С каждым новым полупроводниковым техпроцессом требуются всё более значительные инвестиции. Современные установки EUV-литографии обходятся свыше 200 млн $ за штуку без учёта сервисного обслуживания. В такой ситуации каждый метод, обещающий заметное сокращение затрат, мгновенно привлекает внимание.
Именно такое решение предлагает американский стартап Substrate. Команда разработчиков заявляет, что сможет выращивать чипы 2-нм класса с помощью рентгеновской литографии на компактных ускорителях частиц — и делать это в десять раз дешевле, чем на современных EUV-системах. Ниже — подробный разбор принципов технологии, её истории и перспектив, а также краткий экскурс в эволюцию рентген-литографии.
Рентген-литография: от истоков 1970-х до возрождения
Первое серьёзное исследование рентгеновской литографии было начато в начале 1970-х в MIT под руководством Генри Смита. Оптическая литография уже упиралась в пределы дифракции, и учёные предложили использовать излучение с длинами волн 0,01–1 нм. Такие волны почти не рассеиваются, легко проникают через фоторезист и дают возможность формировать структуры с разрешением гораздо ниже сотен нанометров. Первые эксперименты на мощных синхротронных ускорителях к 1973 году оформились в патентные заявки, а к середине десятилетия получали элементы размером в сотни нанометров.
В 1980-е рентген-литография вышла за рамки прототипов. В IBM организовали экспериментальный линию и получили биполярные транзисторы с критическим размером около 0,5 мкм, а также акустические фильтры для связи. В Японии NEC и Toshiba отработали proximity-режим (зазор маски до образца несколько микрон) с разрешением примерно 0,2 мкм. В Европе на синхротроне Гренобля проверяли проекционные схемы, пригодные для серийного производства.
Рентген-литография имела явные преимущества: однократная экспозиция вместо многократных, не чувствительна к частицам пыли и может печатать на неровных поверхностях. Но масштабные синхротроны требовали огромных площадей, потребляли мегаватты и нуждались в сложных вакуумных системах. Золотые маски на бериллиевых плёночках быстро загрязнялись, а фоторезисты не справлялись с высокой дозой рентгена.
К 1990-м интерес резко упал: глубокий ультрафиолет (248 нм) на проекционных сканерах Nikon и ASML доказал, что готов к массовому производству, обеспечивая сотни пластин в час. Рентген же остался нишевым — в процессах LIGA, производстве микросистем и научных детекторах. К началу 2000-х его почти не упоминали, уступив место EUV (13,5 нм) с плазменными источниками и многослойными зеркалами.
Сегодня, на пороге техпроцесса 2 нм, EUV-литографы сталкиваются с ограничениями: для высокой плотности нужны двойная или тройная экспозиция, шумы в резисте снижают выход, а энергопотребление достигает уровня небольшого города. На этом фоне рентген-литография возвращается — но уже на базе компактных линейных ускорителей, способных генерировать волны <1 нм. Вместо тяжёлых многослойных зеркал достаточно простых отражателей под малым углом падения. Такой подход позволяет формировать узоры без повторных экспозиций, а установка, сравнимая с грузовиком, легко вписывается в чистую комнату.
Именно эту модернизированную концепцию развивает Substrate.
Substrate: от прототипа к первым результатам
Главная инновация Substrate — литографическая система с интегрированным линейным ускорителем 100–200 МэВ. Фотоэмиттер создаёт электроны, которые в радиочастотных модулях разгоняются до релятивистских скоростей и, пройдя через магнитные элементы, испускают яркие рентгеновские импульсы. Их собирают простые зеркала под малым углом, фокусируют в пятно ~1 мм и выполняют печать в режиме proximity при зазоре 20–50 мкм. Система работает при 10⁻⁹ Торр, занимает объём небольшого фургона и потребляет 50–100 кВт.
По итогам первых испытаний Substrate напечатала линии шириной 11,8 нм с промежутками 12,5 нм и соединения с шагом 28 нм. Точность совмещения слоёв составила 1,4 нм (3σ), разброс — 0,22 нм, а шероховатость краёв линий не превысила 0,8 нм. Для сравнения: EUV-системы ASML дают 13–16 нм в один проход и требуют дополнительных экспозиций, снижая выход на 15–20 %.
В экспериментах использовали 20-нм резист из гидрогенсилсесквиоксана с дозой 200 мДж/см², не повреждая подложку. Текущий прототип обрабатывает 5–10 пластин в час, но при переходе на многолучевой режим к 2027 году прогнозируется 150–200 пластин/час. Пилотная линия намечена на 2026 г. в Калифорнии, а первая коммерческая фабрика — в 2028 г. на базе Texas A&M в Брайане, сфокусирована на чипах для ИИ и автомобильной электроники.
Преимущества, ограничения и перспективы
С экономической точки зрения Substrate ликвидирует ключевые недостатки EUV: отсутствие сложных плазменных источников и многослойных зеркал позволяет оценить стоимость установки в $20–30 млн вместо $220–380 млн за ASML NXE:3600D с инфраструктурой. Обработка 300-мм пластины может подешеветь с $80–100 тыс до $8–10 тыс, что делает технологию доступной для заводов среднего уровня и снижает зависимость США от азиатских поставщиков.
Substrate уже претендовала на финансирование по закону CHIPS Act: первоначально администрация Байдена была скептична, но сейчас обсуждается государственная поддержка и возможные гранты.
Технически рентген обеспечивает более тонкие и ровные линии, уменьшает шумы в резисте и упрощает проектирование масок. Тем не менее при металлических слоях точность совмещения остаётся критичной, и в ряде случаев без дополнительной экспозиции не обойтись.
Основные вызовы: стабильная работа на уровне 200–300 пластин/час с дрейфом луча ниже 0,1 %, чувствительность ускорителя к вибрациям, износ отражателей от интенсивного потока рентгена. Современные резисты слишком тонки, нуждаются в более прочных составах для серийного производства, а маски без защитных плёнок быстро загрязняются — одна частица может снизить выход ниже 70 %.
Экосистема технологий ещё формируется: нет стандартов метрологии, проверенных поставщиков масок и отработанных процессов травления. Финансовый порог высок: разработка потребует ~$100 млн, а фабрика на 50 тыс пластин/мес — миллиарды долларов. Если Substrate задержится с сроками, рынок может занять EUV с высокой NA или нанопечать Canon, а регулирование радиационной безопасности ускорителей усложнит внедрение.
В целом, при успешном масштабировании и создании экосистемы материалов и оборудования рентген-литография Substrate имеет шанс стать реальной альтернативой ASML на узлах 2 нм и тоньше. Но до промышленного запуска ещё далеко.
