Что делать со знаниями, добытыми упорным и длительным трудом учеными, занимающимися фундаментальной наукой? Бывает, что ответа на этот вопрос долгое время не находят ни практики, ни сами исследователи. Но проходят годы, появляются новые возможности, растут потребности, и вдруг выясняется: полученные когда-то результаты — как раз то, что нужно для очередного рывка технического прогресса. Так произошло и с работой, которую в течение многих лет вели сотрудники Института спектроскопии РАН (ИСАН). Благодаря их полузабытым исследованиям вскоре можно будет выпускать более миниатюрные и совершенные устройства. О дороге, которая привела к успеху, рассказывает ведущий научный сотрудник института кандидат физико-математических наук Константин КОШЕЛЕВ.
— История наших исследований, на мой взгляд, достаточно интересна и поучительна, — говорит Константин Николаевич. — Несколько десятилетий мы изучали спектры многозарядных ионов, поведение разряда в вакуумной камере, пытались это моделировать, рассказывали о результатах исследований на различных конференциях, писали статьи в научные журналы.
В 1990-е годы стало ясно, что все это никому не нужно, никто даже не знает, смогут ли накопленные нами знания когда-нибудь понадобиться. Но вот сравнительно недавно выяснилось: наши наработки позволяют успешно решать современные технические проблемы, в частности связанные с производством микросхем. Точнее, с процессом литографии, который при этом используется.
Напомню, что современные микросхемы создаются с помощью так называемой проекционной литографии, в которой применяется принцип фотопечати. Берется тонкая кремниевая подложка размером около 300 миллиметров. Ее сначала покрывают фоторезистом (это особый светочувствительный материал), а затем проецируют на него через специальную оптику микросхему. Получается что-то вроде негатива микрочипа. Затем кремниевую подложку “проявляют”. В месте, куда попадает свет, происходят необратимые изменения, а остальная часть фоторезиста вымывается особым раствором. В результате на кремниевой подложке образуется сложная структура первого слоя микрочипов. Затем ее снова и снова покрывают фоторезистом и таким же образом печатают другие слои.
Размеры этой печати становятся все меньше и меньше. Примерно каждые полтора года количество элементов, размещаемых на одной и той же площадке, удваивается. Замеченная тенденция, получившая название закона Мура, подтверждается уже более полувека. Периодически инженеры и ученые, выходя на более глубокий микроуровень, подходят к определенному фундаментальному ограничению, которое грозит помешать дальнейшему развитию этой области. Но пока благодаря совместным усилиям и хорошему финансированию проблема благополучно решается.
Одно из таких фундаментальных ограничений связано с длиной волны излучения, которое используется при создании фотопечати. Дело в том, что для более качественной печати требуется более короткая длина волны. Сейчас для этих целей применяется мягкое ультрафиолетовое излучение 193 нанометра. Просто потому, что есть хорошие мощные лазеры, испускающие такой свет. Следующая длина волны, для которой также есть источники, — 153 нанометра. Однако здесь выигрыш в качестве небольшой, но трудности возникают огромные, так как для такого излучения не существует подходящей прозрачной оптики. Нужно изготавливать специальные зеркала и помещать их в вакуумную камеру. Казалось бы, если уж сокращать длину волны рабочего излучения, то как можно существеннее, например до одного-двух десятков нанометров. Но в этом случае возникают проблемы даже с зеркалами, так как их отражательная способность резко падает в ультрафиолетовом диапазоне.
Оказалось, можно изготавливать многослойные зеркала, обладающие специальными интерференционными свойствами. Что-то вроде просветленной оптики. У таких зеркал можно создать “окно” в 12-15 нанометров с высоким коэффициентом отражения — около 70 процентов. Но тут встает вопрос об источнике подходящего излучения: он должен быть очень мощным. Это нужно для того, чтобы машина, печатающая микрочипы, могла производить их с высокой скоростью.
Мы, занимаясь вроде бы чистой академической наукой, как раз изучали излучение лазерной плазмы, плазменных разрядов, спектры многозарядных ионов и т.п. Разрядная плазма — это что-то вроде обыкновенной искры, но в отличие от обычной она может “светиться” и в ультрафиолетовом, и в рентгеновском диапазонах, в зависимости от того, насколько мощный импульсный ток в ней проходит. А лазерная плазма возникает, когда излучение лазера фокусируют на какую-нибудь мишень в вакууме, очень быстро нагревая ее. При этом вещество мишени, многократно ионизируясь, начинает светить в мягком и даже в жестком рентгеновском диапазонах. Это чем-то похоже на то, как мы в детстве увеличительным стеклом выжигали рисунки или слова на дереве.
Одна из проблем здесь в том, что такое тепловое излучение, как правило, широкополосное, а высококачественные многослойные зеркала работают без искажений только в узком диапазоне. Но можно подобрать специальные вещества так, чтобы переходы между энергетическими уровнями были как раз нужной длины волны. А у нас уже был накоплен большой объем экспериментальных и теоретических знаний, благодаря которым мы знали, какая плазма светит в широком диапазоне, какая в узком.
