Литография без маски

Еще в 2017 году крупнейший производитель чипов — ключевых элементов любой электронной аппаратуры — Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) объявил о строительстве новой фабрики, которая будет работать по 3 нм.

В 1965 году, когда один из создателей корпорации Intel Гордон Мур высказал эмпирическое предположение, которое потом назвали «законом Мура», что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые полтора-два года, а их размеры, которые называются проектными нормами, соответственно уменьшаться, эти нормы исчислялись в микронах — теперь же это нанометры.

Возможность достижения таких результатов появилась благодаря фотолитографии. Существует несколько ее типов. До последнего времени в производстве микроэлектроники в основном использовалась проекционная фотолитография, оборудование для которой одно из самых сложных, точных и дорогих в машиностроении. Цена таких установок выросла за последние десятилетия с десятков тысяч долларов до десятков миллионов.

Последняя разработка советской фотолитографической установки (революционная по тем временам) была сделана в конце 1980-х минским предприятием «Планар» под научным руководством тогдашнего директора Физико-технологического института РАН академика Камиля Валиева. После распада СССР «Планар» сохранился, но, к сожалению, его разработки пока остаются на том же уровне 1980-х годов. Хотя и они востребованы на мировом рынке.

А разработку и производство самых современных, так называемых EUV-фотолитографических установок (Extreme Ultraviolet Lithography, экстремальная ультрафиолетовая литография), о которых мы расскажем ниже, осуществляют в мире только две компании — голландская ASM Lithography и японская Nikon.

Начало нашей истории

Казалось, что в России уже не осталось научных коллективов и предприятий, способных разрабатывать и изготавливать такие сложные машины. Но выяснилось, что это не так. В России сохранились и работают группы ученых, занятые созданием как важнейших узлов самых современных фотолитографических установок, так и полноценной установки.

Наша история началась, можно сказать, еще в конце 1970-х, когда в Институте прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде (в 1993 году из ИПФ РАН выделился Институт физики микроструктур — ИФМ РАН, а два назад ИФМ стал филиалом ФИЦ ИПФ РАН) начали заниматься рентгенооптикой в диапазоне длин волн от одной десятой ангстрема до тысячи ангстрем и заняли в этих исследованиях одно из лидирующих мест в мире, на котором находятся до сих пор. И оказалось, что рентгенооптика — ключевой элемент EUV-фотолитографии. «Дело в том, что до фотолитографии рентгенооптика использовалась в микроскопии, астрономии, диагностике плазмы», — поясняет главный научный сотрудник Института физики микроструктур, член-корреспондент РАН Николай Салащенко.

Начав заниматься рентгенооптикой, в ИФМ поняли, что им придется разрабатывать и изготавливать практически все — от технологий и технологического оборудования до измерительной аппаратуры. В результате в институте был создан замкнутый цикл производства рентгенооптики. Самое главное — были разработаны зеркала со специальным покрытием. Именно поэтому разработками ИФМ заинтересовалась компания ASML, которая в течение нескольких сотрудничала с институтом: зеркала, отражающие в рентгеновском диапазоне, были нужны ей для новейших установок EUV-фотолитографии.

Кроме ИФМ разработкой источника излучения для EUV-фотолитографа в интересах ASML занималась группа из Института спектроскопии РАН во главе с ведущим научным сотрудником Константином Кошелевым. Наличие двух ключевых элементов EUV-фотолитографа — многослойной изображающей оптики (системы зеркал со специальным покрытием) и источника излучения — позволило Николаю Салащенко с коллегами начать изучение возможности создания отечественной установки EUV-фотолитографии. Был даже создан демонстрационный образец. Но дальше дело не пошло. Николай Николаевич признает, что стало понятно: «Страна не может потянуть эту работу в одиночку. Ведь Голландии фактически помогает весь мир».

Но в ИФМ считают, что поиск возможностей для разработки и производства фотолитографических установок в России надо продолжать. Производство таких установок, по мнению Николая Салащенко, может стать основой для восстановления в России современного оптико-электронного машиностроения, тем более что разработка и производство фотолитографических установок, сочетающих в себе прецизионную оптику и механику, уникальные источники излучения, могут стать хорошей школой для развития всего спектра наукоемкого машиностроения.

Рис.1. В процессе изготовления микросхем операция фотолитографии на одной пластине повторяется многократно, и каждое новое изображение должно очень точно совмещаться с предыдущим

ИФМ

Фотолитография сегодняшнего дня

Цель фотолитографии в микроэлектронике — формирование заданного изображения на кремниевой подложке для получения необходимой топологии микросхемы. Для этого на кремниевую подложку наносят тонкий слой материала, из которого нужно сформировать рисунок. На этот слой наносится светочувствительный материал — фоторезист, который подвергается облучению через оптическую систему и фотошаблон (маску). После последующей обработки фоторезиста на пластине остается заданный рисунок. Чем меньше длина волны излучения, тем меньше размеры получаемых элементов рисунка. В процессе изготовления микросхем операция фотолитографии на одной пластине повторяется многократно, и каждое новое изображение должно очень точно совмещаться с предыдущим (см. рис. 1).

