ЧТО ТАКОЕ ЛИТОГРАФИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ

Обогнать весь мир

ЦКП «МСТ и ЭКБ» МИЭТ был основан в 2002 году и предназначен для проведения научных исследований и разработки технологии ЭКБ наноэлектроники. В настоящее время, как рассказал нам Николай Дюжев, деятельность ЦКП охватывает широкий спектр научных направлений, из которых по меньшей мере три имеют прямое отношение к разработке фотолитографа. Это разработка и исследование рентгеновских приборов, МЭМС и НЭМС*-устройств для литографического оборудования будущего поколения.

* Наноэлектромеханические системы (НЭМС) — класс устройств, объединяющих в себе электронные и механические компоненты в нанометровом масштабе (до 100 нм). Н ЭМС являются логическим продолжением развития микроэлектромеханических систем (МЭМС) на пути миниатюризации.

Решение взяться за разработку фотолитографа, рассчитанного на 28 нм и менее, причем уникальной конструкции, основывается, как отметил Николай Дюжев, на проведенных в ЦКП нескольких НИОКР, в рамках которых были разработаны экспериментальные и теоретические основы и ключевые технологии, необходимые для создания такого фотолитографа. В частности, ЦКП участвовал в разработке с длинным названием «Разработка источника мягкого рентгеновского излучения на основе матрицы микрофокусных рентгеновских трубок для безмасочного литографа с разрешением лучше 10 нм», в рамках которой были проработаны многие решения, необходимые для создания литографа. Эти работы, как пояснил Дюжев, были проведены совместно с уже упомянутым коллективом сотрудников Института физики микроструктур из Нижнего Новгорода во главе с Николаем Чхало. Этот коллектив, как мы уже отметили выше, уже несколько лет назад разработал проект и создал демонстратор безмасочного рентгеновского нанолитографа на основе МОЭМС.

Выбор такого типа конструкции фотолитографа на принципах безмасочной фотолитографии с использованием динамической маски на основе МОЭМС обусловлен в том числе тем, что из-за высокой стоимости оборудования, дороговизны масок, сложной и дорогостоящей инфраструктуры проекционная фотолитография обоих типов становится конкурентоспособной только при массовом производстве, которое достигает десятков миллионов чипов в год. Иными словами, для этой технологии требуется глобальный рынок. Все это в совокупности делает технологию проекционной фотолитографии, особенно EUV-фотолитографию, доступной только единичным глобальным игрокам, таким как Intel, Samsung, TSMC, Global Foundries.

Разрешение 14 нм и менее, уже несколько лет назад достигнутое в массовом производстве, является результатом применения EUV- фотолитографии на длине волны 13,5 нм. Проблема при создании установок для EUV-литографии состоит в том, что на этой длине волны нельзя использовать традиционные источники света и традиционную оптику

Как сказано в техническом задании на НИР, целью его выполнения является экспериментальная проверка основных технологических решений в области безмасочной рентгеновской нанолитографии: изготовление и экспериментальное исследование макетов динамической маски на основе МОЭМС в двух вариантах: с управлением коэффициентом отражения рентгеновского излучения и с управлением коэффициентом пропускания рентгеновского излучения. В первом случае в качестве источника излучения предполагается использовать источник на основе паров олова (о нем мы рассказали выше), который разрабатывает ООО «ЭУФ Лабс» из Троицка во главе с тем же Константином Кошелевым. Во втором предполагается использовать источник синхротронного излучения (синхротрон) Научно-исследовательского института физических проблем им. Ф. В. Лукина в Зеленограде, ранее входившего в состав зеленоградского Научного центра, а ныне входящего в состав Курчатовского института. Синхротронное излучение — это разновидность рентгеновского излучения с длиной волны от долей ангстрема до инфракрасного излучения, что, собственно, и позволяет использовать его для рентгеновской литографии.

История этого синхротрона отражает все перипетии, которые пережила отечественная микроэлектроника. Его начали строить еще в 1984 году, в 1990-е строительство остановилось, но все-таки в 2002 году состоялся его пробный пуск. По предложению президента Курчатовского института Михаила Ковальчука на базе этого синхротрона создается Центр новых технологий, одним из предназначений которого является решение задач рентгенолитографии. Окончательный его пуск должен состояться в 2023 году.

А НИР, о котором мы рассказываем, должен завершиться в обоих вариантах уже в ноябре этого года созданием технологии и макетов динамической маски, а также ТЗ и ТЭО на опытный образец литографа.

Схема 3. С помощью МОЭМС можно формировать изображения с пространственным разрешением, определяемым размером пятна фокусировки порядка размера пикселя, нормированного на коэффициент уменьшения оптической системы

Функцию фотошаблона (маски) выполняет в обоих случаях микрооптическая электромеханическая система микрозеркал (МОЭМС). В этой технологии, как пояснил Николай Дюжев, топология кодируется состоянием пикселей (микрозеркал) МОЭМС, отражающих или пропускающих рентгеновское излучение. Для смены проецируемого изображения достаточно поменять программу, а динамическая маска сама формирует изображение, которое необходимо получить на резисте (см. схему 3).

«Важно отработать технологию изготовления ее отдельных конструктивных частей на основе новых материалов и наноструктур, способных выдерживать влияние излучения в диапазоне длин волн менее 13,5 нанометра и обеспечивать высокое быстродействие»

При этом, как и в традиционной литографии, динамическая маска стационарна, а пластина с резистом сканируется по двум координатам. А систему позиционирования для обеих вариантов фотолитографов взялась разработать зеленоградская компания ЭСТО, специализирующаяся на разных направлениях электронного машиностроения.

«Одной из основных задач, которую необходимо решить в рамках НИР, является обеспечение стабильной работы матрицы МОЭМС, — отметил Николай Дюжев. — Важно отработать технологию изготовления ее отдельных конструктивных частей на основе новых материалов и наноструктур, способных выдерживать влияние излучения в диапазоне длин волн менее 13,5 нанометра и обеспечивать высокое быстродействие».

Фотолитограф с управлением коэффициентом отражения рентгеновского излучения (см. схему 4). Как рассказал нам Николай Чхало, работа литографической установки с управляемым коэффициентом отражения происходит следующим образом: излучение лазера фокусируется с помощью линзы на вращающуюся жидкую оловянную мишень. В результате лазерного пробоя паров олова и нагрева электронов в световом поле лазерного излучения образуется высокотемпературная плазма.

Схема 4. Схема установки безмасочной рентгеновской литографии с управлением коэффициентом отражения рентгеновского излучения

В варианте конструктивного исполнения динамической маски «на отражение» излучения она является матрицей подвижных МЭМС-структур с гладкой поверхностью (микрозеркал), отражающих рентгеновские лучи в сторону проекционного объектива рентгенооптической системы или перенаправляющих излучение в область за его пределами. Угол наклона микрозеркал, характеризующий их открытое/закрытое состояние, регулируется электростатическим путем подачи напряжения на соответствующие управляющие электроды, что позволяет контролировать угол отражения рентгеновского пучка и тем самым точность формирования границ топологии элементов микросхем.

Образовавшиеся в плазме ионы олова интенсивно излучают в

относительно узком спектральном диапазоне с максимумом излучения на длине волны 13,5 нм.

Это излучение отражается зеркалом-коллектором (ЗК). и перенаправляется на зеркало-гомогенизатор (ЗГ), обеспечивающее однородное освещение МОЭМС, которая формирует увеличенное изображение топологии чипа. Отраженное от МОЭМС излучение падает на первое зеркало трехзеркального проекционного объектива и далее с помощью зеркал 32 и З3 уменьшенное в 400 раз изображение сформированное МОЭМС переносится на пластину с фоторезистом, установленную в плоскости изображения на системе позиционирования.

Фотолитограф с управлением коэффициентом пропускания рентгеновского излучения (см. схему 5). Об устройстве фотолитографа с управлением коэффициентом пропускания рентгеновского излучения нам рассказал Николай Дюжев. Рентгеновское излучение, которое генерируется в синхротронном источнике, направляется через систему зеркал на динамическую МОЭМС-маску, формирующую в реальном времени увеличенное изображение топологии чипа.

Схема 5. Схема установки безмасочной рентгеновской литографии с управлением коэффициентом пропускания рентгеновского излучения

В варианте конструктивного исполнения динамической маски «на пропускание» излучения она представляет собой кремниевую мембрану с матрицей отверстий и расположенных над ними электростатически управляемых оптических МЭМС-затворов — многослойных подвижных элементов, открывающих/закрывающих отдельные отверстия в мембране для пропускания/блокировки прохождения (отражения или поглощения) рентгеновских лучей, что обеспечивает формирование топологии чипа по заданному рисунку. Каждое отверстие в мембране отвечает за формирование единичного пикселя изображения на пластине. Управление открытием/закрытием оптических затворов осуществляется электрическим полем от специальных электродов — управляющих шин, расположенных на МЭМС-динамической маске вблизи каждого из отверстий. Оптическая система микрозеркал уменьшает изображение на выходе с МЭМС-динамической маски (в зависимости от используемой технологии, кратность уменьшения может варьироваться от 10x до 400x). Если диаметр отверстий в маске равен 200 нм, при кратности уменьшения 10x это позволяет сжать единичный пиксель до размера 20 нм. Далее проекционный объектив переносит уменьшенное изображение с МЭМС-динамической маски на пластину с резистом, также расположенную на системе позиционирования.

Отметим, что разработка фотолитографа на 130 нм с доведением его до 65 нм Зеленоградского нанотехнологического центра — это ОКР, то есть можно надеяться, что ее итогом станет промышленный образец степпера, а вторая — два варианта безмасочной фотолитографии — это, как говорится, глубокий НИР. И следовательно, промышленных результатов, даже в случае удачи НИР, можно ждать не ранее чем лет через пять.

Как на самом деле делают процессоры? РАЗБОР

Время на прочтение

Как создаются современные процессоры? Насколько это сложный и интересный процесс и почему так важна некая Экстремальная УФ-литография? В этот раз мы копнули действительно глубоко и готовы рассказать вам об этой магии технологий. Располагайтесь поудобнее, будет интересно.

Вот вам затравочка — 30-килоВаттный лазер в вакууме стреляет по капле олова и превращает ее в плазму — скажете фантастика?

А мы разберемся как это работает и расскажем об одной компании из Европы, которая стоит тенью за всеми гигантами Apple, AMD, Intel, Qualcomm, Samsung и другими и без нее никаких новых процессоров бы и не было. И нет это, к сожалению, не Чебоксарский завод электроники.

Чтобы понять процесс экстремальной ультрафиолетовой литографии — нам надо для начала понять, что вообще такое фотолитография. Сам процесс по своей сути очень похож на то как печатаются фотографии с пленочных негативов на фотобумагу! Не верите — сейчас все объясним.

Фотолитография

Начнем с простого примера — возьмем прозрачное стекло и нанесем на него какой-то геометрический рисунок, оставив при этом какие-то участки без краски. По сути, сделаем трафарет. Приложим этот кусок стекла к фонарику и включим его. Мы получим ровно тот же рисунок в виде тени, который мы нанесли на кусок стекла.

В производстве процессоров этот кусок стекла с рисунком называется маска. Маска позволяет получить на поверхности любого материала “засвеченные и незасвеченные” участки любой плоской формы.

Хорошо — рисунок на поверхности мы получили, но это всего лишь тень. Теперь надо как-то его там сохранить. Для этого на поверхность кремниевой пластины наносится специальный светочувствительный слой, который называют Фоторезистом. Для простоты мы не будем тут говорить о позитивных и негативных фоторезистах, почему они так реагируют, все-таки мы не на уроке Физической химии. Просто скажем, что это такое вещество, которое меняет свои свойства, когда на него попадает свет на определенной частоте, то есть на определенной длине волны.

Опять же как и на фотопленке или фотобумаге — специальные слои материалов реагируют на свет!

После того как нужные нам участки на кремнии мы засветили, именно их мы можем убрать, оставив при этом на месте остальные, то есть незасвеченные участки. В итоге мы получили тот рисунок, который и хотели. Это и есть фотолитография!

Конечно, кроме фотолитографии в производстве процессоров участвуют и другие процессы, такие как травление и осаждение, фактически комбинацией этих процессов вместе с фотолитографией транзисторы как-бы печатаются слой за слоем на кремнии.

Технология не новая, почти все процессоры начиная с 1960-х производятся при помощи фотолитографии. Именно эта технология открыла мир полевых транзисторов и путь ко всей современной микроэлектронике.

Но по-настоящему большой скачок в этой области произошел только недавно! С переходом на EUV. И всё из-за длины волны в 13.5 нм. Не переживайте, сейчас объясню!

Длина волны на которой светит наш “фонарик” — это невероятно важный параметр. Именно она и определяет насколько маленьким вы можете получить элементы на кристалле.

Правило максимально простое: Меньше длина волны — больше разрешение, и меньше техпроцесс!

Обратите внимание на картинку. Абсолютно все процессоры начиная с начала 90-х до 2019 года производились с использованием процесса Глубокой УФ-литографии, или DUV литографии. Это то, что было до Экстремальной.

Он основывался на использовании фторид-аргонового лазера, который испускает свет с длиной волны в 193 нанометра. Этот свет лежит в области глубокого ультрафиолета — отсюда и название.

Он проходит через систему линз, маску и попадает на наш кристалл покрытый фоторезистом, создавая необходимый рисунок.

Но у этой технологии тоже были свои ограничения, завязанные на фундаментальных законах физики.

Какой же минимальный техпроцесс возможен? Смотрим на формулу (только не пугайтесь):

Здесь Лямбда — это и есть наша длина волны, а CD — это critical dimension, то есть минимальный размер получаемой структуры. То есть с использованием “старой” DUV литографии можно получить структуры не меньше примерно 50 нм. Но как же это так спросите вы? Ведь производители отлично делали и 14 и 10 нм, а кто-то даже и 7 нм с использованием DUV литографии.

Они пошли на хитрости. Вместо одного засвета через одну единую маску, они стали использовать несколько масок, с разными рисунками, которые дополняют друг-друга. Это процесс получил название множественное экспонирование. Назовем это принципом слоеного пирога!

Да — производители обошли прямые физические ограничения, но физику не обманули!

Появилась серьезная проблема: эти дополнительные шаги сделали производство каждого чипа гораздо дороже, из-за них увеличивается количества брака, есть и другие проблемы.

То есть в теории можно продолжить работать со старой технологией и путем игры с масками и экспонированием (двойная, тройная, четверная экспозиция) уменьшать размеры и дальше, но это сделает процы золотыми. Ведь с каждым слоем процент брака возрастает все выше, а ошибка накапливается!

То есть можно сказать, что DUV — это тупик! Что делать дальше, как уменьшать?

И тут на помощь приходит великая и ужасная технология Экстремальной УФ-литографии, или EUV-литографии!

Посмотрите на фото — оно прекрасно демонстрирует различие двух технологий. Обе получены с использованием 7-нанометрового техпроцесса, но та что слева получена с использованием DUV-литографии и с теми самыми хитростями о которых мы говорили — тройное экспонирование, то есть с поэтапным использованием 3 разных масок. Справа же — технология EUV литографии на 13.5 нанометрах, с использованием одной единственной маски — разница очевидна — границы гораздо четче, лучший контроль геометрии, ну и сам процесс намного быстрее, меньше процент брака, то есть в конце концов дешевле. Вот она дорога в светлое будущее, почему бы сразу так не делать, в чем проблема?

Как работает EUV-литография

Все дело в том, что хоть EUV это та же литография, внутри в деталях все гораздо сложнее и тут ученые и инженеры столкнулись с новыми проблемами!

Сама технология экстремальной УФ-литографии начала разрабатываться в самом начале 2000 годов. В ней используется источник, который излучает свет с длинной волны в 13.5 нанометров — то есть на нижней границе УФ-спектра, близко к рентгену!

В теории этим способом можно создавать структуры уже критических размеров — настолько маленьких, что еще чуть-чуть и на них перестанут действовать законы обычной физики. То есть после 5 нм мы попадаем в квантовый мир!

Но даже эта проблема на данный момент решена. Есть источник — возьми, да и делай себе сколь угодно маленькие процессоры.

Все совсем не так просто!

Проблема таких коротких длин волн в том, что они поглощаются почти всеми материалами, поэтому обычные линзы что были раньше уже не подходят. Что делать?

Для управления таким светом было принято решение создать специальные отражающие зеркальные линзы. И эти линзы должны быть гладкими! Очень гладкими!!! Практически идеально гладкими!

Вот вам аналогия — растянем линзу до размеров, скажем, Германии, так вот ее поверхность должна быть такой гладкой, что ничего не должно выпирать больше чем на 1 миллиметр. Этот параметр называется шероховатостью линзы и у нужной нам он должен быть меньше 0.5 нанометра. Это уже близко к размерам АТОМА! Кто же сможет подковать блоху?

Конечно, Zeiss — только они на это способны! Да — та самая компания Zeiss, чьи линзы стоят на моем фотике, были в Nokia или во флагманах Sony Xperia.

Одна проблема решена — линзы есть!

Есть и вторая — этот свет рассеивается даже в простом воздухе. Поэтому для того чтобы процесс прошел нормально его надо проводить в вакууме!

Про частички пыли и грязи я вообще молчу — понятно что их там вообще не должно быть. Чистые комнаты на таком производстве на порядки чище, чем операционные в больницах! Люди буквально ходят в скафандрах. Любая, даже самая маленькая частичка грязи, кожи или воздуха может испортить и маску и зеркала!

А что же с источником? Просто поставили специальный лазер на более короткую длину волны и все? Проблема в том, что ни лампочек, ни лазеров, ни каких-либо других нормальных источников света, которые излучают на такой длине волны просто не существует в природе.

И как же тогда получают нужное излучение? Элементарно, Ватсон — нам нужна плазма.

Надо нагреть оловянный пар до температур в 100 раз больших, чем температура поверхности солнца! Всего-то! И за этим стоит почти 2 десятилетия разработок.

В установке для производства процессоров по EUV-литографии, о которой мы поговорим отдельно установлен специальный углекислотный лазер, который опять же может производиться в тандеме всего двух компаний в мире — немецкой фирмой Trumpf и американской Cymer. Этот монстр мощностью в 30 киловатт стреляет по 2 импульса с частотой 50 килогерц.

Лазер попадает в капли олова, первый выстрел фактически плющит и превращает каплю в блин, которая становится легкой мишенью для второго залпа, который ее поджигает. И происходит это 50 тысяч раз в секунду! А образовавшаяся плазма и излучает этот свет в экстремальном УФ спектре.

И естественно, это только самая база, но мы попробовали нарисовать вам картину того насколько это сложный и крутой процесс.

Компания, стоящая за производством всех процессоров

О технологии рассказали, значит ее кто-то придумал и реализовал, но ее разработка оказалась настолько дорогой, что даже крупные гиганты и воротилы не способны потянуть такие бюджеты!

В итоге, чтобы это стало реальностью всем пришлось скинуться — Intel в 2012 году, а TSMC и Samsung где-то в 2015 году приняли участие в общем проекте. Суммарные инвестиции составили, по разным оценкам от 14 до 21 млрд долларов! Из которых почти 10 млрд были вложены в одну единственную нидерландскую компанию ASML. Именно она и стоит за всем производством процессоров в мире по методу EUV-литографии! Вау! Что за ASML и почему мы о ней ничего не слышали? Компания из Нидерландов — что за темная лошадка?

Все дело в том, что ASML создали тот самый инструмент без которого Apple, Самсунг и Intel с AMD фактически как без рук! Речь идет об установке стоимостью более 120 миллионов долларов. Она огромная, 180-тонная, потребляет почти 1 мегаватт электроэнергии, и ей нужно почти 1.5 тонны воды в минуту для охлаждения! Но даже при такой цене очереди на них стоят годами ведь в год этих машин производится несколько десятков штук.

Тут же стоит упомянуть немалый вклад российских умов. Например, один из создателей этой технологии — Банин Вадим Евгеньевич, сейчас директор по разработке в ASML. Также в компании работают и другие наши соотечественники!

Мы выяснили, что эта компания делает одни из самых технологичных девайсов, в котором собраны все знания человечества и на них производят процессоры все IT-гиганты сразу!

Но не только ASML стоит за спиной нам известных IT-гигантов. Их установки состоят из более чем 100 тысяч деталей, которые производятся более чем тысячью компаний по всему миру. Все эти компании связаны друг с другом!

Будущее

Но что же будет дальше! Вы что — думали, что мы оставим вас оставим в дне сегодняшнем? Нет — мы подглядели в будущее! Мы раздобыли информацию что будет после пяти или даже двух нм!

Во-первых, прямо сейчас, пока вы смотрите это видео, TSMC уже штампует новые процессоры для HUAWEI, Apple и Samsung с использованием EUV-литографии, но не на 7 нм, как было с Apple A13 и Kirin 990, а на 5 нм техпроцессе! И этому есть множества подтверждений! И о них мы услышим уже этой осенью. Как вам такое — A14 Bionic будет 5нм! Так же ждем новые Exynos на 5 нм и процессоры Google, о которых мы рассказывали отдельно! Qualcomm наверняка тоже подтянется за ними, но тут мы не располагаем данными!

А во-вторых, и это вообще взрывает мозг, ASML уже заканчивает разработку установок, которые позволят производить процессоры на 2 нанометровом техпроцессе и даже меньше всего через 4-5 лет!

Для этого ребята из нидерландской компании совместно с немецкой Zeiss разработали новые зеркальные линзы, с высокими значениями апертуры. Это анаморфная оптика — она и многое другое позволит увеличить разрешающую способность.

Сам процесс по сути тот же EUV, но с приставкой High-NA EUV. А сами агрегаты будут занимать еще больше места, посмотрите вот так для них делают оптику!

Этот год тяжелый для всех, но в тоже время — посмотрите какими шагами начинают развиваться технологии, все шире и шире. Нас ждут новые процессоры с мощностями, которые нам и не снились.

Кроме этого развиваются совершенно новые типы процессоров такие как NPU — для нейровычислений.

Технология от IMS Nanofabrication (IMS-NANO) — самая «простая»

Самый скромный участник соревнований технологий электронно-много-лучевой литографии, но достигший осязаемых коммерческих результатов.

В рамках европейской программы MAGIC (MAskless lithoGraphy for IC manufacturing), были выделены 11,75 млн. евро на поддержку компаний MAPPER и IMS Nanofabrication.

Компания IMS Nanofabrication AG (Австрия) вначале развивала проект ионно-много-лучевого литографа CHARPAN (Charged Particle Nanotech).

К февралю 2009 года был создан образец доказывающий работоспособность концепции. На ионах водорода с энергией 10 кэВ при диаметре луча 12,5 нм на резисте HSQ было получено разрешение менее 16 нм. Количество лучей в матрице ~43’000 шт.

Но ионы водорода нежелательный элемент, остающийся в кремниевой подложке после засветки фоторезиста.

Поэтому, начиная с 2009 года, компания перенесла свое внимание на разработку электронно-много-лучевого литографа по проекту RIMANA (Radical Innovation Maskless Nanolithography), также при финансовой поддержке от Европейской комиссии. Причем, вначале использовались апертурная и гасящая матрица из проекта ионно-много-лучевой литографии.

Тестовые системы уровня доказательства концепции:
Проект CHARPAN (слева), проект RIMANA (справа)

Электронно-лучевая колона по проекту RIMANA позволяла использовать только 2’500 лучей из возможных 43’000. Поэтому с четвертого квартала 2009 года было начата работа над созданием новой колоны и матрицы для нее.

К 2013 году был собран электронно-лучевой литограф с матрицей на 262’144 (512х512) лучей с диаметром пятна каждого луча 20 нм.

Установка уровня доказательства концепции IMS-NANO – аппарат экспонирования фотошаблонов eMET (electron Mask Exposure Tool):

Компания решила увеличить размер пятна до 20 нм – это позволяет повысить производительность, увеличив ток пятна, а путем частичного смещения места засветки на неполный размер пятна и управлением времени засветки, возможно создания элементов топологии с размерами 1/3-1/2 от размера пятна.

Так при смещении пятна на половину его размера и времени засветки длительностью 33% от полного,  возможно получение элемента топологии размером 10 нм. Литограф от IMS позволяет управлять смещением пятна с точностью до 0,1 нм

В IMS Nanofabrication решили не хватать звезд с небес – строить аппарат способный конкурировать с аппаратами проекционной литографии от ASML (монополиста на рынке литографии для микроэлектроники). В компании пошли по твердому пути – постройке электронно-лучевой колоны по классической схеме отработанной на электронно-лучевых микроскопах. С некритическим током электронной пушки и с небольшими токами в отдельных лучах.

Отказ от предельных токов, позволил использовать общепринятую электронно-оптическую схему с кроссоверами (местами где отдельные лучи пересекаются), и соответственно, использовать, хорошо изученные макро-линзы и макро-дефлекторы для управления и масштабирования всего пучка лучей сразу. Это значительно упростило электронно-оптическую схему и схемотехнические решения системы управления.

