Фотолитография — прорыв России в технологиях?

У России появился шанс стать мировым лидером в производстве фотолитографических машин. Но даже если она его упустит, мы в любом случае можем разработать технологии, которые станут основой следующего нанотехнологического уклада

На заре микроэлектроники, еще в 1965 году, один из создателей корпорации Intel Гордон Мур высказал предположение, которое впоследствии назвали законом Мура: число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые полтора-два года, а их размеры — с той же скоростью уменьшаться. И если в 1971 году проектные нормы производства микросхем были 10 мкм, то сейчас речь идет о размерах меньше 20 нм.

Ключевой технологией, обеспечивающей достижение этих результатов, является фотолитография. Фотолитографическое оборудование — одно из самых сложных, точных и дорогих в машиностроении. Цена таких установок выросла с десятков тысяч долларов до десятков миллионов.

Состояние науки в России подробно

Цель фотолитографии в микроэлектронике — формирование заданного изображения на кремниевой подложке для получения необходимой топологии микросхемы. Для этого на подложку наносят тонкий слой материала, из которого нужно сформировать рисунок. На этот слой наносится светочувствительный материал — фоторезист, который подвергается облучению через оптическую систему и фотошаблон (маску). После дальнейшей обработки фоторезиста, на пластине остается заданный фотошаблоном рисунок. Чтобы закон Мура продолжал соблюдаться, необходимо постоянное уменьшение размеров элементов рисунка. Это, в свою очередь, требует уменьшения длины волны излучения, повышения качества оптической системы и увеличения точности работы механизма, передвигающего подложку под падающим лучом.

Вот почему ключевые элементы любой фотолитографической установки — это оптическая система, источник излучения и система совмещения (позиционирования).

Последняя разработка советской фотолитографической установки (революционная по тем временам) с источником света на длине волны 248 нм была сделана в СССР в конце 1980-х минским предприятием "Планар" под научным руководством тогдашнего директора Физико-технологического института РАН академика РАН Камиля Валиева. Опытный образец установки, находившийся на "Планаре", судя по всему, в начале 1990-х был продан в Китай.

Всего две фирмы

В последние годы голландская компания ASMLithography разработала фотолитографическое оборудование на длине волны 193 нм с разрешением 32 нм, которое испытывается в Intel и в тайваньской компании TSMC. Однако возможность дальнейшего кардинального уменьшения проектных норм при длине волны источника 193 нм у многих специалистов вызывает сомнения.

Зачем разрушают систему образования?

Еще в начале 1990-х возникла идея создавать оптическую литографию на длине волны 13,5 нм — это диапазон мягкого рентгена или экстремального ультрафиолета (extreme ultraviolet, EUV). Такая длина волны была выбрана потому, что создать эффективные источники излучения и оптику в диапазоне от 193 до 13,5 нм оказалось невозможно. Проблема в том, что на длине волны 13,5 нм нельзя использовать традиционную преломляющую оптику из-за интенсивного поглощения такого света всеми материалами. Поэтому в подобных оптических системах используют отражающую рентгенооптику, то есть зеркала с соответствующим интерференционным покрытием.

В настоящее время лишь две компании в мире ведут разработки фотолитографических машин, действующих в диапазоне проектных норм менее 20 нм: вышеупомянутая ASMLithography и японская Nikon.

ASML разработала (с участием российских ученых) прототипы фотолитографической установки на длине волны 13,5 нм еще в 2006 году и направила их для исследований и испытаний в международный микроэлектронный центр IMEC в Бельгии и в аналогичный центр в Олбани, в Соединенных Штатах.

Но в России сохранились и работают группы ученых, занятые созданием и важнейших узлов самых современных фотолитографических установок на длине волны 13,5 нм, и самой установки. Они сотрудничают в этом с ASML и пытаются убедить наше правительство в необходимости восстановления современного оптико-электронного машиностроения в России, тем более что разработка и производство фотолитографических установок, сочетающих в себе прецизионные оптику и механику и уникальные источники излучения, могут стать хорошей школой для развития всего спектра наукоемкого машиностроения.

Как и кто уничтожает образование в России

Разработкой оптической системы и ее элементов для фотолитографических установок, работающих на этой длине волны, и прототипа самой установки занимается в Институте физики микроструктур (ИМФ) РАН в Нижнем Новгороде член-корреспондент РАН Николай Салащенко. Источник излучения создается под руководством ведущего научного сотрудника Константина Кошелева в Институте спектроскопии (ИСАН) РАН в подмосковном Троицке. А сверхточными системами позиционирования, которые можно использовать и в фотолитографических установках, занимается "Лаборатория “Амфора”" в Москве.

Оловянный источник

В 2000 году, когда Константин Кошелев работал консультантом в голландском Институте физики плазмы, ASML предложила, чтобы его лаборатория в ИСАН консультировала компанию. Это предложение не было случайным. Оно основывалось на известных достижениях ИСАН в изучении спектров излучения различных материалов, которыми там занимались в течение многих десятилетий. Но консультации переросли в тесное сотрудничество, когда в ИСАН предложили новый вариант EUV-источника.

В качестве источника ИСАН решил использовать пары олова. Кошелев поясняет: "Мощность источника излучения должна составлять десятки киловатт в объеме, который не превышает кубического миллиметра, и ее можно получить только на парах олова".

Сейчас в ИСАН разрабатывают два типа EUV-источников излучения на парах олова — на основе разрядной и лазерной плазмы.

Лазерная плазма возникает, когда излучение мощного лазера фокусируется на мишень в вакууме. Нынешнее решение конструкции лазерного источника напоминает "лазерный термояд": с огромной частотой, в десятки килогерц, летят микрокапли расплавленного олова, в них попадает сфокусированный луч импульсного лазера. Капли взрываются и светят.

В разрядном источнике, который, упрощенно говоря, представляет собой газоразрядную лампу, надо было придумать, как отводить излишнюю энергию. В лаборатории Кошелева впервые продемонстрировали эффективность источника, который представляет собой электроды в виде двух вращающихся колес с пленкой жидкого олова на их поверхности. Инициация разряда между ними осуществляется излучением высокочастотного лазера, сфокусированного на поверхности электрода. Испаренные лазером пары олова замыкают промежуток, и возникает разряд с током силой 10–20 кА. Он сжимается, нагревается и светит в нужном спектральном диапазоне. И если колеса вращаются достаточно быстро, то разряд плазмы происходит всякий раз над новым местом на поверхности электрода.

Но оказалось, что существуют ограничения на скорость вращения колес в жидкости, а значит, и на мощность отводимой энергии, и, как следствие, на мощность EUV-излучения. В ИСАН было предложено другое решение, которое основано на использовании электродов в виде двух параллельно льющихся с высокой скоростью потоков жидкого олова. По одному из них с большой частотой бьет лазер, инициирующий разряд. Между струями возникает разрядная дуга, а поток олова уносит лишнее тепло. "Все это, — замечает Константин Кошелев, — выглядит просто и изящно на бумаге, но понятно, что это сложнейшие конструкции, работающие к тому же в вакууме".

Связь миграции и кризиса образования
В статье:

Выпускники ВУЗов в США никому не нужны

"Сейчас, — рассказывает Кошелев, — Николай Салащенко показал, что есть еще одно окно, где зеркала могут хорошо отражать: 6,5–6,7 нанометра. А мы поняли, какой должен быть источник на этой длине волны. И сейчас этот источник разрабатываем. Это тоже лазерная или разрядная плазма, которая будет создана на одном из двух элементов — гадолинии или тербии". Фотолитографическая установка на такой длине волны в перспективе может позволить достичь разрешения 3 нм, которое требуется для изготовления элементов квантового компьютера.

Отразить рентген

"Мы начали заниматься рентгенооптикой в диапазоне длин волн от одной десятой ангстрема до тысячи ангстрем в конце 1970-х и сейчас находимся на одном из лидирующих мест в мире, — рассказывает Николай Салащенко. До всякой фотолитографии рентгенооптика использовалась в микроскопии, астрономии, диагностике плазмы".

Начав заниматься рентгенооптикой, в ИФМ поняли, что им придется разрабатывать и изготавливать практически все — от технологий и технологического оборудования до измерительной аппаратуры. В результате в институте был создан замкнутый цикл производства рентгенооптики. "Этим мы и сильны, и интересны. Поэтому с нами сотрудничает ASML", — говорит Николай Салащенко.

Проведенные расчеты показали, что точность изготовления оптики для EUV-литографии должна составлять единицы ангстремов. "Тогда я подумал, — вспоминает Салащенко, — что так не бывает. Теперь я могу сказать, что бывает и что без этого нельзя. Но чтобы делать с такой точностью, надо уметь измерять оптические поверхности с еще большей точностью. И мы начали работу с того, что разработали и изготовили специальный интерферометр, который позволяет это сделать. Таких интерферометров в мире единицы".

