«Всё купим», или Как мы помогли ASML

Недавно ушедший от нас член-корреспондент РАН Николай Салащенко был не только выдающимся ученым: ему и его ученикам удалось разработать технологии, которые обеспечили конкурентоспособность в области фотолитографии главному игроку мирового электронного машиностроения — голландской ASML. Запустить подобный проект в России пока не удалось

Главный научный сотрудник Института физики микроструктур (ИФМ) РАН , член-корреспондент РАН Николай Салащенко

Установки фотолитографии — ключевое оборудование, необходимое при производстве микроэлектроники. Ведущим производителем фотолитографов в мире и практически монополистом в области самых современных EUV-литографов (EUV — Extreme Ultraviolet Lithography, экстремальная ультрафиолетовая литография) является голландская компания ASML, использующая в своих установках покрытия, разработанные членом-корреспондентом РАН, главным научным сотрудником Института физики микроструктур (ИФМ) РАН Николаем Салащенко, который в кооперации с командой разработчиков соответствующего источника излучения (также используемого ASML) из Института спектроскопии РАН сумел создать прототип собственного EUV-фотолитографа еще в 2012 году. Николай Николаевич мечтал, что его разработки помогут России обрести технологический суверенитет в этой важнейшей области экономики. Но этого не случилось. И это одна из причин того, что наша страна сейчас испытывает многочисленные проблемы при производстве микроэлектроники.

О разработках Салащенко в области фотолитографии, в которых использованы результаты его научных достижений в области физики, мы неоднократно писали в нашем журнале.

Николай Николаевич Салащенко скончался 25 января этого года. Мы встретились с учеником и соратником Николая Николаевича заведующим отделом ИФМ, доктором физико-математических наук Николаем Чхало, чтобы обсудить достижения Николая Николаевича, их применение в различных областях науки и техники, перспективы дальнейшего их развития и проблемы, которые возникают на этом пути.

ЧТО ТАКОЕ МНОГОСЛОЙНАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ОПТИКА И ЛАЗЕРНОЕ НАПЫЛЕНИЕ

Многослойные рентгеновские зеркала представляют собой периодические структуры, состоящие из слоев материалов с различными оптическими константами, по аналогии с интерференционными зеркалами для оптического диапазона. Спецификой рентгеновских зеркал являются предельно малые периоды до 1 нм, большое число, до 1000, периодов и сильное поглощение практически всех материалов.

Сложность изготовления многослойных зеркал заключается в необходимости контроля толщин сотен и даже тысяч пленок с точностью 0,1‒0,2%, а межслоевая шероховатость должна быть на уровне 2‒4 ангстрема. (Источник: Н. Н. Салащенко, Н. И. Чхало. Развитие многослойной рентгеновской оптики и применение в физических экспериментах и научном приборостроении в ИФМ РАН)

Лазерное напыление (или осаждение) — получение пленок и покрытий путем конденсации на поверхности подложки продуктов взаимодействия в вакууме лазерного излучения с материалом мишени.

— Расскажите, пожалуйста, об основных научных достижениях Николая Николаевича и об их использовании в различных областях науки и техники.

— Николай Николаевич Салащенко стоял у истоков создания мировой многослойной рентгеновской оптики. Первые высокие коэффициенты отражения многослойных рентгеновских W/C-зеркал (на основе перемежающихся слоев вольфрама и углерода. — «Стимул»), изготовленных методом лазерного напыления, были получены в 1981 году. В то время измерять коэффициенты отражения в мягком рентгеновском диапазоне можно было только в новосибирском Академгородке, в Институте ядерной физики Сибирского отделения АН. Тогда и завязалась крепкая и плодотворная дружба между институтами прикладной физики и ядерной физики. Но Николай Николаевич прекрасно понимал, что для отработки технологий необходима оперативная информация об отражательной способности зеркал, и поэтому принял единственно правильное решение — развивать отсутствующую на тот момент времени технологическую и метрологическую инфраструктуру в собственной лаборатории. Это было нетипичным решением, тем не менее этот подход был использован в дальнейшем и, собственно, предопределил лидирующие позиции коллектива в мире в области технологии роста и диагностики многослойных рентгеновских зеркал.

Помимо научных исследований по физике многослойных зеркал, а это был действительно новый физический объект, ранее не изученный, Николай Николаевич большое внимание уделял прикладным работам. С самого начала зеркала применялись в ядерно-физических исследованиях, для диагностики плазмы, элементного анализа. В каком-то смысле эпохой можно считать сотрудничество ИПФ РАН, а затем и ИФМ РАН с Физическим институтом имени П. Н. Лебедева по изучению короны Солнца. Первый телескоп «Фобос-1» с оптикой, разработанной в ИПФ, был запущен в 1988 году. Тогда были получены первые в СССР цифровые изображения короны Солнца в экстремальном ультрафиолете. Потом были миссии «Коронас-И», «Коронас-Ф», «Коронас Фотон». Николай Николаевич напрямую не участвовал в разработке, боролся со своей болезнью, но тем не менее дожил до нового шага в исследованиях короны Солнца: в 2023 году впервые в мире был запущен разработанный группой отечественных организаций телескоп на длину волны 17,1 нанометров размерности кубсата. Оптика, сборка и настройка телескопа были сделаны в ИФМ. 

Доктор физико-математических наук, заведующий отделом Института физики микроструктур РАН Николай Чхало

Масштабным и значимым как для науки, так и для реального сектора экономики стали разработки по градиентным многослойным зеркалам скользящего падения для жесткого рентгеновского диапазона, осуществленные по инициативе и при непосредственном участии Николая Николаевича. Эти зеркала уже сотнями применяются на синхротронах и в серийных дифрактометрах от компании PANalytical. С 2014 года сотрудничество с голландцами сошло на нет и настал очень грустный период, когда столь значимая, мирового уровня разработка была не востребована. Однако с начала СВО ситуация кардинально поменялась, эти зеркала стали вновь востребованы в России, Китае и даже в Белоруссии.

Примерно по тому же сценарию развивались события еще по одной разработке, где ИФМ РАН является мировым лидером, — это многослойная свободновисящая оптика. Без нее невозможен ни один эксперимент с использованием мягкого рентгеновского и экстремального ультрафиолетового излучения. Так вот, при определяющем участии Николая Николаевича были разработаны образцы с рекордными характеристиками по механической прочности, термической стойкости и пропусканию на рабочих длинах волн. Драйверами этих разработок стали потребности космической индустрии и литографии. И если раньше большая часть работ выполнялась в интересах Европы и Японии, то сейчас основными потребителями этой оптики стали Китай, Южная Корея и РФ. На этих примерах я хотел не только проиллюстрировать масштаб и уровень работы Николая Николаевича, но и показать, что по-настоящему крупная, мирового уровня разработка найдет свое место и не зависит от политической конъюнктуры.

Можно привести еще много примеров выдающихся достижений в области рентгеновской оптики, связанных с Николаем Николаевичем. Ограничусь лишь несколькими. Ему впервые удалось сделать мессбауэровские фильтры на основе многослойной системы из изотопов железа, предложен ряд многослойных рентгеновских зеркал, особо следует отметить Cr/Sc-структуру (на основе перемежающихся слоев хрома и скандия. — «Стимул») для спектральной области окна прозрачности воды, которые впоследствии стали основными для последователей. Но, с моей точки зрения, наиболее значимым результатом стало создание признанной во всем мире школы по многослойной рентгеновской оптике. Благодаря высочайшим научным и человеческим качествам Николаю Николаевичу удалось объединить и привлечь к совместным работам сотни исследователей, как в России, так и по всему миру.

— Как началось ваше сотрудничество с Николаем Николаевичем?

— Наше знакомство с Николаем Николаевичем произошло в 1986 году, через год после того, как я окончил институт. В то время я был стажером-исследователем в Институте ядерной физики СО АН в Новосибирске. Как я уже отмечал ранее, Николай Николаевич был хорошо знаком с ведущими сотрудниками Института ядерной физики. Среди них был доктор наук, а впоследствии академик РАН Эдуард Павлович Кругляков. Он занимался термоядерными исследованиями и решил развивать в ИЯФе рентгеновские методы диагностики плазмы с использованием многослойных зеркал. Он предложил, а Николай Николаевич согласился произвести такой обмен: Институт ядерной физики разработает и изготовит сверхвысоковакуумные, со шлюзами для загрузки подложек и мишеней, напылительные установки — одну-две для себя, а одну для ИПФ. А ИПФ АН изготовит для ИЯФ лазер для распыления и поможет на первых порах с технологией лазерного напыления. Для такого обмена Эдуард Павлович и взял меня в качестве стажера-исследователя. Примерно через год я поехал познакомиться с этой технологией, на тот момент уникальной, в Горький. Так и произошло наше знакомство.

В то время многослойная рентгеновская оптика была совершенно новой областью, и фактически ею занимались только в Америке и в СССР, то же можно сказать и о лазерном напылении. Научной литературы практически не было, поэтому для меня, горящего наукой, инженерией молодого человека, основным источником знаний стали научно-технические отчеты Николая Николаевича. А Николай Николаевич — думаю с риском для себя, так как в то время ИПФ был закрытым институтом, хоть и относился к Академии наук СССР, — мне их давал. И хотя виделись мы не часто, не более раза в год-два, я тогда уже считал его своим учителем. С годами он стал для меня больше чем учитель, да и я, как мне кажется, больше чем ученик — для него. Мы стали соратниками. Это совершенно точно.

— Последние годы внимание широкой общественности было привлечено к его работам в области фотолитографии. Когда, как и почему Николай Николаевич взялся за разработку фотолитографа? Казалось бы это выходило далеко за пределы его предшествующей научной деятельности.

— Не могу согласиться с оценкой, что тема фотолитографии находилась за пределами научных интересов Николая Николаевича. Я хорошо помню, как в отчете за 1981 год под шифром «Варан», на самой заре развития многослойной рентгеновской оптики, Николай Николаевич писал о пяти или шести этапах приложений этой оптики по степени ее сложности, и на финальном этапе как раз и говорилось о рентгеновской литографии. Так что интерес к этой теме у Николая Николаевича был с самого начала работ по этой теме. Практические работы стартовали буквально с начала девяностых годов, с момента старта голландской программы по EUV-литографии. К тому моменту в ИФМ уже была хорошо развита технология напыления многослойных Mo/Si-зеркал (на основе перемежающихся слоев молибдена и кремния. — «Стимул») для 13,5 нанометра. А мы с коллегами в ИЯФе разработали технологию полировки ультрагладких кварцевых подложек, на тот момент лучшую в России. Собственно, с этого момента началось наше сотрудничество с Николаем Николаевичем по теме литографии на длине волны 13,5 нанометра. На эти подложки в ИФМ наносились высокоотражающие многослойные зеркала, которые использовались, в том числе в Голландии, для первых экспериментов по литографии с лазерно-плазменным источником EUV-излучения.

Знаковая работа о состоянии дел в области литографии в ИФМ РАН была опубликована Николаем Николаевичем в журнале «Поверхность», в первом номере за 2000 год. Там были приведены результаты исследований, проводимых в ИФМ РАН по этой тематике. Затронута не только многослойная оптика, но и схемы литографов, и резисты. Таким образом, сотрудничая с голландскими организациями, выполняя проекты РФФИ, в ИФМ РАН уже в те годы велись активные исследования по теме литографии. И Николай Николаевич на различных площадках призывал к необходимости запуска в РФ серьезной программы по развитию EUV-литографии. 

EUV-фотолитография отличается тем, что на длине волны 13,5 нм нельзя использовать традиционные источники света и традиционную оптику из-за интенсивного поглощения такого света всеми известными оптическими материалами. Поэтому в таких оптических системах используют отражающую многослойную оптику, то есть зеркала с соответствующим интерференционным покрытием, разработка которых была одним из достижений Николая Салащенко и его сотрудников

— Чего удалось достичь в этой разработке?

— На этот вопрос сложно ответить однозначно. И очень много — и мало. Почему много? Удалось разработать технологию многослойных Mo/Si-зеркал с рекордными коэффициентами отражения. Технологию создания фильтров для подавления длинноволнового излучения и защиты масок от загрязнений (пелликлы). Чтобы оценить уровень этих разработок, можно отметить следующее. Во-первых, экспериментальные литографы от ASML оснащались ими. И когда настал момент поставки литографов для промышленного применения, Николаю Николаевичу было предложено организовать их производство в Европе. Во-вторых, предложенные в этих фильтрах материалы опередили свое время. В первых серийных машинах ASML удалось обойтись более простым вариантом — поликристаллическим кремнием. Однако по мере роста мощности EUV-источника им пришлось вернуться к разработанным в ИФМ конструкциям и материалам. В-третьих, эти разработки не потеряли актуальности и в настоящее время и широко используются группами как в РФ, так и в Юго-Восточной Азии.

Другим серьезным достижением стало создание с нуля инфраструктуры для изготовления и метрологии высокоточных, в том числе асферических, подложек. В настоящее время по гладкости и точности мы превосходим всех в РФ, и только несколько компаний в мире способны производить такие подложки. В соавторстве с Институтом химии при ННГУ имени Н. И. Лобачевского разработаны первые отечественные резисты на длину волны 13,5 нанометра с очень хорошими характеристиками. Яркой демонстрацией разработанных технологий стало создание в 2010 году первого и единственного в России макета литографа на длину волны 13,5 нанометра. Была продемонстрирована возможность «рисования» полосок шириной менее 100 нанометров. Для того времени это был значимый результат, показывающий наличие технологических возможностей создания российского литографа.

К сожалению, ни публикации в научных журналах, ни дискуссии, который Николай Николаевич организовывал на различных уровнях, не привели к поддержке развития этого направления. Говорилось, что всё купим. Нам и тогда было очевидна глупость и безответственность такой позиции по отношению к критической для страны технологии.

А мало, потому что настоящий литограф, на котором можно было бы отрабатывать процессы литографии на реальных чипах, не сделан…

— В последние годы Николай Николаевич был увлечен разработкой безмасочного фотолитографа. Что удалось достичь ему и коллективу его лаборатории в этой разработке?

— После демонстративного, а иногда и агрессивного отторжения наших попыток инициировать широкомасштабные исследования и разработки для создания отечественного высокопроизводительного литографа мы взяли некий таймаут. Однако на рубеже 2016 года нам показалось, что в стране что-то начинает меняться по отношению к технологиям и можно предложить менее масштабный, но не менее важный проект по безмасочной рентгеновской литографии. В этой технологии вместо классических масок использовалась микроэлектромеханическая система (МЭМС) микрозеркал с размерами примерно восемь на восемь микрометров, общее число зеркал — больше одного миллиона. Как в проекторе, который передает цифровое изображение на экран. Для этой технологии можно использовать более простые лазерно-плазменные источники. В частности, источник на основе жидкостной оловянно-индиевой мишени, разработанный в Институте спектроскопии РАН, идеально подходил к такому литографу. Так же автоматически решается проблема изготовления «бездефектных» масок. Такой литограф имел бы меньшую производительность, на уровне одна-две пластины диаметром 300 миллиметров в час, однако достаточную для прототипирования чипов и мелкосерийного производства, например микросхем для спецтехники.

На пути реализации этой технологии было два основных препятствия. Первое: на мировом рынке нет МЭМС, отражающих экстремальное ультрафиолетовое излучение. Второе: для получения в резисте рисунка на уровне 10‒20 нанометров нужен проекционный объектив с уменьшением 400‒800 крат. Для примера: разработанные ранее объективы для EUV-литографов имели коэффициент уменьшения 4‒10 крат.

На первом этапе исследований мы предложили изучить возможность использования коммерчески доступных МЭМС для ультрафиолетового диапазона, но с помощью наших технологий ионной полировки и нанесения многослойных покрытий доработать их до состояния, когда они будут отражать излучение с длиной волны 13,5 нанометра. Это предложение нашло поддержку в Фонде перспективных исследований. В рамках двух аванпроектов нами впервые в мире была получена МЭМС, отражающая рентгеновское излучение. Однако из-за большой шероховатости и неровности поверхности микрозеркал коэффициент отражения на длине волны 13,5 нанометра составил единицы процентов. Но еще более серьезной проблемой был сильный изначальный угловой разброс ориентации поверхности микрозеркал друг относительно друга, превышающий допустимый для построения качественных изображений в рентгеновском диапазоне.

В рамках проекта был также разработан макет проекционного объектива с уменьшением 404 крат и аберрациями менее одного нанометра. Таким образом, результаты аванпроектов показали принципиальную возможность решения этих ключевых проблем. Мы предложили ФПИ проект по разработке специальной МЭМС, в которой многослойные зеркала будут уже интегрированы в технологический процесс. В качестве партнера готово было выступить ООО «Маппер» из Москвы, на тот момент самый продвинутый коллектив в РФ в области создания МЭМС различного назначения. В ФПИ высоко оценили полученные результаты и готовили «большой» проект по созданию отечественной МЭМС на длину волны 13,5 нанометра.

Однако неожиданно тема была передана в Минпромторг, в техническое задание были введены новые параметры, имеющие мало отношения к первоначальным задачам проекта. Конкурс выиграл МИЭТ. На работы по МЭМС микрозеркал фактически было отведено около восьми месяцев, чего было явно недостаточно. ИФМ РАН и ООО «Маппер» провели огромный объем работ, были получены промежуточные перспективные результаты, однако проект быстро закончился и тема была закрыта. Восемь месяцев — это мизерный срок для решения мировой проблемы! Никаких исследований нами более по этой тематике не проводилось. ООО «Маппер» — это коммерческая организация, и она не может выполнять работы без финансирования.

— Каково состояние этих работ в настоящее время?

— Темой безмасочной рентгеновской литографии серьезно не занимается никто. Много говорят, но мало что делают. Есть некоторые попытки со стороны МИЭТа в рамках программы синхротронных и нейтронных исследований сделать МЭМС пропускающего типа. В этой части мы им помогали с диагностикой. Но ранее мы в расчетах показали, что литограф на МЭМС пропускающего типа не имеет никаких перспектив из-за крайне низкой производительности. В МИЭТе утверждают, что они работают над МЭМС зеркального типа, но так как к нам не обращаются за напылением отражающих покрытий, а таким технологиями, кроме нас, в РФ никто не обладает, то полагаем, что они еще очень далеки от рентгена. 

Излучение лазера фокусируется с помощью линзы на ось газовой струи. В результате возникает высокотемпературная плазма излучающая на длине волны 10,8 нм. Это излучение отражается зеркалом-коллектором (ЗК) и перенаправляется на зеркало-гомогенизатор (ЗГ), которое обеспечивает однородное освещение МОЭМС. Отраженное от МОЭМС излучение падает на первое зеркало трехзеркального проекционного объектива и далее с помощью зеркал З2 и З3 изображение МОЭМС переносится на пластину с фоторезистом, установленную в плоскости изображения. На всех оптических элементах используются покрытия, разработанные под руководством Николая Салащенко

— В последние годы разработкой различных вариантов фотолитографа занялись несколько команд. Насколько известно, они используют и достижения вашего коллектива. Как складывается ваша кооперация?

— Я бы ответил на этот вопрос так. Второй год ведутся разговоры о литографии в Курчатовском институте и в «Росатоме». Вначале нас приглашали на эти совещания, сейчас нет. Иногда обращаются с совершенно «детскими» предложениями. Это очевидно: люди берутся за работу, в которой они не профессионалы, никогда этим не занимались. При этом берутся за решение проблемы, которую не решили в США, Японии, и только ASML смогла интегрировать в своем проекте достижения организаций со всего мира и достичь успеха. Смелость наших команд произрастает от неведения масштабов проблемы.

— Какие планы дальнейшего развития были у Николая Николаевича? Насколько их удается реализовать?

— Как я уже отмечал, мы с Николаем Николаевичем были соратниками, и планы у нас всегда были единые, мы их вынашивали в долгих дискуссиях. Эти дискуссии не прерывались даже когда он уже сильно болел. Они продолжались по телефону, по электронной почте. Очно мы старались не встречаться, так как коллектив у нас большой, сейчас это около шестидесяти человек, и обязательно у кого-нибудь насморк, кашель, и мы сильно боялись ему навредить. Честно скажу, до самого конца я искренне верил, что Николай Николаевич выберется и из этой передряги. Так что я буду говорить об одном, общем плане.

Во-первых, развивать в отделе многослойной рентгеновской оптики новое для нас направление — оптика и приборы для синхротронных применений. Вам, наверное, известно, что в РФ ведутся два крупных проекта по созданию синхротронов четвертого поколения. Для них нужны зеркала, монохроматоры, коллиматоры, фокусирующие системы и другие элементы. Спецификой этой задачи являются большие размеры, высокие, субнанометровые, точности формы и огромные тепловые нагрузки. Решение этой задачи потребовало создания новых методов высокоточной метрологии и изготовления подложек, поиска новых радиационно стойких материалов, разработки специализированных установок для напыления и ионно-пучковой обработки. Замечу, что эти планы уже активно реализуются. Для синхротрона СКИФ мы изготавливаем монохроматор и фокусирующую систему. Беремся за разработку кристаллов. Это очень интересное направление.

Другое направление исследований — рентгеновская микроскопия в спектральной области окна прозрачности воды для изучения клеток. Уникальность этого диапазона в том, что для получения контрастных изображений не требуется ни контрастирующих, ни флуоресцирующих добавок. Более того, клетку можно изучать не замораживая, не высушивая. То есть ни один метод, кроме классической оптической микроскопии, не обладает такими возможностями. Но рентгеновская микроскопия превосходит ее по контрасту и пространственному разрешению. По этому направлению мы ставим перед собой две амбициозные задачи. Первая — внедрение этого метода в набор инструментов для внутриклеточных исследований. Вторая — исследовать динамику во времени живых клеток с нанометровым разрешением. Этого еще никому не удалось сделать.

Ну и конечно же, мы развиваем и далее будем развивать направление рентгеновской литографии. В ИФМ РАН разработан проект, по сути дорожная карта создания высокопроизводительного EUV-литографа на длину волны 11,2 нанометра с технологическими нормами 28 нанометров и ниже, вплоть до единиц нанометров, с рядом новаций в отношении EUV-литографа компании ASML. В результате это должно привести к созданию в РФ передового литографического оборудования, имеющего значительный экспортный потенциал, позволяющего в короткие сроки решить проблему выпуска современных высокопроизводительных чипов. В ГК «Росатом» в ходе обсуждений работ по EUV-литографу неоднократно отмечалась коммерческая выгода проекта и перспективность выхода промышленных литографов, произведенных в России, на международный рынок. Благодаря ряду инновационных решений ожидается заметное уменьшение стоимости литографа при сохранении основных технических характеристик на уровне ASML.

Два года назад нам с Николаем Николаевичем показалось, что вот наше время пришло и мы не зря боролись. К сожалению, Николай Николаевич не дожил до дня старта проекта… Что же, будем надеяться, что эти планы осуществятся.