Схема технологии IMS-NANO

Поток электронов из электронного источника (Electron source), коллимируется электростатической конденсорной многоэлектродной оптикой (Electrostatic multielectrode condenser optic). Программируемой апертурной пластиной (APS), состоящей из апертурной пластины (Aperture plate) и гасящей пластины (Blanking plate) формируется пучок лучей. Электростатической многоэлектродной ускоряющей линзой (Electrostatic multielectrode accelerating lens) энергия электронов повышается до 50 кэВ и фокусируется в 1-й кроссовер.

1-я магнитная линза (1st magnetic lens) фокусирует пучок во 2-й кроссовер в центре апертурного отверстия останавливающей пластины (Stopping plate at 2nd cross-over). Электронный луч, который был немного отклонен гасящей пластиной (ярко-зеленый) не попадает во 2-й кроссовер, а поглощается останавливающей пластиной. С помощью многополюсной отклоняющей (дифлекторной) системы (Beam steering multipole) пучок электронов может отклоняться, тем самым засвечивая промежутки между лучами и компенсируя при необходимости движение непрерывно двигающегося сканируемого стола (Scanning stage). 2-я объектная магнитная линза (2nd magnetic lens) окончательно фокусирует пучок на пластине или фотошаблоне покрытом резистом (Resist coated 6” mask blank).

Общее масштабирование (уменьшение) создаваемое электронной оптикой составляет 200 крат (Electron beam projection optics with 200x reduction).

Сердце электронно-много-лучевого литографа — апертурная пластина (APS).
На фото пластина из проекта CHARPAN в сборе, состоящая из апертурной и блокирующей пластин

Хотя технология не обладает выдающимися показателями производительности (10 кв. см в час), относительно других технологий электронно-много-лучевой литографии, но на порядок превосходит производительность электронно-одно-лучевой литографии.

А относительная простота, позволила довести ее до коммерческого промышленного уровня для производства фотошаблонов. На текущий момент компания расширяет свое присутствие на рынках Тайваня, Южной Кореи и США.

Первые результаты экспонирования:

a) 30 нм +45 гр. -45 гр. негативный HSQ резист (слева), позитивный pCAR резист (справа), электронный луч сечением 20 нм, энергия электронов 50 кэВ,
b) Горизонтальные и вертикальные периодические линии с полушагом 24 нм (HP, half pitch), энергия электронов 50 кэВ, электронный луч сечением 20 нм, апертура 4 мкм,

с) Изолированные линии 24 нм под разными углами на негативном HSQ и позитивном pCAR резисте (надписи сделаны линиями 30 нм), энергия электронов 50 кэВ, электронный луч сечением 20 нм, апертура 4 мкм, масштабирование 200:1.

Первые результаты (proof-of-concept) экспозиции,
полученные на системе безмасочной электронно-многолучевой литографии.
Резист HSQ, слой 50 нм,энергия электронов 15 кэВ,
электронный луч сечением 17.5 нм, апертура 3.5 мкм, масштабирование 200:1.

Показанные на картинках первые результаты сравнимы с лучшими показателями для EUV литографии (длина волны 13,5 нм) от ASML, но скорость засветки не позволяет конкурировать с технологией проекционной литографии для массового производства микросхем. Рынком для технологии от IMS Nanofabrication остается рынок фотошаблонов, (кстати достигший в 2021 году 4,2 млрд USD), рынок прототипов и малых партий микросхем.

Это 1-я статья из цикла.

2-я статья — Mapper — наш, или еще одна технология электронно-много-лучевой литографии

3-я статья — KLA-Tencor — революция в много-лучевой электронной литографии

Чего уже достигла компания Nanotech SWHL GmbH

Подведем итоги. В представленных на конференции докладах их авторы отмечают, что они разработали, запатентовали и экспериментально подтвердили новый голографический метод фотолитографии. Этот новый подход позволяет не только преодолеть многие технологические проблемы традиционной фотолитографии, но также предлагает радикально более простую и дешевую литографическую технологию, которая может расширить рынок производителей литографического оборудования и производителей микросхем. Разработаны и внедрены быстрые алгоритмы для синтеза голографических масок и оптимизации их структуры, позволяющие повысить качество реконструированных изображений. Разработаны и построены экспериментальные установки, которые позволили проверить предложенную концепцию голографической фотолитографии и получить изображения с разрешением 250 нм в фоторезисте.

Авторы отмечают следующие преимущества голографической фотолитографии, которые мы уже отметили выше:

— простота изготовления голографической маски;

— маска бесконечного времени жизни;

— чрезвычайно высокая устойчивость к дефектам на маске;

— радикально упрощается топология голограммных масок;

— теоретически доказана (в докладе были продемонстрированы результаты успешной компьютерной симуляции) возможность создания с помощью SWHL топологий чипов, относящихся к технологическому ноду N7нм (проектная норма).

Чувствительность изображения к локальным дефектам голограммной маски на 9–10 порядков меньше, чем у обычной проекционной. В результате существенно снижаются требования к технологии использования и хранения масок, сокращаются дорогостоящие регулярный контроль и ремонт масок, а срок службы голограммных масок становился практически неограниченным. А следовательно, снижается и их стоимость

Компания разработала эффективный и быстрый метод синтеза масок, в том числе алгоритмы, интегрированные в программный пакет.

Для экспериментальной проверки создан макет голографического степпера, позволяющий получать изображения с субволновым разрешением 0,56 λ (длины волны излучения). Продемонстрировано, что 3D-изображения можно экспонировать на многоуровневой поверхности с помощью одной голографической маски за одну экспозицию. При этом результаты моделирования экспериментов оказались в хорошем согласии с предложенным теоретическим обоснованием. Наконец, смоделирован весь технологический процесс создания необходимого рисунка для проектных норм 7 нм, что дает разработчика полную уверенность в возможностях его реализации.

Сейчас Nanotech SWHL GmbH готовится к следующему этапу разработки — созданию опытного образца голографического степпера. голографического степпера.

Мы же напоминаем нашему читателю, что мы уже о работах, которые ведутся в нижегородском Институте прикладной физики по созданию фотолитографии без масок, целью которых также является удешевление и упрощение процесса фотолитографии.

Может, стоит ускориться?

Да, это того стоит. Поэтому естественно родилась идея повторить принцип работы лазерных генераторов изображения, использующих для засветки до миллиона одновременно управляемых лазерных лучей. Эти лучи отражаются от микро-зеркал, которые программно «дергаются» и отбрасывают лазерный луч то на пластину (через специальное микро-отверстие), то мимо (на поглотитель). Так формируется изображение на засвечиваемой пластине.

Выглядит красиво – сотни тысяч, или даже миллион электронных лучей, одновременно облучают пластину с невероятной точностью в 1-5 нм. Мы получаем технологию, при которой возможно вообще отказаться от столь дорогостоящего звена как фотошаблоны. И возможно производство прототипов, малых и средних партий микросхем по разумным ценам!

Отсюда начнем описание имеющихся вариантов технологий Электронно-много-лучевых технологий и проблем на пути их реализации.

Другой путь

В Институте физики микроструктур решили сосредоточиться на рентгеновской безмасочной фотолитографии, поскольку, по мнению разработчиков, электронная фотолитография пока значительно менее производительна, хотя и наиболее продвинута. Но ей мы посвятим отдельную публикацию.

Работы над БМРЛ начаты недавно, это прорывная технология, идеально подходящая, как подчеркивают разработчики, для условий российской экономики: ограниченный доступ к мировому рынку, концентрация промышленности на производстве уникальных продуктов.

Рис. 4. С помощью МОЭМС можно формировать изображения с пространственным разрешением, определяемым размером пятна фокусировки, порядка размера пикселя, нормированного на коэффициент уменьшения оптической системы

Создание БМРЛ стало возможно с появлением микрооптических электромеханических систем — МОЭМС, которые используются для проецирования или отображения изображений на различные поверхности, например в лазерном пикопроекторе (см. рис. 4).

В установке БМРЛ МОЭМС выполняет функцию фотошаблона: топология кодируется состоянием MOEMS-пикселей (микрозеркал), отражающих лучи, идущие от источника излучения, и формирующих изображение на фоторезисте. Использование МОЭМС облегчено тем, что в России голландская фирма Mapper Lithography и «Роснано» создали совместное предприятие «Маппер», выпускающее МОЭМС.

Как пояснил Николай Салащенко, теоретически было показано, что с помощью МОЭМС можно формировать изображения с пространственным разрешением, определяемым размером пятна фокусировки, порядка размера пикселя, нормированного на коэффициент уменьшения оптической системы. Поскольку размер пикселя у серийно выпускаемых МОЭМС составляет около 10 × 10 мкм, то при использовании рентгеновского излучения с длиной волны 13,5 нм и меньше становится достижимым разрешение системы на уровне нескольких нанометров, как у самых современных установок EUV-фотолитографии. Специалисты считают, что возможно, создать МОЭМС с размером пикселя 4 мкм, но перед разработчиками здесь встало несколько проблем, как инженерно-технических, так и организационных.

Рис. 5. Лазерно-плазменный источник излучения на основе ионов олова. Излучение лазера фокусируется с помощью линзы на оловянном покрытии. В результате воздействия излучения образуется высокотемпературная плазма, излучающая на длине волны 13,5 нм, которое затем с помощью оптической системы засвечивает маску, как показано на рис. 3

Первой проблемой стал выбор источника излучения. Под руководством Константина Кошелева в компании RnD-ISAN разработан интересный лазерно-плазменный источник излучения на основе ионов олова (см. рис. 5), который предполагается использовать в ИФМ в ближайших экспериментах с МОЭМС.

Однако это опять-таки длина волны 13,5 нм, а, как следует из формулы дифракционного разрешения, чем меньше длина волны, тем выше разрешающая способность. Поэтому в последнее время в ИФМ изучали лазерно-плазменный источник с газовой мишенью на основе ксенона или криптона. Такой источник позволяет получить мягкое рентгеновское излучение достаточной мощности в окрестности 10–11 нм.

Детально вид лазерно-плазменного источника излучения до сих пор не определен: он будет на основе то ли газовой струи, то ли расплавленного металла или еще какой-то. Но источник излучения, схематично показанный на рис. 5 и имеющийся в лабораторном исполнении, уже позволяет начать исследования с имеющимися образцами чипов МЭМС.

Одна из основных проблем заключается в том, что в мире не выпускаются МОЭМС с покрытием, отражающим излучение с необходимыми длинами волн — 13,5 нм или 11 нм и с качеством поверхности, необходимым для работы в рентгеновском диапазоне. Но учитывая опыт ИФМ в разработки рентгенооптики, в том числе для установок EUV-фотолитографии, Николай Салащенко считает, что в ИФМ есть подходы, позволяющие решить возникшие проблемы. Были получены первые положительные результаты1 в изготовлении МОЭМС, но в дальнейшем нужна серьезная кооперация с их производителями у нас в стране и за рубежом. И тут мы переходим к организационным проблемам.

«Мы делаем литограф, который будет в десять раз дешевле существующих. Мы рассчитываем, что на опытный образец может уйти пять-шесть лет. И это будет очень востребованная машина для создания пробных микросхем, для мелкосерийного производства»

Как подчеркнул Николай Салащенко, создание такой установки — это работа многих коллективов: создателей МОЭМС, разработчиков источника излучения, разработчиков координатных столов, производителей управляющей электроники, в том числе специализированного контроллера. И ФМ ведет разработки необходимой для установки рентгенооптики и выступает координатором всего проекта. Рассказывая о поисках соисполнителей, Николай Николаевич даже с некоторым удивлением констатирует: «В стране многое порушили, но не до конца. Если порыться, можно найти специалистов в любой области: людей, которые получили прекрасное образование, работают со всем миром и имеют колоссальный опыт. У меня есть подозрение, что много таких, которые даже не знают, что они собой представляют. Не использовать этих людей просто преступно».

Проблема в том, что собрать все эти коллективы возможно только при наличии устойчивого финансирования. А пока есть госпрограмма «Развитие электронной промышленности Российской Федерации в 2018-2027 годы», в которую записана эта разработка, но на самом деле финансирования нет. « И получается так, что я все время обманываю людей. А планы у нас наполеоновские: мы делаем литограф, который будет в десять раз дешевле существующих. Мы рассчитываем, что на опытный образец может уйти пять-шесть лет. И это будет очень востребованная машина для создания пробных микросхем, для мелкосерийного производства. Она нужна будет в каждой лаборатории, которая занимается не только проблемами нанолитографии, но и разработкой и производством микросхем. Это будет реальный продукт, с которым можно будет выйти на рынок не только в нашей стране. Очень надеемся, что программа будет запущена и реализована».

Электронный пучок, остросфокусированный с помощью магнитных линз на поверхность слоя полимера (резиста), чувствительного к электронному облучению, прорисовывает на нем изображение, которое обнаруживается после обработки резиста в проявителе. Обработка электронным пучком резиста меняет степень растворимости полимера в растворителе (проявителе). Участки поверхности, с записанным на них изображением, очищаются от резиста с помощью проявителя. Через полученные окна в плёнке резиста производится вакуумное напыление подходящего материала, например, нитрида титана или металлов или ионное травление. На последнем этапе технологического процесса неэкспонированный излучением резист также смывают другим растворителем.
Перемещение электронного пучка по поверхности осуществляется с помощью компьютера изменением токов в отклоняющих магнитных системах. В некоторых установках при этом меняется форма и размеры пятна электронного пучка.
На выходе многоступенчатого технологического процесса получается фотошаблон-маска для использования в фотолитографии и других нанотехнологических процессах, например, в технологии реактивного ионного травления.

Также электронная литография, имеющая невысокую производительность, используется при производстве единичных экземпляров электронных компонентов, в тех случаях, когда требуется нанометровое разрешение, в промышленности и в научных исследованиях.

• McCord, M. A.; M. J. Rooks. // SPIE Handbook of Microlithography, Micromachining and Microfabrication (англ.). — 2000.
• Applied scrambles to hold lead in e-beam photomask tools / EETimes, 2001-07-27

В настоящее время (2015 г.) запись скрытого изображения в плёнке резиста на поверхности образца может осуществляться тремя возможными методами:

Этот вид записи аналогичен считыванию (записи) изображения на экране телевизора, где электронный луч
последовательно (построчно) обегает каждую точку экрана. В местах где необходимо, луч экспонирует резист, остальных точках пучок электронов блокируется запиранием электронной пушки, хотя сканирование (изменение тока в системе отклонения) продолжается.

Электронный луч подаётся только на те места, где необходимо экспонирование, и не подаётся в места, не подлежащие экспозиции. Поэтому весь процесс экспозиции осуществляется значительно быстрее, чем при растровом способе записи.

Запись электронным пучком с изменяющимся размером и формой электронного пучка

В этом случае запись происходит «большим мазком», — по терминологии художников. Так как любой рисунок можно нарисовать с помощью прямоугольников, то нет необходимости растеризовать рисунок на элементарные пикселы, достаточно изменять форму и размер сфокусированного пучка, от маленького прямоугольника до большого. Запись при этом происходит ещё быстрее, чем в векторном способе.