Полимеры для микроэлектроники: импортозамещение началось

Полимеры для микроэлектроники: импортозамещение началось

Снежана Шабанова/ИПХФ РАН

В апреле состоялось заседание Президиума РАН, на котором обсуждались вопросы развития микроэлектроники. В частности, на нем говорили о проблемах импортозамещения и отдельно – создания такого критически важного компонента для производства микроэлектронных чипов, как фоторезистов. Мы вместе с редакцией портала Mendeleev.info попросили научного руководителя Института проблем химической физики РАН академика РАН Сергея Алдошина и заведующего лабораторией полимерных резистов ИПХФ РАН Георгия Малкова рассказать, о чем шла речь на заседании и о конкретных научных работах института и его партнеров в этой области.
Научный руководитель ИПХФ РАН, академик Сергей Алдошин

Научный руководитель ИПХФ РАН, академик Сергей Алдошин

Снежана Шабанова/ИПХФ РАН

Сергей Алдошин:

В целом мы обсуждали три основных проблемы в отрасли. Доклад, посвященный состоянию российской микроэлектроники и целях, которые сейчас стоят перед ней, делал академик РАН Геннадий … Красников, председатель совета директоров компании «Микрон» - крупнейшего российского производителя микроэлектроники (и экспортера микроэлектронной продукции). Он рассказал о задачах, которые нужно решить для того, чтобы сделать независимым от импорта производство более 700 типономиналов продукции,включая интегральные схемы для защищенных носителей данных, идентификационных, платежных и транспортных документов, управления питанием и RFID-маркировки для различных отраслей цифровой экономики.

После этого состоялись три содоклада: мой, посвященный производству полимерных и органических компонентов материалов, использующихся в технологических процессах производства интегральных микросхем, обзорный доклад члена-корреспондента РАН Владимира Бородина, посвященный приборостроению для производства микроэлектроники, и доклад члена-корреспондента РАН Виктора Устинова, который был посвящен новым технологиям для микроэлектроники.

Мой доклад появился в этой программе не случайно. Еще в 2018 году мы понимали, что такая проблема санкций может возникнуть, и с Геннадием Красниковым обсуждали возможность участия химических институтов РАН химического профиля в разработке новых материалов для микроэлектроники. Тогда это не носило такого критического характера, но, тем не менее Геннадий Яковлевич провел совещание, в котором приняли участие руководителя ряда институтов, промышленных организаций и бизнеса, на котором была поставлена задача заменить импортные материалы и технологии в микроэлектроники. Нам отвели важную роль в разработке антиотражающих покрытий и фоторезистов для микроэлектроники.

Справка. Фоторезист – это светочувствительный полимерный материал, который наносят на обрабатываемый материал в процессе фотолитографии или фотогравировки с целью получить на поверхности обрабатываемого материала «окна» для доступа травящих веществ. В настоящее время это основной Таким способом получают интегральные схемы в микроэлектронике.

Несмотря на то, что это – задача из области полимерной химии, наш «полимерный» отдел уже работал по традиционным для себя темам. А вы прекрасно знаете, что людей немолодого возраста перестроить на новую тематику, даже если под нее выделено хорошее финансирование, или очень трудно, или практически невозможно. А начинать нужно было с нуля – даже задела в этой области не было, потому что он был якобы не нужен. Считалось, что все, что надо, мы купим…

Так получилось, что в то же время, когда проходили первые конкурсы Минпромторга на выполнение работ в области микроэлектроники и мы выиграли свою часть проекта, состоялся и конкурс на создание «молодежных» лабораторий, который проводило Минобрнауки. Мы выиграли конкурс на две лаборатории, и одна из них, которая называется «Лаборатория полимерных резистов», начала работы по разработке новых материалов и новых технологий для создания полимерных основ для антиотражающих покрытий и фоторезистов. Мы привлекли аспирантов и даже несколько студентов к работе в этой новой лаборатории, которую возглавил Георгий Малков.

Заведующий лабораторией полимерных резистов ИПХФ РАН Георгий Малков

Заведующий лабораторией полимерных резистов ИПХФ РАН Георгий Малков

Снежана Шабанова/ИПХФ РАН

Георгий Малков:

Считается, что технология изготовления сверхбольших интегральных микросхем – это один из бустеров технологического развития промышленности в принципе. К сожалению, из-за того, что в девяностые развитие микроэлектроники в нашей стране заметно отстало, новые компоненты для нее не разрабатывались. Так, когда в начале 2010-х у нас построили завод по производству микросхем с современными на то время уровнями топологий, все компоненты начиная от сверхчистых газов и деиноизированной воды и заканчивая аналитическим оборудованием, фильтрами, «чистыми» помещениями – и фоторезисты в том числе – были западными. Поэтому, когда с 2014 года некоторые материалы под самые маленькие топологии с минимальными проектными нормами попали под санкции и их пришлось поставлять через третью сторону, начали задумываться об импортозамещении.

В 2018 году эту задачу сформулировали перед нами, в 2019 году мы начали работу над полимерными материалами для микроэлектроники. Мы стали разрабатывать полимеры для антиотражающего покрытия, для фоторезиста, которые способны работать при эксимерном излучении аргон-фторного лазера с длиной волны 193 нанометра.

Справка. После Перед нанесением фоторезиста подложку иногда покрывают плёнкой антиотражающего покрытия для повышения эффективности экспонирования. С той же целью антиотражающее покрытие порой наносят и до нанесения фоторезиста.

Справка. Антиотражающее покрытие – это светопоглощающий полимерный материал, который наносится под слой фоторезиста с целью предотвратить паразитное засвечивание слоя фоторезиста для сохранения требуемой в тех.процессе геометрии стенок «окна» и достижения предельно малых размеров протравливаемых в слое фоторезиста «окон».

Справка. Эксимерный лазер – это разновидность газового ультрафиолетового лазера. Название указывает на рабочее тело лазера (excited dimer означает «возбужденный димер).

Для изменения топологических норм (размеров наименьших элементов в интегральной микросхеме) фотолитографии, меняется длина волны лазера – и, соответственно, меняется полимерная основа химия, которую необходимо использовать для создания фоторезистов. Сначала (при длине волны микрон-полмикрона) это были диазанафтохиноны, их производство у нас в России есть. Дальше мы переходим в область эксимерных лазеров – криптон-фторный, аргон-фторный, далее идет F2 – здесь у нас (в России) уже есть ограничение по материалам и не было по большому счету заделов, и, следовательно, нужно было их создавать.

И вот НИИМЭ (Научно-исследовательский институт молекулярной электроники) при поддержке Минпромторга собрал команду: мы, как синтетики-полимерщики; НИОПИК (ФГУП ГНЦ Научно-исследовательский институт органических полупродуктов и красителей) как специалисты с опытом в области фоторезистов и оборудованием, на котором можно проводить их предварительное тестирование – как наносить пленки толщиной 100 нм и менее, как измерять их толщину, свойства, как их экспонировать и так далее; ООО «Поликетон» из Нижнего Новгорода, где есть высокотехнологичное производство – они создали собственное высокотехнологическое производство искусственных хрусталиков для офтальмологии (также у них есть компетенции для производства фоточувствительных полимеров для микроэлектроники - резистов и антиотражающих покрытий для предыдущих технологий); и ПАО Микрон – как основной реципиент и пользователь будущих материалов в своих реальных тех.процессах.

В этой коллаборации мы создаем и отрабатываем состав полимерной основы, «Поликетон» делает свои мономеры и полимеры, делает технологию их производства – ибо недостаточно получить полимер, нужно получить правильное соотношение составляющих, нужно избавиться от примесей металлов до концентрации 10-9 и от взвешенных микрочастиц, то есть нужны комплекс «чистых» помещений – у них есть комнаты 3-5 класса.

Сейчас мы работаем с несколькими классами полимеров.

Для антиотражающих покрытий это акрилаты и метакрилаты. Например, сополимер метилметакрилата, гидроксиэтилметакрилата и стирола (наши коллеги используют бензилметакрилат и гидроксиэтилметакрилат) – это доступные мономеры, однако нужно было подобрать правильную композицию, поскольку константы полимеризации у мономеров отличаются друг от друга, достичь правильного молекулярно-массового распределения полимеров и так далее. Но больше всего времени ушло на создание технологии очистки готового полимера.

С фоторезистами сложнее. Мономерами там являются адамантановые производные метакрилатов. Раньше мы мономеры покупали на Западе или в Китае, сейчас будем покупать отдельно адамантановые спирты, отдельно метакрилаты и самостоятельно делать мономеры. Кстати, производства самих адамантанов в России тоже пока нет.

При этом нам нужно выдерживать оптимальное распределение состава как по молекулярной массе, так и по композиционной однородности, ибо если полимер будет одного состава и размера, его молекулы начнут упорядочиваться, а для фоторезиста нам не нужна кристалличность или разделение фаз – это приведет к рассеиванию излучения лазера.

За эти несколько лет мы сделали достаточно много. По антиотражающим покрытиям мы закончили ОКР и уже выпустили всю техническую документацию на производство полимерной основы, наши коллеги пошли еще дальше и создали технологию синтеза, очистки и смешения компонентов, теперь все уже готово к промышленному производству, испытания опытных партий проводятся в настоящее время в ПАО МИКРОН. По фоторезистам мы выпустили экспериментальные образцы, которые сейчас тестируются в НИОПИК и на заводе МИКРОН: в задачу коллег входит не только отработать технологии нанесения и изучить эти пленки, но и правильно подобрать экспонирующие дозы и температуры. Но здесь у нас (ИПХФ РАН) нет задачи разработать технологию, наша часть – синтез самих полимеров, а технологию производства будет разрабатывать и внедрять у себя «Поликетон».

От редакции: отрадно видеть, что в стране ведутся серьезные работы по импортозамещению в области микроэлектроники и, что важно, они ведутся в коллаборации нескольких научных учреждений – созданы реальнодействующе технологические цепочки, при этом эти работы не заканчиваются чисто научным исследованием, а сразу же (или даже параллельно) переходят в производство. При этом мы видим, что задачи по импортозамещению микроэлектроники «тянут за собой» и другие области, которые нужно «поднимать» в России – научное приборостроение и, особенно, – малотоннажную химию.