Времена старой доброй контактной фотолитографии давно прошли. А ведь как всё было просто: прижали фотошаблон к полупроводниковой пластине, покрытой фоторезистом, и засветили соответствующий узор. Очень напоминает, как во времена моей молодости мы с помощью трафаретов штамповали буквы на комсомольские стенгазеты пропитанной краской губкой. И никаких тебе оптических систем и выравнивания в разных плоскостях. Но узоры интегральных схем переносились в масштабе один к одному, фотошаблоны и чипы на пластинах постоянно повреждались, да так, что выход годных чипов был гораздо меньше, чем негодных.
И это при том, что производительность чипов, изготавливаемых по столь «толстым» техпроцессам (микронный диапазон) категорически не успевала за требованиями бурно развивающегося рынка электронной техники. В общем, со всем этим срочно нужно было что-то делать. Так назваемые проксимальные фотолитографы (модификация контактных) проблему не решали: они отодвинули шаблон от пластины на пару десятков микрон, снизив тем самым взаимное повреждение соответствующих поверхностей, но без оптической системы это не могло улучшить миниатюризацию чипов. Даже напротив: разрешение системы в результате снизилось, так как из-за возникшего зазора усилилась дифракция световых волн.
Стало ясно, что ключом к дальнейшему прогрессу является внедрение оптической системы, способной проецировать рисунок фотошаблона на пластину в многократно уменьшенном виде. Основными компонентами фотолитографических машин, использующих световое излучение глубокого ультрафиолета (DUV = Deep Ultraviolet) c длиной волн 248 и 193 нанометров стали линзы, а в самых передовых на сегодняшний день фотолитографах экстремального ультрафиолета (EUV = Extreme Ultraviolet) с длиной волны 13,5 нм — зеркала. Выбор зеркал продиктован тем, что столь короткие волны в линзах попросту поглощаются, да и в обычных зеркалах тоже. Так что зеркала, используемые в EUV системах, — многослойные, изготавливаемые буквально с атомарной точностью.
Внедрение EUV систем помимо зеркал также потребовало существенного изменения в технологии производства фотошаблонов. Те, что применялись в DUV системах, совершенно не подходили к EUV фотолитографам. А фотолитограф без шаблона — это как штемпель с краской без трафарета в примере со стенгазетой. Фотошаблоны для фотолитографов экстремального ультрафиолета пришлось сделать отражающими, тогда как в DUV машинах фотошаблоны пропускающие: свет проходит сквозь их прорези.
Быстро выяснилось, что даже казалось бы самые незначительные дефекты отражающих масок настолько существенно искажают отражённый свет, что это может привести к негодности чипа, и как следствие, привести к снижению выхода годных изделий. А дефектам есть откуда взяться: излучение в таких машинах чрезвычайно агрессивно (около 1000 градусов Цельсия), да и от частичек различных материалов, образующихся в процессе производства, полностью защититься не получается.
Но дефекты могут появится ещё задолго до начала использования фотошаблонов в фотолитографах, ещё на этапе изготовления самих шаблонов. Ведь зеркальная поверхность EUV фотошаблона по сложности немногим уступает самим EUV зеркалам оптической системы: это тоже многослойный «бутерброд» из десятков чередующихся слоёв молибдена и кремния c финишным защитным слоем рутения. После на фотошаблон наносится слой поглотителя из танталового материала, на котором собственно и формируется требуемый узор при помощи электронных многолучевых записывающих машин.
Если на заготовке (подложке) фотошаблона будет малейший дефект, то по мере нанесения на него слоёв зеркала, он будет проявляться всё больше и больше, что может сделать невозможным использование фотошаблона по назначению. Поэтому всё начинается с бездефектных заготовок шаблонов (стоимость которых составляет порядка 100 тысяч долларов), ведущими производителями которых являются японские AGC и Hoya. Собственно, в производстве готовых фотошаблонов для EUV фотолитографов передовые позиции также удерживают представители высокотехнологической промышленности Страны восходящего солнца: Tekscend Photomask (бывшая Toppan Photomask) и Dai Nippon Printing (DNP). Стоимость EUV фотошаблона вполне может достигать 300 тысяч долларов.
Таким образом, голландская компания ASML может сделать сам EUV фотолитограф, но чтобы было чем эту машину «заправить», полупроводниковым фабрикам во многих случаях также придётся обращаться к японцам. Хотя такие крупные компании, как Carl Zeiss или Intel, производят фотошаблоны самостоятельно.
К тому же для защиты шаблонов требуются высокопрозрачные защитные плёнки на основе углерода. Эти изделия тоже высокотехнологические. Ведь чем выше их прозрачность — тем производительнее работа всей системы. Да и добиться высокой термостабильности при таких-то температурах задача непростая. Сделать качественную плёнку сложно и дорого (но не дороже самого шаблона, конечно). А без такой плёнки фотошаблоны пришлось бы менять гораздо чаще. Лидером в производстве защитных плёнок является японская Mitsui, хотя технологию изначально пришлось разрабатывать самой ASML.
Следует особо отметить, что прогресс последнего времени в области многолучевых записывающих машин также вызван возрастающей потребностью в EUV фотошаблонах. Более простые шаблоны для DUV фотолитографов обычно обходились традиционными однолучевыми записывающими машинами. Но применительно к потребностям EUV фотолитографии такие машины оказались слишком медленными, да и качество создаваемых шаблонов зачастую осталяло желать лучшего. А в многолучевых системах для ускорения производства и повышения кчества используются тысячи параллельных электронных лучей. Признанным лидером по части такого оборудования является австрийская компания IMS Nanofabrication.
Потребность в ультрапередовых микрочипах, изготавливаемых по техпроцессам всего в несколько нанометров, в мире только возрастает. Не в последнюю очередь это связано с набирающими силу технологиями искусственного интеллекта. Когда речь заходит о гигантских центрах обработки данных, обеспечивающих работу ИИ, и нейропроцессорах современных компьютеров и смартфонов, то старыми нанометрами обойтись не получается. А стало быть EUV фотолитография будет развиваться и дальше, обеспечивая новые достижения в области оптики, материалов и оборудования.