Наноимпринтный литограф: эта машина сейчас вызывает самый большой интерес среди участников полупроводникового производства по всему миру. И это неудивительно: фотолитографы безраздельно доминируют в мировой микроэлектронике с самого начала зарождения полупроводниковой промышленности как таковой: вначале их изготавливали сами же производители микросхем: IBM, Fairchild Semiconductor и далее по списку. Ведь приобрести машину у специализированных производителей было попросту невозможно ввиду отсутствия таковых. Потом появились первые звёзды мировой фотолитографии, американские GCA/David Mann и Perkin-Elmer, потом им на смену пришли японские Nikon и Canon, и, наконец, всемогущая нидерландская ASML.
Последние фотолитографы ASML с высокой числовой апертурой, работающие со световыми волнами экстремального ультрафиолета (13,5 нм), хотя и производят ультрапередовые микросхемы с разрешением 8 нм (техпроцессы 2 нм и даже меньше), столь огромны и прожорливы в плане потребления материалов и электоэнергии, не говоря уже о просто космических ценах, стремящихся к полумиллиарду долларов за одну машину, что волей-неволей полупроводниковое сообщество начало задаваться вопросом: а что дальше? Может пришла пора найти элегантное решение: эффективное, экономичное, недорогое? Более демократичное в конце концов? Ведь столь огромные цены, монополия одного производителя и ограниченные возможности производства фактически отсекают большинство мировых производитеелй от этой техники, а стало быть и от возможности производить самые передовые и самые прибыльные микросхемы.
На сегодняшний день количество производителей, которые обладают заветным EUV (экстремальный ультрафиолет) фотолитографом, можно буквально пересчитать на пальцах одной руки: тайваньская TSMC, южнокорейские Samsung Electronics и SK Hynix, американские Intel и Micron Technology. В общем, появление альтернативной фотолитографу машины, способной формировать трафареты интегральных схем на полупроводниковой пластине, причём с высоким разрешением, давно назрела. Закоперщиком этого дела стал японский оптический гигант Canon. В мировой фотолитографической табели о рангах этот производитель занимает скромное третье место после ASML и Nikon. Причём специализируется Canon на старых добрых «сухих» DUV фотолитографах глубокого ультрафиолета. После того, как, потратив много сил и средств, японской компании пришлось в начале 2000-х годов сойти с дистанции в гонке за создание EUV фотолитографа, многие решили, что на этом амбиции японского производителя закончились.
На самом деле Canon просто сменил угол атаки, бросив силы на разработку оригинального наноимпринтного литографа (приобретя в 2014 году пионера в этой области, американскую компанию Molecular Imprints). Момент истины случился в 2023 году, когда японский передовик представил свою машину FPA-1200NZ2C, работающую с разрешением 14 нм и обеспечивающую производство чипов по техпроцессам 5 нм. А это практически уровень классического EUV фотолитографа ASML с низкой числовой апертурой (разрешение 13 нм, техпроцесс 3 нм). И это были не просто слова: машина к тому времени уже была обкатана на ведущих японских полупроводниковых фабриках, в частности на производстве чипов NAND памяти японского гиганта Kioxia.
Более того, на этапе исследований были достигнуты показатели разрешения (минимального размера элемента) менее 10 нм,что делает наноимпринтные машины сопоставимыми с EUV фотолитографами с высокой числовой апертурой (с очень большой оптикой), обеспечивающими разрешение 8 нм. Так что речь здесь идёт не много не мало о самых современных на сегодня 2 нм техпроцессах. И это при том, что потребление электроэнергии, да и общая цена такой машины на порядок меньше соответствующей EUV техники.
Как же работает наноимпринтная машина и в чём её основные отличия от традиционных фотолитографов? Вспоминаю молодость, когда я перед уходом с работы опечатывал дверь своей лаборатории. На ней гвоздиком была прибита обратной стороной металлическая крышка от бутылки. Крышка была заполнена пластилином. Нужно было утопить в пластилин верёвочку и сделать оттиск металлической печатью (зимой приходилось согревать пластилин пальцами). Получался рельефный рисунок. Наноимпринтный литограф работает по такому же принципу.
Ведь как получить с помощью классического фотолитографа рельефный узор микросхемы (необходимый в качестве трафарета для последующего этапа травления) на поверхности полупроводниковой пластины? Нужно завсветить области пластины, покрытой светочувствительным материалом (фоторезистом) светом, отражённым от фотошаблона с рисунком интегральной схемы (в случае с EUV фотолитографом) или пропущенном через прорези фотошаблона (в cлучае с DUV фотолитографом глубокого ультрафиолета). Лишняя часть фоторезиста затем будет смыта на этапе проявки, так что на пластине останется рельефный рисунок из твёрдого фоторезиста.
А в наноимпринтой установке форма (штамп) с рельефным узором сразу делает оттиск на покрытой фоторезистом пластине. После чего рельефный рисунок отверждается светом ультрафиолетовой лампы, и дело сделано. Правда возникает вопрос: а как сделать столь сложный штамп? На самом деле это не сложнее, чем сделать фотошаблон в случае с фотолитографами. И то, и другое делается с помощью машин прямой записи, в которых инструметом рисования являются не фотоны света, а электроны (пучок электронов, генерируемый электронной пушкой, управляемой компьютером, рисует узор шаблона на фоторезисте). А эти машины чрезвычайно точны и способны работать с разрешением всего в несколько нанометров. Причина, почему их не используют в производстве чипов, — очень медленная работа. Фотолитограф экспонирует за сутки тысячи слоёв полупроводниковых пластин, а электронно-лучевая машина хорошо если один слой за сутки сделает. Для чипов это совершенно не годится, а вот изготовить один фотошаблон (или форму) за сутки вполне приемлемо.
Скорость же наноимпринтного литографа вполне бодрая и сопоставима с классическими фотолитографами. Главный вопрос, на которй пока нет ответа: насколько сложные интегральные схемы он будет способен печатать. Ведь одно дело изготовить микросхему NAND памяти с её однообразным повторяющимся узором, и совсем другое дело — «систему на кристалле» современного смартфона, построенную на GAA-транзисторах, представляющего из себя сложную структуру в виде стопок нанолистов.
Кто ещё кроме Canon сумел заявить о себе по части этой передовой технологии? Китайская компания Prinano Technology. Китайский передовик этим летом поставил свою первую наноимпринтную машину неназванному китайскому заказчику для испытаний. Пока трудно делать выводы о состоянии дел в китайской наноимпринтной литографии, потому что данных попросту не хватает, а вот Canon в прошлом году уже осуществил первую коммерческую поставку Техасскому институту электроники.
Как бы там ни было, а прогресс в новом классе литографов налицо. Вполне возможно, что в недалёком будущем может сложиться ситуация, когда огромные предприятия будут по старинке выпускать микросхемы на традиционных фотолитографах, используя налаженные техпроцессы и высочайшую производительность, а множество средних и небольших компаний по всему миру станут штамповать свои чипы по этой впечатляющей новой технологии.
Премиум-статья про иммерсионные фотолитографы: