Голос науки: Как лазеры изменяют микроэлектронное производство

В газете «Коммерсант» вышло очередное интервью с сотрудником МИФИ. Ниже мы приводим его текст.

В сфере микроэлектроники Россия пока находится в положении «догоняющего», но важным фактором, позволяющим ей развиваться в этом направлении достаточно быстро являются сильные научные школы, в частности в – сфере лазерного излучения. О том, какие новые технологии наука о лазерах может дать реальному сектору экономики мы беседуем с инженером-исследователем кафедры лазерной физики НИЯУ МИФИ, участником нескольких научно-исследовательских проектов, связанных с потребностями российского микроэлектронного производства Александром Щекиным.

– Вопреки сложившимся в общественном мнении стереотипам, в России все-таки существует производство микроэлектроники?

– Да, в России умеют делать то, что называется микросхемами. Но, к сожалению, наши производства отстают от мировых, что вполне закономерно, потому что создание установок для микроэлектроники — это очень трудоёмкое и сложное дело, оно требует очень больших вложений, и чаще всего это вложения не одного государства, корпорации-гиганты вкладываются в это невероятно большие суммы. Но и мы стараемся сохранять и развивать некоторые технологические заделы – в частности, В области применения лазерных технологий в микроэлектронике.

– Лазерные технологии какое место занимают в микроэлектронике?

– Лазерные технологии в эту сферу вошли довольно быстро, можно сказать лазеры и микроэлектроника развивались параллельно, они уже давно тесно контактируют. Например, производство самых популярных сегодня полупроводниковых лазеров в сущности похоже на то, как выращивают микросхемы в целом. И конечно, лазер широко применяются как инструмент. Если мы говорим про производство микросхем – то там лазеры используются, например, для технологии фотолитографии. Эта лазерная технология является крайне важным этапом в производстве изделий микроэлектроники. Ну, а, например, мы в МИФИ занимаемся использованием лазеров в обработке. Вот, например, очень актуальная и интересная тема – разделение кремниевых дорожек.

– В чем суть?

– Сегодня в электронике используют кремниевые подложки довольно больших размеров – до 300 милиметров. При этом современная технология устроена таким образом, что на одной такой круглой кремниевой пластинке методом фотолитографии формируются сразу очень много чипов. И потом пластинку надо аккуратно разрезать. Для этого традиционно используется алмазный диск, который разрезает пластинку вдоль, а потом происходит скол. Но проблема в том, что когда мы режем алмазным диском, то имеет место сложная многоступенчатая обработка. Кремний – это хрупкий монокристалл. Появляется высокая вероятность трещин, сколы, помимо этого есть ограничение на ширину реза. Одним из вариантов решения проблемы является лазерное излучение, так как мы можем фокусировать пучки на очень маленькую ширину разреза, порядка десятков микрометров, а это значит, что можно плотнее ставить микросхемы, а чем больше чипов на кремниевой подложке, тем дешевле, выгоднее, эффективнее производство. То есть, сделав ширину канала разреза меньше и понизив вероятность сколов и трещин, можно скомпоновать чипы на подложке плотнее, помимо этого уменьшение сколов и трещим уменьшает количество брака.

–Так значит, проблема решена?

– Не все так просто, здесь вылезают уже новые аспекты взаимодействия лазерного излучения с кремнием, потому что, например, очень многое зависит от длины волны, от параметров лазерной обработки. На первый взгляд может показаться, что надо просто пройти по пластинке лучом на максимальной мощности, под таким лучом всё сразу хорошо испаряется, и у нас всё разламывается. На самом деле, это так не работает. К этой процедуре нужно подходить систематически, чтобы не допускать дефектов, чтобы результаты не были похожи на результаты работы алмазного диска, когда возникают трещины, перегревы, и можно повредить чипы. Все эти аспекты мы как раз изучаем, моделируем, чтобы можно было предложить индустриальным партнёрам какое-то решение. Это я сейчас говорю про кремний, а ведь существуют разные подложки, и из арсенида галия, и из германия, там везде есть свои особенности. Не менее интересно — это диэлектрические подложки, например активно используется оксид алюминия – корунд, это сейчас самый популярный материал для диэлектрических подложек. И там нужно либо перфорацию делать, либо также их разделять.

– И здесь тоже помогает лазерное излучение?

– Да, потому что на оксид алюминия – это твёрдый материал, его используют обычно как абразив, чтобы что-то другое резать или шлифовать, так что его очень тяжело резать, тяжело разделять, тяжело сверлить – а необходимо. Мы как раз ведём исследование того, как это можно делать, минимизируя дефекты, тут очень важны все аспекты, связанные с термическими напряжениями, с качествами отверстий. В микроэлектронике очень серьёзные стандарты и требования на всё формируемое и создаваемое.

– Лазер - это прежде всего «разрушитель», он нужен чтобы резать и сверлить отверстия?

– Не только. Мы сейчас ведем исследовательские работы по так называемому безэлектродному лазерному осаждению или лазерной металлизации. Суть в том, что подложку из диэлектрика, нам нужно нанести проводящую дорожку, чтобы получилась какая-то электронная схема. Традиционно для этого можно использовать сложные химические реакции с нанесением драгоценных металлов, чтоб на них осаждалась медь, потом использовать какие-то маски, но это усложняет производство. А мы работаем над тем, чтоб можно было, используя лазерное излучение, создавать медные дорожки почти любых размеров, делать их либо миниатюрными, либо широкими, создавать на поверхности диэлектриков какие-то структуры и осаждать там медь за счёт воздействия лазерного излучения. Суть технологии в том, что лазером обрабатывается поверхность керамики, а потом подложка помещается в раствор, где без использования электродов медь из раствора осаждается на обработанную лазером часть. Мы это изучаем, смотрим, как это можно применять, и, главное, почему это происходит, чтобы можно было лучше контролировать процесс и как-то его внедрять.

– Какова научная составляющая этих разработок?

– В первую очередь, научная составляющая заключается в том, что если мы правильно понимаем, как протекает процесс, то нам этот процесс проще контролировать. Если мы говорим про разделение кремниевых подложек, то наш предмет – это так называемое скрайбирование, я бы сравнил это с тем, как при помощи специального стеклореза режут стекло, когда мы проводим линию, а потом надламываем, и по этой линии проходит скол. В целом, тоже самое лазером делают и на кремниевых подложках. Просто это более контролируемый, более тонкий рез. Когда мы это делаем, мы немножко портим поверхность между чипами и нам необходимо понимать, когда, например, взаимодействие излучения с веществом будет таким, что образуется плазма, которая может плохо повлиять на чипы, находящиеся рядом с линией разреза. Мы должны знать, как формируемая жидкая фаза при наносекундном излучении, будет ли жидкое вещество расплёскиваться, попадёт ли оно на чип и испортит ли она его? Какие термические напряжения появляются внутри или около линии разреза, так, что это может привести к нежелательным сколам либо повреждениям? Нам необходимо понимать, почему это происходит и как это происходит, чтобы мы могли подобрать источник лазерного излучения и так поработать с самим излучением, чтобы избежать этого, понизить брак, и повысить эффективность процесса. Потому что в микроэлектронике помимо высоких требований к качеству, есть ещё серьёзные требования к производительности. Необходимо создавать большое количество чипов и так, чтоб они не повреждались, чтоб был брак минимальный.

– Таким образом именно на примере лазерной физике можно видеть как фундаментальная наука имеет самую тесную связь с практикой.

– Да, при наличии хорошей научной базы можно достигать очень интересных эффектов. В нашем университете мы пытаемся подойти к так называемой технологии внутриобъёмного формирование дефектов. Вот, например кремний — это полупроводник. Это означает, что для инфракрасного излучения он прозрачен. То есть, если я возьму кремниевую пластинку и буду на неё смотреть, то я буду просто видеть своё отражение. А если я буду на неё светить инфракрасным излучением с длиной волны заметно больше одного микрометра, то его лучи пронижут пластинку насквозь. И поэтому, если использовать лазерное излучение длиной волны 1,064 микрометра, то кремний будет для него немножко прозрачным, а это значит, что можно сфокусироваться лучи прямо внутрь нашего материала и создать дефект внутри него, не повреждая поверхность. Если мы таким образом создадим внутри кремниевой пластинки канавки дефектов, то тогда слом можно произвести без повреждения поверхности, работая только с тем, что внутри. Но это очень сложно. В мире такая технология реализуется, например, в машинах японских производителей на передовых производствах, это очень сильно понижает количество брака, но эти технологии запатентованные, засекреченные, и в них ещё много есть нюансов и особенностей, связанных с тем, как лазерное излучение должно воздействовать, как подобрать оптику под это всё и вообще, почему так происходит, и как можно повысить эффективность и безопасность такого процесса для конкретного производства. Это очень интересные задачи, которые мы пытаемся решать, в том числе и проводя свои эксперименты, моделируя, рассчитывая оптические параметры, изучая взаимодействие излучения с материалом. Ведь если я возьму другой лазер, например, зелёный или ультрафиолетовый, то такой эффект уже не получится, он бывает только с инфракрасным. Если возьму неподходящее излучение - оно будет взаимодействовать с поверхностью. То есть здесь появляется очень много хитростей, которые нам нужно просчитать и учесть.

– Приходится ли для этих расчетов задействовать знания свойств материи на глубинном уровне, квантовую физику?

– Да, безусловно. Мы используем так называемый метод конечных элементов, это когда наша задача разбивается на маленькие участочки, и мы решаем задачу на каждом из участочков. Но можно просчитывать эту задачу через тепловые эффекты на макроуровне, когда мы предполагаем, что лазерный источник — это просто нагреватель, а можем перейти как раз на более фундаментальные уровни материи, в квантовый мир, чтобы оценивать лазерный источник не просто как нагреватель, а как поток фотонов, которые взаимодействуют с электронами, считать, как происходит взаимодействие фотонов с электронами, а электронов с фононами, то есть квазичастицами, которые отвечают за колебания кристаллической решётки внутри твердого материала. И здесь есть очень интересный момент. Я говорил, что лазерные источники используются для того, чтобы разделять кремниевые подложки. Для этого используется излучение с наносекундными импульсами. Но в чём огромное преимущество лазеров? Можно получить значение длительности импульса, измеряемое не наносекундами, что является миллиардной долей секунды, а ещё короче в миллиард раз. Это так называемые фемтосекундные импульсы. Фемтосекунда относится к секунде почти как один день к возрасту вселенной.  Это очень большие значения. И вот, когда мы работаем с ультракороткими импульсами, мы открываем новые аспекты взаимодействия излучения с веществом.

– И в чем же их особенность?

– Например, когда мы таким излучением воздействуем на полупроводник, да вообще на любой материал, то материал не успевает понять, что на него уже провоздействовали, потому что фотоны взаимодействуют с электронами гораздо быстрее, чем электроны взаимодействуют с кристаллической решёткой материала. Поэтому можно добиться так называемого холодной лазерной абляции, то есть холодного испарения, когда лазе «выбивает» частицы материала почти без его нагрева. Так можно ещё уменьшить дефектность. Но проблема в том, что такие аппараты стоят, конечно, уже значительно дороже, и их сложнее делать. То есть лазеры очень широко применимы, но все лазеры разные, и все лазеры под свои задачи.

– В этой связи у меня возникает вопрос: если и когда ваши индустриальные партнёры получат рекомендации по типу технологического процесса, они, видимо, должны будут как-то придумать и сконструировать особый источник лазерного излучения именно для этого процесса?

– Мы же работаем на кафедре лазерной физики, и как раз-таки мы занимаемся тем, что выбираем, какой лазерный источник может подойти. На самом деле лазеров огромное количество, но не все они применимы вот индустриально. Нужно ориентироваться на то, что уже есть на рынке, и чтобы не вышло какой-то уникальной, удивительной установки, которую тяжело обслуживать. Общаясь с предприятиями и посещая специализированные выставки, понимаешь, что фундаментальная наука очень сильно отличается от реального производства, в реальном производстве крайне важно, чтобы машина или технология была удобно эксплуатируемой. То есть, если это лазерный источник, который постоянно ломается, либо постоянно приходится его докручивать, проверять, то для лаборатории, для экспериментов это подойдёт, но для того, чтобы 24/7 работать на предприятии это не очень подходит. И мы в своей работе как раз-таки стараемся учитывать, что должны подходить к решению проблемы с понятными лазерными источниками, которые, если что, либо легко доработать, либо легко найти. Больше задач, связанных с тем, какую оптику подобрать. С оптикой уже может быть проще. У нас есть какой-то источник излучения, и мы уже можем понимать, как нам выставить оптическую систему, какой способ доставки излучения использовать для того, чтобы достичь решения поставленной задачи.

Беседовал Константин Фрумкин, пресс-служба МИФИ