Китайские учёные построили компактную твердотельную лазерную систему, которая генерирует когерентный свет с длиной волны 193 нм. Это изобретение обещает прорыв в полупроводниковой литографии и других технологических областях.

Источник изображения: spie.org

Лазеры, работающие в глубоком ультрафиолете (DUV) с высокой энергией фотонов и короткими длинами волн, применяются в полупроводниковой литографии, спектроскопии высокого разрешения, прецизионной (высокоточной) обработке материалов и в квантовых технологиях. Их отличают высокая когерентность и низкое потребление энергии в сравнении с эксимерными или газоразрядными лазерами, то есть возможность создавать компактные установки.

Китайским учёным удалось добиться значительного прогресса и построить компактную твердотельную лазерную систему, способную генерировать когерентный луч с длиной волны 193 нм, сообщается в рецензируемом научном журнале Advanced Photonics Nexus. Эта длина волны имеет решающее значение в полупроводниковой литографии — процессе травления сложных узоров на кремниевых пластинах, составляющих основу современной электроники.

Лазерная система работает с импульсной частотой повторения 6 кГц, в ней используется усилитель на кристалле Yb:YAG (иттербий-допированный иттрий-алюминиевый гранат) и производится лазер с длиной волны 1030 нм. Луч разделяется на две части: одна проходит через нелинейный кристалл, где подвергается генерации четвёртой гармоники для производства луча 258 нм с выходной мощностью 1,2 Вт; вторая воздействует на оптический параметрический усилитель, генерируя лазер 1553 нм мощностью 700 мВт. Далее они объединяются в каскадных кристаллах LBO (триборат лития — LiB₃O₅), и производится лазер на 193 нм, достигающий средней мощности 70 мВт с шириной линии менее 880 МГц. Перед смешиванием частот исследователи ввели в луч 1553 нм спиральную фазовую пластину, благодаря которой стал генерироваться вихревой луч с орбитальным угловым моментом — спиральный лазерный луч.

Таким образом, учёным удалось впервые произвести на твердотельной установке вихревой лазерный луч с длиной волны 193 нм. Он сможет применяться для затравки гибридных эксимерных лазеров на фториде аргона (ArF), использоваться в литографии кремниевых пластин, выявлении дефектов, в квантовой связи и оптическом микроманипулировании. Система предлагает более высокую эффективность и точность для полупроводниковой литографии и открывает новые возможности для производственных технологий. Генерация вихревого луча с длиной волны 193 нм обещает дальнейшие прорывы в этой области вплоть до революции в производстве электроники.

Самые передовые 7-нм чипы, выпускаемые китайской SMIC по заказу Huawei, как принято считать, изготавливаются с использованием DUV-оборудования нидерландской ASML. Судя по обновлению каталога доступного для китайских производителей отечественного оборудования, у них скоро появится возможность выпускать 8-нм продукцию независимо от наличия доступа к зарубежным литографическим системам.

Источник изображения: AMEC

К такому выводу приходит ресурс TrendForce, ссылающийся на публикацию Министерством промышленности и информационных технологий КНР обновлённого каталога, который составлен для продвижения технического оборудования китайского происхождения.

В какой стадии готовности к выходу на рынок находится соответствующая система, не уточняется, но в документе подчёркивается, что она позволит выпускать чипы с точностью межслойного совмещения не более 8 нм. Разрешающая способность такого оборудования не превышает 65 нм, оно использует лазер с длиной волны 248 нм и кремниевые пластины типоразмера 300 мм. Другими словами, соответствующее оборудование позволяет создавать 8-нм чипы без перехода на лазеры со сверхжёстким ультрафиолетовым излучением (EUV).

Предполагается, что в разработке такой литографической системы приняли участие китайские компании AMEC и SMEE, а также представители научного сообщества КНР. В этом месяце Нидерланды ввели дополнительные ограничения на поставки в Китай литографических сканеров производства ASML, работающих с DUV-излучением. Если китайским производителям удастся наладить выпуск DUV-сканеров для выпуска 8-нм продукции, то местная полупроводниковая промышленность перестанет в некоторой части покрываемого ассортимента продукции зависеть от США, Нидерландов и Японии.

США активно сотрудничают с Японией и Нидерландами, чтобы запретить Китаю доступ к передовым полупроводниковым технологиям, использованным в 7-нанометровом чипе для Huawei Mate 60 Pro. Китайская компания SMIC, создавшая чип, продемонстрировала производственные возможности, вызвавшие серьёзную озабоченность в США. По информации от инсайдеров, SMIC пользовалась оборудованием ASML в сочетании с инструментами других компаний, что вызвало в Вашингтоне вопросы об эффективности контроля за передовыми технологиями.

Источник изображений: ASML

ASML играет ключевую роль в глобальной цепочке поставок чипов. Она обладает монополией на передовые системы литографии в сверхжёстком ультрафиолете (EUV), которые необходимы для производства самых передовых чипов, а также поставляет литографические сканеры для производства полупроводников по более зрелым техпроцессам.

ASML никогда не могла продавать свои системы EUV-литографии в Китай из-за экспортных ограничений. Но, по мнению отраслевых аналитиков, менее продвинутые системы для литографии в глубоком ультрафиолете (DUV) могут быть переоснащены оборудованием для осаждения и травления для производства 7-нанометровых и, возможно, даже более совершенных чипов.

Безусловно, этот процесс намного дороже, чем непосредственное использование EUV-литографии, что затрудняет масштабирование производства в конкурентной рыночной среде, однако китайское правительство готово взять на себя значительную часть затрат. Китайские компании уже много лет законно накапливают запасы DUV-оборудования, особенно после того, как в прошлом году США ввели экспортный контроль, к которому затем подключили Японию и Нидерланды. Но по словам источников, экспортные ограничения в отношении ASML были введены слишком поздно, чтобы остановить китайские успехи в производстве микросхем.

Давление со стороны США подтолкнуло правительство Нидерландов прошлым летом объявить о планах запретить компании ASML поставлять в Китай без лицензии три из четырёх своих самых передовых моделей машин для DUV-литографии, второй по мощности категории оборудования. В настоящее время ASML по-прежнему может экспортировать эту продукцию в Китай, но с января следующего года поставки будут полностью прекращены.

В этом году китайские производители микросхем увеличили количество заказов на литографическое оборудование в преддверии вступления экспортного контроля в полную силу в 2024 году. На долю Китая пришлось 46 % от всех продаж ASML в третьем квартале по сравнению с 24 % в предыдущем квартале и 8 % в первом.

Новые меры контроля, о которых администрация США объявила в этом месяце, ещё больше ограничивают экспорт оборудования для DUV-литографии. Согласно новым правилам, ASML по-прежнему сможет поставлять лишь свою наименее совершенную машину NXT:1980Di на китайские предприятия, производящие старые чипы. Это затронет поставки ASML на шесть заводов в Китае, включая одно предприятие SMIC. По прогнозам, новые экспортные ограничения в США и Нидерландах снизят поставки оборудования ASML в Китай на 15 %.

Эксперты полагают, что новые ограничения США на поставку оборудования для EUV-литографии теперь соответствуют ограничениям в Нидерландах. Но в вопросе регулирования DUV-машин США пошли дальше, что вызвало недовольство: группа голландских политиков, включая законодателей от двух партий правящей коалиции, призвала своё правительство выступить против новых мер США.

Генеральный директор ASML Питер Веннинк (Peter Wennink) также публично выступил против этих мер и предупредил, что они могут побудить Китай к разработке конкурирующих технологий. «Чем больше вы будете оказывать на них давление, тем больше вероятность, что они удвоят свои усилия», — заявил он.

«Соединённые Штаты провели свой собственный анализ безопасности. Они имеют на это право», — заявила министр внешней торговли Нидерландов Лейсье Шрайнемахер (Leisje Schreinemacher) в парламенте на этой неделе. Она полагает, что Европейский Союз должен играть более важную роль в обсуждениях с США по контролю за экспортом чувствительных технологий и собирается поднять этот вопрос перед премьер-министром Марком Рютте (Mark Rutte) в Брюсселе.