На короткой волне

Все мы давно привыкли к смартфонам, и нас совсем не удивляет, что с каждым годом они становятся все меньше и тоньше, выполняя все больше функций и постепенно превращаясь из переговорного устройства в полноценный компьютер. Для создания все более функциональных устройств производителям приходится находить инновационные технологии, и российские компании активно им в этом помогают. Одна из таких компаний — «Троицкий инженерный центр» — ТИЦ (резидент «Сколково»), который выпускает источники ЭУФ-излучения для метрологии, необходимой при производстве микросхем.

Физика без лирики

Но сначала немного физики. Начнем с того, что микросхемы, на которых построена вся современная электроника, «печатаются» из кремния по технологии проекционной литографии. Тот же принцип используется при печати фотографий, вот только в этом случае изображение с пленки проецируется на бумагу с увеличением, а при печати микросхем специальная пластина — маска, где записано изображение микросхемы, с уменьшением проецируется на полупроводниковую пластину из кремния, покрытую фоторезистом (светочувствительный полимерный материал), который потом, как и фотопленку, проявляют.

Всем известный закон Мура гласит, что каждые два года число элементов на микроэлектронных схемах удваивается, а следовательно, их размер должен пропорционально уменьшаться. «В рекламе каждого нового айфона, например, мы видим, что процессор сделан по технологии 20, 15, 10, 7, 5 нанометров (нм) и на следующий год уже запланировано 3 нм,— говорит генеральный директор ТИЦ Евгений Горский.— В чем там техническая проблема? Свет, с помощью которого все это осуществляется, обладает волновой природой, а волны имеют определенную длину. Как только мы пытаемся элемент изображения сделать меньше длины волны источника света, вместо резкого изображения благодаря явлению дифракции получаем размазанное пятно. Следовательно, для уменьшения размеров элементов микросхем нужно уменьшить длину волны источников света. Если до 1990-х годов для производства микросхем использовались ртутные лампы, то в начале 2000-х их сменили эксимерные лазеры с длиной волны 248 нм. Сейчас мировой стандарт для производства микросхем — 193 нм, на этой длине волны работает почти вся современная микроэлектроника. Коммерчески доступных лазеров на длину волны меньше 193 нм пока нет. А микросхемы с элементами в 3–5 нм уже есть. Как такое возможно?»

Для создания более коротковолновых источников, чем 193 нм, ученые обратились к плазме. «Плазма позволяет получить практически любую длину волны, но использование коротковолнового излучения в технике имеет ряд особенностей,— объясняет Горский.— Свет в диапазоне 10–100 нм, называемый экстремальным ультрафиолетом, сокращенно ЭУФ, не проходит через воздух и какие-либо оптические материалы и почти ни от чего не отражается. Создать его можно, но для литографической машины нужна еще оптика, формирующая изображения будущих чипов».

Принцип работы источника ЭУФ-излучения

Поскольку для создания линз на ЭУФ-диапазон подходящих материалов в природе не существует, ученые стали думать, как сделать оптику отражающей. В результате было изобретено многослойное диэлектрическое покрытие, состоящее из десятков слоев молибдена и кремния толщиной по нескольку нанометров каждый. Такие зеркала отражают примерно 80–85% ЭУФ-излучения с длиной волны 13,5 нм, которая сегодня используется в промышленности. Но возникла новая проблема: найти плазменный источник, эффективно создающий излучение на длине волны, которую отражает зеркало. И в начале 2000-х в лаборатории Константина Кошелева в Институте спектроскопии РАН было предложено использовать оловянную плазму, потому что у олова большая группа ионов излучает с достаточно высокой эффективностью именно в том диапазоне, который отражает зеркало из молибдена и кремния. На этой идее российских ученых построено современное производство микросхем, и 5 нм в айфоне последнего поколения получены с использованием олова в источнике излучения. Первые поставки коммерческих чипов на основе ЭУФ-технологий начались в 2019 году.

Литограф

Все эти высокотехнологичные процессы осуществляются в машине, которая называется ЭУФ-литограф. Это установка размером с небольшой дом стоимостью от €120 млн за штуку. Выпускает такие машины одна-единственная компания в мире — нидерландская ASML. «В этом литографе очень много российской научной работы,— подчеркивает Евгений Горский.— В ASML есть холл, где в рамочках висят патенты. Их там несколько сотен, и значительная часть патентов по ЭУФ выписана на людей с русскими фамилиями. У нас в Институте спектроскопии РАН (ИСАН) была создана признанная во всем мире научная школа по изучению физических процессов в литографии. В начале 2010-х на основе этой школы при содействии "Сколково" и "Роснано" возникла компания "ЭУФ Лабс", целью которой стала разработка новых принципов создания высокотехнологичного оборудования для ЭУФ-литографического процесса. Там же, в ИСАНе, была создана очень сильная школа по математическому моделированию процессов, происходящих в ЭУФ-плазме. Коллеги сейчас создали свою компанию, и у них заказывает моделирование процессов взаимодействия плазмы с элементами конструкции источника пятерка лидеров мировой электронной промышленности».

«Понятно, что технологическая линия обычно состоит не из одного только литографа, а из нескольких сот разных машин, работающих по сложным процессам,— продолжает гендиректор ТИЦ.— В центре современной ЭУФ-литографии находится источник излучения, в котором организован поток из летящих в вакууме капелек олова, где каждую каплю расстреливают импульсом мощного лазера. Под действием лазерного импульса вещество капли превращается в плазму, часть излучения от которой попадает в нужный для литографии диапазон 13,5 нм».

При этом все процессы в литографии требуют метрологии, то есть контроля параметров. Необходимо постоянно проверять состояние источника, оптики, систем позиционирования, точности совмещения слоев и т. д. Особенно остро в ЭУФ-литографии стоит вопрос контроля чистоты и состояния масок, поскольку даже нанометровые загрязнения будут приводить к созданию дефектных чипов.

