На самых ответственных этапах применяют литографию в экстремальном ультрафиолете — EUV. Излучение с длиной волны 13,5 нанометра создают внутри установки десятки тысяч раз в секунду: выпускают микроскопическую каплю расплавленного олова, попадают по ней двумя лазерными импульсами, превращают металл в плазму и собирают возникший свет специальными зеркалами.

Зачем производству микросхем понадобился EUV

Фотолитографию упрощённо можно представить как проекционную печать. Свет освещает шаблон с рисунком будущего слоя, оптическая система уменьшает его изображение и переносит на пластину, покрытую светочувствительным материалом — фоторезистом. После проявления на поверхности остаётся защитный рельеф, через который выполняют последующее травление или нанесение материала.

Автор: Lawrence Livermore National Laboratory Источник: commons.wikimedia.org

Важную роль в этом процессе играет длина волны. Чем она короче, тем меньшие детали может формировать оптическая система при прочих равных условиях. У широко применяемой литографии в глубоком ультрафиолете, или DUV, рабочая длина волны составляет 193 нанометра. У EUV она равна 13,5 нанометра — более чем в 14 раз меньше.

Размер элемента микросхемы не равен длине волны: на результат также влияют оптика, маска, фоторезист и вычислительная коррекция рисунка. Но более короткая волна позволяет переносить особенно плотные структуры с меньшим числом экспозиций. Поэтому EUV используют для наиболее сложных слоёв передовых микросхем, а многие остальные слои по-прежнему формируют с помощью DUV.

Почему для источника света выбрали олово

Обычная лампа не даёт достаточно мощного и управляемого потока EUV-излучения. Нельзя и просто направить на маску лазер, непрерывно излучающий на нужной длине волны. Источником становится горячая плазма — облако вещества, в котором атомы теряют часть электронов.

Для её получения используют олово. Когда этот металл многократно ионизируется, он интенсивно излучает в области около 13,5 нанометра. Именно под этот диапазон рассчитаны зеркала и остальные оптические узлы EUV-системы. Олово удобно ещё и тем, что его можно подавать в виде одинаковых капель, сохраняя повторяемость процесса.

Генератор нагревает металл выше температуры плавления и выпускает капли диаметром примерно 25 микрометров. Это меньше толщины обычного человеческого волоса. Они летят со скоростью около 70 метров в секунду, а источник формирует до 50 000 капель каждую секунду.

Каждая капля должна оказаться в расчётной точке в строго определённый момент. Её положение контролируют камеры и датчики, связанные с системой наведения лазера. Даже небольшое отклонение способно уменьшить количество полученного EUV-излучения или привести к образованию лишних частиц олова.

Зачем по капле бьют дважды

Сферическая капля слишком мала, чтобы эффективно принять энергию мощного лазерного импульса. Поэтому первый, сравнительно слабый импульс выполняет подготовительную работу. Он деформирует каплю и превращает её в плоскую расширившуюся мишень, похожую на крошечный диск. Площадь, доступная для следующего попадания, увеличивается.

Затем следует основной импульс мощного углекислотного лазера. Олово испаряется и переходит в состояние плазмы с температурой порядка 200 000 °C. Многократно ионизированные атомы испускают электромагнитное излучение, часть которого приходится на диапазон EUV.

Вспышка длится недолго и расходится в разные стороны. Затем появляется следующая капля, и цикл повторяется. При частоте до 50 000 раз в секунду отдельные события образуют практически непрерывный для технологического процесса поток. Физически источник остаётся генератором последовательных микровзрывов плазмы, а не равномерно светящейся лампой.

Такая схема необходима не только для получения нужной длины волны. От формы оловянной мишени и точности основного импульса зависит, какая доля энергии лазера превратится в полезное EUV-излучение. Если капля подготовлена неправильно, больше энергии уйдёт в нагрев, движение частиц и излучение в других диапазонах.

Как излучение собирают после вспышки

Большая часть света от плазмы сама по себе не попала бы в оптический тракт. Рядом с точкой образования плазмы установлено крупное вогнутое зеркало-коллектор. Его форма рассчитана так, чтобы собрать часть расходящегося излучения и направить её к промежуточному фокусу — входу в оптическую систему литографической машины.

Поверхность коллектора состоит не из обычного полированного металла. На неё наносят многослойное покрытие, рассчитанное на отражение узкого диапазона около 13,5 нанометра. Излучение с другими характеристиками отражается значительно хуже и не участвует в формировании рисунка.

При этом вспышка создаёт не только свет. После разрушения капли остаются ионы, атомы и мельчайшие частицы олова. Оседая на коллекторе, они ухудшали бы его отражающую способность, а замена такого элемента требовала бы остановки дорогостоящей установки.

Поэтому источник оснащён средствами, которые ограничивают перенос загрязнений, улавливают остатки металла и помогают очищать внутренний объём. Эти механизмы не должны перекрывать полезное излучение или мешать появлению следующих капель.

Источник обязан одновременно поддерживать чистоту коллектора, стабильную форму плазмы и одинаковую энергию вспышек. Иначе кремниевая пластина получает неодинаковую световую дозу, а размеры сформированных элементов начинают отклоняться от расчётных.

Почему EUV нельзя провести через обычные линзы

Излучение с длиной волны 13,5 нанометра активно поглощается почти любым веществом. Воздух быстро ослабил бы его, а стеклянная линза практически не пропустила бы дальше. Поэтому весь путь от плазмы до кремниевой пластины проходит в высоком вакууме, а вместо линз используются отражающие элементы.

Но обычное металлическое зеркало для такой задачи тоже не подходит. EUV-оптика состоит из множества чередующихся сверхтонких слоёв молибдена и кремния — их может быть около сотни. Толщина слоёв подобрана так, чтобы отражённые от разных границ волны усиливали друг друга.

Автор: Dshashkov Источник: commons.wikimedia.org

Благодаря такой конструкции зеркало возвращает до примерно 70 % падающего излучения в рабочем диапазоне. Остальная энергия поглощается или рассеивается. Между источником и пластиной свет встречает несколько зеркал, поэтому до фоторезиста доходит лишь часть первоначального потока.

Потери складываются после каждого отражения. Даже небольшое загрязнение или отклонение формы одного зеркала способно дополнительно уменьшить количество света на пластине. По этой причине источник должен создавать яркие и стабильные вспышки, а поверхность оптики изготавливается с чрезвычайно высокой точностью.

Как рисунок попадает на кремниевую пластину

После промежуточного фокуса EUV попадает в осветительную систему. Несколько зеркал формируют равномерный поток и направляют его на фотошаблон — маску, или ретикл.

В обычной оптической литографии свет может проходить через прозрачные участки маски. Для EUV такая конструкция невозможна из-за сильного поглощения излучения. Поэтому маска тоже является многослойным зеркалом: одни области отражают EUV, а другие его поглощают, образуя рисунок будущего слоя микросхемы.

Отражённое изображение принимает проекционная оптика. Её зеркала уменьшают рисунок маски обычно в четыре раза и фокусируют его на небольшом участке кремниевой пластины. Затем пластина точно смещается, и экспонируется соседний участок. Этот цикл повторяется, пока рисунок не будет перенесён на все будущие кристаллы.

Автор: Inductiveload Источник: commons.wikimedia.org

EUV попадает не на открытую поверхность пластины, а на тонкий слой фоторезиста. Поглощённые фотоны запускают в нём химические изменения. После проявления часть покрытия удаляется, а полученный рельеф служит временной маской для травления, внедрения примесей или нанесения материала.

Затем фоторезист снимают, поверхность подготавливают к новой операции, и последовательность повторяется для следующего слоя. Современная микросхема содержит множество таких слоёв, поэтому пластина неоднократно возвращается к операциям нанесения покрытия, экспонирования, проявления и обработки.

Литографическая установка не вырезает готовые транзисторы одним лучом. Она печатает промежуточные рисунки, которые вместе с другими технологическими операциями постепенно превращаются в структуру микросхемы.

Почему стабильность источника определяет скорость производства

На каждом цикле система должна обнаружить каплю размером около 25 микрометров, определить её положение, дважды попасть в неё лазером и получить вспышку с заданными характеристиками. Всё это происходит до 50 000 раз в секунду. Одновременно автоматика следит за мощностью излучения, состоянием коллектора и световой дозой на пластине.

Недостаточная мощность заставляет дольше экспонировать каждый участок и снижает количество пластин, которое установка может обработать за определённое время. Нестабильность излучения усложняет контроль размеров элементов, а загрязнение коллектора постепенно уменьшает полезный поток.

Поэтому источник EUV — не отдельная лампа, а согласованный комплекс из системы подачи олова, высокомощного лазера, быстрой диагностики, вакуумного оборудования и защитных механизмов. Все его части должны работать синхронно в течение продолжительных производственных циклов.

Путь света начинается с капли металла, которую невозможно различить невооружённым глазом. Два лазерных удара превращают её в плазму, коллектор собирает излучение, а цепочка зеркал переносит рисунок маски на фоторезист. Точное повторение этого процесса десятки тысяч раз в секунду и превращает EUV-литографию в промышленную технологию производства современных процессоров.

В этом видео показан термоядерный реактор ST40, где вещество разогревают до экстремальных температур — выше, чем в ядре Солнца (порядка 100–200 млн °C). Внутри используется обычный водород, точнее его тяжёлые формы — дейтерий и тритий. При таком нагреве атомы теряют электроны и превращаются в плазму — раскалённую смесь заряженных частиц.

В этом состоянии ядра могут сближаться и сталкиваться. Учёные пытаются запустить термоядерный синтез — процесс, при котором лёгкие ядра сливаются в более тяжёлые и выделяют огромное количество энергии. На видео также можно увидеть инжекцию нейтрального пучка: в плазму вводят поток быстрых атомов, которые не отклоняются магнитным полем, проникают внутрь и при столкновениях передают энергию, дополнительно нагревая плазму и помогая поддерживать нужные условия для синтеза.

При этом внутри реактора ничего не плавится, потому что плазма не касается стенок. Её удерживают мощные магнитные поля, как бы «подвешивая» в пространстве. Вся экстремальная температура сосредоточена внутри плазменного кольца, а сама установка остаётся защищённой. Если такие реакции удастся сделать стабильными, это может стать основой практически неисчерпаемого и более чистого источника энергии.

с момента высадки котяры
минуло тридцать восемь зим
отметим эту дату вместе
мы с ним

витков примерно тридцать восемь
вокруг светила пронеслось
с тех пор как плазменный котяра
здесь воплощение нашел

ну что земляне поздравляем
котейку с этим важным днём
и нового витка отсчёт мы
начнём

Да осветит плазма наш путь!

А за яркого плазменного котика благодарим КАЛЯ-МАЛЯ

Химики открыли новый способ превращения природного газа в жидкое топливо. Используя крошечные вспышки плазмы, похожие на миниатюрные молнии, команда успешно преобразовала метан в метанол за один этап.

«Мы используем импульсы высоковольтного электричества. Если электрический потенциал достаточно высок, внутри нашего реактора образуются молнии, как во время летней грозы. Мы используем эту химию для разрыва связей метана», — сказал Дейн Суэрер ведущий автор исследования из Северо-Западного университета.

Метанол — это перспективное жидкое топливо для судов и промышленных котлов. Его сжигание приводит к снижению выбросов серы и твердых частиц по сравнению с бензином и дизельным топливом.

Больше интересной информации про источники энергии и энергетику в канале ЭнергетикУм