В марте 2024-го года у меня вышла интереснейшая статья о нашем перспективном рентгеновском литографе для производства микропроцессоров по техпроцессам 28-16-12 нм — «Российский EUV-литограф на 28-16-12 нм, почему он ожидается проще и дешевле, чем у ASML?». В статье я приводил технические аргументы, доказывающие перспективность нашего литографа и его ожидаемые преимущества, проистекающие из особенностей его конструкции.
Но мир тоже не стоит на месте, и вот уже японские учёные придумали, как на порядок снизить потери экспонирующего электромагнитного излучения при его прохождении через оптическую систему многослойных рентгеновских фокусирующих зеркал.
Профессор Цумору Синтаке из Окинавского института науки и технологий (OIST) предложил технологию экстремальной ультрафиолетовой (EUV, рентгеновской) литографии, которая превосходит традиционную EUV-технологию. Научная работа на эту тему была опубликована в мае 2024-го года.
EUV-литография, основанная на новой оптической конструкции, может работать с EUV-источниками электромагнитного излучения меньшей мощности, снижая затраты и значительно повышая надежность и срок службы машин. Она потребляет менее одной десятой мощности обычных машин для EUV-литографии.
Эта технология стала возможной благодаря решению двух проблем, которые ранее считались непреодолимыми в этой области. Первая включает в себя новую оптическую проекционную систему, состоящую всего из двух зеркал. Вторая включает в себя новый метод эффективного направления EUV-излучения на логические схемы на плоском зеркале (фотошаблоне), не блокируя оптический путь.
Проблемы, связанные с EUV-литографией
Процессоры, делающие возможным искусственный интеллект (ИИ), чипы с низким энергопотреблением, используемые в мобильных устройствах, таких как сотовые телефоны, и память DRAM высокой плотности, используемая в вычислительных машинах, которые стали незаменимыми в нашей повседневной жизни — большинство этих передовых полупроводниковых чипов, изготавливаемых по технологическим нормам 7 нм и тоньше, производятся с использованием EUV-литографии.
Однако производство таких полупроводников затруднено из-за высокого энергопотребления и сложности оборудования, что резко увеличивает затраты на установку, обслуживание и энергопотребление. По словам профессора Дж. Синтаке, «Это изобретение является прорывной технологией, которая может почти полностью решить эти малоизвестные проблемы».
Замечу, что Россия рассчитывает решить эти проблемы, то есть снизить стоимость установки и её энергопотребление, а также увеличить её ресурс, за счёт снижения производительности системы. Ведь нам пока не нужно печатать чипы мировыми объёмами — на данном этапе нам важно обеспечить свои потребности в сферах государственной инфраструктуры и обороны.
Поэтому мы планируем использовать более слабый источник излучения, но более «чистый» и дешёвый, к тому же, с более короткой длиной волны (11,2 нм вместо 13,5), что также сулит нам некоторую выгоду.
Подробнее об этом можно почитать в моей статье «Российский EUV-литограф на 28-16-12 нм, почему он ожидается проще и дешевле, чем у ASML?».
В традиционных оптических системах, таких как камеры, телескопы и обычная ультрафиолетовая литография, оптические компоненты, такие как диафрагма и линзы, расположены осесимметрично (симметрично центральной оси) по прямой линии. Эта конфигурация обеспечивает высочайшие оптические характеристики с минимальными оптическими аберрациями, обеспечивая высокое качество изображений.
Однако для EUV (в российской научной традиции — рентгеновского) излучения это не работает, поскольку оно имеет чрезвычайно короткую длину волны, которая поглощаются большинством материалов, а это означает, что они не могут проходить через прозрачные линзы.
По этой причине EUV-излучение направляется с помощью зеркал в форме полумесяца, которые отражают лучи по оптическому пути зигзагообразно через открытое пространство (см. Иллюстрацию ниже). Однако, поскольку этот метод приводит к отклонению излучения от центральной оси, он снижает важные оптические свойства и общую производительность системы.
Для решения этой проблемы новая технология литографии обеспечивает свои превосходные оптические свойства за счет совмещения двух осесимметричных зеркал с крошечными центральными отверстиями по прямой линии.
Новая система сохраняет очень высокий контраст, одновременно уменьшая 3D-эффекты фотошаблонов, достигая нанометровой точности, необходимой для точной передачи логических схем с фотошаблона на кремниевую пластину.
Значительное снижение энергопотребления
Энергия EUV-литографии уменьшается на 40% при каждом отражении от зеркала из-за его очень высокой поглощающей способности. Согласно промышленному стандарту, только около 1% энергии от EUV-источника излучения достигает пластины через 10 используемых зеркал, что означает, что требуется очень высокая энергоотдача от EUV.
Для удовлетворения этого спроса приводу CO₂-лазера для EUV-источника излучения требуется большое количество электроэнергии, а также огромное количество воды для охлаждения.
Напротив, при ограничении количества зеркал всего четырьмя от источника EUV до пластины через них проходит более 10% энергии, а это означает, что даже небольшой источник EUV мощностью в несколько десятков ватт может работать столь же эффективно. Это может привести к значительному снижению энергопотребления.
Почему бы и нам в России не использовать эту идею, чтобы увеличить эффективность изначально более слабых источников излучения? К чёрту патенты, ведь нам нужно делать для себя!
Преодолены две проблемы
Проектор, лежащий в основе EUV-литографии, который переносит изображение с фотошаблона на кремниевую пластину, состоит всего из двух отражающих зеркал, как в астрономическом телескопе.
«Эта конфигурация невообразимо проста, учитывая, что для обычных проекторов требуется не менее шести отражающих зеркал. Это стало возможным благодаря тщательному переосмыслению теории коррекции аберраций в оптике. Это триумф классической физики перед квантовой физикой», — объясняет профессор Синтаке, — «Производительность была проверена с помощью программного обеспечения оптического моделирования (OpTaliX), и ее гарантированно достаточно для производства передовых полупроводников».
Профессор Синтаке решил проблему, разработав новый метод осветительной оптики, названный «двухлинейным полем», который облучает плоский зеркальный фотошаблон EUV-излучением спереди, не создавая помех оптическому тракту.
Профессор Синтаке объясняет: «Если вы держите два фонарика, по одному в каждой руке, и направляете их по диагонали на зеркало перед собой под одинаковым углом, то свет от одного фонарика всегда будет падать на противоположный фонарик, что недопустимо в литографии. Но если вы чуть расставите руки, не меняя угла наклона фонариков, пока середина не будет идеально освещена с обеих сторон, свет может отражаться, не сталкиваясь со светом от противоположных фонариков.»
Поскольку два источника излучения расположены симметрично и освещают фотошаблон под одинаковым углом, фотошаблон освещается равномерно. Это также сводит к минимуму 3D-эффекты фотошаблона. «Это похоже на яйцо Колумба,» — объясняет профессор Шинтаке, — «на первый взгляд это может показаться невозможным, но после решения становится очень просто».
Объяснения профессора могут показаться не очень понятными. Если хотите получше разобраться в этом, можете скачать и почитать его научную работу, она написана довольно доступно, со всеми необходимыми схемами.
OIST подал заявку на патент на эту технологию, и ожидается, что она будет применена на практике в ходе демонстрационных экспериментов. «Ожидается, что мировой рынок EUV-литографии вырастет с 8,9 млрд долларов США в 2024 году до 17,4 млрд долларов США в 2030 году со среднегодовыми темпами роста примерно 12%. Этот патент потенциально может принести огромные экономические выгоды», — резюмирует профессор. Синтаке.
Гил Гранот-Майер, исполнительный вице-президент OIST и руководитель отдела инноваций OIST, сказал на эту тему следующее: «OIST стремится создавать передовые научные разработки, которые окажут влияние на человечество. Эта инновация отражает дух OIST исследовать невозможное и предлагать оригинальные решения. Хотя нам еще предстоит пройти долгий путь в разработке этой технологии, мы полны решимости сделать это. Мы надеемся, что эта технология с Окинавы окажет преобразующее влияние на полупроводниковую промышленность и поможет решить глобальные проблемы, такие как потребление энергии и декарбонизация».
Примечательно, что у них там за рубежом приткнуть к любой технической теме проблемы климата и декарбонизации примерно так же обязательно, как у нас во времена СССР было обязательно приткнуть к любой публикации руководящую роль партии. Прям уже бесит удалять эту чушь из всех их текстов, но в последней цитате оставил, чтобы был повод поворчать )))
Заключение
Очень было бы неплохо в будущем совместить в разрабатываемом у нас рентгеновском литографе наш новый источник излучения на основе ксенона и их идею оптической системы. Её преимущества скомпенсировали бы недостаток мощности нашего источника для высокопроизводительных систем крупносерийного производства, которые, несомненно, понадобятся нам в будущем.
На сегодня всё. Ставьте нравлики, делитесь своими соображениями в комментариях и подписывайтесь на мой канал. Удачи! :-)
