieżek – aby sprawdzić, czy zaproponowana zmiana przyniesie oczekiwany efekt.

Kolejnym wyzwaniem są wady warstw, z których zbudowane są czipy. Mają one często grubość zaledwie kilku nanometrów, dlatego nawet minimalne odchylenia od zakładanej wartości –mogą doprowadzić do awarii całego układu.

– Warstwy te, zaczynające się od kilku nanometrów grubości, muszą być idealnie jednorodne. Niewielka różnica między zakładaną a rzeczywistą grubością, mikropęknięcia, nieciągłości czy delaminacje mogą spowodować, że układ przestanie działać. Gdy produkt jest już gotowy, trudno jednoznacznie określić, w którym miejscu i na jakim etapie produkcji powstał defekt. W takich przypadkach przeprowadzamy kompleksową analizę – od wstępnego wyznaczenia potencjalnych miejsc wystąpienia problemu, aż po fizyczne dotarcie do tych obszarów i dokładne zobrazowanie, co faktycznie zaszło – mówi dyrektor Nanores Lab.

Co sprawia, że Nanores przyciąga głównie partnerów z zagranicy?

– To przede wszystkim kwestia skali. Polski rynek półprzewodników wciąż jest niewielki – działa tu zaledwie kilka, może kilkanaście perspektywicznych firm, z którymi współpracujemy. Tymczasem w Niemczech, Austrii, Szwajcarii czy krajach skandynawskich takich podmiotów są dziesiątki, a nawet setki. Naturalne więc, że większość naszych projektów realizujemy za granicą – tłumaczy dyrektor.

Przyszłość Nanores to przede wszystkim inwestycja w ludzi – rozwój umiejętności i wiedzy zespołu ma być fundamentem dalszego wzrostu.

– Na pewno chcielibyśmy inwestować w rozwój kompetencji, bo w działalności, którą prowadzimy, podstawą jest zespół inżynierski. W samym laboratorium zatrudniamy obecnie kilkunastu bardzo zdolnych inżynierów. Większość z nich jest z nami praktycznie od początku swojej kariery. Z jednej strony daje to ogromny komfort i zaufanie do ich umiejętności, a także możliwość kształtowania kultury pracy w taki sposób, jaki uważamy za właściwy – mówi Jakub Gawczyński. – Z drugiej jednak strony powoduje to, że może brakować nam spojrzenia z zewnątrz i typowego doświadczenia rynkowego. Dlatego obecnie myślę przede wszystkim o tym, aby rozszerzyć kompetencje zespołu poprzez pozyskanie specjalistów z przemysłu półprzewodnikowego – osób, które mają za sobą pracę w cleanroomach, w projektowaniu układów czy w samych procesach produkcyjnych. Taka wymiana doświadczeń i know-how będzie dla nas dużą wartością.