Каждый новый технологический узел в полупроводниковой индустрии требует всё более значительных инвестиций. Современные EUV-литографы оцениваются от 200 млн USD за единицу, не считая затрат на эксплуатацию, что сопоставимо со стоимостью небольшого завода. В таких условиях любая альтернатива, обещающая существенное сокращение расходов, моментально привлекает внимание.
.
Американская компания Substrate представила именно такую альтернативу: команда заявила, что сможет производить чипы класса 2 нм с помощью рентген-литографии на базе компактных ускорителей частиц и при этом сократить затраты в 10 раз по сравнению с EUV-системами. Разберёмся в принципах этой технологии, взглянем на её генезис и оценим реальные перспективы.
.
Рентген-литография: от истоков экспериментальных разработок 1970-х до современных вызовов
Первые опыты с рентген-литографией стартовали в начале 1970-х в MIT под руководством Генри Смита, который искал пути преодолеть оптические дифракционные ограничения литографии при UV-диапазоне. Идея заключалась в применении излучения с длиной волны 0,01–1 нм: такие волны почти не рассеиваются и способны формировать сверхточные структуры. Прототипы основывались на синхротронах, где электроны, разогнанные до релятивистских скоростей, излучали рентгеновские фотоны, позволяя уже в 1973 году подать первую патентную заявку и к середине десятилетия распечатать элементы размером в сотни нанометров.
.
В 1980-х годах IBM развернула лабораторную линию рентген-литографии и изготовила биполярные транзисторы с критическим размером около 0,5 мкм, а в Японии NEC и Toshiba экспериментировали в так называемой «near-field» литографии, добиваясь 0,2 мкм разрешения при маске, расположенной в нескольких микрометрах от пластины. В Европе на синхротроне Гренобля проверяли проекционные схемы, пригодные для серийного выпуска.
.
Главные плюсы ранней рентген-литографии заключались в однократном экспонировании, низкой чувствительности к загрязнению поверхности и возможности работы с неровным рельефом. Но синхротроны занимали целые корпуса, потребляли мегаватты, требовали вакуума по всему тракту луча, а маски из золота на бериллиевой подложке быстро портились. Также не хватало резистов, устойчивых к высоким дозам рентгена.
.
К 1990 году интерес к рентген-литографии практически угас: глубокий UV на длине 248 нм с проекционными сканерами Nikon и ASML продемонстрировал готовность к массовому производству, получая высокую производительность за счет многократных экспозиций. Рентген же отошёл в узкоспециализированные области — LIGA-микрофлюидика, производство детекторов и научные установки, уступив место EUV-системам с длиной волны 13,5 нм.
.
Однако на рубеже 2 нм узла EUV-литографы столкнулись с необходимостью двойных и тройных проходов, шумами в резистах и растущим энергопотреблением. Это вновь пробудило интерес к рентген-методу, но уже на базе компактных линейных ускорителей и упрощённой оптики из зеркал под малым углом падения. Тонкоплёночные резисты минимизируют размытие, а вакуум по-прежнему обязателен. Если источник укладывается в размеры грузовика и потребляет десятки киловатт, установка вписывается в стандартную «чистую» комнату.
.
Именно эта модернизированная схема и легла в основу решения Substrate.
.
Substrate: от замысла до прототипа с рабочими результатами
Центральный элемент системы Substrate — литографическая установка с компактным линейным ускорителем 100–200 МэВ. Фотоэмиттер генерирует электроны, которые в радиочастотных модулях разгоняются и, пройдя через магнитные секции, испускают импульсы рентгена высокой яркости. Излучение отражается простыми зеркалами малого угла, фокусируется в 1 мм точку и выполняет печать вблизи на расстоянии 20–50 мкм от пластины. Всё устройство размещается в вакууме 10⁻⁹ Торр, потребляя 50–100 кВт и занимая пространство, сопоставимое с небольшим фургоном.
.
По данным Reuters, прототип продемонстрировал линии шириной 11,8 нм с зазором 12,5 нм и межслойное совмещение точностью 1,4 нм (3σ). Отклонения по полю составили 0,22 нм, а шероховатость краёв линий не превысила 0,8 нм. Для сравнения, EUV-сканеры ASML в один проход обеспечивают 13–16 нм, требуя дополнительных экспозиций и снижая выход на 15–20 %.
.
В экспериментах Substrate применяла резист на основе гидрогенсилсесквиоксан толщиной 20 нм и дозой 200 мДж/см² без повреждений подложки. Прототип обрабатывает 5–10 пластин в час, а при переходе на многолучевой режим обещает выйти на 150–200 пластин к 2027 году. Пилотную линию планируют развернуть в Калифорнии в 2026 году, а первую коммерческую фабрику — в 2028 г. на базе Texas A&M University в Брайане.
.
Плюсы, ограничения и реальные перспективы на рынке
Экономически система Substrate выигрывает у EUV: цены ASML NXE:3600D стартуют от 220 млн USD, а версия с высокой NA — от 380 млн, к которым добавляются затраты на инфраструктуру. Оценочная стоимость ускорителя Substrate — 20–30 млн USD, без плазменных источников и многослойных зеркал.
.
По расчётам компании, себестоимость обработки 300-мм пластины может снизиться с 80–100 тыс. USD до 8–10 тыс. USD, открывая доступ средним фабрикам и уменьшая зависимость США от азиатских поставщиков. Substrate уже участвует в программе финансирования по Закону о микросхемах; первоначально Белый дом скептически относился, но сейчас обсуждается государственная поддержка.
.
Технические преимущества рентгена включают высочайшее разрешение, гладкие контуры линий и меньше дефектов. Однако для металлических слоёв точность совмещения остаётся критичной, и иногда без дополнительной экспозиции не обойтись.
.
В то же время стабильная работа на уровне 200–300 пластин в час предъявляет жесткие требования: вибрации не должны влиять на ускоритель более чем на 0,1 %, зеркала изнашиваются, а тонкоплёночные резисты уязвимы. Маски без защитных покрытий загрязняются частицами, что может снизить выход ниже 70 %.
.
Экосистема ещё не сформирована: нет стандартов метрологии, проверенных поставщиков масок и отработанных процессов травления. Финансовые затраты на разработку составят около 100 млн USD, а создание фабрики в расчёте на 50 тыс. пластин в месяц обойдётся в миллиарды. Если Substrate затянет сроки, рынок займут решения с высокой NA или методики нанопечати от Canon. Не последнюю роль играет регуляторика: ускорители требуют строжайшего контроля радиационной безопасности.
.
В итоге, при удачном масштабировании и создании экосистемы материалов и оборудования рентген-литография может претендовать на узлы 2 нм и тоньше. Сейчас технология действительно выглядит многообещающе, но до промышленного развертывания предстоит преодолеть немало препятствий.
.
