В наше время внимание общественности прежде всего приковано к фотолитографам экстремального ультрафиолета (EUV). И это можно понять: ведь именно с их помощью изготавливаются ультрапередовые микросхемы по техпроцессам всего в несколько нанометров. Именно такие микросхемы используются в топовых смартфонах и ускорителях искусственного интеллекта. Менее известно, что большинство слоёв даже самых продвинутых чипов изготавливаются отнюдь не с помощью EUV фотолитографов, а с помощью их «старших братьев», иммерсионных фотолитографов глубокого ультрафиолета (DUV).
Количество слоёв передового чипа, например «системы на кристалле» смартфона или ноутбука, уже стремится к сотне. Из них только около десятка слоёв изготовливается с помощью EUV техники. А вот иммерсионные машины «рисуют», как правило, более половины всех слоёв чипа. Кстати, и на долю казалось бы древних «сухих» DUV фотолитографов, как фторид-аргоновых, так и фторид-криптоновых, приходится очень немало слоёв современного чипа. Так что современная полупроводниковая фабрика насыщена самыми разными фотолитографами, среди которых первую скрипку играют именно иммерсионные машины.
Но если оставить в стороне ультрапередовые микросхемы, производящиеся с использованием техпроцессов от 7 до 2 нм, то мы вообще вступим в царство иммерсионных машин. Ведь чипы, изготавливаемые по техпроцессам от 90 до 10 нм, прекрасно обходятся без EUV фотолитографов. А ведь именно такие микросхемы самые распространённые на нашей планете: серверные и клиентские процессоры, микроконтроллеры, силовые микросхемы, набирающие популярность чипы на инновационных карбиде кремния и нитриде галлия, — общий список очень длинный. Самолёты, поезда, автомобили, станки, производственные линии, телекоммуникационные системы: вся эта техника вовсю использует микросхемы этого класса.
Когда появились первые иммерсионные машины и кто их создал? Это заслуга нидерландской ASML и японской Nikon. Что, впрочем, неудивительно: ведь именно эти две компании являются безусловными лидерами мирового рынка и в наши дни. Кстати, кроме них никто больше так и не смог развернуть серийное производство этой сложнейшей техники. Серийное производство иммерсионных машин ASML и Nikon начали практически одновременно, в 2006 году.
Иммерсионные машины работают на фторид-аргоновом источнике излучения (ArF). В этом случае эксимерный (газовый) лазер генерирует свет с длиной волны 193 нм (глубокий ультрафиолет). Но главная изюминка системы заключается в том, что для улучшения разрешения в качестве дополнительной линзы используется очищенная вода. Стеклянная линза буквально погружена в водный бассейн (вода в нём постоянно обновляется по принципу душа). Так что с одной стороны водяной линзы находится полупроводниковая пластина. А с другой — последняя линза оптической колонны.
А почему водяная линза улучшает разрешение системы (наименьший размер элемента, который может быть напечатан на чипе)? Всё дело в критерии Рэлея (по имени сформулировавашего его в XIX веке английского учёного).
CD = k1 • λ / NA
CD: наименьший возможный размер элемента
λ: длина световой волны
NA: числовая апертура оптики
k1: коэффициент, определяемый всеми оставльными факторами системы, физический предел которого почти достигнут и составляет 0,25
Отсюда следует, что для улучшения разрешения системы нужно уменьшать длину волны света λ и увеличивать числовую апертуру NA (мера того, сколько света может собрать и сфокусировать оптика системы). Работа над уменьшением длины волны в итоге привела к созданию EUV фотолитографов, работающих с 13,5 нм светом, а работа над увеличением числовой апертуры привела к изобретению дополнительной водяной линзы (и как следствие — иммерсионных машин), позволяющей эту апертуру существенно увеличить, оставив без изменеия 193 нм длину волны.
Любопытно, что EUV фотолитографы, оптическая система которых построена на зеркалах, рекордами по части числовой апертуры не отличаются. К примеру, в стандартных EUV машинах cерии NXE она составляет всего 0,33 (безразмерное число), а в машинах с высокой числовой апертурой серии EXE (с зеркалами гигантских размеров) она увеличилась до 0,55. Даже в сухих DUV фотолитографах числовая апертура достигает 1, а в иммерсионных вообще 1,35. Но колоссальная разница в длине волны согласно критерия Рэлея даёт возможность EUV фотолитографам даже при небольшой числовой апертуре демонстрировать выдающееся разрешение. Кстати, рекордное на сегодняшний день разрешение (не маркетинговое, а реальное) фотолитографа EUV серии ASML EXE с высокой числовой апертурой составляет 8 нм, серии NXE с низкой числовой апертурой 13 нм, ну а в случае с иммерсионными машинами счёт идёт на десятки нанометров: к примеру, иммерсионный сканер ASML TWINSCAN NXT:2100i обеспечивает разрешение 38 нм.
Можно ли в принципе обойтись в полупроводниковом производстве без иммерсионных фотолитографов? Можно, но сложно. Кстати, похоже этим путём собираемся пойти мы. Микросхемы по техпроцессам 90 нм в мире производят и на сухих ArF машинах, и на иммерсионных. В нашем случае речь идёт о сухих, которые разрабатываются Зеленоградским нанотехнологическим центром в сотрудничестве с минским «Планаром». Но вот что делать дальше? Похоже, что мы решили проскочить иммерсионный этап и сразу перейти к EUV машинам. Иными словами, микросхемы по техпроцессам 28 нм мы планируем производить именно на EUV фотолитографах, по крайней мере со слов сотрудников нижегородского ИФМ (Институт физики микроструктур) РАН, нашего передовика по части полупроводниковой фотолитографии.
Если это в итоге получится, то это станет выдающимся достижением. И тогда, возможно, все проблемы иммерсионной фотолитографии: пузырьки, водяные пятна на пластинах, испарения иммерсионной жидкости и связанные с ними дефекты, станут историей.
Статью про многолетнюю борьбу ASML и Nikon за лидерство в иммерсионных фотолитографах можно прочитать в премиум-разделе канала «Фотолитограф»: