Научно-технические проблемы высокочистых веществ

Прогресс фотонных и электронных технологий неразрывно связан с производством высококачественных монокристаллов, стекол и стеклокристаллических материалов, изготовлением эпитаксиальных структур. Требования по характеристикам материалов непрерывно возрастают. Повышение их качества достигается в значительной мере за счет снижения концентраций дефектов и в первую очередь примесей. В связи с этим проблема получения высокочистых исходных материалов — одна из самых актуальных для успешного развития компонентной базы фотоники и микроэлектроники.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

«Ъ-Наука» проанализировал профинансированные в 2014–2024 годах научно-исследовательские работы по высокочистым веществам на портале «Наука и инновации». Очевиден всплеск выдачи грантов на многие миллионы рублей. Топ-13 представлены в таблице.

В 2024 году эксперты «Ъ-Науки» ожидают финансирование и контрактование на НИР в области высокочистых веществ (по открытым тематикам) около 1 млрд руб.— со стороны Минобрнауки, РНФ и коммерческих структур. За счет НИОКТР в крупных госкорпорациях (типа «Росатома» и «Ростеха») эту сумму можно умножить не менее чем на двадцать.

Химическая чистота

Из открытых источников (статьи и тезисы докладов, патенты, сопроводительные документы на гранты) можно сделать обзор основных проблем этой области.

Основной проблемой в технологии химических реактивов и веществ особой чистоты является получение достоверных знаний о химическом строении, количестве и формах примесей. От того, в какой химической форме и в каком количестве присутствует примесь в очищаемом соединении, зависит не только возможность аналитического контроля, но и способ очистки.

Современная аналитическая база для исследования и сертификации высокочистых веществ в России недостаточна. Это существенное препятствие для разработки технологий конкурентоспособных высокочистых веществ и материалов на их основе.

Также препятствием очевидно является эмбарго на поставки в страну многих высокочистых веществ (это, например, органические полупроводники с химической чистотой выше 99,995 мас.%, кадмий с чистотой выше 99,9999 мас.% и ряд других), высокочистых кислот (например, серной с чистотой 99,9999999 мас.%), необходимых как для изготовления наноразмерных структур, так и для исследования примесного состава.

Большинство предприятий, использующих в своих производствах высокочистые вещества, выпускают продукцию двойного назначения. Поэтому отсутствие национальных конкурентоспособных технологий ставит под угрозу развитие современных и перспективных средств связи, вооружений и специальной техники.

В России продолжают действовать ГОСТы и ТУ на высокочистые вещества, разработанные в СССР и позднее в 90-е годы. Большинство из них характеризуют препараты с чистотой не выше 99,999 мас.%. В то же время технологии получения монокристаллов и эпитаксиальных структур для современной компонентной базы используют препараты с чистотой не ниже 99,9999 мас.% (6N по международной классификации). Подавляющая часть этих материалов поставляется из-за рубежа.

Отставание ГОСТов и ТУ тормозит развитие отрасли. В связи с бурным прогрессом технологий новых материалов и устройств спираль жизненного цикла технологий высокочистых веществ стремительно сжимается. Если ранее жизненный цикл оценивался в 10–15 лет, то теперь актуальность технологий высокочистых веществ оценивается в 3–5 лет.

Радиохимическая чистота

Для современных электронных и фотонных приборов требуемая интегральная химическая чистота материалов — не ниже 99,999 мас.%. Однако переход в электронике к топологическим нормам менее 17 нм поставил вопрос о получении не просто высокочистых веществ, но и материалов с предельно низким содержанием альфа-активных долгоживущих изотопов — в частности, урана и тория. Такое требование связано с уменьшением размеров области p-n-перехода. В результате эмиссия альфа-частиц в область p-n-перехода приводит к изменению его состояния и ошибочному переключению логического элемента, то есть к сбоям в работе электронных систем (обычно их списывают на эффекты от космического излучения). Ведущие мировые компании проводят исследования по созданию ультранизкофоновых исходных веществ для наноэлектроники. В первую очередь речь идет о концентрациях урана и тория на уровне 10⁻¹¹–10⁻¹² г/г. То есть при химической чистоте (5–6)N чистота по урану и торию должна быть (11–12)N.

Аналитическое оборудование и материаловедение примесей

Очевидны сложности с приобретением оборудования из недружественных стран, запчастей, расходных материалов, ремонтных услуг. Исследования в области поиска связей между количеством и формами примесей и технологией получения высокочистых веществ невозможны без высокоточных инструментальных методов анализа. Приборное комплектование и квалификационная аттестация методик аналитического контроля примесного состава пока являются проблемой.

Материаловедение примесей (их пространственное распределение, структурные особенности, диффузионные возможности, динамика перераспределения, пространственная сепарация, структурная деградация) требует своего особого развития в теоретическом, методологическом и практическом аспектах.

Научно-технологические альянсы по высокочистым веществам

Проблемы высокочистых веществ хорошо осознаются специалистами как государственных, так и специализированных коммерческих структур. В этой связи надо отметить образование целого ряда формальных и неформальных научно-технологических альянсов, в том числе в рамках сложившихся кластеров — московского, нижегородского, новосибирского, томского, рязанского.

Нижний Новгород. В качестве примера можно указать на организацию работ по «сетевому» принципу с ННГУ им. Н. И. Лобачевского, где создана лаборатория технологий получения веществ электронной чистоты. В ходе работ по теме «Специальные высокочистые газы» требуется решить множество задач (разработка технологий целого спектра высокочистых газов для микроэлектроники, более 20 наименований), которые не могут быть реализованы в одной лаборатории. В рамках сетевого сотрудничества создаваемые лаборатории будут нацелены на достижение двух результатов — «Специальные высокочистые газы» и «Суспензии для химико-механической полировки полупроводниковых материалов», однако с различными технологиями, задачами и целевыми продуктами. Сетевое сотрудничество обеспечит эффективное разделение труда нескольких научных центров.

Москва. Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева в партнерстве с ООО АРМОЛЕД нацелен на создание энергоэффективных технологий получения ряда специальных материалов для микроэлектроники, а именно высокочистых газов (силан, аммиак, оксид азота (I), метан, диоксид углерода), и на изучение тепломассопереноса при выращивании кристаллов (кадмий—цинк—теллур) методом направленной кристаллизации расплава. Ведется разработка аналитического обеспечения аппаратуры и самих методик анализа для выходного контроля. В частности, разрабатываются новые процессы мембранного разделения, ведется поиск эффективных инженерных решений для создания нового производственного инструментария.

Новосибирск. Институт неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН осуществляет исследование высокочистых металлорганических соединений, эффективных в процессах атомно-слоевого и химического газофазного осаждения слоев для микроэлектроники. Цель работы: разработка технологий получения металлорганических соединений-прекурсоров, отвечающих критериям высокой чистоты и требованиям к термохимическим свойствам, для процессов атомно-слоевого осаждения оксидных и металлических слоев в элементах микроэлектроники. Институт действует в рамках альянса, в который входят:

1) АО «НИИ молекулярной электроники» — ведущий российский центр научно-технологических исследований в области микро- и наноэлектроники, в разработке и производстве полупроводниковых изделий.

2) Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН, где занимаются разработкой и исследованиями флеш-памяти (Charge Trap Flash Memory, CTFM). Теоретический и экспериментальный задел получил мировое признание и служит базой для изучения механизмов резистивного переключения, наблюдаемого в оксидах металлов. Созданные на их основе МДМ- и МДП-структуры являются наиболее перспективными материалами для энергонезависимой резистивной флеш-памяти (ReRAM) с нанометровыми размерами элементов.

3) Новосибирский национальный исследовательский государственный университет участвует в исследовании строения и термических свойств комплексных соединений, а кроме того, готовит молодых специалистов на кафедрах химического материаловедения, неорганической и физической химии факультета естественных наук НГУ.

Заключение

Проекты производства высокочистых химических веществ направлены на решение важной проблемы по направлению «Микроэлектроника» стратегической инициативы президента РФ в научно-технологической сфере, а именно — на импортозамещение за счет создания отечественных прорывных технологий получения высоко и особо чистых веществ. В связи с санкционным давлением Россия оказалась заблокирована от западных источников высокочистых веществ, которые необходимы в микро- и оптоэлектронике. В частности, в настоящее время в Российской Федерации не производится высокочистый (7N и выше) поликристаллический арсенид галлия (GaAs) — исходное сырье для выращивания монокристаллического GaAs. Монокристаллический арсенид галлия, в свою очередь, является базовым материалом СВЧ-электроники и лазерной техники.

Среди специалистов-химиков и менеджеров существует серьезное понимание, что для создания материалов для современной компонентной базы в России необходимо ускоренными темпами развивать производства высокочистых исходных элементов (чистотой 7N и выше).

«Ъ-Наука» будет следить за успехами в этой области.

Владимир Тесленко, кандидат химических наук