Система NIL обладает преимуществами, которые могут составить конкуренцию машинам стоимостью 150 миллионов долларов США, доминирующим на современном рынке производства передовых микросхем, — сканерам для экстремальной ультрафиолетовой (EUV) литографии. Если Canon не ошибается, её машины в конечном итоге будут производить микросхемы EUV-качества по гораздо более низкой цене.
Подход компании полностью отличается от подхода к системам EUV, которые производятся исключительно нидерландской компанией ASML. Голландская компания использует сложный процесс, который начинается с лазеров киловаттного класса, превращающих расплавленные капли олова в плазму, которая светится на длине волны 13,5 нанометров. Затем этот свет с помощью специальной оптики направляется через вакуумную камеру и отражается от узорчатой маски на кремниевую пластину, чтобы зафиксировать узор на пластине. В отличие от неё, система Canon, которая была поставлена консорциуму Техасского института электроники, занимающемуся исследованиями и разработками при поддержке Министерства обороны, кажется почти комично простой. Проще говоря, она наносит рисунок схемы на пластину.
NIL начинается с процесса, похожего на фотолитографию. Он создает рисунок на “маске” с помощью сфокусированного пучка электронов.
В NIL так называемая мастер-маска, или пресс-форма, изготовленная из кварца, используется для создания нескольких реплик масок, также изготовленных из кварца.. Затем шаблонную маску прижимают непосредственно к поверхности пластины, покрытой жидкой смолой, называемой резистом, как если бы это был штамп. Затем на пластину направляют ультрафиолетовый свет от ртутной лампы, которая использовалась при производстве микросхем в 1970-х годах, чтобы затвердеть смолу и снять маску с пластины. Таким образом, на резисте на кремнии отпечатывается тот же рисунок, что и на шаблонной маске. И, как и при производстве микросхем с помощью фотолитографии, этот шаблон управляет серией процессов травления, осаждения и других процессов, необходимых для создания транзисторов и межсоединений.
«Похоже, что это простой, но эффективный метод для развития нанолитографии без использования источников света, способный создавать высокоточные узоры», —говорит Ахмед Хассанейн, руководитель Центра материалов в экстремальных условиях в Университете Пердью в Индиане и эксперт по источникам экстремально-ультрафиолетового излучения. «Преимущество этой системы в том, что она потребляет меньше энергии и должна быть дешевле в покупке и эксплуатации по сравнению с системами экстремально-ультрафиолетового излучения».
Компания Canon утверждает, что по сравнению с электронно-лучевой литографией этот метод прямого контакта требует меньше этапов и оборудования, что делает процесс более простым и менее затратным. Например, по оценкам Canon, по сравнению с электронно-лучевой системой, использующей источник света мощностью 250 Вт, NIL потребляет всего одну десятую часть энергии.
Кроме того, NIL занимает меньше места в чрезвычайно ценном пространстве чистых помещений. Современные системы EUV размером с двухэтажный автобус, около 200 кубических метров. Но группа из четырёх систем NIL занимает менее половины этого объёма (6,6 на 4,6 на 2,8 метра), хотя также требуется инструмент для копирования масок, занимающий ещё 50 кубических метров. Но такая простота стала результатом длительного и дорогостоящего процесса разработки. Более двух десятилетий назад несколько исследовательских лабораторий уже начали разрабатывать технологию NIL, когда в 2004 году компания Canon приступила к работе. В 2014 году, чтобы ускорить прогресс, Canon приобрела компанию Molecular Imprints, Inc. (MII) из Остина, штат Техас, которая была одним из первых лидеров в этой области. Переименованная в Canon Nanotechnologies, Inc. дочерняя компания теперь служит американским научно-исследовательским центром по разработке NIL.
Тем не менее, даже с учётом того, что MII был добавлен в набор инструментов для исследований и разработок Canon, потребовалось 20 лет, чтобы вывести эту технологию на рынок. За это время Canon пришлось преодолеть несколько серьёзных технических препятствий, рассказал IEEE Spectrum Кадзунори Ивамото, заместитель генерального директора подразделения Canon по производству оптической продукции на производственной площадке NIL в Уцуномии, в 100 километрах к северу от Токио.
При производстве большинства микросхем резист — полимерная смола, удерживающая рисунок схемы, — равномерно наносится на поверхность пластины. Но для NIL это не подходит, потому что во время штамповки из-под маски может вытекать избыток смолы, что мешает следующей операции печати и приводит к дефектам. Поэтому вместо этого компания Canon использовала свои наработки в области струйной печати, чтобы наносить резист в оптимальном количестве, соответствующем рисунку схемы. Кроме того, капиллярная сила резиста была оптимизирована таким образом, чтобы при контакте материал втягивался в протравленный рисунок маски. Компании Canon также пришлось решить проблему попадания пузырьков воздуха между пластиной и маской во время печати, что мешало инструменту выравнивать маску по уже имеющимся на пластине элементам схемы. Решением стало создание гибкой маски, которая тоньше в центральной части. Во время штамповки, давление сначала прикладывается к центральной части маски, которая выталкивает центральную часть наружу, чтобы сначала вступить в контакт с резистом. Затем контакт между двумя поверхностями продолжается в радиальном направлении, вытесняя воздух по краям. Это похоже на то, что вы делаете, чтобы не образовался размытый воздушный пузырь при наклеивании защитной плёнки на смартфон.
Помимо борьбы с загрязнением твёрдыми частицами путём разработки технологий контроля окружающей среды, самой большой головной болью была проблема выравнивания. Когда слои схем наносятся друг на друга, необходимо точное управление наложением, чтобы обеспечить правильное выравнивание переходных отверстий — вертикальных соединений между слоями, по которым передаются сигналы и питание. Процесс NIL допускает некоторую погрешность, но работа на нанометровом уровне означает, что ошибки при выравнивании могут возникать легко. Например, они могут возникать из-за отклонений в плоскостности пластины и особенностях поверхности, неточного размещения пластины и маски, а также деформации формы маски во время нанесения. Чтобы свести к минимуму такие искажения, компания Canon использует ряд в основном автоматизированных методов. К ним относятся строгий контроль рабочей температуры, применение пьезоэлектрического эффекта для коррекции деформации формы маски и применение лазерного нагрева для расширения или сжатия пластины и более точного совмещения пластины и маски. “Мы называем эту запатентованную технологию коррекцией искажений высокого порядка”, — говорит Ивамото. “Применяя ее, мы теперь можем накладывать схемы с точностью порядка 1 нанометра”.
Решив все эти проблемы, инженеры Canon создали относительно простой процесс литографии. Он начинается с создания мастер-маски. Как и другие маски для фотолитографии, она изготавливается путём травления рисунка с помощью электронно-лучевой литографии. Мастер-маска содержит выпуклые узоры печатной схемы и имеет размеры 152,4 на 152,4 миллиметра, что примерно в 25 раз больше максимальной площади микросхемы, которую можно изготовить с помощью фотолитографии.
С помощью этой мастер-маски изготавливается несколько копий масок с углублениями. С каждой копией маски можно изготовить до 80 партий, каждая из которых состоит из 25 пластин. Таким образом, с помощью одной копии можно изготовить один слой схемы для 2000 пластин.
Чтобы проиллюстрировать более низкую стоимость владения NIL, Ивамото сравнивает его с усовершенствованной системой аргонофторидной иммерсионной литографии — предшественницей EUV-литографии и до сих пор широко используемой — созданной для получения плотного массива контактных отверстий шириной 20 нм. По словам Ивамото, при той же производительности система NIL, работающая со скоростью 80 пластин в час (wph), может снизить стоимость владения на 43 процента. Компания Canon нацелена на схему производительностью 100 Вт/ч, способную производить 340 партий на одной маске-реплике за счёт дальнейшего снижения загрязнения частицами, улучшения качества резиста, а также доработки и оптимизации рабочего процесса NIL. По оценкам Ивамото, при достижении этого показателя совокупная стоимость владения по сравнению с иммерсионной литографией снизится до 59 процентов.
Несмотря на потенциальные преимущества, производителям устройств, которые уже вложили значительные средства в EUV, будет непросто убедить их в необходимости добавить в производство другой тип литографической системы. «За последнее десятилетие EUV зарекомендовала себя как основная технология, — говорит Хассанейн. — Она преодолела множество трудностей и способна обеспечить высокую производительность, а также позволяет создавать ещё более мелкие узоры. Если NIL хочет конкурировать, ей нужно будет увеличить производственные мощности, продлить срок службы форм, улучшить удаление частиц и мусора и повысить производительность».
Но сначала технология должна пройти испытания на производстве. Ивамото говорит, что после получения нескольких запросов от потенциальных клиентов как в Японии, так и за рубежом, они проводят обсуждения и демонстрации NIL. Помимо поставки первой коммерческой системы в Техасский институт электроники, компания Canon сообщает, что Kioxia (ранее известная как Toshiba Memory) тестирует системы NIL уже несколько лет и сейчас оценивает процесс производства прототипов микросхем памяти. Ивамото также отмечает, что Canon придерживается агрессивной дорожной карты по внедрению NIL. Начиная с 2028 года компания планирует производить маски с высоким разрешением, которые позволят создавать 3D-флэш-память NAND с шириной линий 20 нм и точностью наложения 5 нм. Для DRAM планируется достичь ширины линий 10 нм с точностью наложения 2 нм, а для логических устройств — ширины линий 8 нм и точности наложения 1,6 нм. Если эти цели будут достигнуты в указанные сроки, а также при увеличении производительности, NIL может стать привлекательной альтернативой EUV, особенно для областей применения, где точность и экономическая эффективность имеют решающее значение.
Сообщение Наноимпринтная литография стремится превзойти EUV литографию появились сначала на Время электроники.
