Заглянуть за High-NA EUV

В конце апреля 2026 г. тайваньская TSMC — не просто лидер, а натуральный гегемон на рынке контрактного изготовления самых передовых микросхем по чертежам заказчиков (на неё приходится в настоящее время около 70% соответствующей выручки в глобальном масштабе) — объявила в ходе очередного технологического симпозиума, что по меньшей мере до 2029 года включительно не собирается серийно применять наиболее актуальные фотолитографы High-NA EUV производства голландской компании ASML, которая лишь одна на планете и способна пока изготавливать машины такого класса. Решение вроде бы нелогичное: южнокорейская Samsung и американская Intel, ближе прочих подобравшиеся (по выручке) к лидеру коллеги-соперники, закупают и активно осваивают в последние годы как раз агрегаты High-NA EUV, намереваясь именно с их помощью отвоевать для себя всё у той же TSMC более выгодные позиции в грядущей технологической схватке на условной маркетинговой отметке «1,4 нм» (или «14А», если считать не в дробных нанометрах, а в целых несистемных единицах длины ангстремах, — 10 Å = 1 нм). Топ-менеджер тайваньского чипмейкера Кевин Чжан (Kevin Zhang) без обиняков назвал высокоапертурные EUV-литографические установки ASML ценой от 350 млн евро за штучку (без учёта доставки, монтажа, пусконаладки и регулярного обслуживания) «очень и очень дорогими». TSMC, по его словам, в ближайшие три года продолжит эксплуатировать имеющиеся низкоапертурные EUV-фотолитографы, выжимая из них стараниями собственных инженеров предельно возможный выход годных кристаллов на техпроцессах вплоть до «14A». И только переход на «13A» заставит уже, судя по всему, тайваньскую компанию раскошелиться на избыточно дорого обходящиеся средства производства: себестоимость микросхем при переходе на них возрастёт для изготовителя, по его собственным прикидкам, в два с половиной раза. Но что, спрашивается, станут делать микроэлектронщики, когда и возможности High-NA EUV по дальнейшей миниатюризации производственных норм окажутся исчерпаны?

В начале 2024 г. Intel с помпой заявила о намерении скупить у ASML все (пять или шесть) наипередовейших фотолитографов High-NA EUV, которые голландцы собирались в течение того года изготовить. Не слишком-то ей это помогло, если смотреть из середины 2026-го, — по крайней мере, пока (источник: Intel)

⇡#Короче!

Как мы уже в своё время писали, для фотолитографического метода изготовления микросхем важнейшим параметром, напрямую определяющим предельно достижимый масштаб миниатюризации, выступает длина волны излучения, которое производит засветку светочувствительного слоя (фоторезиста) на поверхности кремниевой пластины-заготовки. Для зрелых по нынешним временам техпроцессов с маркетинговыми наименованиями от «22 нм» до «7 нм» применяли DUV-лазеры (так называемого глубокого ультрафиолетового диапазона — deep ultraviolet) с длиной волны 193 нм. И применяют, кстати, до сих пор: в 2025 году, по некоторым оценкам, до 82% всех экспонирований пластин-заготовок в мире производили как раз с применением DUV. Тут, конечно, надо делать поправку на особенности техпроцесса: чтобы повысить плотность размещения полупроводниковых элементов на кристалле, не переходя к более коротковолновым источникам излучения, заготовку могут экспонировать и в два, и в четыре прохода, тогда как EUV-машина даже первого поколения всего за одну экспозицию обеспечит условный «5-нм» рубеж разрешения. Но, так или иначе, самые передовые микросхемы (включая чипы DRAM условного масштаба «1γ»; т. е. хотя формально по-прежнему «десятинанометровые», но с целым рядом дополнительных усовершенствований) сегодня изготавливают на фотолитографах с применением экстремального ультрафиолета (extreme ultraviolet, EUV) с длиной волны 13,5 нм. Здесь тоже, хотя и не без серьёзных технических вызовов, возможно многопроходное экспонирование — как раз за счёт доведения которого до совершенства силами своих высококлассных инженеров TSMC, надо полагать, и намерена выжать из имеющихся у неё низкоапертурных EUV-литографов всё возможное. Дальше, ясное дело, придёт черёд и High-NA EUV (всё c той же длиной волны 13,5 нм) многократно экспонировать каждую пластину-заготовку. Тут микроэлектронщикам придётся справляться с куда более суровыми вызовами, и они, надо полагать, преуспеют, — но рано или поздно ребром встанет уже вполне очевидный вопрос о применении ещё более коротковолнового излучения. Уже не ультрафиолетового, а мягкого рентгеновского: условная граница между этими диапазонами электромагнитного спектра — длина волны 10 нм.

Казалось бы, цели определены, задачи поставлены, да вдобавок дефицит микросхем нещадно терзает глобальную ИТ-отрасль, — почему бы не взяться плотнее за разработку рентгеновских фотолитографов? Уже взялись, и уже разрабатывают, — вот только дело это выходит на порядки, судя по всему, сложнее и дороже, чем в своё время доведение EUV-технологии от лабораторных прототипов до серийного фабричного оборудования. Для сравнения: серийный DUV-фотолитограф обходится в настоящее время покупателям в сумму от полумиллиона до 50 млн долл. США (в зависимости от предельного разрешения), EUV первого поколения — в 150−185 млн долл., а High-NA EUV, как уже упоминалось, — под 400 млн долл. Даже приблизительную прикидку цены коммерческого аппарата с рабочей длиной волны менее 10 нм делать пока не имеет смысла: известна грубая оценка от 2024 г. примерно в 720 млн долл. со сроком фактической достижимости не ранее 2030-го. Хорошо, если к тому времени, когда ASML или иной разработчик готов будет предложить заказчикам такого рода серийные машины, нынешний ажиотаж вокруг искусственного интеллекта (который, собственно, и разгоняет невиданную прежде потребность рынка в микросхемах) не утихнет. А ну как пресловутый «пузырь ИИ» в ближайшие несколько лет пусть даже не схлопнется разом, но неторопливо и постепенно испустит дух, — что тогда? Вот почему не уверенные в стабильности темпов возврата инвестиций компании с огромной опаской берутся за финансирование таких масштабных и долгосрочных проектов, как рентгеновская фотолитография: затраты предстоят однозначно чудовищные, а когда и как быстро начнут поступать доходы, оценить нет никакой возможности.

Один из широко обсуждаемых способов преодолеть условный «1-нм» рубеж — интерференционная, или голографическая, литография: оптическая технология формирования периодических наноструктур (конструктивных элементов будущих транзисторов) путём проецирования на фоторезист интерференционной картины — в данном случае порождаемой потоком синхротронного излучения (источник: ETH Zurich)

И тем не менее деваться разработчикам некуда. Хотя отыскать конкурентный фотолитографическому способ серийного изготовления полупроводниковых микросхем с характерными (физическими) размерами транзисторов в десятки нанометров пытаются многие, да ещё по целому ряду направлений, за старым добрым экспонированием фоторезиста на кремниевой подложке остаются по меньшей мере два ключевых преимущества: он старый и добрый. То бишь развивался, непрерывно совершенствуясь, с середины прошлого века — что означает не просто наличие, но уверенное воспроизводство соответствующих научных и инженерных школ на протяжении нескольких поколений, не говоря уже о немыслимых суммах инвестиций, накопленным итогом вложенных в это направление за десятки лет. Любой иной технологии, сколь бы перспективной она ни была, потребуется стать сопоставимой с фотолитографией по весу — хотя бы по количеству затраченных на её разработку человеко-часов и (миллиардов) долларов, — чтобы претендовать на роль хоть сколько-нибудь разумной альтернативы DUV/EUV.

И всё же неизбежно наступит момент, когда инвестировать в такую альтернативу всё же окажется дешевле, чем продолжать вкачивать средства в экстремальный ультрафиолет. Полупроводниковая фотолитография (где роль главного инструмента играет поток высокоэнергичных фотонов) неизбежно упирается в объективно непреодолимый предел: для данной длины волны λ и числовой апертуры NA критерий Рэлея жёстко задаёт предельно достижимый критический размер (critical dimension, CD), он же предельно достижимое разрешение, по известной формуле

CD = k₁ · λ/NA,

где физический предел безразмерного коэффициента k₁, а именно 0,25, соответствует по смыслу четверти длины волны (если две световые точки — центры двух дифракционных пятен, точнее, — разместить на плоскости ещё ближе, они попросту сольются в одну) и далее сокращён быть не может; на практике же различные технические ухищрения позволяют микроэлектронщикам удерживать k₁ в границах 0,3−0,8. Но отсюда как раз и можно заключить, что самое время резко сокращать длину волны λ в приведённом уравнении: раз получилось сравнительно недавно с 193 нм уменьшить её сразу до 13,5 (хотя в самом начале 2000-х всерьёз собирались двигаться плавнее — перейти для начала к 157-нм лазерам на молекулярном фторе), что мешает совершить очередной, пусть даже менее внушительный, скачок?

Пояснение применимости критерия Рэлея на примере оптического излучения (источник: Edinburgh Instruments)

⇡#Шесть и семь

Напомним вкратце (по ссылке чуть выше — более подробное изложение), в чём заключался экономический смысл перехода к EUV от DUV с 193-нм длиной волны прямиком, минуя различные промежуточные остановки, изучавшиеся четверть века назад теоретиками. К исходу 1990-х фотолитография с аргон-фторидными (ArF) эксимерными лазерными источниками 193-нм излучения оказалась настолько хорошо освоена, что инженеры стали предлагать один за другим различные способы её ощутимого усовершенствования — без необходимости кардинальной переделки самих дорогостоящих агрегатов. Так, внедрение иммерсионной литографии — с заполнением жидкостью зазора между выходной линзой оптической системы и экспонируемой заготовкой — за счёт изменения показателя преломления среды (1,44 у сверхчистой деионизированной воды против 1,00 у воздуха) дало возможность эффективно уменьшить длину волны аргон-фторидного лазера до 134 нм.

В результате молекулярный фтор в качестве рабочего тела (с его 157-нм лазерным излучением) потерял практический смысл: понятно, что с ним та же иммерсионная схема обеспечивала бы ещё меньшую длину волны, но овчинка конструирования и внедрения в промышленных — не лабораторных! — масштабах принципиально нового источника фотонов выделки явно не стоила. Тем более, что многопроходная литография в сочетании с иммерсионной обеспечила возможность освоить на практике всё с теми же 193-нм аргон-фторидными лазерами производственные нормы «10 нм» и даже «7 нм». Инженеры и производственники предпочли по максимуму использовать потенциал уже отлично освоенного технологического процесса. А параллельно развивать в лабораториях принципиально новый — тот самый 13,5-нм EUV, — чтобы совершить качественный скачок как раз в тот момент, когда дальнейшее совершенствование DUV перестанет быть экономически оправданным (именно по сравнению с себестоимостью этого скачка!).

Иммерсионный метод (его схема справа) позволяет заметно повысить разрешающую способность DUV-литографа, но для EUV-машины уже не применим: излучение с длиной волны 13,5 нм поглотит даже тонкий слой воздуха, не говоря уже о воде (источник: ASML)

Такой момент наступил ближе к концу второго десятилетия XXI века, когда почти одновременно на рынок выходили микросхемы, изготовленные TSMC по «7-нм» техпроцессу на DUV-машинах — и выполненные Samsung также по «7-нм» технологической норме, но на EUV-литографах. В части оптического тракта первые агрегаты устроены значительно проще вторых: экстремальное ультрафиолетовое излучение крайне неохотно отражается от обычных зеркальных поверхностей, так что для EUV-процесса приходится применять молибден-кремниевые многослойные брэгговские зеркала, чтобы поднять коэффициент отражения 13,5-нм потока фотонов хотя бы до 70% (тогда как 193-нм «свет» отражается от классических зеркальных пластин — с особым по составу, но всё же однослойным покрытием — на 88%). Отсюда уже понятно, что при переходе к ещё более коротковолновому излучению в мягком рентгене (10 нм и менее) понадобятся тонкоплёночные многослойные отражатели поизощрённее. Для длин волн около 6,7 нм такие зеркала уже предложены: у многослойных структур с участием металлического лантана, нитрида того же лантана, карбида бора и углерода теоретический пиковый коэффициент отражения достигает 80%. На практике, конечно, приходится мириться с неидеальностью формируемых в лабораториях зеркал: за счёт взаимной диффузии химически активных материалов на обширных площадях контакта образуются локальные межслоевые неровности, что снижает фактически достижимый коэффициент отражения до 59−65%. Но и это очень неплохо — особенно с учётом того, что по мере совершенствования этой технологии есть надежда повысить качество изготовления многослойных тонких плёнок. А 6,7 нм — самый натуральный мягкий рентген!

Впрочем, строго говоря, к «рентгеновской литографии» (X-ray lithography) в англоязычной литературе принято относить гипотетические пока системы на базе источников излучения с длиной волны 4 нм и менее, примерно до 0,4 нм. Там, скорее всего, никто не станет ломать голову над поиском подходящего рабочего тела для формирования пучка фотонов необходимой длины: в ход пойдёт синхротронное излучение от разогнанных в ускорителе элементарных частиц. Да и в целом придётся решать с нуля целый ряд нетривиальных технологических задач, начиная с создания устойчивых к столь жёсткому излучению фотомасок и подбора подходящего фоторезиста. Говоря же о промежуточном между «истинным рентгеном» и EUV диапазоне длин волн, используют термин Beyond-EUV, B-EUV — «заэкстремальный ультрафиолет». Эта область с инженерной точки зрения привлекательна как раз тем, что в ней, пусть и с некоторой натяжкой, удастся применить накопленный при работе с EUV опыт (плюс многие технические решения), — причём выгода от перехода к B-EUV обещает оказаться изрядной. Уже упомянутая длина волны 6,7 нм вдвое меньше, чем 13,5 нм, что в соответствии с критерием Рэлея потенциально уполовинивает масштаб предельно достижимого на такой установке критического размера отдельного структурного элемента. Есть за что бороться!

Упрощённая схема узла формирования 13,5-нм излучения для EUV-фотолитографии: сферическая микрокапля жидкого олова (~30 мкм диаметром) под воздействием первичного лазерного преимпульса преобразуется в вытянутую дискообразную мишень (поперечником до 500 мкм), уже пригодную для облучения основным импульсом, — который, собственно, и формирует поток сильно ионизированной плазмы, излучающей экстремальный ультрафиолет, собираемый и перенаправляемый затем многослойным зеркалом. В предложенной же «Центром Келдыша» установке металлическая плазма генерируется электродуговым источником прямо в фокусе многослойного зеркала, что делает всю конструкцию проще, надёжней и долговечнее (источник: Advanced Research Center for Nanolithography)

Преград на пути к созданию действующего фотолитографа B-EUV, разумеется, предостаточно. Начать хотя бы с конкретной длины волны: на каком из рабочих тел, потенциально доступных (если брать в качестве источника излучения не монументальный синхротрон, а конструкцию покомпактней, вроде плазменного генератора в EUV-агрегатах) в этом диапазоне, остановить выбор? Делать ставку на промежуточный вариант вроде 11 нм смысла мало: выигрыш по сравнению с EUV (тем более High-NA EUV) окажется ничтожным, а затраты — запредельными. Ориентироваться на 4 нм и менее тоже не резон: здесь теоретически достижимый даже для брэгговских зеркал оптической системы коэффициент отражения слишком мал, поскольку энергия фотонов попросту огромна, и они гораздо чаще прошивают стопку чевертьволновых плёнок насквозь, чем отражаются от границ между ними. Но делать что-то определённо надо, ведь добавить High-NA EUV (или следующей за ним технологии Hyper-NA EUV с ещё бóльшим увеличением числовой апертуры — до 0,70−0,75) разрешения иммерсионным методом, как это проделали с DUV, не выйдет, — 13,5-нм излучение попросту поглотится в промежуточной жидкости. И вот группа исследователей из «Центра Келдыша», ГНЦ РФ ТРИНИТИ и Института спектроскопии РАН во главе с Андреем Шлойдо опубликовала недавно в «Успехах прикладной физики» статью о построении устройства формирования мишени для генерации излучения — как раз на той самой длине волны 6,7 нм, использование которой для B-EUV представляется на данный момент оптимальным.

⇡#При всём богатстве выбора

Для узла формирования излучения в EUV-литографе рабочим телом служит олово (Sn): импульсный углекислотный (CO₂) лазер с огромной энергией испаряет крохотные (25−30 мкм в поперечнике) капельки очищенного от малейших примесей расплавленного олова, свободно падающие в вакууме. Получаемая в результате такого испарения горячая сверхплотная плазма как раз и излучает сверхжёсткий ультрафиолет с необходимой длиной волны. Группа Шлойдо предлагает перейти от олова к тугоплавкому гадолинию (Gd), плазма которого (при возбуждении всё теми же углекислотными лазерами, например) как раз излучает в требуемом диапазоне около 6,7 нм. А заодно и отказаться от сложной конструкции формирующего плазму узла с каплегенератором, поменяв последний на специально для того разрабатываемое в «Центре Келдыша» устройство продуцирования мишени — электродуговой источник плазмы. Таким образом удастся снизить расход рабочего тела, предотвратить неполное преобразование вещества мишенных капель в газ, уменьшить интенсивность загрязнения внутренних поверхностей узла (а заодно и вакуумных турбомолекулярных насосов, обеспечивающих его работу) атомами металла и т. д.

Сканирующие электронные микроснимки экспонированных излучением EUV и B-EUV фоторезистов двух распространённых типов; для каждого приведено значение характерного масштаба физического разрешения — полушага между однотипными близкорасположенными структурными элементами, half-pitch (HP). Жёлтыми линиями выделен фактический профиль каждой из линий, которая на шаблоне была прямой: видно, что с сокращением длины волны стохастические эффекты проявляются ощутимо сильнее (источник: ETH Zurich)

Мало, однако, получить стабильный и плотный поток фотонов с длиной волны 6,7 нм: надо ещё каким-то образом добиться того, чтобы он сделал на поверхности пластины заготовки нечто полезное, — то бишь подобрать подходящий для взаимодействия с ним фоторезист. Осенью 2025 г. в Nature Chemical Engineering появилась работа команды из Университета Джонса Хопкинса под руководством профессора Майкла Цапациса (Michael Tsapatsis), обещающая качественный прорыв на этом направлении. Ведь вместо того, чтобы напрямую экспонировать фоторезист крайне высокоэнергичными (до 190 электронвольт против 92 эВ у 13,5-нм излучения) фотонами, порождая в нём крайне нежелательные каскады вторичных электронов и прочие стохастические эффекты, можно использовать энергию этих квантов электромагнитного излучения более разумным образом. А именно: подобрать такое вещество (сгодится, как выяснила группа Цапациса, и самый обычный цинк), тонкий слой которого поглотит излучение B-EUV — и испустит уже электроны, которые затем приведут в действие химические реакции в особой подложке, образованной гетероциклическими азотсодержащими ароматическими соединениями, относящимися к классу имидазолов. То есть формально это получается уже не фоторезист, а электрорезист, но дело своё он делает: на покрытой таким веществом пластине-заготовке с цинковой маской поверх под воздействием B-EUV получаются чрезвычайно тонкие узоры. В перспективе предложенное решение может оказаться крайне удачным: если научиться формировать непосредственно на покрытой имидазольным электрорезистом пластине маску (в масштабе 1:1, разумеется) будущего чипа с необходимым разрешением — или если использовать для её создания более грубую, но многопроходную технологию, — такой B-EUV литограф не будет нуждаться в оптической отражающей системе. Бесспорно, отсутствие многократно используемой отдельной маски усложнит и растянет по времени подготовку каждой пластины к экспонированию, но по крайней мере на ранних стадиях заэкстремальной ультрафиолетовой технологии такой подход может себя оправдать.

С грядущим освоением диапазона B-EUV связан ещё один тонкий момент: для создания рабочим телом излучения необходимой интенсивности потребуются более мощные лазеры, чем для EUV, поскольку чем меньше длина волны, тем сильнее поглощение потока фотонов. И если на практике заэкстремальные фотолитографы всё-таки примутся оснащать многозеркальной отражательной оптикой с многоразовыми фотомасками, потери энергии в оптическом тракте окажутся в разы больше, чем для EUV. Ещё в конце 2024 г. в Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса разработали лазер на основе одного из самых редких редкоземельных металлов, тулия, с большой апертурой (big-aperture thulium, BAT), призванный заменить ставшие уже стандартом для EUV углекислотные эксимерные лазеры — и обеспечить примерно десятикратный рост эффективности испускания фотонов нужной длины волны. Другой вариант усиления мощности лазерного излучения предложил американский стартап Inversion, планирующий создать компактный мощный источник на основе лазерного кильватерного ускорения (laser wakefield acceleration, LWFA) — взаимодействия сильного лазерного импульса с плазмой для ускорения электронов до чрезвычайно высоких энергий на очень коротком расстоянии. Разогнанные таким образом электроны пройдут через особую магнитную структуру, что приведёт к излучению ими когерентного света с точно заданной длиной волны. Эффект примерно тот же, что порождает синхротронное излучение, но вместо кольцевого ускорителя в несколько километров диаметром здесь потребуется лишь установка размером с письменный стол. Интересно, что LWFA-излучатель планируют сперва настроить на частоту 13,5 нм, интегрировав его в действующие EUV-литографы, а затем дооборудовать для получения 6,7-нм когерентного пучка.

Ускоренные за счёт LWFA в довольно компактной лабораторной установке электроны излучают когерентный свет с точно заданной длиной волны, в том числе и 13,5 нм, а в перспективе и 6,7 нм (источник: Inversion)

Потенциальные препятствия на пути перехода к B-EUV этим, конечно же, не исчерпываются. По мере дальнейшей миниатюризации техпроцесса, когда заэкстремальные литографы выйдут наконец на серийное производство чипов, возникнет необходимость уходить от кремния как основы для перспективной микроэлектроники. Точнее, так: по мере уменьшения толщины формирующего транзисторный затвор диэлектрика из-за неизбежных проявлений квантовых эффектов вероятность прямого туннелирования сквозь затвор станет в какой-то момент настолько высокой, что затворный диэлектрик (даже с актуальной ныне высокой диэлектрической постоянной — high-k) потеряет свои изолирующие свойства. Произойдёт это при толщине затворного слоя чуть более 1 нм, после чего придётся использовать иные диэлектрики, с ещё бóльшими значениями k — дисульфид молибдена, например. И в целом понятно, что с каждым очередным ангстремом дальнейшая миниатюризация фотолитографических процессов будет обходиться человечеству всё дороже.

Но что же тут поделаешь: потребность в произведении всё большего количества всё более масштабных вычислений с годами только растёт — и потому изобретать нечто новое по части «железа» так или иначе придётся. У технологии B-EUV, что стоит на плечах заслуженных гигантов EUV и DUV, перспектив в этом плане куда больше, чем у более экзотических подходов, — так что наверняка в ближайшие годы за новостями с этого направления технологического прогресса дело на станет.