Стоит взглянуть на любой современный фотолитограф, как сразу становится ясно, что оптическая система здесь занимает центральное место. Причём не только в смысле её значимости для производственного процесса, но и по причине её внушительных веса и габаритов.
Хотя на заре фотолитографии в процессе экспонирования умели обходиться вообще без оптики: фотолитографические машины были контактными. Фотошаблон (трафарет) попросту прижимался к пластине, покрытой фоторезистом, и сквозь прорези в трафарете узор микросхемы экспонировался в масштабе 1:1. Стоит ли удивляться скромным габаритам и весу таких установок. Впрочем, такие машины продолжают производить и в наши дни. В этом, к примеру, преуспел минский завод «Планар», некогда передовик советского, а ныне белорусского электронного машиностроения.
Но вместе с первыми проекционными фотолитографами появились и соответствующие оптические колонны. Их внешний вид со времён знаменитого Microprojector американской Perkin-Elmer (конец 60-х годов) особенно не изменился. Стопка линз она и есть стопка линз. Несмотря на внушительные габариты таких колонн, составляющих порядка 1-1,2 метра в высоту у современных фотолитографов глубокого ультрафиолета (DUV), в том числе иммерсионных (использующих дополнительную водяную линзу для улучшения разрешения), вес этого устройства достаточно скромный: обычно чуть больше 1 тонны.
Скромным вес является по сравнению с оптической системой фотолитографов экстремального ультрафиолета (EUV), особенно с ультрасовременной версией таких машин: с высокой числовой апертурой. В отличие от DUV машин, использующих диоптрическую систему (линзы), в EUV установках реализована катоптрическая система (зеркала).
В некоторых DUV фотолитографах, например в иммерсионных, реализована катадиоптрическая система, использующая комбинацию линз и зеркал.
Оптическая система EUV фотолитографа состоит из двух основных подсистем: системы освещения и проекционной системы. Система освещения располагается между источником излучения (лазером) и фотошаблоном, а проекционная оптика располагается между фотошаблоном и полупроводниковой пластиной. Задача системы освещения собрать свет и равномерно осветить им фотошаблон, а задачей проекционной системы является сфокусировать свет, отражённый от фотошаблона, на пластину (обычно с уменьшением в 4 раза).
Как правило система освещения состоит из 4-х зеркал (плюс коллектор, первое зеркало, собирающее свет, излучаемый плазмой олова). Проекционная система оснащена 6 зеркалами. К тому же фотошаблон — это тоже зеркало. Итого оптическая система EUV фотолитографа состоит из 12 зеркал. Ходят слухи, что в новейшем EUV фотолитографов с высокой числовой апертурой число зеркал проекционной системы увеличено до восьми, хотя определённого подтверждения мне найти не удалось.
Сколько весит оптическая система EUV фотолитографа с высокой числовой апертурой? Около 18 тонн (6 тонн система освещения и 12 тонн проекционная система). И это при том, что весь такой фотолитограф весит около 150 тонн. Сколько весит одно зеркало EUV машины с высокой числовой апертурой? Несколько сотен килограмм. Диаметр такого гиганта достигает метра. А вот вес зеркала EUV фотолитографа с низкой числовой апертурой на порядок меньше.
Увидим ли мы в будущем зеркала ещё больших размеров? Вполне возможно. Ведь заказчики фотолитографических машин предъявляют к ним всё новые и новые требования в плане миниатюризации производимых чипов. А увеличение числовой апертуры, а значит и размера зеркал, самый короткий путь к дальнейшему увеличению разрешения системы (сейчас он достигает 8 нм в случае с машинами с высокой чиловой апертурой и 13 нм с низкой).
Можно, конечно, постараться уменьшить длину рабочей волны света (сейчас она составляет 13,5 нм), но это менее вероятно. Ведь вся система настроена именно на 13,5 нм EUV свет, так что увеличить числовую апертуру зеркал выглядит более реалистично. Похоже, чем миниатюрнее будут становиться микрочипы будущего, тем грандиознее будет техника, на которой эти чипы будут производиться. До очередного прорывного открытия, конечно.
Статью о новейшей разработке, обещающей резко увеличить эффективность EUV фотолитографии, можно прочитать в премиум-разделе канала «Фотолитограф»: