Состояние исследований в области лазерной термометрии твердых тел

Первые публикации по измерению температуры монокристаллов и стекол с помощью внешнего зондирования исследуемого объекта оптическими (обычно лазерными) пучками появились в конце 60-х годов в ФРГ и СССР, чуть позже (в начале 70-х) в США. Авторы первых работ исходили не из осознанных потребностей в новых методах термометрии, а из возможностей, которые они увидели в области оптики и спектроскопии материалов при их зондировании лазерами. Эти статьи не вызвали интереса и были забыты, и через 20 лет работы по созданию лазерных методов начались заново. А самые первые статьи отыскались позднее, в 90-е годы, когда появилась потребность в обзорах, и пришлось перерывать литературу. Чтобы увидеть тенденции в развитии любой области науки и техники, надо сравнивать ту продукцию, которая поддаются счету – например, статьи, обзоры, книги. Число статей, накопленных к настоящему времени по лазерной термометрии твердых тел (ЛТТТ), превышает 400, вышло более 10 журнальных обзоров и книга (на русском и дважды на английском языке). Эволюция количества публикаций представлена на рис.1. Рис.1. Динамика накопления статей и обзоров по лазерной термометрии твердых тел. По оси ординат отложено полное число статей, опубликованных за все предшествующие годы. Судя по графику, еще в 80-е годы многим стало ясно, что адаптировать традиционные методы термометрии (контактные и бесконтактные) к условиям новых технологий не удастся, и надо создавать принципиально новые методы. Причины – высокая трудоемкость контактных и низкая достоверность бесконтактных методов при работе в установках микротехнологии. Контактные датчики не измеряли температуру полупроводниковой или диэлектрической подложки, а лишь температуру держателя, на котором лежит подложка. Разность температур держателя и пластины, на поверхность которой воздействовала газоразрядная плазма или ионный пучок, достигала сотен градусов, при этом различие изменялось от пластины к пластине, т.к. три точки контакта пластины с держателем (точки механического контакта - это и есть точки теплоотвода) располагались случайным образом. Приклеивать термопару к каждому из тысяч кристаллов, которые проходили через установку, невозможно. Оптические пирометры обычно не видели слабое излучение полупрозрачного кристалла, но регистрировали излучение плазмы или нагретых элементов реактора. Во второй половине 80-х годов многие группы принялись разрабатывать методы лазерной термометрии для контроля температурных режимов подложек в различных процессах. Были созданы и успешно применены методы термометрии по сдвигу края поглощения в кристаллах, по температурной зависимости показателя преломления (это группа методов), по температурной зависимости затухания фотолюминесценции, по сдвигу стоксовой линии неупруго рассеянного света и др. Стало возможно измерять температуру монокристаллов кремния, арсенида галлия, фосфида индия, плавленого кварца, стекла, ниобата лития и других широко применяемых материалов. Сейчас известно более 10 методов. Распределение результатов в этом направлении во второй половине 90-х годов выглядело так: примерно 55% статей было опубликовано исследователями США, около 20% - России, чуть меньше - европейских стран, 7% - Японии и Китая. В СССР и РФ исследования по ЛТТТ проводили в Зеленограде, Москве, Нижнем Новгороде, Новосибирске, Ярославле. Из 7 отечественных исследовательских групп, начинавших в 80-е годы работу в области лазерной термометрии твердых тел применительно к микротехнологии интегральных схем, к началу XXI века не осталось ни одной. Поисковые исследования по ЛТТТ в РФ прекратились, лишь эпизодически проводятся небольшие работы по доводке старых идей и автоматизации лабораторных лазерных термометров. За период 2000-2009 г.г. в мире опубликовано примерно 140 оригинальных статей, из них отечественных – 5 (по одной из Нижнего Новгорода, Новосибирска, Улан-Удэ и две из Ярославля), т.е. около 3.5% от общего числа. Количество отечественных публикаций в каждое десятилетие, начиная с 1960-х годов, показано на рис.2. Рис.2. Количество отечественных статей по десятилетиям. При нормальном развитии этого исследовательского направления мы имели бы в последнее десятилетие (2000-2009 г.г.) от 50 до 70 статей по ЛТТТ (оценка с помощью экстраполяции). Реально имеется в 10-14 раз меньше. Что означает прекращение отечественных исследований, разработок и применения лазерной термометрии в микротехнологии? Оно означает, что отечественная микротехнология не развивается. В разных городах, в ряде институтов ведутся работы по нанесению и травлению пленок, созданию структур и приборов, но эти работы не становятся технологиями – они не доходят до цехов, а заканчиваются в лабораториях на стадии исследования. Во многих институтах проводят облучение твердых тел электронными и ионными пучками разных энергий (от десятков кэВ до сотен МэВ), но температуру при этом не измеряют, потому что сейчас исследования направлены не на создание технологий и конечного продукта, а лишь на поиски научного сырья, т.е. новых идей и ярких явлений. В лабораторных исследованиях достаточно уловить основные тенденции, качественные зависимости. Главное – получить эффект, чтобы потом изучать и, возможно, использовать его. Термометрия в технологическом контроле Технология отличается от исследований тем, что надо одну и ту же операцию воспроизвести одинаковым образом миллионы раз. Отклонение от заданного температурного режима в каждой отдельной операции приводит к уменьшению вероятности получить в конце маршрута надежно действующую интегральную схему или полупроводниковый лазер. Отличие условий обработки от пластины к пластине, от точки к точке на одной пластине, от смены к смене в течение дня и от лета к зиме в течение года означает всегда одно и то же – падение выхода годных изделий. Чем меньше толщины осаждаемых пленок, чем меньше необходимые глубины травления и поперечные размеры элементов, тем точнее надо выдерживать условия – плотность плазмы, плотность ионного тока на поверхность, температуру поверхности. Сейчас основное направление исследований по ЛТТТ в мире по-прежнему состоит в создании новых методов и автоматизированных приборов для измерения температуры твердых тел (полупроводниковых и диэлектрических кристаллов и стекол) в установках осаждения тонких пленок, гетероструктур, многослойных квантовых ям, травления микро- и наноструктур, ионной имплантации полупроводников. Лазерными термометрами надо оснастить различные по назначению установки, адаптировать методы к различным материалам, учесть изменения свойств материалов при обработке, чтобы выделять только вклад температуры в регистрируемый сигнал. Зачем нужна диагностика в технологических исследованиях? Пока в статьях описываются, чем воздействовали на образец, и что потом увидели в электронный (или оптический, или туннельный) микроскоп, работы соответствуют алхимической (поэтической) стадии, перенесенной на три века вперед. Лишь после того, как появляются результаты измерений в виде зависимостей между основными переменными, в неорганизованной и хаотической области возникает передняя линия исследований, направление движения и иерархия задач. Почему управляемый термоядерный синтез – это наука, а парапсихология – не наука? Потому что в УТС имеются ориентиры в виде цифр, характеризующих время удержания плазмы, температуру электронов и ионов. Время удержания выросло за 40 лет от микросекунд до десятков секунд, т.е. в десять миллионов раз. Температура ионов за это же время выросла от 10 эВ до 50 кэВ, т.е. в 5000 раз. В парапсихологии таких цифр нет, поэтому там нет развития и нет результатов. Термометрия в микроприборах Второе по масштабу применение ЛТТТ связано с температурной диагностикой микроприборов (интегральных схем, полупроводниковых лазеров). Необходимо (и достигнуто!) субнаносекундное быстродействие и субмикронное пространственное разрешение (а в некоторых случаях даже тридцатинанометровое, в 20 раз меньше длины волны He-Ne лазера). Для измерения температур здесь используются в основном три метода: фотолюминесценция, термоотражение и комбинационное рассеяние лазерного света. Измерение температуры в действующих приборах является параметрическим тестом для микросхем и микролазеров в ряде сценариев: а) анализе отказов, б) предсказании надежности и в) детектировании структурных дефектов. Наличие тепловой картины позволяет, например, по-другому расположить тепловыделяющие элементы внутри чипа, т.е. улучшить конструкцию и достичь более высоких рабочих характеристик прибора. В этом направлении больше всего работ выполнено в США, Германии, Франции, Японии. У нас в стране работ в этом направлении не проводят, не удалось найти ни одной публикации за последние 10 лет. Это означает, что мы, в лучшем случае, полагаемся на математическое моделирование тепловых процессов в микроприборах. Но для тестирования математических моделей необходим эксперимент с использованием той же самой температурной диагностики, которой у нас нет. А в приборах с нанометровыми размерами элементов проблема тепловых режимов еще острее. Термометрия в нанотехнологиях Нанометровые приборы и устройства хотя бы в одном направлении имеют те же размеры, что и природные нанометровые объекты – мембраны живых клеток и вирусы. Но вирусы и мембраны создаются методами самосборки, к которым исследователи только-только подступают. Изделия нанотехнологий (интегральные схемы наноэлектроники и т.д.) в течение какого-то (возможно, продолжительного) времени будут создаваться не по собственным программам, как вирусы, а по длинным технологическим маршрутам, где часть процессов идет в вакуумных установках, под действием плазмы, пучков заряженных частиц и оптического излучения. В таких технологиях диагностика служит нервной системой, измерительные приборы – органами чувств. Поэтому отсутствие такой важной диагностики, как термометрия, означает, что на этом этапе у нас не будет создана элементная база наноэлектроники. Исследования – да, а технология – нет. Для новых технологий важны нюансы, детали, точные цифры, а не качественные зависимости. Возможно, эту элементную базу предполагается делать на импортном оборудовании. Но тогда не стоит надеяться на прорывы и собственный сектор на мировом рынке. Если США прочно держит позиции в производстве микропроцессоров для ЭВМ, а Япония больше всех делает и продает микросхем памяти, то только потому, что каждая из этих стран имеет развитое электронное машиностроение (т.е. собственные вакуумные установки, источники плазмы и ионов) и приборостроение (т.е. собственную диагностику всех технологических процессов). Конечно, все это можно купить и освоить, но место на рынке уже будет занято. Когда сейчас говорят и пишут, что в 70-е и 80-е годы мы отставали от США по элементной базе микроэлектроники на 5, 3 или 2 года, то это чаще всего не очень содержательные цифры, они означают только то, что наша военная приемка получала новые микросхемы через 5, 3 или 2 года после того, как в США началось их коммерческое (массовое) производство. Военная приемка – это не мировой рынок, а сравнительно небольшое потребление. Основные доходы мировая микроэлектроника получает не от военных, а от массовых потребителей. Итак, отсутствие работ в области лазерной термометрии является одним из признаков того, что нанотехнологий у нас не будет. Отечественные нанотехнологические лозунги не обеспечены измерительными методами. Не создавать диагностику или не обращать внимание на ее показания можно только тогда, когда в технологии все получается. Сегодня, завтра, через месяц и через год – идет выход годных наноструктур, например, на уровне 30-80%. Это прекрасно, и в этом случае можно бесстрашно не развивать диагностические методы. Но обычно бывает иначе: сегодня выход годных 0.5 %, завтра 0.01 %, послезавтра вдруг 0.9 %, а после этого целый месяц 0 %. В чем дело? Это неизвестно, и надо бы что-то измерять, но измерять нечем, да и не умеет никто. Заключение Таким образом, в РФ практически отсутствует разработка новых методов термометрии, которые в развитых странах создаются параллельно с новыми технологиями. Для любых новых технологий – вакуумных, плазменных, лазерных, ионно-пучковых – у нас нет методов и средств термометрии. Все предполагается делать на глаз, следуя интуиции и догадкам. Может ли произойти изменение? Не скоро. Наша нынешняя экономика по своему типу является архаической – она соответствует этапу собирательства и охоты в древней истории человечества. В экспорте доминирует нефть, газ, лес, но не лазеры. Как сказал Ж.И.Алферов, “один грамм лазерных гетероструктур стоит столько же, сколько десять тонн нефти”. Программа развития нанотехнологий в РФ невыполнима, как и программа построения коммунизма в СССР к 1980 г. (была разработана в конце 50-х – начале 60-х годов, реклама началась в 1957 году лозунгом “Догнать и перегнать развитые капиталистические страны!”). Мало шансов на то, что в следующее десятилетие, в условиях той же примитивной экономики и архаического управления, методы лазерной термометрии будут развиваться у нас в стране, и лазерные термометры будут производиться хотя бы малыми сериями. Около десятка одиночек (а скорее, пять, потом три, два и т.д.) будут продолжать свои исследования и разработки в области ЛТТТ из-за личной привязанности к предмету. В частности, на портале “Температура” скоро появятся материалы по лазерной термометрии. Удачи всем, кто измеряет или учится измерять.