Можно сказать, нам сильно повезло. Бывает, и нередко, что находки фундаментальной науки ждут своего применения и по 100 лет. Авторы таких исследований, понятно, не успевают принять участие в работах по их использованию. А здесь получилось так, что высокотехнологичное производство достаточно быстро “доросло” до наших открытий, позволив нам самим применить добытые знания для практических целей.
Технологический уровень производства микросхем потрясающий. К примеру, при многослойной печати кремниевая подложка вынимается, моется, сушится, обрабатывается, затем снова покрывается тонким слоем фоторезиста и ставится на место. Подобная процедура повторяется около 10 раз. И при этом необходимо, чтобы новый слой каждый раз соответствовал тому, что уже есть на пластинке. С какой же точностью нужно возвращать кремниевую пластинку размером 300 миллиметров опять в систему? Это как если бы вы строили 30 метровой высоты дом, выравнивая его стены с точностью до 0,1 микрона! Вот в такую технологическую среду нам пришлось внедриться со своими предложениями.
Во всем Западном полушарии есть только одна компания — АСМЛ, которая способна делать “ювелирные” проекционные фотолитографические машины. Она находится в Голландии, но в ее создании принимали участие инженеры и ученые со всего мира, в том числе и нашего института. Была задача разработать и сделать мощный источник света с длиной волны 13,5 нанометра. Именно эта длина по совокупности свойств была выбрана как новый эталон для разработки более совершенной фотолитографии. Изначально никто не знал, какое рабочее вещество лучше всего использовать в качестве излучателя. Многие считали, что подойдет металл литий или инертный газ ксенон. Потому что эти элементы имеют линии излучения, близкие к 13,5 нанометра.
Но мы на основе накопленных знаний довольно быстро поняли, что нужно использовать многократно ионизированное олово. Эта и многие другие идеи, выдвинутые в Институте спектроскопии РАН, лежат в основе современных прототипов промышленных источников экстремального ультрафиолетового излучения. Огромную роль в создании принципов действия таких источников играют методы численного моделирования, разрабатываемые нами совместно с группой профессора Владимира Новикова из Института прикладной математики им. М.В.Келдыша РАН.
Другая проблема — оптика в приборах со временем “стареет”, то есть теряет свою пропускающую способность. Кроме того, лазерная плазма не только излучает свет нужной длины волны, но еще и “плюется” атомами и ионами. При этом повреждается самое первое многослойное зеркало. А его стоимость — несколько миллионов долларов. Если позволить плазме его разрушать, то производство микрочипов будет экономически невыгодным. И вот мы вместе с сотрудниками профессора Александра Рахимова из МГУ стали выяснять, из-за чего именно и как загрязняется оптика, можно ли ее очищать в процессе работы. Методы, решающие проблему, были найдены. В частности, с использованием излучения, которое во время функционирования литографической машины ионизует редкий газ, окружающий зеркала.
Какие уроки мы извлекли из этой истории?
Во-первых, оказалось, что это исключительное удовольствие работать, ощущая, что твои результаты нужны и немедленно используются. Теоретические расчеты проверяются, экспериментальные данные внедряются, идеи патентуются. Во-вторых, мы непосредственно ощутили, каким фантастическим потенциалом все еще обладает российская наука.
Работа, связанная с источниками излучения, стала нашей первой задачей, мы в этой области были хорошими специалистами. Но очень скоро заказчики начали ставить и другие задачи, и уже через короткое время к решению новых проблем подключились наши коллеги из ФИАН, ИОФАН, МГУ, Института физики микроструктур РАН в Нижнем Новгороде… — всех и не перечислишь! А заказчики — это компании “Филипс”, АСМЛ, “Сематех”, в распоряжении которых лучшие университеты и лаборатории. Еще пример — в недалеком будущем предстоит переход на совершенно иной, неплазменный, метод генерации излучения 13,5 нм. Не могу пока касаться деталей, достаточно сказать, что научные директора литографической индустрии полетели в первую очередь в новосибирский Институт ядерной физики РАН.
Но есть и третий урок: даже работая при полной поддержке дирекции ИСАН, мы столкнулись с тем, что современная Академия наук не имеет ни моральных сил, ни юридических возможностей воспользоваться своими сокровищами. Хороша или плоха существующая система для организации фундаментальных исследований, можно еще обсуждать. Но то, что она не приспособлена для взаимодействия с хай-тек-индустрией, нам очевидно. Чтобы сохранить себя, найти новые способы финансирования своей основной деятельности — производства фундаментальных знаний, академия должна активно сотрудничать с коммерческими исследовательскими и инжиниринговыми компаниями.
Беседовал Василий ЯНЧИЛИН
Фото с сайта
https://community.i-gorod.com
Нет комментариев