Почему в перспективном российском EUV-литографе предлагается длина волны 11,2 нм а не 13,5 нм, как у ASML?

Продолжаю тему разрабатываемых в настоящее время российских литографов для отечественных фабрик производства микропроцессоров. Возможно, эта статья покажется чуть сложнее предыдущих, но она отвечает на вопросы, которые иногда встречаются в комментариях к моим статьям.

Разрабатываемые в России виды литографов

Как я уже писал в своих предыдущих статьях, Россия идёт по пути разработки нескольких видов литографов.

Во-первых, разрабатываются классические литографы для топологической нормы 350 нм, а в случае применения двойного или многократного маскирования с применением фазосдвигающих шаблонов для достижения топологической нормы 130 нм. Эти литографы будут работать с излучением с длиной волны 193 нм.

Эти литографы нужны нам для масштабирования имеющихся производств микроконтроллеров и других чипов, для которых такая топологическая норма является нормальной. К слову, такой микроэлектроники очень много, и эту нишу важно заполнить своим оборудованием.

В перспективе, возможно доработать эти машины до топологических норм 90 нм, что, вероятно, в дальнейшем и планируется сделать, поскольку в настоящее время уже осуществляются ОКР «Разработка и освоение в производстве генератора изображений и технологического процесса формирования топологических структур на фотошаблонах в обеспечение производства ИС с топологическими нормами 90-65 нм», шифр «Прогресс-ГИФ» и ОКР «Разработка и освоение в производстве установки и технологического процесса контроля топологического рисунка ФШ с технологическими нормами уровня 90-65 нм на соответствие проектным данным», шифр «Прогресс-КТФ».

Во-вторых, разрабатывается бесфотошаблонный (т.н. «безмасочный») литограф с излучением на длине волны 13,5 нм. В мировой классификации это диапазон EUV — экстремального ультрафиолета (самый конец ультрафиолетового диапазона), а в российской традиции это рентгеновский диапазон (самое его начало). На этом литографе планируется печатать ограниченные партии процессоров по топологическим нормам 28 нм.

Фотошаблон для классического литографа рентгеновского диапазона очень сложен для изготовления, потому что он работает не на просвет, как в обычных литографах ультрафиолетового диапазона, а как зеркало (особенности рентгеновской оптики), а зеркало для рентгена — это многослойная конструкция, дефекты внутри которой трудно контролировать. Поэтому использование вместо таких фотошаблонов одну конструкцию на все случаи жизни из управляемых микрозеркал хотя и уменьшает производительность в 30-100 раз, зато удешевляет себестоимость одного процессора в партиях до 50 тысяч штук.

В-третьих, недавно предложен перспективный высокопроизводительный (очевидно, не безмасочный, а классический) рентгеновский литограф с излучением на длине волны 11,24 нм. В своей первой версии он будет ориентирован на топологические нормы 28 нм с перспективой модернизации до 10 нм и тоньше.

С одной стороны, технологическая норма 28 нм — это тот минимум, который необходим сегодня для производства массовых российских микропроцессоров, а с другой — эта относительно грубая технология снижает требования к точности совмещения и к дефектам масок, что сегодня пока ещё является проблемой для нас.

Проект этого литографа возник в прошлом 2022-м году, в тот момент, когда стало понятно, что нам нужно теперь производить микропроцессоры в больших объёмах (сотни тысяч и миллионы), а не просто в объёмах нескольких десятков тысяч штук.

Ранее разработчики считали изготовление фотошаблонов для таких литографов неподъёмной задачей, а само производство микропроцессоров нерентабельным из-за малых партий. Теперь же и партии потребовались большие, вполне рентабельные при современном (на 2023 год и в перспективе) уровне развития оборудования и технологии, и необходимость в рентабельности отошла на второй план. Фактически, налицо двойное резервирование необходимости создания такого оборудования :-)

Так что там про длину волны?

Вы, наверное, уже заметили, что бесфотошаблонный литограф, НИР по которому был закончен в конце 2022 года, и выдано ТЗ на ОКР, будет работать на привычной для рентгеновских литографов длине волны 13,5 нм. Зеркала, источники излучения и другие элементы для этой длины волны у нас уже хорошо изучены и готовы к производству.

Между тем, перспективный высокопроизводительный рентгеновский литограф предложен на основе источника излучения с длиной волны 11,24 нм. Чем это обусловлено и какие преимущества даёт?

Казалось бы, очевидно, что, длина волны для литографа выбирается исходя из наличия тех или иных источников излучения. Например, источник излучения на основе оловянной плазмы даёт длину волны 13,5 нм, а на основе ксеноновой плазмы — 11,2 нм. В зависимости от материала плазмы мы получаем ту или иную длину волны. То есть, перечень длин волн у нас дискретен и ограничен.

Но кроме длины волны источника излучения важным фактором является возможность создание эффективной оптики для того или иного диапазона излучения. Рентгеновская оптика представляет собой не линзы, а зеркала. При этом рентген довольно плохо отражается, и чтобы повысить отражающий коэффициент, зеркала делают многослойными, чередуя два материала, на границах которых и происходит отражение. Причём для разных длин волн эти материалы разные.

Так, для длины волны 13,5 нм великолепно подходит пара молибден/кремний (Mo/Si) с практически достигнутом в ИПФ РАН коэффициентом отражения около 67% (теоретический максимум 74%), что считается вполне приемлемым:

Принцип действия многослойных зеркал и кривая отражения многослойного Mo/Si покрытия. n1 и n2 – коэффициенты отражения Mo и Si, справа теоретическая результирующая кривая коэффициента отражения многослойного покрытия

Для EUV-литографов в ASML выбрали именно эту длину волны и именно эти зеркала для оптики. Кстати, ИФМ РАН (филиал ИПФ РАН) в течение нескольких лет сотрудничала ASML по теме рентгеновских зеркал, а Институт спектроскопии РАН занимался разработкой источника излучения для EUV-фотолитографа в интересах ASML. Ещё в 2002 году для генерации рентгеновского излучения в диапазоне 13,5 нм к.ф.-м.н. К.Н.Кошелев из лаборатории атомной спектроскопии впервые предложил использовать олово.

То есть, наши институты фактически и оказались донорами двух ключевых технологий для ASML. Они не производили для неё это оборудование, но участвовали в его разработке а также в моделировании многих внутренних процессов в EUV-литографе, например, взаимодействия плазмы с оптикой, с элементами источника излучения, моделирование защиты оптики, деградации и другие численные эксперименты. Так что свои литографы мы сейчас начинаем строить далеко не с нуля.

Наша наука с тех пор не стояла на месте, и наши учёные к настоящему моменту разработали более компактный, более дешёвый и более экономичный (эффективный) источник излучения на основе ксенона.

Помимо вышеупомянутых преимуществ, источник давал излучение с более короткими длинами волн — 10,82 нм (с более высокой интенсивностью) и 11,24 нм (с менее высокой интенсивностью) в зависимости от состояния ксенона. Это значит, что при прочих равных, с более короткой длиной волны можно достигнуть либо более высокого разрешения литографа, либо обойтись оптикой c меньшей апертурой для достижения того же результата.

Затем были рассчитаны зеркала под эти длины волн — подошли родий-стронциевые (Rh/Sr) и рутениево-бериллиевые (Ru/Be) зеркала соответственно. При этом теоретический максимум отражения у Rh/Sr —73,9% а у Ru/Be — 78,2%. Таким образом, высокая интенсивность излучения в диапазоне 10,82 нм нивелировалась меньшей отражательной способностью зеркала Rh/Sr, а меньшая интенсивность излучения в диапазоне 11,24 нм компенсировалась более высокой отражающей способностью зеркала Ru/Be.

В результате выбор конкретной длины волны для литографа стал зависеть от количества зеркал в литографе. Если переотражений нужно немного, как в бесфотошаблонном литографе, то имело смысл использовать более интенсивный диапазон 10,82 нм, а если переотражений требуется много, как в высокопроизводительном литографе, то логично использовать диапазон 11,24 нм с более эффективными зеркалами.

Вот именно поэтому выбор в предлагаемом перспективном высокопроизводительном литографе пал именно на диапазон 11,24 нм.

Что там с зеркалами Ru/Be на практике?

В 2022 году в ИФМ РАН разработана технология напыления многослойных зеркал Ru/Be с коэффициентом отражения 72%.

Рекордный коэффициент отражения 72,2% удалось достигнуть, используя молибден в качестве буферного слоя для уменьшения перемешивания слоёв (Ru/Mo/Be/Mo). К слову, этот коэффициент отражения существенно выше, чем у зеркал Mo/Si для длины волны 13,5 нм, там в ИФМ РАН достигнуто значение 67%.