На лаврах мирового монополиста по части фотолитографов экстремального ультрафиолета сейчас заслуженно почивает голландская компания ASML. Только с помощью таких машин возможно производить ультрапередовые чипы (по техпроцессам в несколько нанометров). Так что если у нас сейчас в руках флагманский смартфон, то скорее всего и «система на кристалле» (монолитный чип, включающий множество различных интегральных схем, в том числе центральный и графический процессоры), и микросхемы памяти для него изготовлены при самом активном участии фотолитографических сканеров голландского передовика, способных переносить узоры интегральных схем с фотошаблонов на полупроводниковые пластины с невероятной точностью.
При том, что именно советские учёные ещё в 70-х годах прошлого века стояли у истоков полупроводниковой фотолитографии, а российские инженеры в начале 2000-х провели ключевые расчёты по заказу ASML для источника светового излучения и оптической системы (принципиальных узлов фотолитографической машины), мы сейчас оказались в роли отстающих. Впрочем, будет точнее сказать — догоняющих. Примечательно, что в нашем случае речь не идёт о том, чтобы просто постараться повторить каждый шаг ASML. Новая концепция развития, сформулированная российским передовиком в этой области, нижегородским Институтом физики микроструктур (ИФМ) РАН, предусматривает свой особый путь.
Планируется, что российская машина будет работать на источнике светового излучения с длиной волны 11,2 нм. Следует отметить, что ASML использует 13,5 нм источник излучения. Именно эта разница определяет существенное отличие голландского EUV фотолитографа от перспективного российского. Голландская машина использует источник оловянного лазерно-плазменного излучения, тогда как нижегородцы предлагают использовать лазерно-плазменный источник на основе ксенона. Многослойные зеркала, которые используются в оптической системе EUV фотолитографов вместо традиционных линз, тоже разные, поскольку настроены на соответствующую длину волны: Mo/Si (Molybdenum-Silicon) зеркала эффективно отражают 13,5 нм свет, а Ru/Be (Ruthenium-Beryllium), предложенные ИФМ РАН, хороши для 11,2 нм света.
И всё же почему российские учёные решили пойти своим путём? Ведь новый путь — это всегда неизвестность. В конце концов голландская концепция уже доказала свою эффективность. В мире работают сотни EUV машин ASML, доказавших свою высокую надёжность и эффективность. А концепция ИФМ совершенно оригинальная. Никто такого раньше не делал. Ответ на этот вопрос дают сами нижегородцы. В России нет подходящего источника оловянного лазерно-плазменного излучения с необходимыми характеристиками.
В мире такое устройство удалось сделать только одной-единственной группе компаний: немецкой Trumpf, американской Access Laser (принадлежащей Trumpf) и американской Cymer (принадлежащей ASML). Для того, чтобы произвести многоступенчатый лазерный усилитель, способный многократно усилить лазерный импульс, генерируемый газоразрядным CO2 лазером Access Laser, Trumpf пришлось построить в Германии отдельную фабрику. Да и произвести генератор оловянных капель, способный выбрасывать 50 тысяч капель в секунду, да так, чтобы лазерные импульсы с ними встретились в нужное время и в нужном месте, кроме Cymer не сумел пока никто (оставим в стороне неудавшиеся попытки японских Nikon и Canon произвести подобный фотолитограф).
В общем, готовый источник ASML представляет из себя модуль, габаритами приближающийся к 20-тонному контейнеру, нашпигованный сложнейшими, в значительной степени оригинальными компонентами. Так что решение наших учёных поискать альтернативное решение выглядит совершенно обоснованным. И тут оказалось, что в области твердотельных лазеров (лазерный свет генерируется внутри твёрдого кристалла) у нас в стране уже существует ряд превосходных разработок. Более того, у нижегородского Института прикладной физики РАН уже сейчас есть экспериментальная разработка твердотельного дискового лазера с диодной накачкой, которая выглядит весьма перспективной относительно требований, предъявляемых фотолитографической машиной.
Ну а поскольку по части зеркал для фотолитографии ИФМ РАН — признанный эксперт мирового уровня, то разработка катоптрической (на основе зеркал) оптической системы для 11,2 нм машины также выглядит вполне реалистичной. Впрочем, серьёзный задел по технологиям производства 13, 5 нм зеркал у нижегородского института также имеется.
Более короткая длина рабочей волны улучшает разрешение системы. А при том же разрешении позволяет уменьшить числовую апертуру оптики (использовать зеркала более маленьких размеров). Отказ от загрязняющего систему олова в пользу более чистого ксенона тоже сулит серьёзное упрощение системы. В общем, преимуществ у российской концепции очень много. Осталось воплотить её на практике.
Премиум-статья про источник излучения EUV ASML: