Это световое излучение стало просто незаменимым в EUV фотолитографах, ключевом оборудовании в производстве передовых микросхем. Собственно, это излучение и дало название этой технике: фотолитографы экстремального (крайнего) ультрафиолета. Длина волны такого излучения находится в диапазоне от 10 до 120 нанометров. Единственные на сегодня EUV фотолитографы (производства нидерландского монополиста ASML) работают на источнике излучения с длиной волны 13,5 нм. Российские учёные из нижегородского Института физмки микроструктур РАН в прошлом году разработали испытательный стенд 11,2 нм источника излучения.
Задача фотолитографа — сфрмировать на полупроводниковой пластине трафареты микросхем из отверждённого светочувствительного материала (фоторезиста). В дальнейшем в соответствии с этими трафаретами на пластине будут буквально возводиться этажи многослойных микросхем на последующих производственных этапах, таких как травление, ионная имплагтация и осаждение. Рисунки этих трафаретов экспонируются (переносятся на пластину) с фотошаблона при помощи света экстремального ультрафиолета (в случае применения EUV фотолитографов).
EUV машины используются при формировании только самых ответственных слоёв микросхем даже в ультрапередовых чипах. Остальные слои производятся на фотолитографах попроще, прежде всего на иммерсионных (использующих дополнительную водяную линзу) машинах глубокого ультрафиолета (DUV).
Получается своего рода световой карандаш, который отверждает (или наоборот, разжижает) фоторезист согласно рисунка фотошаблона. Нидерландский монополист генерирует этот свет с помощью лазерно-плазменного источника излучения (СО2 лазер атакует капли расплавленного олова, образуя излучающую 13,5 нм свет плазму). Нижегородский вариант: твердотельный лазер с диодной накачкой атакует струю ксенона, образуя излучающую 11,2 нм свет плазму).
Таким образом, в диапазоне электромагнитного спектра EUV свет находится между рентгеновским излучением (<10 нанометров) и глубоким (дальним) ультрафиолетом (120–280 нанометров). Генерация EUV света — задача чрезвычайно сложная и дорогостоящая, причём как на этапе создания техники, так и на этапе её эксплуатации. Достаточно сказать, что стоимость самых современных таких установок составляет порядка полумиллиарда долларов за одну машину, и немалую часть этой стоимости приходится именно на источник излучения. А для того, чтобы запитать парк таких машин (в числе прочих), полупроводниковым фабрикам нередко требуется отдельная электростанция.
К чему такие сложности? Всё дело в миниатюризации микросхем. Нам требуются всё более и более призводительные устройства, счёт транзисторов в которых уже приближается к сотне миллиардов в одном чипе. А значит, размеры элементов микросхем должны становиться всё меньше. Для этого требуются фотолитографы со всё более высоким разрешением. Иными словами, тонкий рисунок толстым карандашом не нарисуешь.
Согласно критерия Рэлея, на котором в значительной степени основана полупроводниковая фотолитография, для повышения разрешения оптической системы нужно уменьшать длину рабочей волны и увеличивать числовую апертуру (размер оптики). Поэтому происходит и то, и другое. Размеры оптической системы EUV машин стали просто гигантскими, а волны — ультракороткими.
Но нельзя ли «найти» источник EUV света естественного происхождения? На Земле — нет. Излучать экстремальный ультрафиолет может только горячая плотная плазма. На Земле такую можно получить только искусственным путём, а вот Солнце испускает такие лучи постоянно. И если в вакууме такие лучи распространяются, то по достижению озонового слоя или атмосферы, они будут немедленно поглощены. EUV свет искусственного происхождения тоже немедленно поглощается воздухом и вообще практически всем, с чем он взаимодействует.
Примечательно, что температура плазмы в EUV фотолитографе составляет около 220 000 градусов Цельсия, что почти в 40 раз выше температуры поверхности Солнца.
Почему EUV свет поглощается воздухом? Потому что энергия его фотонов чрезвычайно высока (в случае с волной 13,5 нм около 92 эВ = электронвольт). Это приводит к такому явлению, как фотоионизация. Энергии EUV фотона более, чем достаточно, чтобы выбить электроны из атомов кислорода и азота. На этом путешествие EUV фотонов заканчивается. Атомы газа фактически «съедают» такие фотоны.
А вот если использовать свет обычного ультрафиолета (например, с длиной рабочей волны 365 нм, как в первом российском фотолитографе Зеленоградского нанотехнологического центра), то такой свет спокойно проходит сквозь воздух, потому что энергии его фотонов (около 3,4 эВ) недостаточно для ионизации. Поэтому ЗНТЦ не приходится заниматься вакуумом. Но как только наши разработчики доберутся до EUV уровня, сразу же придётся подумать и о разработке вакуумной системы. Впрочем, лучше об этом подумать заранее.
Но как же фотолитографы умудряются управлять EUV светом в вакуумных камерах? Ведь даже высокочистое кварцевое стекло, справляющееся с DUV излучением, перед EUV светом пасует.
Оптическая система представляет из себя изогнутые зеркала с многослойным покрытием (зеркала Брэгга). Фотошаблоны тоже зеркальные, но плоские. ASML использует кремний-молибденовые зеркала с толщиной каждого чередующегося слоя всего в несколько атомов. Столь тонкий кремниевый слой для EUV излучения практически прозрачен, а вот молибден способен такой свет пусть совсем немного, но отражать (около 1%). Если бы молибдена был всего один слой, то толку было бы немного. Но чередующихся слоёв кремний-молибдена около сотни. Так что по совокупности всех слоёв (в результате интерференции) отражается около 70% падающего на зеркало света.
Следует отметить, что только лазерно-плазменными источниками возможность получения EUV не ограничивается. Весьма перспективным выглядит генерация такого света альтернативными источниками: синхротронами. Эти устройства разгоняют электроны, котрые излучают EUV фотоны. Синхротроны — устройства грандиозного размера и немалой цены. Однако плюс в том, что у нас в стране они есть: в Москве и Новосибирске. Пока нет чёткого ответа, какие источники EUV излучения будут задействованы в отечественных EUV машинах: синхротроны или лазерно-плазменные. Однако то, что для производства передовых микросхем нам непременно понадобятся EUV фотолитографы, с уверенностью можно сказать уже сейчас.
Статью о фотолитографах на магнитной левитации можно прочитать в премиум-разделе канала «Фотолитограф»: