Изготовить фотолитограф (машину, при помощи света формирующую трафарет микросхемы на полупроводниковой подложке, покрытой светочувствительным материалом — фоторезистом) дело, прямо скажем, непростое. А тем более фотолитограф, способный печатать ультрапередовые чипы по техпроцессам в несколько нанометров. Именно такие микросхемы используются в передовых смартфонах, ноутбуках и графических процессорах искусственного интеллекта. Но справиться со столь малыми нанометрами в наши дни способны только фотолитографы экстремального ультрафиолета (EUV). А эти машины способно изготавливать только одно-единственное предприятие в мире, нидерландский передовик ASML.
Корни этого предприятия уходят к одному из лидеров мировой электроники прошлого века, голландскому конгломерату Philips. К тому же именно ASML в своё время удалось получить лицензию на EUV технологию от консорциума американских предприятий EUV LLC. В общем, за последние полвека голландцы сосредоточили в своих руках столько патентов, лицензий и технологий, что повторить их успех представляется делом очень и очень непростым.
Попытки игроков №2 и №3 фотолитографического рынка, японских оптических гигантов Nikon и Canon, обуздать EUV технологии ни к чему, кроме потери времени и огромных денег не привели. В наши дни фотолитографический Олимп экстремального ультрафиолета штурмуют предприятия из России и Китая. Однако до вершины ещё очень далеко.
Всвязи с этим возникает вопрос: почему бы не использовать альтернативные технологии? Современные EUV машины обеспечивают производство чипов с разрешением 13 нм (EUV фотолитографы с низкой числовой апертурой) и 8 нм (EUV фотолитографы с высокой числовой апертурой). Под разрешением понимается минимальный размер элемента микросхемы, который возможно на такой машине сформировать. На сегодняшний день новейшие EUV машины с высокой числовой апертурой (гигантской оптической системой) ограничиваются отработкой техпроцессов на опытных производствах. Так что отдуваться за всех пока приходится исключительно стандартным EUV фотолитографам.
Поэтому, когда мы слышим о разворачивании массового производства микросхем по новейшим 2-х нм техпроцессам, можно не сомневаться, что без EUV машин с низкой числовой апертурой здесь дело не обошлось. Другое дело, что как правило, за один раз экспонировать слой столь передовой микросхемы у стандартных EUV фотолитографов не получается: приходится распределять общий рисунок слоя микросхемы по двум фотошаблонам, делая эти рисунки более разреженными. После двойного экспонирования общая картина складывается на полупроводниковой пластине в единое целое.
Кстати, не существует чипов со столь малыми размерами элементов, как 2 нм. Это скорее дань традициям и, разумеется, маркетинговый ход. Скорее можно сказать, что малые нанометры сигнализируют о высокой производительности и энергоэффективности этих полупроводниковых устройств.
Но вернёмся к альтернативным технологиям. Таких, которые, что называется, уже можно подержать в руках. на сегодняшний день всего две. Это наноимпринтная литография и литография электронно-лучевая. Примечательно, что это не просто какие-то модификации фотолитографии, а самые что ни на есть альтернативные технологии. Ведь фотолитография использует в качестве рабочего инструмента световые волны, наноимпринтная литография — штампы, а электронно-лучевая — пучки электронов.
Что касается разрешения, то с этим здесь полный порядок. Наноимпринтная установка Canon FPA-1200NZ2C обеспечивает разрешение 14 нм, что позволяет производить микросхемы по 5 нм техпроцессу. По заявлениям японцев, не за горами прогресс до уровня разрешения 10 нм (техпроцесс 2 нм). Наноимпринтные машины формируют рельефный оттиск с рисунком микросхемы на покрытой фоторезистом пластине. Штампы предварительно изготавливаются при помощи машин прямой записи, тех самых электронно-лучевых литографов.
Вообще электронно-лучевым машинам удалось стать самым настоящим стандартом в изготовлении фотошаблонов для фотолитографических машин и форм (штампов) для машин наноимпринтных. Ведь они работают с чрезвычайно высоким разрешением (суб-10 нм), превышающем даже разрешение EUV фотолитографов. К тому же это так называемые безмасочные машины, то есть они при помощи электронно-лучевой пушки переносят рисунок компьютерного CAD-файла прямо на подложку, покрытую специальным электронным резистом. Маска (шаблон) им при этом не требуется. Точнее сказать, шаблон существует, но в виде компьютерного файла.
Отсюда и востребованность безмасочных литографов. Фотолитограф работает очень шустро: EUV машина обрабатывает одну пластину секунд за двадцать. Но ему нужен фотошаблон, а где его взять? Ведь на самом фотолитографе его изготовить проблематично, поскольку, опять же, где взять изначальный фотошаблон? Тут на выручку и проиходит безмасочный электронно-лучевой литограф. Его задача — сделать фотошаблон, а печатать чипы на пластине — это уже задача фотолитографа.
А почему бы безмасочному литографу самому не печатать чипы? Ведь разрешение позволяет. Всё дело в скорости. Там где фотолитограф справится за 20 секунд, электронно-лучевой машине понадобится несколько суток. Ведь электронный луч переносит рисунок последовательно-поточечно. Для изготовления фотошаблонов столь длительные сроки приемлемы, а вот для массового производства чипов — нет. Конечно, сейчас существуют многолучевые машины, в которых одновременно трудятся стони тысяч электронных лучей (крупнейший мировой прозводитель многолучевых записывающих машин — австрийская NMS Nanofabrication). Но даже в этом случае, там где в фотолитографе секунды, в безмасочном литографе — часы.
В общем, у безмасочных машин составить конкуренцию фотолитографам на ниве производства микросхем в ближаёшее время точно не получится. А вот наоимпринтные литографы с этим вполне могут справиться. Во всяком случае, если речь идёт о производстве менее сложных микросхем памяти: DRAM и NAND. Первые обнадёживающие результаты (опытное производство) уже получены. Однако в том, что касается производства куда как более сложных логических микросхем, ясности пока нет.
В последние годы ударными темпами также идут исследования в области рентгеновских фотолитографов (преимущественно с длиной рабочей волны менее 1 нм), работающих на синхротронных источниках. Можно только представить, какие «тонкие» микросхемы можно будет производить с помощью таких машин. Однако их массовое производство — дело далёкого будущего, так что ещё много лет полупроводниковая промышленность будет прежде всего полагаться на ультрафиолетовые фотолитографы.
Статью о фотолитографах на магнитной левитации можно прочитать в премиум-разделе канала «Фотолитограф»: