Ультрафиолет – свет прогресса

Мы продолжаем цикл публикаций в рамках проекта «Инновации будущего» – о российских изобретениях и инновациях, способных обеспечить устойчивое технологическое развитие России в XXI веке. Нынешние наши герои – резиденты «Сколково» и разработчики уникальной технологии EUV-литографии по изготовлению микропроцессоров будущего.

Еще в советское время Троицк был флагманом высоких технологий и экспериментальной физики – в наукограде действовали десять известных научно-исследовательских центров, в которых работало 12 тысяч человек. Сегодня же Троицк получил шанс на второе рождение – в этом году здесь открывает свои двери уникальный нанотехнологический центр «ТехноСпарк». И уже известно название первой компании, которая войдет в состав технопарка. Это EUV Labs – компания, созданная командой из Института спектроскопии РАН. Разрабатываемые там источники экстремального ультрафиолетового излучения позволят России стать одним из центров разработки новой электроники, благодаря которым происходят революционные технологические изменения в мире, а в перспективе и вернуться на уровень мировых лидеров в производстве микросхем следующего поколения.

По «Закону Мура»

Однако, чтобы понять значимость этой революции, нужно совершить небольшое путешествие в прошлое – в 70-е годы прошлого века, когда инженер Гордон Мур, один из создателей компании Intel, сделал одно важное пророчество. Мур предлагал коллегам купить права на созданный в 1971 году первый 4-разрядный «микрокомпьютерный набор» 4004 (термин «микропроцессор» появился значительно позже). Эта микросхема размером с ноготь большого пальца содержала 2300 транзисторов, стоила 200 долларов и по своим параметрам была сопоставима с первой электронно-вычислительной машиной ENIAC – а эта машина, созданная в 1946 году, состояла из 18 тысяч вакуумных электронных ламп и занимала целый дом. И вот, демонстрируя коллегам первый в мире микропроцессор, Гордон Мур неожиданно высказал предположение, которое впоследствии назвали «законом Мура»: каждые полтора-два года число транзисторов на кристалле будет удваиваться, а их размеры – стой же скоростью уменьшаться.

Что ж, коллеги послушали Мура, и, как оказалось впоследствии, именно эта сделка определила блестящее будущее Intel. А вскоре они убедились и в правоте «закона Мура»: в 1972 году фирма Intel начала поставки 8-разрядного процессора i8008, содержащего уже 4 тысячи транзисторов. А в 1981 году семейство процессоров Intel пополнилось новой 16-разрядной моделью, которая получила в течение всего лишь одного года свыше 2500 наград за технологические новшества и стала прототипом для первого персонального компьютера.

Но сегодня даже те продвинутые технологи воспринимаются как достижения «каменного века». «Закон Мура» действует, и ключевой технологией, обеспечивающей развитие микроэлектроники, является проекционная фотолитография.

Фотолитография в микроэлектронике – это формирование заданного изображения на кремниевой подложке для получения необходимой топологии микросхемы. Достигается это путем использования самого дорогого, самого сложного и самого точного оборудования в машиностроении, стоимость которого достигает десятков и сотен миллионов долларов.

Обычно рисунок будущих микросхем делается так: сначала изготавливается увеличенное изображение (т.н. «маска») прибора, которое потом с уменьшением переносится на полупроводниковую пластинку, сделанную из кремниевой подложки, покрытой светочувствительным материалом – фоторезистом. Далее пластинка с фоторезистом подвергается облучению через оптическую систему, и после дальнейшей обработки, включающей в себя несколько циклов травления и осаждения новых слоев различных материалов, ученые получают заданный фотошаблоном рисунок.

Понятно, 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 вспомогательных процессов – например, работы механизма, передвигающего подложку под падающим лучом.

Так в 1980-е были освоены диапазоны волн в 248 нанометров. Примечательно, что первая в мире установка, способная работать с источником света на длине волны 248 нм, была разработана учеными Физико-технологического института АН СССР. Правда, политическая атмосфера тех лет внесла свои необратимые коррективы в программу исследований: связь между научными институтами прервалась, а прототип установки, как писали некоторые СМИ, был переправлен в Китай.

Рождение EUV-технологий

Но пока советская наука переживала хаос и распад, на Западе процесс научного поиска только набирал обороты. В США, учитывая практическую важность создания технологии фотолитографии, в сентябре 1997 года была создана так называемая Виртуальная Национальная Лаборатория (VNL), включающая кроме национальных лабораторий Министерства энергетики и частные компании, такие как Intel, Motorola, AMD. Развивали свои технологии фотолитографии и японские «тигры» – корпорации Nicon и Canon. Ну, а настоящий прорыв случился в голландском городке Эйндховен, где была основана компания ASM Lithography – дочернее предприятие корпорации Philips, самое передовое звено по производству микроэлектроники. Начав с повторения чужих экспериментов, голландцы вскоре вышли в лидеры рынка, ASML уже вК1996 году вошла в десятку производителей микропроцессоров, а к 2000 году первой в мире освоила работу с фотолитографическим оборудованием с диапазоном волн в 193 нанометра.

Было очевидно, что для того, чтобы уменьшить размеры транзисторов, нужно переходить к более коротковолновому излучению. Самая короткая длина волны, которую можно было использовать в обычной схеме проекционной литографии, принадлежала эк¬симерным лазерам и составляла 157 нм. Этот рубеж ASML взяла в 2003 году. Прыжок к более коротковолновым системам оказался очень труден – фактически надо было перепрыгнуть две пропасти одновременно. Во-первых, не существовало достаточно мощных и надежных источников более коротковолнового излучения. А во-вторых, инженеры натолкнулись на невидимый – причем, в самом буквальном смысле этого слова – барьер матушки-природы – более коротковолновое излучение поглощается всеми веществами – и в первую очередь, линзами и традиционной преломляющей оптикой самой фотолитографической установки.

Новая цель была грандиозной – использовать излучение с длиной волны 13,5 нм, диапазон почти рентгеновский. Между освоенными длинами волн и новым диапазоном, который получил название «Экстремальный Ультрафиолет», лежала настоящая пропасть.

Мосты через эти технологические пропасти наводились в научных лабораториях задолго до возникновения упомянутых проблем в проекционной литографии. Коротковолновое излучение можно передавать и фокусировать, используя оптические системы на основе многослойных интерференционных зеркал. Пионером в разработке таких зеркал был нижегородский Институт физики микроструктур (ИФМ) РАН. Надо сказать, что есть два способа заставить плазму излучать. Один – пропустить мощный электрический ток через пары какого-либо материала – что-то вроде ручной молнии. А второй – сфокусировать излучение мощного лазера на крохотную мишень, вроде того как дети поджигают все, что под руку попадется, собирая зеркальцем или линзой солнечный свет. В Институте спектроскопии (ИСАН) РАН в лаборатории спектроскопии плазмы еще с советских времен изучались методы возбуждения мощного коротковолнового излучения в плазме с температурой почти миллион градусов.

Правда, к началу нового тысячелетия оба института были в неважной форме, и многие специалисты искали себе применение в Европе и США. К примеру, заведующий лабораторией ИСАН Константин Кошелев еще и возглавлял проект в голландском Институте физики плазмы. Но нет худа без добра. Однажды в 2000 году его, как сотрудника голландского института, пригласили для консультации в исследовательское подразделение АСМЛ, которое, кстати, возглавлял один из выпускников долгопрудненского Физтеха. Проблема, с которой столкнулось АСМЛ, да и все литографическое сообщество, заключалась в слишком низкой мощности существовавших на тот момент источников коротковолнового излучения. Кошелеву предложили создать в АСМЛ лабораторию для разработки новых типов источников. Он согласился с тем, что лаборатория нужна, но предложил провести эти исследования в своей лаборатории в подмосковном Троицке, где еще с советских времен собрался коллектив первоклассных специалистов в области физики плазмы. АСМЛ рискнуло: в те времена мало кто из ведущих фирм решался заказывать какие-либо работы в России, предпочитали «покупать мозги» на вывоз – и не прогадало.

Оловянный пар

Результат не заставил себя ждать – уже через пару лет ученые ИСАН сделали кардинальный шаг – показали, что можно в несколько раз увеличить мощность излучения, если вместо привычного на тот момент ксенона возбуждать излучение в плазме другого химического элемента – олова. Это был революционный шаг, и уже в 2003 году в ИСАНе был создан прототип самого мощного на тот момент источника ЭУФ излучения на основе электрического разряда в парах олова.

Только попытайтесь представить себе этот агрегат, отдаленно напоминающий газоразрядную лампу, внутри которой в полном вакууме вращаются два колеса с пленкой жидкого олова на поверхности. Два колеса это два электрода, между которыми с огромной частотой проскакивают молнии разрядов. Каждый из разрядов производит совсем немного ЭУФ-излучения – кпд преобразования электрической энергии в нужное излучение невысок, около двух процентов. Но разряды происходят с огромной частотой – десятки тысяч разрядов в секунду. Чем быстрее вращаются колеса, тем больше частота этих микромолний и выше мощность испускаемого света. За промышленную разработку такого источника взялась компания Филипс.

Впрочем, когда выяснилось, что и эта установка имеет свои недостатки, связанные с ограничением на скорость вращения колес, то в группе Кошелева было найдено новое очень остроумное решение: вместо колес в качестве электродов, между которыми идут разряды, использовались две быстрые струи жидкого олова. Максимальная мощность разрядного источника выросла в несколько раз.

Ученые из Нижнего Новгорода решали другие технологические задачи – например, отработана технология нанесения молибден-кремниевого покрытия на зеркала, которые затем полируются до блеска потоком низко¬энергетичных ионов. Был разработан и специальный теплостойкий фильтр, который пропускал бы только излучение с длиной волны в 13,5 нанометра, поглощая весь остальной световой «фон», способный в мгновение нагреть экспонируемую кремниевую пластинку до 1000 градусов и моментально испортить ее. Проблема только в том, что этот фильтр должен сам разогреваться до температуры плавления стекла, не деформируясь при этом даже на нанометр, и работать под таким воздействие фонового излучения месяцами напролет. Российские физики из Института физики микроструктур (ИФМ) РАН справились и с этой задачей.

Работать на Россию

Несколько лет назад в Троицке в Институте спектроскопии РАН была создана компания «РнД-ИСАН», взявшая на себя проведение исследовательских и внедренческих работ в области EUV-литографии. Но несмотря на то что российские специалисты способны не только разработать прототип EUV-источника, но и создать даже замкнутый цикл производства рентгенооптики и измерительной аппаратуры, у российской науки до недавних пор не было никакой возможности воплотить свои изобретения, как говорится, «в металле» – произвести, допустим, промышленный образец фотолитографа или открыть собственный литографический завод по производству нано-микрочипов. Вот и приходилось нашим исследователям работать на голландского «дядю». Но в том-то и дело, что пока ASML платил российским ученым за исследования, все патенты на изобретения принадлежали им. А россиянам оставалось лишь чувство гордости за отечественную научную школу.

Некоторое время назад ведущие российские физики обратились в правительство с предложением создать в России программу развития производства фотолитографического оборудования и электронного машиностроения в целом. Идея была простой: если у российских физиков будет собственное финансирование, то мы сможем закрепить хотя бы часть патентов за собой. Следовательно, условия сотрудничества с ASML могут быть пересмотрены, и Россия сможет в статусе полноправного участника войти в мировой клуб творцов нового нанотехнологического уклада. Но вот реально переломить отношение государства к своим ученым удалось только после того как Троицкий наноцентр «ТехноСпарк» привлек к разработке внимание и интерес со стороны инновационного центра «Сколково», а после и Фонда инфраструктурных и образовательных программ РОСНАНО.

Будущее уже здесь

«Чтобы оценить важность открытия российских ученых, нужно просто понять несколько фактов. EUV-нанолитография, действующая в диапазоне менее 15 нанометров – это технология производства микропроцессоров завтрашнего дня. И владеют этой технологией только три компании: ASML, Nikon и Canon. Плюс исследовательские центры в США и отчасти – в России, где достаточно светлых голов, чтобы двигать вперед науку», – так оценивает потенциал компании Денис Ковалевич, директор кластера ядерных технологий (для справки, компания EUV Labs является резидентом кластера ядерных технологий).

Два года назад на базе компании «РнД-ИСАН» была создана новая фирма EUV Labs, которая в свою очередь стала фундаментом для новой технологической инжиниринговой компании (ТИК) в Троицке. Также в состав учредителей вошли Фонд инфраструктурных и образовательных программ (ФИОП) и Совместный центр трансфера технологий РАН и РОСНАНО.

«Создание EUV Labs – это новая жизнь для разработок из ИСАНа, а в перспективе Квозможность новой жизни для самого института, – говорит Артем Кротов, исполнительный директор EUV Labs. – И если еще 2 года назад в роли R&D-поставщика глобальной компании мы видели свое будущее, то сегодня пришли к выводу: чтобы самостоятельно создавать не опытные, а уже промышленные образцы того же источника ЭУФ-излучения, необходимо перерождение в России соответствующей индустрии, инфраструктуры и рынка, и путь к этому лежит только через работу с глобальными партнерами, в разработки и технологические цепочки которых необходимо встраиваться, учиться и импортировать этот опыт».

«Создание Технологической Инжиниринговой Компании на базе EUV Labs стало логическим продолжением развития компании после получения поддержки от Сколково, – говорит Руслан Титов, заместитель управляющего директора Фонда инфраструктурных и образовательных программ РОСНАНО. – Мы получаем и импортируем уникальный опыт по инжинирингу и коммерциализации технологий в литографии в теснейшем взаимодействии с глобальными игроками. И мы обязательно будем расширять этот формат взаимодействия с рынком на смежные отрасли и индустрию новой электроники в целом».

Руководить работой EUV Labs стал Константин Кошелев, который сосредоточился на работе только в России, – специалисты ЭУФЛабс и Института спектроскопии работают над созданием нового EUV-источника, способного работать в диапазоне 6,5–6,7 нанометра – а это шаг для следующего поколения микрочипов.

– Мы уже поняли, каким должен быть источник на этой длине волны, – говорит Кошелев. – И сейчас мы этот источник разрабатываем. Это тоже будет лазерная или разрядная плазма, созданная на одном из двух элементов – гадолинии или тербии.

Также в EUV Labs развивают одну их старых разработок «РнД-ИСАН» – методику защиты многослойной оптики для EUV-литографии. Дело в том, что даже в условиях сверхвысокого вакуума и так называемых «чистых камер» на поверхности зеркал всегда присутствует некоторое количество адсорбированных молекул воды и углеводородов. Но взаимодействие жестких EUV-фотонов с этими молекулами приводит к их распаду и образованию активных атомов и свободных радикалов на поверхности зеркала. Благодаря этому и происходит окисление верхнего защитного слоя зеркала, а также образуется углеродная пленка толщиной всего в несколько нанометров, которая приводит к заметной потере отражательной способности EUV-зеркал. Учитывая наличие до десятка зеркал в оптической схеме EUV-литографа, это приводит к быстрому блокированию литографического процесса. Но благодаря разработанной российскими учеными системе очистки загрязнений оптики в EUV-литографе срок службы зеркал увеличивается до 5 лет.

Такие задачи для заводов нанотехнологического уклада имеют большое значение, экономический эффект от их внедрения – огромен.