Но ни одна из существующих технологий изготовления зеркал не обеспечивает нужной точности. Поэтому в ИФМ были развиты технологии прецизионной коррекции формы поверхности, основанные или на локальном нанесении специальных многослойных структур, или на локальном ионном травлении низкоэнергетичными ионами, или на сочетании обеих методик.

Когда изготовлена подложка для зеркала нужной формы и нужного качества, необходимо нанести на него отражающее покрытие; в случае зеркал для нанолитографа на длине волны 13,5 нм это многослойное молибден-кремниевое покрытие. Многослойные покрытия, как правило, наносятся методом магнетронного распыления. "В настоящее время, — говорит Салащенко, — мы пытаемся существенно изменить технологию нанесения многослойных покрытий, введя возможность полировки поверхности каждого свеженанесенного слоя низкоэнергетичными ионами. Такой установки пока нет ни у кого в мире, да и мы ее только осваиваем".

Источники излучения, которые используются в области глубокого ультрафиолета, наряду с полезной длиной волны излучают очень большой фон, который попадает на экспонируемую пластину и нагревает ее. Нужен фильтр, который пропустит излучение только на рабочей длине 13,5 или 6,7 нм волны, а остальное излучение отразит или поглотит. Причем эти фильтры могут нагреваться под воздействием фонового излучения до 1000 градусов и должны месяцами работать в импульсном режиме. Проблема в том, что для этих длин волн нет прозрачных материалов. Но в ИФМ смогли создать такой фильтр. Салащенко показывает сам фильтр (это пленка толщиной 50 нм и диаметром 200 мм, натянутая на металлический каркас) и установку для его изготовления. Кроме того, в литографической машине много движущихся частей, и в результате трения одной части о другую в пространство выбрасывается довольно много частиц размером до сотни нанометров. И часть из них осаждается на маске и искажает рисунок печати. Для защиты маски тоже используется фильтр, но его толщина должна составлять уже 20 нм.

На вопрос о технологии изготовления таких фильтров Салащенко загадочно разводит руками. Загадочность не случайна. Николай Салащенко — монополист в производстве этих фильтров и снабжает ими весь мир.

Когда готовы зеркала и фильтры, можно собирать литограф. Салащенко показывает его макет: "Это первый в России литограф-мультипликатор на длине волны 13,5 нанометра. В настоящее время мы начали отрабатывать режимы работы литографа, определяем достигнутое пространственное разрешение, которое позволяет получать изготовленная нами оптика". Поскольку работы в этом диапазоне длин волн ведутся в России впервые, в ИФМ вынуждены создавать совместно с сотрудниками Института химии при Нижегородском университете фоторезисты, чувствительные на длине волны 13,5 нм, и оборудование для их исследований и испытаний.

Сдвинуть наностол

Единственное предприятие на территории бывшего Союза, которое было способно делать системы позиционирования для фотолитографов и продолжает делать разнообразные координатные столы, — это минский "Планар". Однако оказалось, что и в России есть коллектив, новый инновационный бизнес, работающий в области систем позиционирования нанометровой точности, — "Лаборатория “Амфора”", которая еще в 2003 году стала призером Конкурса русских инноваций (см. "Микроскопический бизнес", "Эксперт" № 3 от 27 января 2003 года).

Генеральный директор компании Павел Осипов в конце 1970-х работал в НПО "Астрофизика", которое разрабатывало высокоэнергетические лазерные технологические комплексы и оптические системы для обороны страны. "Лабораторию “Амфора”" он создал совместно с Константином Индукаевым, учеником академика Михаила Леонтовича. Индукаев, в частности, участвовал в разработке спутниковой электродинамической пушки — нашем "асимметричном ответе" на американскую СОИ — и высокоточных систем наведения спутниковых антенн. Тогда у него родились многие идеи, которые теперь используются в высокоточных системах позиционирования, ставших одним из основных направлений развития "Амфоры".

В традиционных системах позиционирования, поясняет Индукаев, господствует привод, включающий линейный электродвигатель и лазерный интерферометр, который использует систему обратной связи. Но в такой системе всегда присутствуют неустранимые колебания. А линейный привод с механическими винтовыми передачами всегда имеет практически не устранимый люфт. "Лаборатория “Амфора”" в своих системах позиционирования использует бесконтактную магнитную винтовую передачу без обратной связи.

