Производство чипов можно сравнить с печатью самой детализированной книги в мире. Но если в книге 300 страниц, то в процессоре миллиарды транзисторов. Как уместить это на кусочке кремния размером с ноготь? И здесь всё решает фотолитография.

Это не просто «свет и тень», сегодня в мире это технологическая и экономическая битва за нанометры. В этом обзоре о фотолитографии мы рассмотрим и ответим на самые популярные и правильные вопросы.

«Так что такое фотолитография. Это имеет отношение к фотографии?»

Нет. Хотя, суть та же: нужно перенести рисунок с шаблона (маски) на слой материала. В фотоателье свет проецирует ваше лицо на бумагу.

Фотолитография — технология проецирования на пластину с фоторезистом топологического слоя через фотошаблон с целью получения определённого рисунка на поверхности материала, широко используемый в микроэлектронике.

В литографии свет проецирует схему будущих транзисторов на пластину, покрытую специальным «фоторезистом» (светочувствительной пленкой). Где свет попал, там резист меняет свойства. Потом мы смываем лишнее и рисунок готов.

«Почему все помешаны на 5 нм, 3 нм? Что значат эти цифры на самом деле?»

Сегодня 5 нанометров (нм) уже не физический размер затвора транзистора. Это маркетинговый ярлык и одновременно индекс сложности технологии.

В старые добрые времена (130 нм, 90 нм) цифра честно означала длину канала транзистора. Сегодня производители (TSMC, Samsung, Intel) используют «3 нм» как название техпоколения. Реальный размер деталей там 20–30 нм, но они ухитряются размещать их настолько плотно, что энергоэффективность соответствует воображаемому «3 нм».

Чем меньше цифра, тем больше микрочипов влезает на одну пластину и тем дороже станок, который это рисует.

«Почему тогда все упираются в ASML? Эта одна голландская компания держит мир за горло?»

Да, ASML является монополией, за которой стоит физика. ASML — это не просто компания ASML Holding. Это координатор глобального картеля высоких технологий. Является единственным мировым производителем EUV-литографии для создания микрочипов по техпроцессам 7, 5 и 3 нм.

И действительно, это очень большая и интересная тема, (про ASML мы расскажем в следующей обзорной статье).

Коротко про EUV-литографию. Чтобы рисовать детали тоньше 7 нм, обычный свет будет слишком «толстый». Нужен свет с длиной волны 13.5 нм. Это и есть «экстремальный ультрафиолет» (EUV).

Для этого применяются зеркала из спеченных слоев молибдена и кремния. А источник света лазер, он стреляет в капельки олова (по 50 000 раз в секунду), получая плазму. И затем падается на пластину в вакууме.

Сделать это стабильно, с мощностью 250 Вт, чтобы производить по 150 пластин в час, не умеет больше никто в мире. Поэтому литография это не про «химию», а про инженерную магию и бюджет в 300 млн евро за один сканер EUV.

Одна машина EUV-литографии состоит из 100 000 компонентов, и ключевые из них компания ASML не делает сама, а подключила конкурентов.

Вот как выглядит невидимая империя ASML:

• Zeiss (Германия): создает зеркала с точностью, сравнимой с атомарной решеткой. Это 20 лет ноу-хау.
• Trumpf (Германия): делает лазер, который бьет по каплям олова.
• Cymer (США, куплена ASML): разрабатывала источник EUV-плазмы.
• VDL (Нидерланды): создает вакуумные камеры и логистику.
• ASM International (Нидерланды): поставляет системы осаждения пленок.

Эта экосистема сложилась десятилетиями. Попробуйте найти замену Zeiss. Не выйдет. 99% мировой оптики такого класса работает только на ASML. Поэтому, когда говорят «санкции против Китая», речь идет о том, что любой китайский конкурент (SMIC) физически не может собрать аналог EUV, потому что ни Zeiss, ни Trumpf не продадут ему компоненты по закону своих стран.

• Как такое удалось инженерам из Голландии, это уже отдельная история.

«А почему нельзя просто сделать маску один раз и печатать как газету?»

В том и секрет, печатают именно «как газету», но с правками на ходу.

Но здесь кроется «дьявол в деталях» (или, как говорят инженеры, OPC: оптическая коррекция проксимити). На микроне, свет начинает «дифрагировать», то есть размазываться. Углы квадрата на маске становятся закругленными. Тонкие линии обрываются.

Поэтому маска сегодня не чертеж микрочипа, а его зашифрованная версия. Инженеры специально рисуют на маске крючки, псевдолинии и утолщения, чтобы после искажений света на пластине получился идеальный прямоугольник транзистора. Это как если бы вы надевали очки, которые превращают каракули в каллиграфию.

«Если EUV такой крутой, зачем до сих пор используют старый DUV (глубокий ультрафиолет)?»

Здесь главное финансы и здравый смысл.

Станок DUV с технологией «иммерсионной литографии» (линза окунается в воду) рисует детали до 38 нм. Этого достаточно для контроллеров питания, чипов для автомобилей (где сейчас дефицит), датчиков и микроконтроллеров.

Как пример, зачем платить $300 млн за EUV-сканер от монополиста ASML, если вам нужно напечатать микрочип для блока ABS машины? Для этого остаточно DUV оборудования.

И здесь снова участвует ASML, голандцы продают DUV-станки всему миру (кстати, они не могут их поставлять в Китай из-за санкций, но это уже политика). Миру все еще нужно много «старых» чипов, и их производят на DUV.

«В литографии применяют технологию “мультипаттернинг”. Что это?»

Это страшно дорого и гениально. Применяли технологию, когда EUV еще не дозрел.

Допустим, ваш DUV-станок может нарисовать линии толщиной 40 нм. А вам нужно 20 нм. Что делаете? Рисуете «сетку»: сначала делаете «скелет» линий, осаждаете защитные стенки (спейсеры), убираете скелет и получаете линии тоньше. Повторяете 2-4 раза.

Минус: сложность растет экспоненциально. Один слой чипа может требовать 4 этапа литографии вместо одного. Каждый этап — это риск брака и время. Сегодня EUV позволяет делать 1 слой = 1 экспозиция. Мультипаттернинг для современных 5 нм: это уже извращение, хотя для зрелой продукции это норма.

«Что самое сложное в литографии: свет, маска или позиционирование?»

Не то и не другое, а вибрация и температура.

Рассмотрим как пример. Вы лазерной указкой рисуете карту Москвы на рисовом зернышке, стоя в кузове грузовика на кочках. Это уровень требований. Стол, на котором лежит пластина, движется с точностью в пикометры (это одна триллионная метра). Если проедет автобус за стеной чистого помещения, станок скорректируется за микросекунду, иначе все 5 миллиардов транзисторов на чипе поедут в брак.

Чистые комнаты класса ISO 1 (в 1000 раз чище, чем в операционной). Температура держится с точностью до 0.01°C. Одна молекула пота, упавшая на пластину, может разрушить слой литографии.

«Краткий итог: как изменится литография через 5 лет?»

Два главных тренда.

1. High-NA EUV (числовая апертура 0.55). Это следующая версия ASML. Оптика станет больше, линзы массивнее. Он позволит печатать детали до 8 нм в один проход. Без него «2 нм» и «1.4 нм» не сделать. Цена станка уже под €400 млн.

2. Прямое письмо (электронно-лучевая литография) не взлетело для массовки, так как это очень медленно. Зато набирают силу наноимпринт (штампуем как компакт-диски) и DSA (самосборка полимеров). Но в ближайшие 10 лет король — EUV.

Фотолитография: это соревнование, где победитель получает весь рынок AI, HPC и смартфонов. А проигравший покупает станки у победителя.