Источник света для метрологии

Здесь стоит вспомнить, что ЭУФ-технология жестко привязана к длине волны 13,5 нм, поэтому для метрологии нужен источник ровно на той же длине волны, как на производстве, только более компактный, с более высокой яркостью и при этом не требующий сложной инфраструктуры. Но и это еще не все. Вся ЭУФ-техника вакуумная, излучение тоже должно появляться в вакууме и передаваться дальше в метрологическую часть оборудования — туда, где находятся маски, оптика, детекторы и прочие элементы. В этой метрологической зоне должна царить идеальная чистота. «Но у нас нет возможности между нашим источником и целевой машиной поставить защитное окно, потому что оно поглотит ЭУФ-излучение,— объясняет Евгений Горский.— Выход один: делать чистый источник, который не создает "грязи". Над этой проблемой работали многие научные коллективы и коммерческие компании всего мира. Принципиально новый подход к этой теме был разработан и запатентован компанией "ЭУФ Лабс". Техническое решение было настолько успешным, что "ЭУФ Лабс" тут же получила предложение о продаже права использовать эту технологию от одного из крупнейших производителей оборудования для полупроводниковой промышленности. В России тоже решили строить такие источники, и задачей ТИЦ было перейти от принципа и макетного прототипа к настоящему коммерческому прибору для самой высокотехнологичной мировой индустрии. И мы такой прибор построили».

Устройство, которое производит ТИЦ, представляет собой источник ЭУФ-излучения на 13,5 нм для целей метрологии. Это ключевой элемент больших метрологических установок. По словам Горского, на рынке есть и другие источники ЭУФ, но они менее яркие, более грязные и требуют частого обслуживания.

Как и источник излучения для ЭУФ-литографа, прибор ТИЦ тоже работает на основе оловянной лазерной плазмы. «Вот это диск,— объясняет Евгений Горский принцип действия прибора,— на его боковой стенке находится пленка из жидкого олова, в которую стреляет лазер. В точке, в которую попадает лазерный импульс, образуются плазма и поток частиц, которые разлетаются в разные стороны. В результате получается примерно 2% полезного излучения и 98% всего остального: ненужного излучения, капель, ионов и прочего, что не должно попасть в установку пользователя. Коллеги из "ЭУФ Лабс" предложили гениальную по своей простоте идею: быстро вращать этот диск. В таком случае загрязняющие частицы, живущие в системе отсчета, связанной с диском, после выстрела летят по инерции дальше. Таким образом, грязь можно собрать в ловушку и безопасно утилизировать; для этого скорость вращения диска должна быть больше скорости разлета частиц. Это первое, что значительно очищает выходное излучение».

Но помимо оловянных капель в состав «грязи» входят и легкие ионы, которые все-таки частично проникают вперед. Чтобы уменьшить этот поток, на их пути создается магнитное поле. Частицы начинают закручиваться вокруг силовых линий и не долетают до выхода. Это вторая линия защиты.

Третья заключается в том, что в конус, из которого выходит полезное излучение, противотоком под небольшим давлением подается особо чистый газ, который выдувает все, что туда попало.

Наконец, в особо точных измерениях требуется еще один уровень защиты. Для этого используют CNT-мембраны (carbon nanotube — углеродные нанотрубки). Это такая тонкая углеродная сетка, состоящая из хаотически расположенных нанотрубок. Она задерживает случайно залетевшие частицы, ведь даже единичные «соринки» на выходе недопустимы.

Трудности реализации

«Все это в теории,— уточняет Горский.— А дальше идет техническая реализация. И тут одна за другой возникают трудности. Первое: диск должен вращаться в вакууме с огромной скоростью, а значит, нужны скоростные подшипники. Для нашей задачи удалось подобрать специальные композитные подшипники с керамическими шариками: обычные стальные в таких условиях не справляются. Подшипники надо смазывать, а смазка всегда испаряется и улетает. В вакууме источника ничего летать не должно. И мы нашли специальную смазку, которая используется для космических аппаратов».

В вакууме, как известно, нет теплопроводности, а значит, все, что греется в объеме установки, требует принудительного охлаждения. При этом диск работает в очень сложном температурном режиме: в центре диска для обеспечения нормальной работы подшипников должно быть не более 60°С, при этом на наружной поверхности — расплавленное олово при температуре около 300°С, а температура излучающей ЭУФ-плазмы вообще близка к миллиону градусов. Инженеры подобрали для диска особый титановый сплав, рассчитали его форму для обеспечения необходимой прочности.

«Отдельная проблема — как забирать тепло с диска,— говорит Евгений Горский.— Лазер мощностью несколько сот ватт стреляет прямо в диск, соответственно, все тепло выделяется на нем. Мы сделали так, что внизу под диском находится система лабиринтного уплотнения, которая забирает тепло и отдает его охлаждающей жидкости. Вакуум в системе поддерживается турбомолекулярным насосом. В машине установлено много сопутствующих систем: нагрев, охлаждение, вакуум, газы, вода, теплообменники, электрика, автоматика для управления и поддержания рабочих режимов».

«До нас в этой сфере в России практически не было положительного опыта по созданию коммерческого оборудования,— говорит в заключение гендиректор ТИЦ.— Все технологии разрабатывались и продавались как IP (интеллектуальная собственность), а мы впервые попытались создать готовый к использованию прибор. И у нас это получилось: в этом году мы уже поставили две машины в Корею и собираем еще несколько. У нас в стране между наукой и продуктом, который можно выпускать серийно, лежит пропасть. Нам удалось ее преодолеть, и это важно: Россия не должна оставаться на задворках мирового инновационного процесса».