У такого винта может быть большая ошибка — два микрона, полтора микрона, — но в каждой точке она строго одинакова, и обеспечивается высочайшая повторяемость, до долей нанометра, при подходе и слева, и справа, потому что в этой винтовой паре нет никакого люфта. Ее жесткость в разы превосходит жесткость традиционных систем позиционирования. Она способна обеспечивать передвижение с точностью в доли нанометра на 200–300 мм или даже 400 мм. "Это наше изобретение, — поясняет Осипов. — На него есть патенты". На базе такой передачи можно строить и уникальные металлорежущие станки, тем более что в "Амфоре" на аналогичных принципах разработаны и линейные подачи, и шпиндели, и координатные столы, в том числе для систем литографии.

Войти в мировой клуб

"Я уверен, — говорит Константин Кошелев, — что в одиночку России не создать промышленный образец литографа ни к 2020 году, ни позже. Потому что у нас нет соответствующей индустрии и мы не сможем развить ее на необходимом уровне в эти сроки. Но мы можем войти в мировой клуб, сотрудничая с ASML. И быть полноправными его участниками. И на это государство должно потратиться. На Западе до сих пор нас побаиваются, но если мы вложим свои деньги, сможем производить что-то важное для этого оборудования и у нас в руках будут важные патенты, то отношение будет другое. А пока ASML нам платит, и поэтому патенты принадлежат им. Но сейчас Роснано начала проект поддержки фотолитографии в стране, и мы рассчитываем на него. Если у нас будет собственное финансирование, то мы сможем закрепить хотя бы часть патентов за собой".

Как поясняет заместитель управляющего директора Роснано Руслан Титов, один из вариантов, который сейчас обсуждается, — создать инжиниринговую компанию с филиалом за границей, и чтобы она дверь в дверь сидела с ASML и то, что разработали у Кошелева, можно было бы сразу поставлять в ASML. Роснано с Кошелевым делает попытку создать первый такой бизнес в области передовой наноэлектроники, чтобы ASML стала воспринимать его не как ученого-разработчика, а как поставщика решений для их литографических машин. "И мы в это инвестируем деньги, — говорит Титов. — Потому что иностранных инженеров в русское юридическое лицо не наймешь, на работу в Россию их не перевезешь. А русских инженеров в ASML уже достаточно много". К примеру, директор исследовательского подразделения ASML — выпускник Физтеха Вадим Банин. А в компании "Саймер" — основном поставщике источников для фотолитографии — программу по EUV-литографии возглавляет выпускник Физтеха Игорь Фоменков.

Но есть и другое мнение. "Нашей задачей, — говорит директор Физико-технологического института РАН, академик РАН Александр Орликовский, — должно стать не просто участие в разработках зарубежных компаний, а прорыв, чтобы к 2020 году быть на равных с ведущими мировыми разработчиками этого оборудования и создать образец действующей установки с разрешением менее 20 нанометров".

Вот почему генеральный конструктор ОАО "НИИМЭ и Микрон" академик РАН Геннадий Красников, академик РАН Александр Орликовский и член-корреспондент РАН Николай Салащенко обратились в правительство с предложением создать в России программу развития производства фотолитографического оборудования и электронного машиностроения в целом.

"Есть два варианта промышленной политики, — поясняет Геннадий Красников, — в том числе в области фотолитографии и электронного машиностроения. Если есть деньги, если есть научные разработки и уверенность в том, что наши разработки лучшие и смогут завоевать существенную часть рынка, то нам надо развивать собственную промышленность.

Создание собственного литографа — очень сложная задача, не только техническая, но и маркетинговая, и экономическая, и политическая. Потому что ASML сотрудничает со всеми крупнейшими компаниями мира, выпускающими чипы. И к ним будет трудно пробиться. Но к решению этой задачи можно двигаться шагами. Первым шагом может быть поставка таких литографов в качестве научного оборудования каким-то лабораториям, компаниям, университетам, которые ведут исследования в этой области. С ними начинать выстраивать отношения. Одну установку продал, другую, постепенно завоевываешь авторитет, начинаешь это дело раскручивать.

Результатом предлагавшейся нами программы должно было стать создание установки, которую могли бы взять, во-первых, исследовательские центры, а во-вторых, которую мы на “Микроне” могли бы попытаться адаптировать в технологический маршрут.

