Закон Мура в 2017 году спасла голландская компания ASML — на это у неё ушло 17 лет и 9 млрд долларов. Именно тогда до серийного производства довели фотолитограф, работающий на излучении с длиной волны 13,5 нм — сверхжёстком ультрафиолете, или EUV. И это того стоило: без EUV дальнейшая миниатюризация транзисторов в нынешнем виде была бы попросту невозможна. Но путь к этой технологии оказался куда дольше и мучительнее, чем предполагали инженеры в начале 2000-х.
Тупик на 157 нанометрах
В мае 2003 года Intel неожиданно для всей отрасли объявила, что не будет дожидаться литографических машин с рабочим лазером на 157 нм. Раньше предполагалось, что именно на них компания в 2005 году перейдёт на производственную норму 65 нм. Вместо этого Intel сделала ставку на дальнейшую доработку уже отлаженных DUV-установок со 193-нм лазерами — чуть более длинноволновыми, но зато рабочими.
Уже тогда, в 2003-м, 193-нм машины успешно выпускали чипы по 90-нм техпроцессу, и перед ASML, Canon и Nikon поставили задачу дотянуть их до 65 и 45 нм. А переход на 32 нм, который Intel планировала на 2009 год, тогда виделся возможным как раз за счёт EUV — технологии, наиболее перспективной среди альтернатив.
Причина отказа от 157-нм лазеров была технической. Теоретически для молекулярно-фторного (F2) лазера с длиной волны 157 нм подходила та же оптическая схема, что и для 193-нм систем, а подходящим материалом для линз считался кристаллический флюорит (CaF2). Но выращивание кристалла нужного качества занимало до трёх месяцев, у флюорита обнаружились проблемы с двойным лучепреломлением, а главное — высокоэнергичные фотоны 157-нм луча выбивали фрагменты молекул фоторезиста, которые оседали на ближней к заготовке линзе и портили оптику. К тому же 157-нм излучение поглощается кислородом, углекислым газом и водяным паром на три порядка сильнее, чем 193-нм, — их концентрацию в оптическом тракте пришлось бы держать на уровне менее одной миллиардной доли, заполняя тракт азотом. Список требований к чистоте воздуха и без того был драконовским: в «чистых комнатах» число пылинок размером 500 нм не должно превышать 10 штук на кубометр, 300 нм — 30, 200 нм — 75, 100 нм — 350. Довести технологию до серийного применения так и не удалось — по крайней мере, за пределами лабораторий.
Зеркала вместо линз
С EUV (13,5 нм) ситуация оказалась принципиально иной: такое излучение поглощается практически любым стеклом без остатка, поэтому линзы для него бесполезны в принципе. Пришлось перейти на рефлективную (отражающую) схему с изогнутыми зеркалами. Оба направления развивались параллельно, и в 2018–2019 годах на рынок фактически одновременно вышли чипы по маркетинговой норме «7 нм»: TSMC делала их на DUV-машинах (реальная ширина FinFET-транзистора — 6 нм), а Samsung — на EUV-литографах (длина затвора — 8–10 нм).
Первая серийная EUV-установка, ASML TWINSCAN NXE:3400B, была объявлена готовой к производству в 2017 году. Она весит 180 тонн, состоит более чем из 100 тысяч узлов, потребляет свыше 1 МВт электроэнергии и обеспечивает разрешение (расстояние между соседними затворами) в 13 нм — до сих пор её используют для техпроцессов «7 нм» и «5 нм». На старте продаж машина стоила около 120 млн долларов. Более новая модель, TWINSCAN NXE:3600D, применяемая для «5-нм» и «3-нм» чипов, сегодня стоит почти вдвое больше. Для сравнения: DUV-агрегаты обходятся в 40–60 млн долларов за штуку — разница в цене хорошо показывает масштаб инженерных проблем, которые пришлось решить создателям EUV-оборудования.
Почему 13,5-нм свет не хочет отражаться
Классическая формула оптической литографии связывает минимальный достижимый размер детали (CD) с длиной волны излучения (λ) и числовой апертурой оптической системы (NA): CD = k×(λ/NA). Поскольку k и NA у реальных систем близки к единице, получается CD ≈ λ/2 — то есть чем короче волна, тем мельче можно «рисовать» на кремнии.
Но короткая волна означает высокоэнергичные фотоны, а те крайне плохо отражаются практически от любого вещества — даже идеально отполированного до одной восьмой длины волны (критерий Рэлея). Для молибдена, лучшего из доступных материалов, коэффициент отражения EUV-излучения при прямом падении, рассчитанный по формуле Френеля, составляет жалкие 0,14%. Для сравнения: обычное стекло отражает около 4% видимого света на одной поверхности, а зеркала для DUV-лазеров на 193 нм — из алюминия со специальным диэлектрическим покрытием — отражают порядка 88%. При таких цифрах, будь EUV-излучение только потоком частиц, технологию можно было бы закрывать сразу.
Как заставить свет складываться
Спасает дуалистичная природа света и явление конструктивной интерференции. Если чередовать тончайшие слои молибдена и кремния толщиной около четверти длины волны (то есть порядка 3,4 нм каждый), слабые отражения от каждой границы раздела оказываются в одной фазе и взаимно усиливаются. Это и есть тонкоплёночное брэгговское зеркало — названное так по аналогии с законом Брэгга, выведенным ещё в 1913 году при исследовании кристаллов рентгеновскими лучами.
Наложив друг на друга 40–50 таких чередующихся слоёв, инженеры добиваются коэффициента отражения около 70% на длине волны 13,5 нм — против исходных 0,14% для голого молибдена. Ещё лучший результат дают молибден-бериллиевые зеркала, но из-за токсичности бериллия их не применяют на практике. Изготовление одного такого зеркала требует нанометровой точности на макроскопических (десятки сантиметров) масштабах, поэтому стоимость каждого сопоставима с новым спорткаром.
Но и 70% — далеко не финал. В оптическом тракте EUV-машины стоит порядка десяти зеркал, и если каждое пропускает 70% интенсивности, до заготовки в итоге доходит лишь 0,7 в десятой степени — около 2,82% исходной мощности пучка. При этом усиливать мощность источника напрямую нельзя: избыток энергии уходит в тепло, зеркала деформируются, и фокусировка нарушается — приходится строить сложные системы охлаждения.
Фотомаски и защитные плёнки
Поскольку EUV поглощается почти любой средой, просвечивающих фотомасок для него не бывает — маски здесь тоже отражательные, по сути такие же брэгговские зеркала, но с нанесённым рисунком будущего чипа. Изготавливать их умеют считаные компании в мире: Applied Materials, Asahi Glass (AGC) и Hoya. Стоимость одной DUV-маски — максимум около 100 тыс. долларов (их требуется несколько десятков на машину для формирования разных слоёв структуры), а EUV-маска обходится примерно в 300 тыс. долларов.
Долгое время маски приходилось часто менять, потому что защитить их плёнкой (pellicle) от пылинок не получалось: материалы, прозрачные для DUV-излучения, для EUV оказывались непрозрачными. Разработку защитных мембран с середины 2010-х вели ASML, IBM, Samsung Electronics и другие, но лишь в начале 2021 года ASML объявила о готовности полисиликоновой плевы толщиной 50 нм, способной выдерживать нагрев до 600–1000 °C и пропускающей более 90% 13,5-нм излучения. Поток мощностью до 200 Вт проходит через неё дважды — при падении на маску и при отражении от неё, — и разработка ASML (сейчас её выпускает японская Mitsui) выдерживает до 400 Вт, сохраняя 99,8% исходных геометрических характеристик. Сейчас компании Imec и Canatu работают над плевой из углеродных нанотрубок, рассчитанной на 600 Вт, — это должно позволить поднять мощность источника до 300 Вт.
Мощность, скорость и цена вопроса
Мощность источника напрямую определяет скорость производства: чем интенсивнее поток, тем быстрее экспонируется каждая пластина. Но у EUV с этим большая проблема. Самый передовой сегодня литограф ASML TWINSCAN NXE:3600D выпускает 160 пластин в час, тогда как флагманская DUV-машина TWINSCAN NXT:2000i (300-мм пластины, физическое разрешение 38 нм, применяется для чипов по нормам «7 нм» и «5 нм») выдаёт 275 пластин в час — почти в полтора раза быстрее.
Причина не только в защитных плёнках. Эффективность преобразования электроэнергии в EUV-излучение у первых машин не превышала 0,02%: чтобы получить световой поток мощностью 200 Вт, к узлу его формирования нужно подвести 1 МВт. Современные машины обходятся чуть более чем 500 кВт, но типичная DUV-установка потребляет на порядок меньше.
Сам 13,5-нм пучок получают крайне сложным способом: импульсный углекислотный лазер испаряет крохотные, диаметром 25 мкм, капли расплавленного олова, превращая их в сверхплотную плазму, которая и излучает нужную длину волны. Каждая порция формируется в два импульса — первый расплющивает каплю в диск, второй превращает его в плазму, — что поднимает эффективность плазмогенерации с 0,33% при одиночном импульсе до 10% при двойном. Из-за постоянной бомбардировки каплями олова и высокоэнергичными ионами ближайшее к источнику брэгговское зеркало приходится менять как минимум раз в год. Неудивительно, что EUV-литографы находятся в реальной работе лишь 70–80% времени эксплуатации — против почти 90% у отлаженных DUV-машин.
Именно эта совокупность технических барьеров — отражение вместо преломления, брэгговские зеркала вместо привычных линз, дефицитные защитные плёнки и прожорливый источник плазмы — объясняет, почему путь от лабораторной идеи 1990-х до серийного EUV-литографа занял почти три десятилетия и обошёлся в миллиарды долларов. И почему каждая новая производственная норма чипов — 5, 3, а в перспективе и 2 нанометра — по-прежнему держится на плечах этой капризной, но незаменимой технологии.
Источник: 3DNews.