На днях у меня выходила статья «Российский рентгеновский EUV-литограф — план создания от 2025 года из ИФМ РАН», в которой я анонсировал выступление доктора физико-математических наук Николая Ивановича Чхало на симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника», которое должно было пройти 14 марта 2025 года по теме проектирования российского рентгеновского литографа.
Симпозиум прошёл, выступление состоялось, и в сегодняшней своей статье я расскажу содержимое доклада, в котором была кое-какая новая информация.
Общие понятия о важности длины волны
Сначала литографический техпроцесс уменьшал размеры элементов транзисторов благодаря уменьшению длины волны излучения источника (сначала до 365 нм включительно это были лампы, потом лазеры со всё более короткой длиной волны, чтобы максимально снизить дифракционный порог). Улучшалась качество оптики, а за ней и механики.
Дойдя до длины волны источника в 193 нм разработчики столкнулись с непреодолимым препятствием в виде резкого падения пропускной способности оптической системы на основе линз для излучения, экспонирующего резист на кремниевой пластине.
Дальнейшее уменьшение техпроцесса, выходящее далеко за дифракционный предел оптики, достигалось различными ухищрениями, уже сильно влияющими и на производительность машин, и на удорожание техпроцесса, и на резкое снижение выхода годных изделий.
В конце концов и этот путь ухищрений подошёл к пределу своих возможностей, и назрела необходимость принципиальных изменений в оптической системе.
Почему источник 11,2 нм лучше?
Учёные из ASML решили сделать качественный скачок с переходом на кратно меньшую длину волны путём перехода к зеркалам вместо линз. При этом при проектировании новых машин они исходили из того, что производительность новых литографов не должна снижаться относительно старых:
Такие требования вылились в крайне сложную машину с заоблачной стоимостью создания и обслуживания (частая замена расходных элементов из-за загрязнений от грязного оловянного источника излучения и высоких интенсивностей этого излучения, быстро приводящих в негодность защитные элементы и другие компоненты системы — коллектор, пелликлы, маски).
Также такие машины характеризовались большим весом, объёмом и энергопотреблением. Такие машины могли хоть как-то окупиться только на глобальном рынке с его многомиллионными потребностями в чипах.
Из-за стоимости машины, стоимости её обслуживания и стоимости всего техпроцесса большинство компаний просто не смогло потянуть покупку и эксплуатацию такого оборудования, что привело к резкому сокращению компаний, способных производить чипы по самым передовым техпроцессом. Фактически, единственной такой фабрикой осталась только TSMC на Тайване.
В связи со всеми вышеизложенными проблемами создания и эксплуатации таких машин стало понятно, что повторять создание машины внутри России исходя из тех же концепций было бы не совсем верно и очень затратно. Поэтому физики ИФМ РАН предложили более подходящий для России вариант.
Выяснилось, что если не исходить из тех же требований к производительности машины и принять во внимание результаты новых исследований в сфере источников излучения и рентгеновских зеркал, то можно сделать машину с более простым источником на другой длине волны (11,2 нм вместо 13,5 нм), что сразу потянуло бы за собой существенное снижение стоимости всей оптической системы.
На графике выше показан спектр уровней излучений ксенонового источника излучения (чёрный график) и графики величин отражения рентгеновских зеркал на разных материалах. Мы видим, что эффективность отражения Ru/Be-зеркал очень близка к пику ксенонового спектра, и она выше, чем у Mo/Si-зеркал для оловянного источника 13,5 нм, применяемых в сегодняшних машинах ASML. На сегодня были получены многослойные Mo/Be/Mo/Ru-зеркала с коэффициентом отражения 72%.
Кроме того, благодаря всего лишь 20%-му уменьшению рабочей длины волны, для техпроцесса того же уровня в разы упрощается и удешевляется объектив. Коэффициент пропускания рентгенооптической системы повышается в 4,2 раза. Вдобавок, для длины волны 11,2 нм проще получить высокочувствительный резист. Все преимущества перечислены на слайде выше.
Ниже представлена таблица сравнения эффективности литографов на длинах волн 13,5 нм и 11,2 нм после реализации предлагаемой дорожной карты:
В докладе Чхало привёл интересную табличку готовности DUV и EUV-технологий в России на сегодняшний день для достижения уровня техпроцесса 28 нм. В табличке знаком «плюс» обозначены имеющиеся технологии или технологии, которые в соответствующей технологической линии не нужны:
Как видим, плюсиков больше у рентгеновского литографа. Исходя из этого, можно сделать осторожное предположение, что в России DUV-литография остановится где-то на уровне 65 нм, а начиная с 32 нм и ниже всё будет отдано на откуп EUV-литографам.
Скорректированный план ИФМ РАН
Новый план создания рентгеновского литографа, разработанный в ИФМ РАН, теперь таков. Вместо трёх этапов доведения литографа до промышленной эксплуатации теперь предлагается два.
После создания на первом этапе в рамках НИР эксперементального образца альфа-машины с разрешением 28 нм при однократном экспонировании и 14 нм при двойном, на втором этапе её же и будут доводить до промышленного состояния уже в рамках ОКР.
То же будет делаться и для бета-машины, но оба этапа уже только в рамках ОКР. Ну и далее, опять же, в рамках ОКР, будет производиться дальнейшая разработка уже третьего поколения литографа.
Кстати, у Чхало проскочило третья модель литографа будет создаваться в том случае, «если это потребуется». То есть, по каким-то причинам он допускает, что она может уже и не потребоваться, что несколько напрягает... )
Напоминаю, что это ещё не утверждённая концепция, а пока ещё только видение этого процесса изнутри ИФМ РАН, более того, интерпретация Чхало.
Итак, что из себя представляет экспериментальный прототип альфа-литографа? В новой концепции ИФМ РАН используется четырёхзеркальный проекционный объектив наподобие запатентованного зарубежного, но с немного увеличенной апертурой, чтобы уйти от патентных ограничений и немного повысить контраст.
Производительность
В ИФМ РАН была произведена оценка производительности рентгеновского литографа с помощью «цифрового двойника» этой машины:
Выяснилось, что больше всего на производительность влияет даже не мощность излучения (при определённых условиях рост мощности может даже снижать производительность), а величина механического ускорения при передвижении столика с пластиной.
Таким образом, в настоящее время самым узким местом выглядит именно столик, способный передвигаться в вакууме с достаточными ускорениями, разработчиков которого в России на сегодняшний день вроде как бы и нет.
Сегодняшнее состояние дел по проекту рентгеновского литографа
03.03.2025 стартовал аван-проект Фонда перспективных исследований «Обоснование технической возможности создания отечественного рентгеновского проекционного литографа», рассчитанный на 7 месяцев.
Участники аван-проекта:
ИФМ РАН:
- облик литографа
- облик рентгеновской оптики
- облик лазеро-плазменного источника и рентгеновских диагностик.
ИПФ РАН:
- облик гибридного твердотельного лазера со средней мощностью до 3 кВт
- облик системы совмещения
- облик интерферометра для контроля положения системы сканирования
- облик лазеро-плазменного источника на ксеноне и интерферометрия
ООО «Скоростные системы связи»:
- облик системы сканирования с магнитным подвесом и управления ею
ООО «Поликетон»:
- облик рентгенорезиста
ИС РАН:
- облик лазеро-плазменного источника на ксеноне
МГТУ им. Н.Э. Баумана:
- оптические расчеты
Кстати, ранее я предполагал вариант взаимодействия на тему литографов с Китаем, на что зачастую получал комментарии о том, зачем это Китаю нужно, связываться с Россией, если у них самих всё это хорошо развивается, а на отрасль выделяются деньги, на порядки превышающие наши вложения в микроэлектронику. Так вот, Чхало обмолвился, что много разработок по теме делается институтом именно на деньги «юго-восточных коллег»:
Я хотел ещё сказать о том, что вот в этот год реально мы много чего уже... реально приступили к работам, потому что, во-первых, наши юго-восточные коллеги нас финансируют, потому что они свои программы развивают интенсивно, обращаются к нам за помощью, соответственно, какие-то деньги появляются...
Так что активные работы уже ведутся, например, по лазеро-плазменным источникам рентгеновского излучения, причём с привлечением внешних разработчиков из Троицка, тогда как раньше ими занимались только в ИФМ РАН. А в Троицке — это те люди, которые создали теорию лазеро-плазменного источника для ASML. Очень сильная команда.
Также ведутся работы по изображающей рентгеновской оптике:
Предполагается модернизация того самого стенда литографии, о котором я писал ещё три года назад.
В заключении доклада было отмечено
- EUV/рентгеновская литография стала ключевой технологией при производстве СБИС последнего поколения начиная с топологических размеров от 16 нм и ниже, потенциально более эффективная начиная с топологических размеров 32 нм.
- Проблемы низкого жизненного цикла элементов источника, большие размеры, мегаваттное энергопотребление и сложность литографа от ASML привели к «заоблачным» цене и стоимости эксплуатации литографа. Технология окупается только на глобальном рынке и доступна только для 5-топ компаний-производителей СБИС.
