Для современных экономичных литографов нового поколения необходим яркий стабильный источник экстремального ультрафиолетового излучения. Принципы фотолитографии, на которой строится почти вся технология микроэлектроники, хорошо известны еще с 60-х годов прошлого столетия, но тенденция к миниатюризации элементов микросхем заставила переводить литографы на излучение все меньшей и меньшей длины волны. Появились литографы на основе использования излучения глубокого ультрафиолета (ГУФ, англ. – DUF) на длинах волн 248 нм (KrF) и 193 нм (ArF).

Однако стремление к увеличению скорости передачи сигналов привело к созданию чипов с топологическими нормами менее 5 нм, что потребовало использовать в литографах источники экстремального ультрафиолета (ЭУФ, англ. – EUF). На рубеже веков, в начале нулевых годов, сотрудниками Института спектроскопии РАН (Троицк, Москва) по заказу ASML был разработан лазерно-плазменный источник ЭУФ-излучения (ЛПИ) λ=13,5 нм на основе ионов олова, возбуждаемых с помощью CO₂-лазера высокой средней мощности (λ=10,6 мкм, P=20 кВт). Выбор длины волны излучения определялся тогдашним уровнем технологии изготовления рентгеновской оптики, ведь для EUF-излучения невозможно использовать обычные асферические оптические линзы – требуется оптика наклонного скольжения с помощью многослойной рентгеновской оптики (Mo/Si многослойные зеркала, коэффициенты отражения 66–68%).
В настоящее время ASML является единственным в мире производителем ЭУФ-литографов и поставил на рынок уже более 200 машин. Основные параметры поставляемых литографов: разрешение 13 нм, при двойном экспонировании – 8–9 нм. Производительность >200 пластин в час. Кстати, технологию создания тех самых Mo/Si многослойных зеркал для ASML разработал Институт физики микроструктур РАН (ИФМ РАН, Нижний Новгород).

В ЭУФ-источнике капли олова диаметром ~30 мкм с высокой частотой и большой скоростью инжектируются в вакуумную камеру. Лазерным предимпульсом они превращаются в плазменно-паровое облако, и далее, уже основным импульсом, происходит их нагрев до температуры, необходимой для достижения требуемой степени ионизации. Излучение собирается светосильным коллектором и фокусируется в так называемом промежуточном фокусе. При этом длинноволновая часть спектра проходит в литограф, приводя к нагреву зеркал, пелликла и маски, а из-за природы плазмы источники на основе ионов олова нестабильны, и оловянные капли загрязняют оптические элементы. Из-за этого, а также из-за агрессивного водорода, связывающего олово, время жизни дорогостоящих коллектора, пелликлов и масок короткое, а для масок не превышает 2,5 недель.

Получается дорогостоящее оборудование, которое может окупиться только при наличии глобального рынка. Лишь 5 топ-микроэлектронных гигантов используют такое оборудование: Intel, TSMC, Samsung, Micron Technology, SK Hynix Korea. Остальные глобальные игроки на рынке даже не планируют его приобретения.

Интересно, однако, что в марте 2025 года Китай на фоне запрета властей Нидерландов на поставку в страну EUF-литографов ASML анонсировал тестовый выпуск своих EUV-литографов в III квартале этого года для решения задачи отказа от западной технологической зависимости.

В России предложен более экономичный сценарий развития EUF-литографии – переход на новую длину волны 11,2 нм, которую может дать Xe-источник. И для такого подхода имеются все основания. В ИФМ РАН (входит в структуру Института прикладной физики им. А. В. Гапонова-Грехова – ИПФ РАН) разработана технология многослойных рентгеновских Ru/Be зеркал с коэффициентами отражения на длине волны 11,2 нм больше 72%, ксенонового ЛПИ и гибридных твердотельных лазеров. В ИПФ РАН разработаны принципы и экспериментальный образец малогабаритного, энергоэффективного гибридного твердотельного лазера киловаттного класса.
На ксеноновом ЛПИ в ИФМ РАН и независимо в ФТИ им. А. Ф. Иоффе (Санкт-Петербург) экспериментально продемонстрирован коэффициент конверсии энергии лазерного излучения в рентгеновское около 4%. В Новосибирске, в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН), идет поиск условий, при которых можно достичь максимальной эффективности преобразования мощности терагерцевого излучения в экстремальный ультрафиолет (мягкое рентгеновское излучение) с помощью лазера на свободных электронах (ЛСЭ). Недавно удалось получить квазистационарную плазму диаметром 1 мм, температурой 5 эВ и плотностью 3,5·10¹⁷ см⁻³. В этом состоянии ее поддерживает импульсно-периодическое излучение ЛСЭ со средней мощностью всего 200 Вт.

Работы продолжатся в направлении повышения температуры, так как чем выше температура, тем выше кратность ионов ксенона в плазме, которые и излучают экстремальный ультрафиолет. Дальнейшее увеличение температуры планируется достичь за счет увеличения средней мощности излучения ЛСЭ.

Концепция рентгеновского литографа на основе достижений последних лет в области твердотельных гибридных лазеров, ксенонового лазерно-плазменного источника на длину волны 11,2 нм, более эффективных Ru/Be многослойных рентгеновских зеркал и новейшие результаты исследований указывают на перспективы разработки отечественного литографа, конкурентоспособного на мировом рынке.

Мы приглашаем всех на заседания секции №12.1 Форума по тематике «Технологии оптоэлектроники и фотоники. Опто- и фотоэлектроника». Будет интересно и полезно как для разработчиков и конструкторов, так и для менеджеров производства и государственного управления.

Руководитель секции №12.1:

• Попов Сергей Викторович, профессор, доктор технических наук, заместитель генерального директора холдинга «Швабе» Госкорпорации «Ростех», руководитель приоритетного технологического направления по технологиям оптоэлектроники и фотоники в Российской Федерации

Заместитель руководителя секции №12.1:

• Бурлаков Игорь Дмитриевич, профессор, доктор технических наук, заместитель генерального директора по инновациям и науке АО «НПО «Орион», холдинг «Швабе», Госкорпорация Ростех

Материал подготовлен пресс-службой Российского форума «Микроэлектроника»

Присоединяйтесь к нам в Telegram