EUV (экстремальный ультрафиолет) фотолитограф «с высокой числовой апертурой» сейчас у всех на слуху. Что неудивительно: ведь это самая передовая фотолитографическая машина за всю историю. Она предназначена для производства микрочипов по «ультратонким» техпроцессам 2 нм и меньше. По сравнению с предыдущим семейством «стандартных» EUV литографов серии NXE, литографы с высокой числовой апертурой ASML новейшей серии EXE увеличили апертуру системы (NA = numerical aperture) с 0,33 до 0,55. Отсюда и название системы: High NA.
Числовая апертура: мера того, сколько света может собрать и сфокусировать оптика системы. Является безразмерным числом, характеризующим диапазон углов, в которых система может принимать или излучать свет. Чтобы уменьшить размер «печатаемых» элементов микрочипа, необходимо использовать более крупную высокоточную оптику.
Две первые такие установки были поставлены в прошлом году в США, на фабрики американской Intel. Третья машина была поставлена тайваньскому полупроводниковому гиганту TSMC. Может сложиться впечатление, что числовая апертура 0,55 — самая высокая из использующихся в системах полупроводниковой фотолитографии. Но это не так. Числовая апертура в казалось бы более простых системах глубокого ультпафиолета DUV могут достигать 1, а в иммерсионных DUV фотолитографах, в которых свет проецируется через слой воды (водяную линзу) между линзой и пластиной, NA достигает значения 1,35. Это — рекорд на сегодняшний день.
Поскольку для увеличения числовой апертуры системы требуется более крупная оптика, оптическая система DUV литографов превышает 1.2 метра в высоту и весит более тонны. С литографами EUV дела обстоят не проще: самые большие зеркала достигают поперечного размера 1 метр. Это приводит к тому, что вес и габариты литографических машин существенно возрастают по мере увеличения их способности производить чипы с более миниатюрными размерами элементов.
А почему вообще числовая апертура должна возрастать по мере миниатюризации микрочипов? Ответ даёт уравнение разрешения (критерий) Рэлея, определяющее, насколько малы могут быть «напечатаны» элементы на чипе.
CD = k1 • λ / NA
CD: критический размер, или наименьший возможный размер элемента
λ: длина волны используемого света.
NA: числовая апертура оптики, определяющая, сколько света она может собрать.
k1: коэффициент, зависящий от совокупности всех остальных факторов (в полупроводниковой фотолитографии это прежде всего оптимизация движения светового излучения в системе). Физический предел составляет k1 = 0,25.
Данный критерий был разработан лордом Рэлеем (Rayleigh) в XIX веке. Он используется при разработке самых разных оптических устройств: от астрономических телескопов до фотолитографов.
Таким образом, чтобы уменьшить размер наименьшего элемента, который может быть «напечатан» (CD), иными словами улучшить разрешение системы, нужно стремиться уменьшить длину волны света λ, снизить коэффициент к1 и увеличить числовую апертуру NA. Точнее сказать, следует определить их оптимальные значения для требуемой системы. В этом и кроется ответ, почему апертура у EUV литографов меньше, чем у DUV.
Это связано с тем, что когда рабочая длина волны снизилась со 193 нм (эксимерный ArF лазер) в иммерсионном DUV литографе до 13,5 нм (плазма олова) в EUV литографе, то есть почти в 15 раз, то в увеличении числовой апертуры не было необходимости. Напротив, можно было позволить себе при этом в несколько раз её уменьшить, чтобы «сэкономить» на размере зеркал: всё равно критический размер согласно формулы Рэлея стал гораздо меньше.
Зеркала же, как известно, используются в EUV системах вместо традиционных для DUV литографов линз, по-причине того, что столь короткие волны как 13,5 нм, линзами попросту поглощаются. Отсюда и многослойные зеркала, покрытия которых изготалвиваются буквально на атомарном уровне, и необходимость вакуума.
Но со временем захотелось большего. Поскольку ещё больше уменьшать длину волны не сочли возможным, пришлось взяться за зеркала, чтобы увеличить апертуру. Но всё равно до числовой апертуры DUV литографической системе EUV ещё очень далеко. Если же ASML будет и в будущем идти по пути увеличения числовой апертуры, трудно даже предстваить, насколько гигантскими и дорогими санут тогда EUV установки. Ведь система ASML NA EUV EXE:5000 уже весит 165 тонн, поставляется в 250 ящиках, а для её транспортировки используют три грузовых авиалайнера Boeing 747 Jumbo.