Переход к каждому новому техпроцессу в полупроводниковой промышленности сегодня требует все больших вложений. Ну а современные EUV-литографы стоят как небольшой завод — от 200 миллионов долларов за штуку, не считая расходов на обслуживание. В этой ситуации любой альтернативный подход, который обещает снизить затраты, сразу привлекает внимание.
Новинку как раз предлагает команда американского компании Substrate. Разработчики заявили, что могут выпускать чипы класса 2-нм с помощью рентген-литографии на базе компактных ускорителей частиц. Причем все это в десять раз дешевле, чем на современных системах с экстремальным ультрафиолетом. Давайте разберемся, что представляет собой эта технология, откуда она взялась и какие у нее перспективы. Заодно подробнее остановимся на рентген-литографии — ее истории, принципах и причинах возрождения.
Рентген-литография: от первых экспериментов 1970-х до современных перспектив
История рентген-литографии начинается в начале 1970-х, когда инженеры из Массачусетского технологического института под руководством Генри Смита искали способ преодолеть дифракционные ограничения традиционной оптической литографии. В те годы ультрафиолетовые источники уже подходили к пределу, и идея использовать излучение с длиной волны в диапазоне 0,01–1 нанометра казалась логичным шагом. Такие короткие волны почти не рассеиваются, проходят сквозь фоторезист без лишних отражений и позволяют формировать структуры с высоким разрешением. Первые опыты проводились на синхротронах — крупных кольцевых ускорителях, где электроны, разогнанные до релятивистских скоростей, излучали рентгеновские фотоны при прохождении через магнитные поля. Уже в 1973 году вышла первая патентная заявка, а к середине десятилетия появились экспериментальные установки, на которых удалось напечатать элементы размером в сотни нанометров.
К 1980-м годам рентген-литография вышла за рамки первых опытов. В IBM развернули полноценную экспериментальную линию и смогли изготовить биполярные транзисторы с критическим размером около 0,5 микрометра, а также акустические фильтры для телекоммуникаций. В Японии NEC и Toshiba развивали режим печати вблизи, где маска располагается всего в нескольких мкм от пластины, и достигали разрешения порядка 0,2 мкм. В Европе на синхротроне в Гренобле испытывали проекционные схемы, пригодные для серийного производства.
Преимущества рентген-литографии на этом этапе были хорошо заметны: один проход экспозиции вместо нескольких, слабая чувствительность к частицам на подложке, возможность работать с неровным рельефом. Но именно источники излучения мешали продвижению дальше. Синхротроны занимали целые здания, потребляли мегаватты и требовали глубокого вакуума на всем пути луча. Маски делали без защитной пленки (из тонкого золота на бериллиевой мембране), из-за чего они быстро загрязнялись и выходили из строя. Фоторезисты тоже не поспевали: нужны были материалы, чувствительные к рентгену, но способные выдерживать высокие дозы.
К 1990-м годам интерес к рентген-литографии практически сошел на нет. Пока она оставалась в лабораториях, глубокий ультрафиолет на длине волны 248 нанометров с проекционными сканерами Nikon и ASML показал, что технология готова к массовому производству: разрешение повышали многократной печатью, а производительность достигала сотен пластин в час. Рентген же ушел в узкие сферы — в процесс LIGA для микрофлюидики, в производство отдельных микросистем и научных детекторов. К 2000-м о нем почти перестали говорить: уступил место экстремальному ультрафиолету с длиной волны 13,5 нанометра, плазменными источниками и сложными многослойными зеркалами.
Сегодня на подходе к 2-нм техпроцессу EUV литографы сталкиваются с ограничениями: для высокой плотности нужна двойная или тройная экспозиция, случайные шумы в резисте снижают выход, а энергопотребление растет до уровней небольшого города. На этом фоне рентген-литография снова стала востребованной. Современные установки уже не требуют огромных синхротронов — рентген создают компактные линейные ускорители, которые работают с длинами волн меньше одного нанометра. Это позволяет формировать более мелкие структуры без повторных экспозиций. Оптика тоже упростилась: достаточно зеркал под малым углом падения, без сложных многослойных покрытий. Тонкие резисты уменьшают размытие, а вакуум по-прежнему необходим. Экосистема поставщиков пока только формируется, но если источник излучения умещается в размеры грузовика, такая установка легко вписывается в стандартную чистую комнату.
По сути, это развитие старой концепции рентген-литографии на новой технической базе — именно такую схему и выбрала компания Substrate.
Substrate: от концепции к прототипу с конкретными результатами
Ключевая разработка Substrate — литографическая установка со встроенным компактным линейным ускорителем с энергией электрона 100–200 мегаэлектронвольт. Фотоэмиттер генерирует частицы, те разгоняются в радиочастотных модулях и, проходя через магнитные элементы, испускают рентгеновские импульсы с очень высокой яркостью. Излучение собирают простые зеркала под малым углом падения, после чего его фокусируют в точку диаметром 1 мм и направляют на маску при печати вблизи — на расстоянии всего 20–50 микрометров от пластины. Вся система работает в сверхвысоком вакууме (10⁻⁹ Торр), но при этом остается компактной: по размеру она сопоставима с небольшим фургоном и потребляет 50–100 киловатт.
Первые испытания прототипа уже дали результаты. Команда Substrate напечатала тестовые структуры: линии шириной 11,8 нм и разрывами 12,5 нм, а также соединения со шагом 28 нм от центра до центра. Точность совмещения слоев составила 1,4 нм (три сигмы), разброс размеров по полю — всего 0,22 нм, а шероховатость краев линий не превышала 0,8 нм. Для сравнения: системы ASML на экстремальном ультрафиолете с низкой числовой апертурой дают 13–16 нм в один проход и требуют дополнительной экспозиции для той же плотности, что снижает выход примерно на 15–20 процентов.
В эксперименте Substrate использовала резист на основе гидрогенсилсесквиоксана толщиной 20 нанометров с дозой 200 миллиджоулей на квадратный сантиметр, — подложка при этом не повреждалась. Пока установка способна обрабатывать 5–10 пластин в час, но в многолучевом режиме компания рассчитывает выйти на 150–200 пластин к 2027 году. Пилотная линия намечена на 2026 год в Калифорнии, а первую коммерческую фабрику планируется запустить в 2028-м на базе Техасского университета A&M в Брайане. Основной расчет — на производство чипов для искусственного интеллекта и автомобильной электроники.
Преимущества, ограничения и реальные шансы на рынке
С экономической точки зрения Substrate бьет по слабым местам технологий на экстремальном ультрафиолете. Современная машина ASML NXE:3600D стоит около 220 млн долларов, а версия с высокой числовой апертурой — уже 380 млн, и к этому нужно прибавить десятки миллионов на инфраструктуру. Substrate же оценивает свою установку всего в 20–30 млн. Экономия достигается за счет отсутствия плазменных источников света и сложных многослойных зеркал.
По расчетам компании, стоимость обработки 300-миллиметровой пластины может упасть с нынешних 80–100 тысяч долларов до 8–10 тысяч. Это сделает технологию доступной для фабрик среднего размера и уменьшит зависимость США от азиатских производителей. Substrate уже пыталась получить финансирование по закону о чипах; сначала администрация Байдена была против, но сейчас участие государства обсуждается, что может принести дополнительные гранты.
С технической стороны рентген дает более высокое разрешение и ровность линий, уменьшает случайные дефекты в резисте и упрощает проектирование. Однако для металлических слоев точность совмещения по-прежнему критична, и в некоторых случаях все равно может понадобиться многократная экспозиция.
Но проблем тоже много. Одно дело — лабораторные эксперименты, и совсем другое — стабильная работа на уровне 200–300 пластин в час, где отклонение луча не должно превышать 0,1%. Ускоритель чувствителен к вибрациям, а зеркала могут постепенно портиться от интенсивного излучения. С резистами тоже непросто: текущие материалы слишком тонкие и капризные, а для массового производства нужны более устойчивые составы. Маски без защитной пленки легко загрязняются: одна частица способна испортить большую область, и выход может упасть ниже 70%.
Экосистема вокруг технологии пока не сформирована: нет стандартов метрологии, надежных поставщиков масок и отлаженных процессов травления. Финансовый барьер тоже проблема. Около 100 млн пойдет лишь на разработку, а фабрика с выпуском 50 тысяч пластин в месяц обойдется уже в миллиарды. Если Substrate задержится со сроками, как это было с экстремальным ультрафиолетом (с 2003 по 2019 год), рынок успеют занять другие решения — системы с высокой числовой апертурой или нанопечать Canon. И остаются регуляторные вопросы: ускорители требуют строгого контроля радиационной безопасности.
В общем, если компании удастся масштабировать технологию и выстроить экосистему материалов и поставщиков, рентген-литография действительно может стать альтернативой ASML на узлах 2 нм и ниже. Пока эта технология действительно кажется перспективной, но ее до промышленного внедрение еще ой как далеко.