Как бы выглядел технологический ландшафт нашего времени, если бы не существовало фитолитографов экстремального ультрафиолета (EUV = Extreme ultraviolet)? Пожалуй, не очень весело. Ведь тогда не на чем было бы производить передовые процессоры, микросхемы памяти и ультрасовременные графические процессоры искусственного интеллекта. В этом случае нам пришлось бы отказаться от самых передовых смартфонов, ноутбуков, умных часов и развлечений (пользы), связанных с генеративным искусственным интеллектом.
Ведь узор самых миниатюрных и высокопроизводительных микросхем можно нарисовать только с помощью света экстремального ультрафиолета, задействовав невероятно сложную оптическую систему, состоящую из многослойных и очень точных зеркал. Так что когда мы читаем, что «система на кристалле» (процессор) нашего смартфона произведена по техпроцессу 3, 4, 5 и обычно вплоть до 12 нанометров, это означает, что без EUV фотолитографа голландского монополиста ASML здесь дело не обошлось. А где EUV фотолитограф ASML, там и оптическая система немецкого конгломерата Carl Zeiss.
Менее сложные фотолитографические машины глубокого ультрафиолета (DUV = Deep ultraviolet), используют световые волны длиной 193 и 248 нм, которые являются слишком грубым «инструментом рисования» по сравнению с 13,5 нм волнами, используемыми в EUV машинах. Поэтому обойтись DUV техникой для выполнения самых «тонких» задач не получается. Рекордсменом здесь явлвется китайский конгломерат электроники Huawei, который умудряется выпускать чипы для своих смартфонов по 7 нм техпроцессам.
Китайцы навострились распределять плотный узор микросхемы между несколькими более разреженными фотошаблонами. С помощью многократного экспонирования (переноса рисунка интегральной схемы с фотошаблона на полупроводниковую пластину при помощи света), китайская производственная фабрика SMIC выпускает 7 нм «системы на кристалле» для смартфонов, используя вместо EUV литографов менее передовые иммерсионные (с дополнительной водяной линзой) DUV машины. Но до уровня 5 нм и ниже без EUV литографов всерьёз добраться ещё никому не удавалось.
Кстати, в первых рядах исследований в области EUV фотолитографии были советские учёные. Исследования в области многослойных зеркал для работы c EUV-излучением велись в Советском Союзе ещё в 70-х годах прошлого века. Однако первого практического результата в этой области смог добиться японский учёный Хиро Киносита. К 1986 году он смог спроецировать первые EUV изображения, о чём и объявил на ежегодном собрании Японского общества прикладной оптики. К чести г-на Киноситы, он всегда воздавал должное вкладу советских учёных.
Вскоре после этого ряд американских государственных исследовательских лабораторий всерьёз занялся исследованиями в области EUV фотолитографии. Однако вплоть до 1995 года было неясно, по какому пути пойдёт дальнейшее развитие производственного оборудования для изготовления полупроводников. Дело в том, EUV-фотолитография выглядела очень сложной и дорогостоящей технологией (таковой она является и в наши дни). Так что многие ключевые игроки полупроводникового рынка относились к идее производства таких фотолитографов очень скептически.
Всё изменилось в ноябре1995 года во время семинара, проведённого Carl Zeiss SMT в баварском Оберкохене. Докладчикам немецкого оптического гиганта удалось убедить присутствовавших на семинаре представителей профильных исследовательских институтов и ведущих производителей микросхем в перспективности тенологии EUV с длиной волны 13,5 нм. После этого специалисты Carl Zeiss сразу же приступили к разработке соответствующих зеркал.
Зачем вообще использовать зеркала в проекционной оптической системе? Не проще ли обойтись, как в случае с DUV-фотолитографами, традиционными линзами? Проблема в том, что линзами столь коротковолновое излучение попросту поглощается, впрочем, как и воздухом. Отсюда необходимость работы в вакууме и использование отражающих зеркал вместо линз.
К сожалению, если использовать обычные зеркала, то 13,5 нм волны тоже будут поглощены. Поэтому Carl Zeiss пришлось с атомарной точностью изготовить особенные многослойные кремний-молибденовые (Mo/Si) зеркала. Отражающие покрытия, состоящие более чем из ста слоёв, каждый из которых имеет толщину всего несколько нанометров, были изготовлены немецким «Институтом прикладной оптики и точного машиностроения Фраунгофера».
К 1999 году была разработана первая проекционная оптическая EUV-система с небольшим полем экспонирования, которая легла в основу дальнейших,более производительных систем. В 2012 году Carl Zeiss SMT поставила первую стандартную оптическую систему EUV голландскому производителю фотолитографов ASML. Она была установлена на первой серийной EUV машине ASML TWINSCAN NXE:3300. И с той поры уже сотни оптических EUV систем были поставлены всё той же ASML, которая является самым настоящим монополистом на мировом рынке фотолитографов экстремального ультрафиолета (и по совместительству крупным акционером Carl Zeiss SMT).
Ну а в 2019 году южнокорейский полупроводниковый гигант Samsung Electronics выпустил первый в истории чип, произведённый с помощью EUV фотолитографа: «систему на кристалле» (мобильный процессор) Samsung Exynos 9825. Этот чип был изготовлен по ультрапередовому для того времени 7 нм техпроцессу и использовался в ряде моделей смартфонов Samsung Galaxy.
Кто помимо Carl Zeiss способен производить зеркала для EUV фотолитографов? Как минимум ещё две компании: японская Rigaku и российский Институт физики микроструктур РАН. Эти компании способны «предъявить товар лицом». Другое дело, что их достижения трудно оценить практически. Ведь EUV машины, в которых можно было бы использовать такие зеркала, ни в Японии, ни в России, на производятся. В общем, зеркала есть, а литографов нет. Но в России, по крайней мере, EUV машины разрабатываются. А вот в Японии с этим полная тишина. Так что пока зеркала Rigaku больше похожи на музейный экспонат.
Не утихают сообщения и о разработке передовой техники для полупроводникового производства в Китае. Но составить объективное представление о том, как на самом деле у них обстоят дела, в том числе с многослойными зеркалами, очень сложно. Периодически в местных СМИ возникают информационные волны о создании собственных передовых фотолитографов: иммерсионных, EUV, наноимпринтных. Впрочем, эти волны так же быстро стихают, как и появляются.
В наши дни EUV-фотолитография по-прежнему находится на переднем крае полупроводниковой промышленности. А благодаря новейшим фотолитографическим EUV машинам ASML с высокой числовой апертурой (гигантской оптической системой с метровыми в диаметре зеркалами), открылись возможности производства чипов с разрешением всего 8 нм (стандартный EUV фотолитограф с низкой числовой апертурой работает с 13 нм разрешением). Это позволяет освоить техпроцессы ниже 2 нм, т. е. продолжать улучшать производительность наших гаджетов и семимильными шагами развивать системы искусственного интеллекта. Без непревзойдённых зеркал Carl Zeiss это было бы невозможно.