Рис. 2. Суть традиционной фотолитографии состоит в переносе с помощью оптической системы многократно уменьшенного изображения маски на поверхность полупроводниковой пластины, покрытой фоторезистом, после проявления которого на поверхности пластины остается заданный рисунок. Иммерсионная жидкость используется для повышения разрешающей способности объектива

ИФМ

Суммарная стоимость набора фотошаблонов, важнейших элементов технологии фотолитографии, для производства одного типа чипов может достигать нескольких миллионов долларов, и они требуют регулярной замены. Суммарная их стоимость за время производства чипов определенного типа может достигать многих десятков миллионов долларов.

До недавнего времени самые передовые проектные нормы достигались с использованием проекционной фотолитографии на длине волны 193 нм, возможности которой уже на порядок превзошли дифракционный предел разрешающей способности оптической системы литографа (см. рис. 2).

Последние несколько лет в микроэлектронике нашла применение EUV-проекционная фотолитография на длине волны 13,5 нм, которая как раз и позволила достичь разрешения менее 10 нм — 7 или 5 нм. Проблема при создании установок для EUV-литографии в том, что на длине волны 13,5 нм нельзя использовать традиционные источники света и традиционную оптику из-за интенсивного поглощения такого света всеми известными оптическими материалами. Поэтому в подобных оптических системах используют отражающую многослойную оптику, то есть зеркала с соответствующим интерференционным покрытием. А специалисты по такой оптике, как мы уже знаем, работают в ИФМ. Сложность подобных установок такова, что их стоимость достигает уже 100 млн долларов (см. рис. 3).

Как отметил Николай Салащенко, «из-за высокой стоимости оборудования, дороговизны масок, сложной и дорогостоящей инфраструктуры проекционная фотолитография 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 доступной только единичным глобальным игрокам, таким как Intel, Samsung, TSMC, Global Foundries».

Рис. 3. EUV-фотолитография отличается тем, что на длине волны 13,5 нм нельзя использовать традиционные источники света и традиционную оптику из-за интенсивного поглощения такого света всеми известными оптическими материалами. Поэтому в подобных оптических системах используют отражающую многослойную оптику, то есть зеркала с соответствующим интерференционным покрытием

ИФМ

В этих условиях, считает Николай Николаевич, становится принципиально важным создать фотолитографическую установку, которая позволит сделать доступным производство наноэлектроники с предельными проектными нормами более мелким компаниям. Это особенно важно для нашей страны, где есть возможности и необходимость разработки самых современных чипов с проектными нормами до единиц нанометров, но нет возможности для их производства.

А как показали исследователи в разных странах, в том числе у нас в ИМФ РАН, создать такую установку можно, используя так называемую безмасочную литографии (БМРЛ): она не требует фотошаблонов, а формируемая на подложке топология получается путем непосредственной засветки резистивного слоя, например оптическим, рентгеновским или электронным лучом, и может быть при переходе от одной операции к другой перепрограммирована простым изменением алгоритмов сканирования электронными или световыми пучками.

Рис. 6. Работа проектируемой литографической установки происходит следующим образом. Излучение лазера (длительность импульса 3–5 нс, энергия в импульсе 0,3–0,5 Дж, частота повторения 1–3 кГц) фокусируется с помощью линзы на ось газовой струи, например, ксенона, на расстоянии примерно 1 мм от торца газового сопла на газовую струю ксенона. В результате пробоя газа в области фокусировки и нагрева электронов в световом поле лазерного излучения образуется высокотемпературная плазма. Образовавшиеся в плазме ионы Xe10+–Xe13+ интенсивно излучают в относительно узком, около 0,5 нм, спектральном диапазоне с максимумом излучения на длине волны 10,8 нм. Это излучение отражается зеркалом-коллектором (ЗК) и перенаправляется на зеркало-гомогенизатор (ЗГ), которое обеспечивает однородное освещение МОЭМС. Отраженное от МОЭМС излучение падает на первое зеркало трехзеркального проекционного объектива и далее с помощью зеркал З2 и З3 изображение МОЭМС переносится на пластину с фоторезистом, установленную в плоскости изображения Описание работы установки приводится по статье Н. Н. Салащенко, Н. И. Чхало, Н. А. Дюжева «Безмасочная рентгеновская литография на основе МОЭМС и микрофокусных рентгеновских трубок», журнал «Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования», 2018, № 10, с. 10–20

ИФМ

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

ИФМ

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

ИФМ

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.

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. ИФМ 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».