- Повторение этой разработки в России труднореализуемо с технологической точки зрения и бессмысленно в экономическом.
- Предложенная ИФМ РАН концепция рентгеновского литографа и «дорожная карта», базирующиеся на достижениях последних лет в области твердотельных гибридных лазеров, ксенонового лазеро-плазменного источника на длине волны 11.2 нм., более эффективных Ru/Be многослойных рентгеновских зеркал указывает на перспективы разработки отечественного литографа, конкурентоспособного, в том числе и на мировом рынке. При немного меньшей производительности ожидается уменьшение почти на порядок размеров, энергопотребления, цены и стоимости эксплуатации.
- Целесообразно рассматривать Альфа-литограф в качестве экспериментального образца индустриального литографа для серийного производства чипов по технологическим нормам 65. 32. 28 нм. Такой подход на 5-7 лет сократит срок внедрения в России рентгеновской нанолитографии.
Про бесфотошаблонный литограф
После доклада Чхало был задан вопрос про судьбу т.н. «безмасочного» (имеется ввиду бесфотошаблонный) литографа. Чхало считает тему безмасочной литографии так же актуальной, как и была раньше, но:
...к сожалению, там произошли всякие нехорошие события, в общем, эту литографию, её немножко... показали, что всё плохо. Кто-то там показал... Но к этому вернутся со временем.
Напомню, что показал это не кто-то, а результаты соответствующих НИРов Филлит-А, Филлит А2 и Филлит-А3. В первом НИР'е из-за большой шероховатости, приводившей к коэффициенту отражения всего 20% и кривизны поверхностей МЭМС-системы Texas Instruments, получить реальное изображение с помощью неё не удалось.
Второй НИР, где были оптимизированы условия нанесения, материалы и толщины диэлектрического атомно-слоевого покрытия на МЭМС микрозеркал, тоже не дал нужного результата.
О третьем НИРе никакой информации в открытом доступе нет. Возможно, его фактически и не было.
ИФМ РАН в инициативном порядке попробовал сделать свою отечественную МЭМС вместе с московским ООО «Маппер», но работы не были доведены до конца, хотя и «были получены интересные промежуточные результаты». За неимением государственного финансирования исследования были приостановлены.
Заключение
Очень отрадно, что дело сдвинулось с мёртвой точки (очередной раз). Но немного озадачили меня следующие слова Чхало, сказанные им при ответе на один из вопросов по завершении доклада:
Аванпроект, цель у него не очень хорошая — это продемонстрировать теоретически, что а-ля ASML-овская машина будет работать.
На самом деле мы не хотим заниматься этой а-ля ASML-овской машиной, потому что это бессмысленно. С ней невозможно конкурировать, и это, главное, не нужно никому.
Но тем не менее, одной из очень важных задач аванпроекта — сбор всей информации о компетенциях, поэтому у меня будут постоянные поездки, обсуждения, будем искать всех...
Их этих слов можно сделать вывод, что аванпроект нацелен на то, чтобы обосновать техническую возможность сделать литограф с источником на 13,5 нм на основе олова.
С другой стороны, мы видим, что задача ИС РАН в этом проекте — это разработка облика лазеро-плазменного источника на ксеноне, то есть, на 11,2 нм. То же самое можно сказать и про участие ИПФ РАН: облик лазеро-плазменного источника на ксеноне и интерферометрия. Да и сам доклад Чхало называется «Состояние дел по проекту литографа на дину волны 11,2 нм».
Конечно, было бы интересно почитать саму документацию аванпроекта. Тогда можно было бы понять более определённо, что именно имел ввиду Чхало. Скорее всего, аванпроект «Обоснование технической возможности создания отечественного рентгеновского проекционного литографа» имеет цель проверить техническую возможность создания литографа на разных источниках, и ИФМ РАН должна будет выполнить работы и по части оловянного источника, что и не нравится Чхало, отсюда и такая оценка цели проекта, как «не очень хорошая» )))
Для тех, кто хочет посмотреть доклад Чхало в видеоформате, вот его видеозапись «Состояние дел по проекту литографа на дину волны 11,2 нм». Там произошла путаница с залами, тема должна была идти согласно расписанию в одном зале, а фактически шла в другом, в связи с чем найти видео удалось не сразу.
А на сегодня всё. Ставьте нравлики, подписывайтесь на мой канал и делитесь своими соображениями в комментариях. Удачи! :-)