А вот если у вас нет необходимых сил и денег, то возможен второй вариант — вступление в международный альянс, как теперь работают все компании мира. Та же ASML. Хотя, если мы хотим принимать участие в альянсе на равных, то все равно нужны разработки и деньги. Потому что, если ты вкладываешь туда свои деньги и ресурсы, то ты имеешь такие же права, как и другие. А если ты выполняешь работу на чужие деньги, то ты отдаешь не только результаты своей работы, но и интеллектуальную собственность".

Подключить промышленность

Николай Салащенко считает, что надо думать, как сделать полноценный литограф в России. По его мнению, в стране есть все условия для этого. Но, конечно, не надо отказываться от сотрудничества с ASML. Оба пути естественны. Один не мешает другому, а даже дополняет и помогает. Нужно использовать и возможности, которые может предоставить Роснано, для этого его и создавали. Нужно по возможности подключать и российскую промышленность: например, замечает Салащенко, "для нас было бы интересно совместно работать с Красногорским механическим заводом имени Зверева и над проблемой создания фотолитографа, и над проблемой выпуска прецизионной оптики".

В рамках подготовки к выпуску фотолитографа завод мог бы взять на себя разработку вместе с ИФМ промышленного интерферометра, необходимого для изготовления сверхточной оптики, разработку промышленной технологии изготовления и метрологии супергладких поверхностей, разработку технологии и оборудования для прецизионной коррекции формы оптических поверхностей.

Пока в мире всем циклом технологий, необходимых для создания сверхточной оптики и проекционных объективов сверхвысокого разрешения, обладают компании Zeiss (ФРГ) и частично General Optics (США) и Nikon (Япония). Освоение этих технологий российской промышленностью серьезно повысило бы ее конкурентоспособность. Тем более что, например, интерферометры, которые разработал ИФМ, не выпускаются мировой промышленностью. ИФМ совместно с Красногорским заводом мог бы, по мнению Салащенко, снабдить таким оборудованием университеты и оптическое производство и в России, и в Европе.

По мнению заместителя начальника научного оптико-конструкторского центра Красногорского механического завода им. С. А. Зверева Владимира Анчуткина, "конечно, КМЗ был бы заинтересован в участии в таком проекте. И если нам поступит соответствующее предложение и будет принято решение о финансировании проекта, то мы будем готовы взять на себя весь комплекс работ по оптической части экспериментального и опытного образцов EUV-нанолитографа".

Аналогичную позицию занял и главный инженер минского научно-производственного предприятия КБТЭМ-ОМО, входящего в состав объединения точного машиностроения "Планар", Владимир Матюшков: "Если будет решение о финансировании таких работ на уровне Союзного государства, то мы можем заняться разработкой систем позиционирования и для EUV-фотолитографа. Понимание, как это делать, у нас есть".

Некоторые из наших экспертов обратили внимание на политику Китая, который взял курс на создание собственного производства фотолитографического оборудования. Пока — прошлого поколения. На этом они учат инженеров, растят своих ученых. Когда они все это запустят, у них появятся тысячи людей, которые умеют на этом работать. И переход на следующую ступень (а скорее всего, через ступень) будет существенно проще.

Проблема России в том, что значительная часть наукоемкого машиностроения, которое когда-то в СССР было сконцентрировано в электронной промышленности, приборостроении и точном машиностроении, рассыпалась по отдельным небольшим коллективам в Академии наук, остаткам отраслевой науки, новым инновационным малым предприятиям и оказалась вне организующих усилий государства и корпораций. Большого бизнеса, который занимался бы наукоемким машиностроением, в стране тоже нет. Ситуация с разработкой фотолитографической установки — наглядный пример такой "рассыпанности": в стране нет центра координации подобных разработок. В результате значительная часть нашей академической и отраслевой науки оказывается замкнута на Запад, где под ее результаты и создаются самые квалифицированные рабочие места, дающие львиную долю добавленной стоимости. И туда продолжают утекать наши идеи и наши специалисты.

Станет ли Россия мировым лидером в производстве фотолитографических машин — вопрос открытый, но в любом случае, вступив на этот путь, она получит хорошие заделы в прецизионной оптике и механике, которые неизбежно станут основой следующего нанотехнологического уклада.

Автор выражает благодарность начальнику лаборатории переноса изображения ОАО "НИИМЭ и Микрон" Олегу Гущину за помощь при подготовке статьи

http://www.warandpeace.ru/ru/reports/view/66952/

Опубликовано 18 Дек 2017 в 08:00. Рубрика: Технологии. Вы можете следить за ответами к записи через RSS.
Вы можете оставить свой отзыв, пинг пока закрыт.