Как Soft X-Ray литография может изменить производство микросхем: взгляд на B-EUV

Полупроводниковая индустрия движется вперед стремительными темпами: чипы становятся все компактнее, производительнее и энергоэффективнее, подпитывая инновации от искусственного интеллекта ^[1] до автономного транспорта. Но EUV-литография, несмотря на свои достижения, сталкивается с серьезными препятствиями: сложные оптические системы, колоссальные затраты и физические ограничения в разрешении.

И тут на горизонте появляется литография B-EUV (Beyond EUV), основанная на мягком рентгеновском излучении ^[2]. При длине волны 6,5–6,7 нм она позволяет формировать линии порядка 3–4 нм, что делает ее потенциальной альтернативой Hyper-NA EUV-системам. В первую очередь за счет меньшей числовой апертуры в B-EUV. Соответственно, не требуется много зеркал, да и оптика получается проще и дешевле. Давайте разберем, в чем ее уникальность, какие задачи уже решены и что за барьеры еще предстоит преодолеть.

Что такое B-EUV и почему она важна

Литография — ключевой процесс производства микросхем, в котором свет переносит микроскопические шаблоны на кремниевую подложку, формируя транзисторы и проводники. Методы глубокого ультрафиолета (DUV) с длиной волны 193 нм уперлись в физические ограничения ^[3]: напрямую они не могут формировать узоры меньше ~40 нм, а дальнейшее масштабирование стало возможным только благодаря усложненным приемам вроде иммерсионной литографии и многократных экспозиций. EUV с длиной волны 13,5 нм открыла путь к техпроцессам 7 нм и ниже, но ее оборудование оказалось чрезвычайно дорогим (более ^[4] 200 млн долларов за установку), энергозатратным (500–600 кВт) и требующим десятков зеркал ^[5] с высочайшей точностью полировки.

B-EUV использует мягкое рентгеновское излучение с длиной волны 6,5–6,7 нм, при котором энергия фотонов достигает 185–190 эВ против 92 эВ у EUV. Более короткая волна дает выше разрешение и ниже — рассеивание. Группа Майкла Цапатсиса из Университета Джонса Хопкинса показала ^[6], что плазма на основе гадолиния может генерировать такое излучение и формировать линии шириной порядка 3–4 нм. Благодаря этому B-EUV работает с меньшей числовой апертурой (NA), упрощая оптику и скращая затраты, что делает технологию перспективной для узлов 2 нм и ниже.

B-EUV позволяет ^[8] оптимизировать производство, уменьшая количество экспозиций и дефекты. Фотоны высокой энергии запускают каскад реакций ^[9] в фоторезистах, формируя узоры на молекулярном уровне с толщиной слоев 10–20 нм (против 30–50 нм у EUV). Это ускоряет травление и повышает точность. Кроме того, B-EUV можно настраивать под разные длины волн, и она подходит не только для чипов, но и для нанооптики или медицинской визуализации.

B-EUV меняет литографию: более короткая длина волны открывает путь ^[7] к тонким фоторезистам, что снижает энергопотребление и облегчает обработку пластин. В экспериментах удалось достичь разрешения меньше 5 нм без дополнительных хитрых приемов, которые в EUV приходится применять — например, многократных экспозиций или специальных масок. По оценкам IRDS, можно будет производить ^[10] чипы с плотностью до 10^9 транзисторов на мм² — основу для компактных устройств с обучающимися ИИ-моделями и интеграцией квантовых процессоров в обычную электронику.

Чем B-EUV отличается от EUV

B-EUV использует мягкое рентгеновское излучение с длиной волны около 6,5 нм, что теоретически позволяет достигать более высокого разрешения, чем у EUV на 13,5 нм. Исследователи из Университета Джонса Хопкинса показали ^[11], что новые фоторезисты на основе металлоорганических структур (aZIF) можно наносить методом химического жидкостного осаждения со скоростью порядка 1 нм/с, обеспечивая равномерные пленки, подходящие для работы с такими длинами волн. Это подтверждает, что B-EUV может стать реальным инструментом для будущих техпроцессов, хотя стабильные результаты на уровне 3–4 нм пока остаются целью, а не достигнутым стандартом.

Источники света у EUV и B-EUV различаются. В EUV для получения излучения используют оловянную плазму, возбуждаемую мощными CO₂-лазерами. При этом большая часть энергии теряется, а микрочастицы олова загрязняют камеру и ухудшают работу оптики. В B-EUV планируют применять другие материалы, например гадолиний. Он дает излучение на длине волны около 6,5 нм. Как и EUV, B-EUV требует глубокого вакуума, так как мягкое рентгеновское излучение активно поглощается воздухом, но эти задачи решаются с помощью герметичных камер, уже созданных для EUV. Перспективно, что B-EUV может обеспечить более высокое разрешение для новых транзисторных структур, включая GAA-архитектуру, где возможности EUV постепенно приближаются к пределу.

B-EUV может упростить литографию. Если EUV требует сложных масок и дополнительных приемов, то более короткая волна B-EUV позволяет получать четкие узоры без лишних шагов. Это дает шанс ускорить производство и снизить количество ошибок при создании чипов.

Решенные проблемы: металлоорганические фоторезисты и оптика

Фоторезисты остаются слабым местом литографии. В EUV традиционные полимеры плохо поглощают свет и требуют больших доз. В B-EUV исследователи из Университета Джонса Хопкинса предложили ^[11] использовать металлоорганические каркасные структуры (MOF/ZIF), которые лучше реагируют на излучение. Их можно наносить методом химического жидкостного осаждения (CLD) со скоростью около 1 нм/с на 300-мм пластины, что быстрее и дешевле традиционных способов. Такой подход дает гибкость и может использоваться в разных производственных процессах.

Оптика — еще одна область, где B-EUV требует новых решений. В EUV используются молибден-кремниевые мультислойные зеркала, но на длине волны около 6,5 нм они почти не отражают свет. Поэтому исследователи рассматривают ^[8] альтернативные покрытия, например на основе бор-нитрида или лантана, наносимые ионно-лучевыми методами. Параллельно ведутся работы с фоторезистами нового типа (MOF/ZIF), которые можно наносить методом CLD. Пока все это остается на уровне лабораторных испытаний, но прогресс уже заметен.

Правда, не решены проблемы масштабирования: CLD нужно адаптировать для тысяч пластин в час, а пеликлы для мягкого рентгена требуют доработки. Тем не менее успехи в химии и оптике создают фундамент для чипов с атомной точностью, готовя B-EUV к «выходу в люди».

Когда B-EUV станет реальностью

Перевести B-EUV из лаборатории в промышленность будет непросто. Первые опытные установки ожидаются в течение 3–5 лет, а массовое внедрение прогнозируется ближе к 2030–2035 годам. Главные барьеры — отсутствие ^[12] стабильных источников света мощностью около 500 Вт, а также необходимость ^[13] новых защитных пленок для масок и фотошаблонов, которые должны пропускать излучение почти без потерь. Есть сложности и с программным обеспечением: поведение ^[14] фоторезистов при облучении приходится просчитывать на уровне атомов и электронов, а это намного сложнее, чем стандартные модели OPC. К тому же оборудование остается очень чувствительным к вибрациям на фабриках. До конца десятилетия лидером останется Hyper-NA EUV (TSMC планирует запустить первые линии в 2026 году), но к началу 2030-х B-EUV может занять заметную долю рынка — до 20% в сегменте самых передовых чипов, особенно если энергопотребление EUV-сканеров (500–600 кВт) станет критичным фактором.

Прогресс поддерживают крупные компании: Intel и Samsung исследуют ^[15]металлоорганические фоторезисты и новые химические процессы, хотя промышленных установок B-EUV пока не существует. Разработку ускоряет ^[16] консорциум Blue-X, в который входят десятки участников, но риски сохраняются — например, возможный экспортный контроль на рентгеновские лазеры. Если эти барьеры удастся снять, B-EUV сможет стать альтернативой Hyper-NA EUV и уменьшить зависимость ^[17] отрасли от монополии ASML. Дополнительным преимуществом является энергоэффективность: B-EUV потребляет примерно на 30% меньше энергии, что важно в условиях ужесточающихся экологических требований.

В долгосрочной перспективе B-EUV может сделать производство микросхем более доступным. Если технология выйдет на промышленный уровень, ее станут использовать не только крупнейшие игроки, но и новые фабрики в развивающихся странах. Это даст рынку больше конкуренции и снизит зависимость от нескольких монополистов. А сама индустрия получит более гибкий и энергоэффективный инструмент для развития.