eng
Выпуск #9/2014
В.Быков, А.Гудков, А.Козлитин
ЦЕНТР ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ ФГУП "НИИФП им. Ф.В.ЛУКИНА": ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР
ЦЕНТР ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ ФГУП "НИИФП им. Ф.В.ЛУКИНА": ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР
Просмотры: 2995
В данной публикации представлен Центр высоких технологий ФГУП "НИИФП им. Ф.В.Лукина" как мощный научно-технологический комплекс, предназначенный для развития современной элементной базы наноэлектроники и МЭМС. Показана структура Центра, его функциональные возможности и перспектива развития. В статье дан краткий анализ тенденций развития микро- и наноэлектроники. Дано описание кластерного технологического комплекса НАНОФАБ-100, а также назначение и функциональные возможности отдельных аналитических и технологических модулей. Описаны аналитические возможности Центра коллективного пользования и перечислены методы исследования различных гетероструктур, используемые при разработке элементной базы наноэлектроники. Показана перспективность и необходимость использования синхротронного излучения синхротрона "Зеленоград" при решении задач по исследованию различных наноэлектронных структур и при производстве интегральных схем с использованием методов рентгеновской нанолитографии.
Теги: center goals center of high technologies cluster systems and modules layout system nanofab-100 nanotechnology division physics and technology divison product-oriented technology complex shared service division synchrotron "zelenograd" transportation system задачи центра кластерные системы и модули компоновочная система нанофаб-100 отдел нанотехнологий синхротрон "зеленоград" специализированный технологический комплекс транспортная система физико-технический отдел центр высоких технологий цкп
Массовое производство СБИС с топологическими нормами 22 нм сегодня в мире обеспечивают только несколько предприятий, так называемые ФАБы. Стоимость каждого составляет 6–8 млрд. долл., а производительность – ∼1000 пластин диаметром 300 мм в сутки вполне достаточна, чтобы закрыть потребности рынка широкого потребления. Разработку технологий с топологическими нормами 14 нм и менее интенсивно ведут компании Intel, Samsung, GlobalFoundries, TSMC. Для успешного продвижения по составленным ими дорожным картам инвестируются миллиарды долларов в разработку оборудования, материалов и технологий, в метрологическое обеспечение, научные исследования. Темпы, которыми ведутся работы, исключительно высокие. Таким образом, чтобы конкурировать в секторе продукции микро- и наноэлектроники массового спроса, требуются многомиллиардные капиталовложения, целесообразность которых в настоящее время вызывает вопросы, так как выход на рынок конечной электронной продукции исключительно сложен [5].
В случае, когда ФАБ не расположен на территориях России или СНГ, создавать интегральные схемы с топологическими нормами 45, 32 и 22 нм для специальных применений в режиме fabless исключительно сложно. Далее за проектными нормами 22 нм следуют нормы 14, 10, 8 нм, и вряд ли здесь развитие технологии остановится – появятся трехмерная, молекулярная и атомарная электроника. Именно поэтому представляется крайне интересным рассмотреть возможность организации гибких мелкосерийных производств в России.
Современный технологический комплекс
Мелко- и среднесерийные производства элементной базы микро- и наноэлектроники с невысокими издержками, которые могут быть обеспечены применением специализированных технологических комплексов, интересны не только для российских разработчиков, но и для дизайн-центров, число которых исчисляется многими сотнями. Последнее обстоятельство оправдывает и экспортную направленность создаваемой продукции, что, в свою очередь, позволяет позиционировать создаваемый бизнес на рынке IPO, привлекая инвестиции для его развития с открытых рынков.
Кроме того, технологические линии мелко- и среднесерийного производств со специализированными технологическими комплексами позволят решить основную проблему приоритетного направления развития отрасли – создание технических и технологических средств, обеспечивающих разработку и производство специализированных интегральных схем на основе современной элементной базы наноэлектроники и МЭМС. Развитие методов высокопроизводительной электронной литографии, бесшаблонной высокоразрешающей литографии, технологий формирования структур атомарной точности, аналитических методов с высоким разрешением, в том числе с использованием синхротронного излучения, обеспечит создание требуемых технологических линий и их развитие под проектные нормынанометрового диапазона.
Благодаря организации бизнес-структур, интегрированных с сетью уже существующих компаний России, Европы, США, Юго-Восточной Азии, появляется возможность инсталляции в течении трех-четырех лет первых технологических линий с привлечением инвестиций с открытого рынка (IPO) на третьем году развития бизнеса. При этом появляется возможность как преодоления технологической зависимости российского сектора ИС спецприменений, так и выхода на мировой рынок технологий и технологического оборудования наноэлектроники без прямой конкуренции с крупномасштабными производителями электронной элементной базы широкого применения. Ориентировочные начальные инвестиции (до выхода на рынок IPO) оцениваются в 9–10 млрд. руб.
С 2005 года в России ведутся разработки по созданию комплексов для выполнения специализированных нанотехнологических и аналитических исследований, основное назначение которых – экспериментальное моделирование элементов и систем с низкой степенью интеграции, а также разработка отдельных технологических процессов [6–13]. Созданные комплексы позволяют экспериментально моделировать отдельные элементы наноэлектроники, но не обладают достаточной производительностью для изготовления схем с высокой степенью интеграции.
Пример таких комплексов – НАНОФАБ-100, которые представляют собой связанные кластерные системы по обработке полупроводниковых пластин диаметром до 100 мм. Каждый кластер имеет шесть портов, к которым могут быть пристыкованы требуемые технологические или аналитические модули. Кластеры могут быть объединены в единую технологическую систему через транспортные модули передачи, переворота и складирования пластин. Наличие модулей передачи подложек с устройствами переворота обеспечивает возможность проведения сложных технологических циклов с включением групповых и нанолокальных процессов. Перемещение пластин и выполнение технологических операций осуществляется по заданной программе с объединенного центра управления технологическим маршрутом. Гибкость и большие возможности НАНОФАБ-100 реализуются за счет кластерной компоновочной схемы. Связь между образующими кластер функционально объединенными технологическими модулями осуществляется с помощью сверхвысоковакуумного радиального робота-раздатчика. Таким образом, полностью исключается не только контакт оператора с пластиной, но и внешний транспорт пластин в кассетах от одной технологической операции к другой. Это обеспечивает минимальное время межоперационной передачи пластин и совершенно необходимую в нанотехнологии атомарную чистоту поверхности. Чистота поверхности особенно важна при выполнении процессов FEOL (Front End Of Line – изготовление активной части приборов), формирующих систему активных элементов, или BEOL-процессов (Back End Of Line – изготовление многоуровневой разводки) при разработке и производстве нейроморфных интегральных схем с использованием эффекта мемристивности в сложных окислах (TiOx, TaOx, VOx, ZrOx,...).
Развитая транспортная система с модулями межоперационного хранения подложек позволяет в одном кластерном технологическом комплексе (КТК) НАНОФАБ-100 параллельно проводить несколько технологических циклов с загрузкой процессов не менее чем на 50%. Помимо технологических модулей в состав НАНОФАБ-100 могут входить контрольно-измерительные, аналитические модули, модули структурного анализа и т.п. Модули платформы НАНОФАБ-100 могут функционировать как в составе КТК, так и автономно, в отдельных случаях с использованием вспомогательных загрузочных устройств или модулей загрузки.
К настоящему времени для систем НАНОФАБ-100 разработаны модули групповой обработки, позволяющие выполнять различные технологические процессы: молекулярно-лучевую эпитаксию пленок AlGaAs, GaN и SiGe; плазмохимическое травление и очистку пластин, плазмохимическое осаждение из газовой фазы, импульсное лазерное осаждение диэлектриков, магнетронное распыление и атомно-слоевое осаждение. В комплекс НАНОФАБ-100 также входят аналитические модули и модули локальной обработки пластин.
Сейчас комплексами такого типа оснащены участками нанотехнологии Курчатовского института, Южного федерального университета, Тюменского государственного университета, Самарского государственного аэрокосмического университета им. акад. С.П.Королева, Московского Государственного технического университета им. Н.Э.Баумана, Национального исследовательского университета "МИЭТ", Санкт-Петербургского Государственного политехнического университета, НОЦ "Нанотехнологии" МЭИ, украинского ЗАО "Научно-производственный концерн "Наука" (Киев), Уральского федерального университета им. Б.Н.Ельцина, Национального исследовательского технологического университета "МИСиС", Центра высоких технологий (ЦВТ) ФГУП "НИИФП им. Ф.В.Лукина".
В состав комплекса НАНОФАБ-100 (рис.1, поз.1), размещенного на технологических площадях ФГУП "НИИФП им. Ф.В.Лукина", входят следующие модули и системы (рис.1, поз.2–11):
1.модуль кассетной загрузки образцов;
2.сверхвысоковакуумный модуль сканирующего зондового микроскопа;
3.транспортный модуль карусельного типа;
4.модуль предварительной подготовки пластин с нагревом и окислением;
5.модуль переворота пластин и межоперационного хранения;
6.модуль эпитаксиального выращивания гетероструктур в сверхвысоком вакууме;
7.модуль осаждения атомных слоев;
8.модуль нанолокальной имплантации фокусированными ионными пучками в сверхвысоком вакууме и система вторично-ионной масс-спектроскопии;
9.модуль магнетронного распыления;
10.сверхвысоковакуумная система электронно-лучевой литографии высокого разрешения – e-LITHOUHV 100.
НАНОФАБ-100 предназначен для выполнения технологических процессов внутри полного цикла изготовления специализированных ИС. КТК не является законченной технологической системой и может быть дополнен необходимыми модулями в зависимости от создаваемых изделий. Кроме того, НАНОФАБ-100 является прототипом будущего кластерного технологического комплекса НАНОФАБ-200, рассчитанного на обработку пластин диаметром до 200 мм.
Центр высоких технологий
В соответствие с ФЦП "Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2011 годы" (приложение 5, п.5) и на основании распоряжения Правительства РФ от 08.02.2007 г. №146-Р во ФГУП "НИИФП им. Ф.В.Лукина" на базе инженерно-производственного комплекса с синхротроном "Зеленоград" был создан Центр высоких технологий (ЦВТ). В состав ЦВТ вошли: отдел нанотехнологий с аналитико-технологическим комплексом НАНОФАБ-100, Центр коллективного пользования (ЦКП) и физико-технический отдел с накопителем релятивистских электронов – синхротроном "Зеленоград". К настоящему времени синхротрон "Зеленоград" смонтирован в соответствии с исходной проектной документацией. Однако для удовлетворения возросших потребностей современной наноиндустрии необходимо провести модернизацию комплекса, а для его эксплуатации – обеспечить подключение электроэнергии мощностью не менее 20 МВт.
Стратегическая цель ФГУП "НИИФП им. Ф.В.Лукина" – развитие элементной базы наноэлектроники, МЭМС и НЭМС, ориентированной на конечные инновационные продукты. Работы проводятся по следующим направлениям:
•создание перспективной элементной базы наноэлектроники: полупроводниковой, сверхпроводниковой, спинтроники, одноэлектроники, акустоэлектроники, графеновой электроники и оптоэлектроники с проектными нормами 32–8 нм;
•разработка перспективной элементной базы МЭМС, МОЭМС и НЭМС;
•развитие нового направления электронной компонентной базы, объединяющей МЭМС, наноэлектронику и физические эффекты;
•ориентация предприятия на решение текущих задач по развитию нанотехнологий и радиоэлектроники, включая оказание услуг и проведение совместных исследований перспективных материалов и элементов наноэлектроники с проектными нормами 90–32 нм для ОАО "НИИМЭ и завод Микрон", ОАО "Ангстрем" и других предприятий Минпромторга России.
Очевидно, для выполнения задач ЦВТ и организации мелко- и среднесерийного производств элементной базы наноэлектроники необходимы современная технологическая база и разнообразные аналитические средства исследования и контроля линейных размеров элементов и структур в нанометровом диапазоне. Должны применяться методы измерения концентрации основных химических элементов и примесей материалов и наногетероструктур, а также методы структурного анализа материалов и границ раздела наногетероструктур. Многие из указанных методов уже имеются в отделе нанотехнологий, ЦКП и в физико-техническом отделе ЦВТ ФГУП "НИИФП им. Ф.В.Лукина".
Отдел нанотехнологий расположен во вновь построенной чистой технологической зоне ФГУП "НИИФП им. Ф.В.Лукина", в которой находится специализированная технологическая линия для выполнения замкнутых процессов на основе КТК НАНОФАБ-100. Исследование и контроль произведенных микро- и наноструктур проводятся методами и средствами ЦКП, где в основном сосредоточены оптические, электронно-лучевые, ионно-лучевые и другие аналитические средства, используемые в микро- и нанотехнологиях при испытании продукции наноиндустрии. Это системы:
•оптической микроскопии;
•растровой электронной микроскопии;
•атомно-силовой микроскопии;
•просвечивающей электронной микроскопиии;
•рентгеновской спектроскопии;
•вторично-ионной масс-спектроскопии;
•электронной оже-спектроскопии;
•ИК-спектроскопии.
За время работы ЦКП с 2004 года накоплен значительный исследовательский опыт при выполнении разнообразных услуг, НИОКР института и сторонних организаций [14].
Проведение НИОКР, измерение различных параметров микро- и наноструктур невозможно без метрологического обеспечения. Роль метрологии в наноэлектронике чрезвычайно велика и растет год от года. В связи с этим в ЦКП создан отраслевой испытательный Центр нанопродукции, аккредитованный на техническую компетентность. Получены аттестат аккредитации РОСС RU.0001.22 HH 04 № 002973 от 23 ноября 2009 г. и аттестат аккредитации на право проведения калибровочных работ № 001221 от 10 ноября 2009 г. Область аккредитации включает микросхемы и средства их измерений, микросхемы и полуфабрикаты на основе кремния, микросхемы и полуфабрикаты на основе тройных полупроводниковых соединений. Расширить область аккредитации удалось за счет:
•разработки и аттестации принципиально новых методик измерения элементного состава и примесей наноструктур;
•разработки и утверждения в территориальных метрологических центрах методик калибровки;
•разработки, изготовления и аттестации стандартных образцов приборов на основе кремния и тройных полупроводниковых соединений;
•введения нестандартного измерительного аналитического оборудования в Госреестр с последующей его поверкой, что особенно важно при проведении ОКР (рис.2).
Методы измерения размеров и концентраций, имеющиеся в ЦКП, практически перекрывают весь диапазон линейных размеров от единиц ангстрем до десятков микрометров и концентраций как основных элементов, так и примесей, но только отчасти предоставляют данные структурного анализа. Эту проблему и проблему рентгеновской литографии призван решать физико-технический отдел.
Физико-технический отдел имеет в своем распоряжении уникальный инструмент – синхротрон "Зеленоград", разработанный в ИЯФ СО РАН. Он является специализированным источником синхротронного излучения (СИ), предназначенным для решения задач микро- и нанотехнологий и проведения аналитических исследований в диапазоне длин волн 0,01 нм – 1 мкм (энергия фотонов 100 кэВ – 1 эВ). Магнитная структура накопителя оптимизирована для получения интенсивных потоков фотонов высокой яркости как из поворотных магнитов, так и из специализированных устройств генерации излучения – вигглеров и ондуляторов.
Источник синхротронного излучения "Зеленоград" построен по классической схеме источников второго поколения, таких как ANKA, BESSY-2 и др. Электроны с энергией 40 кэВ, вылетая из электронной пушки, пролетают линейный ускоритель и ускоряются до энергии 80 МэВ (рис.3а). Затем они проходят электронно-оптический канал и попадают в малый накопитель (рис.3б), где за время нескольких выстрелов происходит накопление электронов, приходящих из линейного ускорителя, и ускорение накопленного пучка до энергии 450 МэВ. После ускорения в малом накопителе пучок электронов пролетает по электронно-оптическому каналу и попадает в большой накопитель (рис.3в). Здесь процессы накопления и ускорения происходят аналогично процессам в малом накопителе. Рабочая энергия в большом накопителе поднимается до 2 ГэВ. Один из наиболее важных элементов большого накопителя, отвечающий за энергетическое состояние электронных сгустков, – высокочастотный резонатор (рис.3г).
Особенность синхротронного комплекса "Зеленоград" – наличие богатой инфраструктуры, обеспечивающей его эффективное использование для выполнения аналитических и технологических задач. Синхротрон расположен в инженерно-производственном корпусе, занимающем 2,5 тыс. м2 уникальной по своим характеристикам технологической площади, предназначенной для размещения 37 каналов вывода СИ и конечных технологических, метрологических, аналитических и испытательных станций, а также дополнительного технологического оборудования для выполнения замкнутых технологических процессов изготовления нанопродукции и изделий микромеханики.
Ввод в эксплуатацию синхротрона значительно расширит аналитические, технологические и метрологические возможности ЦВТ. В частности, использование синхротрона "Зеленоград" обеспечит эффективную разработку технологий мелкосерийного производства и методов сертификации наноизделий, функциональность которых в основном определяется функциональностью периодических структур нанообъектов. Использование СИ позволит в полной мере реализовать методы рентгеновской литографии [15] при производстве большей части гибридных и негибридных МЭМС/НЭМС-изделий.
* * *
Подводя итоги, можно констатировать, что во ФГУП "НИИФП им. Ф.В.Лукина" создается современный аналитико-технологический центр, пригодный для реализации перспективных нанотехнологий, необходимых для создания радиационно-стойкой элементной базы, элементной базы СВЧ-наноэлектроники, сверхпроводниковой электроники, оптоэлектроники, акустоэлектроники, нейроморфной элементной базы, а также для создания "интеллектуальных" устройств специального назначения и обеспечения мелко- и среднесерийного производств элементной базы наноэлектроники специального назначения с проектными нормами 32–8 нм.
Литература
1. Коник Л. Государственный электронизм. – www.comnews.ru/standart/article/52216
2. Борисов Ю., Калинин С., Немудров В. Роль дизайн-центров микроэлектроники в развитии отечественной электронной промышленности. – Электронные компоненты, 2008, №10, www.spels.ru/index.php?option=com_docman&task=doc...
3. Мелик-Адамян А. Российские fabless-компании как двигатель отечественной микроэлектроники. – Электронные компоненты, 2007, №2.
4. В России будет создан новый дизайн-центр микроэлектроники "Т-Нано" – promwad.ru/news/10-07-2012-design-center-t-nano.html
5. Сайт компании Promwad – www.promwad.ru
6. Быков В.А., Веревкин Д.В. Многофункциональная система NANOFAB как базовый комплекс для проведения прецизионных исследовательских и технологических операций. – Материалы симпозиума "Нанофизика и Наноэлектроника", 25–29 марта в Нижнем Новгороде, 2005, с.206.
7. Быков В.А., Атепалихин В.В., Быков А.В., Поляков В.В. Нанотехнологические комплексы и их применение в наноэлектронике. – Материалы симпозиума "Нанофизика и Наноэлектроника", 10–14 марта в Нижнем Новгороде, 2007, с.505–506.
8. Агеев О.А., Быков В.А. Технологическое оборудование для создания наносистемной техники. – НАНОтехнологии. Экология. Производство, 2011, №5 (7).
9. Быков В.А. Кластерное технологическое оборудование для создания элементной базы наноэлектроники. – "Наноиндустрия", 2010, №6.
10. Быков В.А. Возможности кластерного оборудования для создания и исследования приборов наноэлектроники. – Материалы симпозиума "Нанофизика и Наноэлектроника", 14–18 марта в Нижнем Новгороде, 2011.
11. Быков В.А., Харламов Р.В. Нейроморфные интегральные схемы для научного приборостроения. – "Интеграл", 2011, №4, с.76–78.
12. Патент RU2308782, 20.10.2007. Нанотехнологический комплекс./Быков В.А.
13. Патент №2390070, 20.05.2010. Нанотехнологический комплекс на основе эпитаксиальных и ионных технологий./Быков В.А.
14. Сайт Центра коллективного пользования "Синхротрон" – www.ckp.su
15. Гудков А.Л., Матвеев В.М., Ушаков В.А. Перспективы развития рентгенолитографии на базе синхротрона "Зеленоград" в производстве изделий наноэлектроники и микросистемной техники. – Материалы XI отраслевой научно-практической конференции "Состояние и перспективы развития отечественной микроэлектроники". – Новосибирск, 2012, с.249–259.
В случае, когда ФАБ не расположен на территориях России или СНГ, создавать интегральные схемы с топологическими нормами 45, 32 и 22 нм для специальных применений в режиме fabless исключительно сложно. Далее за проектными нормами 22 нм следуют нормы 14, 10, 8 нм, и вряд ли здесь развитие технологии остановится – появятся трехмерная, молекулярная и атомарная электроника. Именно поэтому представляется крайне интересным рассмотреть возможность организации гибких мелкосерийных производств в России.
Современный технологический комплекс
Мелко- и среднесерийные производства элементной базы микро- и наноэлектроники с невысокими издержками, которые могут быть обеспечены применением специализированных технологических комплексов, интересны не только для российских разработчиков, но и для дизайн-центров, число которых исчисляется многими сотнями. Последнее обстоятельство оправдывает и экспортную направленность создаваемой продукции, что, в свою очередь, позволяет позиционировать создаваемый бизнес на рынке IPO, привлекая инвестиции для его развития с открытых рынков.
Кроме того, технологические линии мелко- и среднесерийного производств со специализированными технологическими комплексами позволят решить основную проблему приоритетного направления развития отрасли – создание технических и технологических средств, обеспечивающих разработку и производство специализированных интегральных схем на основе современной элементной базы наноэлектроники и МЭМС. Развитие методов высокопроизводительной электронной литографии, бесшаблонной высокоразрешающей литографии, технологий формирования структур атомарной точности, аналитических методов с высоким разрешением, в том числе с использованием синхротронного излучения, обеспечит создание требуемых технологических линий и их развитие под проектные нормынанометрового диапазона.
Благодаря организации бизнес-структур, интегрированных с сетью уже существующих компаний России, Европы, США, Юго-Восточной Азии, появляется возможность инсталляции в течении трех-четырех лет первых технологических линий с привлечением инвестиций с открытого рынка (IPO) на третьем году развития бизнеса. При этом появляется возможность как преодоления технологической зависимости российского сектора ИС спецприменений, так и выхода на мировой рынок технологий и технологического оборудования наноэлектроники без прямой конкуренции с крупномасштабными производителями электронной элементной базы широкого применения. Ориентировочные начальные инвестиции (до выхода на рынок IPO) оцениваются в 9–10 млрд. руб.
С 2005 года в России ведутся разработки по созданию комплексов для выполнения специализированных нанотехнологических и аналитических исследований, основное назначение которых – экспериментальное моделирование элементов и систем с низкой степенью интеграции, а также разработка отдельных технологических процессов [6–13]. Созданные комплексы позволяют экспериментально моделировать отдельные элементы наноэлектроники, но не обладают достаточной производительностью для изготовления схем с высокой степенью интеграции.
Пример таких комплексов – НАНОФАБ-100, которые представляют собой связанные кластерные системы по обработке полупроводниковых пластин диаметром до 100 мм. Каждый кластер имеет шесть портов, к которым могут быть пристыкованы требуемые технологические или аналитические модули. Кластеры могут быть объединены в единую технологическую систему через транспортные модули передачи, переворота и складирования пластин. Наличие модулей передачи подложек с устройствами переворота обеспечивает возможность проведения сложных технологических циклов с включением групповых и нанолокальных процессов. Перемещение пластин и выполнение технологических операций осуществляется по заданной программе с объединенного центра управления технологическим маршрутом. Гибкость и большие возможности НАНОФАБ-100 реализуются за счет кластерной компоновочной схемы. Связь между образующими кластер функционально объединенными технологическими модулями осуществляется с помощью сверхвысоковакуумного радиального робота-раздатчика. Таким образом, полностью исключается не только контакт оператора с пластиной, но и внешний транспорт пластин в кассетах от одной технологической операции к другой. Это обеспечивает минимальное время межоперационной передачи пластин и совершенно необходимую в нанотехнологии атомарную чистоту поверхности. Чистота поверхности особенно важна при выполнении процессов FEOL (Front End Of Line – изготовление активной части приборов), формирующих систему активных элементов, или BEOL-процессов (Back End Of Line – изготовление многоуровневой разводки) при разработке и производстве нейроморфных интегральных схем с использованием эффекта мемристивности в сложных окислах (TiOx, TaOx, VOx, ZrOx,...).
Развитая транспортная система с модулями межоперационного хранения подложек позволяет в одном кластерном технологическом комплексе (КТК) НАНОФАБ-100 параллельно проводить несколько технологических циклов с загрузкой процессов не менее чем на 50%. Помимо технологических модулей в состав НАНОФАБ-100 могут входить контрольно-измерительные, аналитические модули, модули структурного анализа и т.п. Модули платформы НАНОФАБ-100 могут функционировать как в составе КТК, так и автономно, в отдельных случаях с использованием вспомогательных загрузочных устройств или модулей загрузки.
К настоящему времени для систем НАНОФАБ-100 разработаны модули групповой обработки, позволяющие выполнять различные технологические процессы: молекулярно-лучевую эпитаксию пленок AlGaAs, GaN и SiGe; плазмохимическое травление и очистку пластин, плазмохимическое осаждение из газовой фазы, импульсное лазерное осаждение диэлектриков, магнетронное распыление и атомно-слоевое осаждение. В комплекс НАНОФАБ-100 также входят аналитические модули и модули локальной обработки пластин.
Сейчас комплексами такого типа оснащены участками нанотехнологии Курчатовского института, Южного федерального университета, Тюменского государственного университета, Самарского государственного аэрокосмического университета им. акад. С.П.Королева, Московского Государственного технического университета им. Н.Э.Баумана, Национального исследовательского университета "МИЭТ", Санкт-Петербургского Государственного политехнического университета, НОЦ "Нанотехнологии" МЭИ, украинского ЗАО "Научно-производственный концерн "Наука" (Киев), Уральского федерального университета им. Б.Н.Ельцина, Национального исследовательского технологического университета "МИСиС", Центра высоких технологий (ЦВТ) ФГУП "НИИФП им. Ф.В.Лукина".
В состав комплекса НАНОФАБ-100 (рис.1, поз.1), размещенного на технологических площадях ФГУП "НИИФП им. Ф.В.Лукина", входят следующие модули и системы (рис.1, поз.2–11):
1.модуль кассетной загрузки образцов;
2.сверхвысоковакуумный модуль сканирующего зондового микроскопа;
3.транспортный модуль карусельного типа;
4.модуль предварительной подготовки пластин с нагревом и окислением;
5.модуль переворота пластин и межоперационного хранения;
6.модуль эпитаксиального выращивания гетероструктур в сверхвысоком вакууме;
7.модуль осаждения атомных слоев;
8.модуль нанолокальной имплантации фокусированными ионными пучками в сверхвысоком вакууме и система вторично-ионной масс-спектроскопии;
9.модуль магнетронного распыления;
10.сверхвысоковакуумная система электронно-лучевой литографии высокого разрешения – e-LITHOUHV 100.
НАНОФАБ-100 предназначен для выполнения технологических процессов внутри полного цикла изготовления специализированных ИС. КТК не является законченной технологической системой и может быть дополнен необходимыми модулями в зависимости от создаваемых изделий. Кроме того, НАНОФАБ-100 является прототипом будущего кластерного технологического комплекса НАНОФАБ-200, рассчитанного на обработку пластин диаметром до 200 мм.
Центр высоких технологий
В соответствие с ФЦП "Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2011 годы" (приложение 5, п.5) и на основании распоряжения Правительства РФ от 08.02.2007 г. №146-Р во ФГУП "НИИФП им. Ф.В.Лукина" на базе инженерно-производственного комплекса с синхротроном "Зеленоград" был создан Центр высоких технологий (ЦВТ). В состав ЦВТ вошли: отдел нанотехнологий с аналитико-технологическим комплексом НАНОФАБ-100, Центр коллективного пользования (ЦКП) и физико-технический отдел с накопителем релятивистских электронов – синхротроном "Зеленоград". К настоящему времени синхротрон "Зеленоград" смонтирован в соответствии с исходной проектной документацией. Однако для удовлетворения возросших потребностей современной наноиндустрии необходимо провести модернизацию комплекса, а для его эксплуатации – обеспечить подключение электроэнергии мощностью не менее 20 МВт.
Стратегическая цель ФГУП "НИИФП им. Ф.В.Лукина" – развитие элементной базы наноэлектроники, МЭМС и НЭМС, ориентированной на конечные инновационные продукты. Работы проводятся по следующим направлениям:
•создание перспективной элементной базы наноэлектроники: полупроводниковой, сверхпроводниковой, спинтроники, одноэлектроники, акустоэлектроники, графеновой электроники и оптоэлектроники с проектными нормами 32–8 нм;
•разработка перспективной элементной базы МЭМС, МОЭМС и НЭМС;
•развитие нового направления электронной компонентной базы, объединяющей МЭМС, наноэлектронику и физические эффекты;
•ориентация предприятия на решение текущих задач по развитию нанотехнологий и радиоэлектроники, включая оказание услуг и проведение совместных исследований перспективных материалов и элементов наноэлектроники с проектными нормами 90–32 нм для ОАО "НИИМЭ и завод Микрон", ОАО "Ангстрем" и других предприятий Минпромторга России.
Очевидно, для выполнения задач ЦВТ и организации мелко- и среднесерийного производств элементной базы наноэлектроники необходимы современная технологическая база и разнообразные аналитические средства исследования и контроля линейных размеров элементов и структур в нанометровом диапазоне. Должны применяться методы измерения концентрации основных химических элементов и примесей материалов и наногетероструктур, а также методы структурного анализа материалов и границ раздела наногетероструктур. Многие из указанных методов уже имеются в отделе нанотехнологий, ЦКП и в физико-техническом отделе ЦВТ ФГУП "НИИФП им. Ф.В.Лукина".
Отдел нанотехнологий расположен во вновь построенной чистой технологической зоне ФГУП "НИИФП им. Ф.В.Лукина", в которой находится специализированная технологическая линия для выполнения замкнутых процессов на основе КТК НАНОФАБ-100. Исследование и контроль произведенных микро- и наноструктур проводятся методами и средствами ЦКП, где в основном сосредоточены оптические, электронно-лучевые, ионно-лучевые и другие аналитические средства, используемые в микро- и нанотехнологиях при испытании продукции наноиндустрии. Это системы:
•оптической микроскопии;
•растровой электронной микроскопии;
•атомно-силовой микроскопии;
•просвечивающей электронной микроскопиии;
•рентгеновской спектроскопии;
•вторично-ионной масс-спектроскопии;
•электронной оже-спектроскопии;
•ИК-спектроскопии.
За время работы ЦКП с 2004 года накоплен значительный исследовательский опыт при выполнении разнообразных услуг, НИОКР института и сторонних организаций [14].
Проведение НИОКР, измерение различных параметров микро- и наноструктур невозможно без метрологического обеспечения. Роль метрологии в наноэлектронике чрезвычайно велика и растет год от года. В связи с этим в ЦКП создан отраслевой испытательный Центр нанопродукции, аккредитованный на техническую компетентность. Получены аттестат аккредитации РОСС RU.0001.22 HH 04 № 002973 от 23 ноября 2009 г. и аттестат аккредитации на право проведения калибровочных работ № 001221 от 10 ноября 2009 г. Область аккредитации включает микросхемы и средства их измерений, микросхемы и полуфабрикаты на основе кремния, микросхемы и полуфабрикаты на основе тройных полупроводниковых соединений. Расширить область аккредитации удалось за счет:
•разработки и аттестации принципиально новых методик измерения элементного состава и примесей наноструктур;
•разработки и утверждения в территориальных метрологических центрах методик калибровки;
•разработки, изготовления и аттестации стандартных образцов приборов на основе кремния и тройных полупроводниковых соединений;
•введения нестандартного измерительного аналитического оборудования в Госреестр с последующей его поверкой, что особенно важно при проведении ОКР (рис.2).
Методы измерения размеров и концентраций, имеющиеся в ЦКП, практически перекрывают весь диапазон линейных размеров от единиц ангстрем до десятков микрометров и концентраций как основных элементов, так и примесей, но только отчасти предоставляют данные структурного анализа. Эту проблему и проблему рентгеновской литографии призван решать физико-технический отдел.
Физико-технический отдел имеет в своем распоряжении уникальный инструмент – синхротрон "Зеленоград", разработанный в ИЯФ СО РАН. Он является специализированным источником синхротронного излучения (СИ), предназначенным для решения задач микро- и нанотехнологий и проведения аналитических исследований в диапазоне длин волн 0,01 нм – 1 мкм (энергия фотонов 100 кэВ – 1 эВ). Магнитная структура накопителя оптимизирована для получения интенсивных потоков фотонов высокой яркости как из поворотных магнитов, так и из специализированных устройств генерации излучения – вигглеров и ондуляторов.
Источник синхротронного излучения "Зеленоград" построен по классической схеме источников второго поколения, таких как ANKA, BESSY-2 и др. Электроны с энергией 40 кэВ, вылетая из электронной пушки, пролетают линейный ускоритель и ускоряются до энергии 80 МэВ (рис.3а). Затем они проходят электронно-оптический канал и попадают в малый накопитель (рис.3б), где за время нескольких выстрелов происходит накопление электронов, приходящих из линейного ускорителя, и ускорение накопленного пучка до энергии 450 МэВ. После ускорения в малом накопителе пучок электронов пролетает по электронно-оптическому каналу и попадает в большой накопитель (рис.3в). Здесь процессы накопления и ускорения происходят аналогично процессам в малом накопителе. Рабочая энергия в большом накопителе поднимается до 2 ГэВ. Один из наиболее важных элементов большого накопителя, отвечающий за энергетическое состояние электронных сгустков, – высокочастотный резонатор (рис.3г).
Особенность синхротронного комплекса "Зеленоград" – наличие богатой инфраструктуры, обеспечивающей его эффективное использование для выполнения аналитических и технологических задач. Синхротрон расположен в инженерно-производственном корпусе, занимающем 2,5 тыс. м2 уникальной по своим характеристикам технологической площади, предназначенной для размещения 37 каналов вывода СИ и конечных технологических, метрологических, аналитических и испытательных станций, а также дополнительного технологического оборудования для выполнения замкнутых технологических процессов изготовления нанопродукции и изделий микромеханики.
Ввод в эксплуатацию синхротрона значительно расширит аналитические, технологические и метрологические возможности ЦВТ. В частности, использование синхротрона "Зеленоград" обеспечит эффективную разработку технологий мелкосерийного производства и методов сертификации наноизделий, функциональность которых в основном определяется функциональностью периодических структур нанообъектов. Использование СИ позволит в полной мере реализовать методы рентгеновской литографии [15] при производстве большей части гибридных и негибридных МЭМС/НЭМС-изделий.
* * *
Подводя итоги, можно констатировать, что во ФГУП "НИИФП им. Ф.В.Лукина" создается современный аналитико-технологический центр, пригодный для реализации перспективных нанотехнологий, необходимых для создания радиационно-стойкой элементной базы, элементной базы СВЧ-наноэлектроники, сверхпроводниковой электроники, оптоэлектроники, акустоэлектроники, нейроморфной элементной базы, а также для создания "интеллектуальных" устройств специального назначения и обеспечения мелко- и среднесерийного производств элементной базы наноэлектроники специального назначения с проектными нормами 32–8 нм.
Литература
1. Коник Л. Государственный электронизм. – www.comnews.ru/standart/article/52216
2. Борисов Ю., Калинин С., Немудров В. Роль дизайн-центров микроэлектроники в развитии отечественной электронной промышленности. – Электронные компоненты, 2008, №10, www.spels.ru/index.php?option=com_docman&task=doc...
3. Мелик-Адамян А. Российские fabless-компании как двигатель отечественной микроэлектроники. – Электронные компоненты, 2007, №2.
4. В России будет создан новый дизайн-центр микроэлектроники "Т-Нано" – promwad.ru/news/10-07-2012-design-center-t-nano.html
5. Сайт компании Promwad – www.promwad.ru
6. Быков В.А., Веревкин Д.В. Многофункциональная система NANOFAB как базовый комплекс для проведения прецизионных исследовательских и технологических операций. – Материалы симпозиума "Нанофизика и Наноэлектроника", 25–29 марта в Нижнем Новгороде, 2005, с.206.
7. Быков В.А., Атепалихин В.В., Быков А.В., Поляков В.В. Нанотехнологические комплексы и их применение в наноэлектронике. – Материалы симпозиума "Нанофизика и Наноэлектроника", 10–14 марта в Нижнем Новгороде, 2007, с.505–506.
8. Агеев О.А., Быков В.А. Технологическое оборудование для создания наносистемной техники. – НАНОтехнологии. Экология. Производство, 2011, №5 (7).
9. Быков В.А. Кластерное технологическое оборудование для создания элементной базы наноэлектроники. – "Наноиндустрия", 2010, №6.
10. Быков В.А. Возможности кластерного оборудования для создания и исследования приборов наноэлектроники. – Материалы симпозиума "Нанофизика и Наноэлектроника", 14–18 марта в Нижнем Новгороде, 2011.
11. Быков В.А., Харламов Р.В. Нейроморфные интегральные схемы для научного приборостроения. – "Интеграл", 2011, №4, с.76–78.
12. Патент RU2308782, 20.10.2007. Нанотехнологический комплекс./Быков В.А.
13. Патент №2390070, 20.05.2010. Нанотехнологический комплекс на основе эпитаксиальных и ионных технологий./Быков В.А.
14. Сайт Центра коллективного пользования "Синхротрон" – www.ckp.su
15. Гудков А.Л., Матвеев В.М., Ушаков В.А. Перспективы развития рентгенолитографии на базе синхротрона "Зеленоград" в производстве изделий наноэлектроники и микросистемной техники. – Материалы XI отраслевой научно-практической конференции "Состояние и перспективы развития отечественной микроэлектроники". – Новосибирск, 2012, с.249–259.
Отзывы читателей
