Canon планирует печатать самые современные микропроцессоры по технологии нанопечати

Несмотря на то, что стоимость производства одного транзистора современной микросхемы снижается с каждым поколением литографических технологических процессов (при наличии масштаба), стоимость машин, производящих их и подготавливающих дизайн новой высокопроизводительной микросхемы, давно улетела в космос. Поэтому современная литография стала игрушкой для самых больших и богатых. Новая серия литографических машин Canon, использующих наноимпринт (нанопечать), может изменить ситуацию, хотя, возможно, и не сразу.

Наноимпринтные машины Canon готовы к технологическим процессам класса 5 нм

Подождите, Canon? Canon, выпускающая фотоаппараты и принтеры? Да, тот самый. Компания Canon уже много лет работает в сфере литографических машин и некоторое время (наряду с компанией Nikon - да, той самой Nikon) была одним из технологических лидеров в этой области. В какой-то момент широкий рынок полупроводников решил, что будущее фотолитографии - за EUV, и (после ряда задержек и гигантских залогов) в результате голландская ASML стала единственной компанией, выпускающей современные фотолитографические машины. Инженеры же Canon уже несколько лет работают над альтернативной технологией нанопечати, и с октября этого года у Canon наконец-то можно заказать машину FPA-1200NZ2C, позволяющую создавать на кремнии линии шириной около 15 нм. То есть новое оборудование Canon (по крайней мере, теоретически) позволяет получать результаты, аналогичные тем, которые достигаются в фотолитографических процессах класса 5 нм.

И, как сообщается, это не последнее слово японской компании, поскольку ожидается, что будущие машины позволят создавать линии шириной 10 нм, что соответствует фотолитографическому процессу класса 2 нм. Самая важная новость? Одна машина EUV от ASML стоит 150-200 млн. долл. Ожидается, что стоимость одной EUV-машины с высокой степенью NA превысит 300 млн. долл. А вот FPA-1200NZ2C, как ожидается, будет стоить "всего" десяток миллионов долларов. Где же здесь подвох, ведь он должен быть? Об этом мы поговорим чуть позже.

Canon FPA-1200NZ2C

Наноимпринт в сравнении с "классической" фотолитографией

"Классическая" фотолитография в простом изложении выглядит следующим образом. На поверхность кремниевой пластины наносится очень тонкий слой материала, называемого фоторезистом. Литографическая машина генерирует свет соответствующей длины волны, который проходит через так называемую маску или отражается от нее, в результате чего на поверхности пластины рисуется светом схема с транзисторами или соединениями между ними. Фоторезист реагирует на падающий свет и изменяет свою структуру. Затем ненужная часть фоторезиста удаляется (либо та, на которую упал свет, либо та, на которую свет не упал, в зависимости от ситуации).

Наноимпринт также требует наличия соответствующего источника света, использует маски и фоторезист, но работает по совершенно иному принципу. Фоторезист наносится не на всю поверхность пластины, а в виде микроскопических капель только на те участки, где должны быть сформированы необходимые элементы макета, - примерно как капли чернил через струйный принтер. Затем к пластине прижимается прозрачная маска, на которой выдавливается рисунок, который необходимо "напечатать" - другими словами, пластина "штампуется". Фоторезист заполняет все щели маски, после чего его облучают ультрафиолетовым светом, в результате чего он затвердевает. Маска отделяется от пластины, на которой остается готовый рисунок.

Наноимпринт Canon обладает неоспоримыми преимуществами

Самым большим преимуществом наноимпринтинга является его относительная технологическая простота - по крайней мере, по сравнению с EUV-литографией. Для ее реализации нет необходимости создавать невероятно сложный и энергоемкий источник EUV-света, в котором капли свинца, выпущенные в вакуум, бомбардируются лазером. Достаточно простых источников ультрафиолетового излучения, которые уже несколько десятилетий используются в литографии. Также нет необходимости разрабатывать невероятно дорогую оптическую систему на основе очень сложных и гладких зеркал. Исчезли и многие другие проблемы, над которыми десятилетиями работали лучшие умы мира, чтобы сделать EUV-литографию реальностью, и разработка которых стоила миллиарды долларов. Кроме того, мы освобождаемся от необходимости избавляться от ненужного фоторезиста и запекать пластины после экспонирования. И что, все перейдут на оборудование Canon, а ASML обанкротится? Не так быстро.

Однако у наноимпринта есть и свои недостатки

Несмотря на то, что у наноимпринтинга действительно много преимуществ и он технологически проще (и, безусловно, дешевле), чем EUV-фотолитография, нетрудно догадаться, что он влечет за собой массу проблем с более, скажем упрощенно, механической стороны. Начнем с вопроса о масках/шаблонах. Маски для EUV-литографии - далеко не тривиальный вопрос, но рисунки на них обычно в несколько раз больше, чем те, которые в итоге получаются на кремниевой пластине, поскольку она при этом оптически уменьшается. В нанопечати же маска должна идеально отображать желаемый рисунок в масштабе 1:1, причем речь идет о линиях шириной порядка 10-15 нм, что соответствует 100-200 атомам, расположенным рядом друг с другом. Маски для нанопечати также быстро изнашиваются (гораздо быстрее, чем маски для фотолитографии) - несколько сотен пластин, и маска подлежит замене. Компании Canon потребовалось много лет, чтобы продлить срок службы своих "штампов" и разработать машину, позволяющую быстро и относительно недорого клонировать мастер-маску.

Есть и другие проблемы. Нанопечать более восприимчива к различного рода загрязнениям, "летающим" в камере машины, поскольку они прижимаются к пластине, а самые мелкие из них не могут быть обнаружены существующими метрологическими машинами. Их можно обнаружить только постфактум, когда печатная схема не работает. К маскам ничего не должно прилипать, потому что несколько шальных атомов, прилипших к маске, означают полностью испорченные пластины схемы. Как отвести маску от подложки так, чтобы сформированные схемы свободно выходили из полостей и не были порваны или сломаны? Как справиться с естественными микроскопическими неровностями подложки, чтобы маска прижималась к ней правильным образом? Как укладывать последовательные слои печати с точностью, измеряемой единицами нанометров? Ну, и по своей сути нанопечать - более медленный процесс, чем фотолитография. То есть он мог бы быть не медленнее, если бы "штамповалась" сразу вся пластина, но избежать дефектов в получаемых микросхемах при такой большой маске оказывается слишком сложно.

Canon пришлось разработать способ "прогнать" любой мусор, прежде чем нажимать маску на пластину

Новые машины Canon дают надежду небольшим производителям полупроводников

Поэтому неудивительно, что компании Canon потребовалось так много времени, чтобы довести эту технологию до коммерческого уровня. Неудивительно и то, что на данный момент компания предполагает, что ее основными заказчиками из мира полупроводников будут производители памяти. Память имеет очень регулярную и повторяющуюся структуру, что делает ее более простой в изготовлении, чем логику, и более щадящей к любым дефектам структуры, возникающим в процессе литографии. Поэтому владельцы ASML могут быть спокойны - их монополии ничего не угрожает. С другой стороны, новые машины Canon могут открыть дорогу к самым плотным производственным процессам для небольших производителей чуть более экспериментальной электроники и различного рода исследовательских центров, где возможность быстрого выпуска миллионов рабочих микросхем не является приоритетной. Японское решение может использоваться и как дополнение к фотолитографии - некоторые слои или элементы микросхемы могут создаваться "традиционным" способом, а другие - "штамповаться".

Пока остается много вопросов, и нам еще предстоит дождаться первых чипов, созданных на новых станках Canon, которые позволят окончательно оценить эффективность этого решения. Однако уже сейчас стоит отдать должное инженерам японской компании, проявившим упорство и гениальность, необходимые для создания современной версии микропроцессорного пресса Гутенберга.