Фотолитографический аппарат, будучи одним из самых сложных и высокоточных приборов в истории человеческой науки и техники, по праву считается революционным изобретением XX века. Благодаря крайне высоким технологическим барьерам и значительным капиталоёмкости он превратился в стратегическую ключевую точку глобальной полупроводниковой цепочки добавленной стоимости и по праву именуется «самым дорогим жемчужиной» индустрии интегральных схем. Этот, казалось бы, далёкий от повседневной жизни обычного человека прибор на самом деле глубоко интегрирован в каждый электронный уголок современного общества: от смартфонов и компьютеров до умных автомобилей и датчиков интернета вещей — практически все «сердца» электронных устройств, то есть их микросхемы, зависят от фотолитографического аппарата для выполнения ключевых производственных операций. В полупроводниковом производстве фотолитография выполняет одну из основных функций — перенос рисунка: с помощью фотолитографического оборудования проектируемая схема печатается с нанометровой точностью на слой фоторезиста, нанесённый на поверхность кремниевой пластины, что закладывает основу для последующих процессов травления, осаждения и других операций. Будь то базовые элементы — диоды, транзисторы, логические вентили — или сложные микросхемы, такие как процессоры, оперативная память (DRAM) и флеш‑память, формирование их наноразмерной структуры невозможно без этой технологии.

После изобретения транзистора в 1947 году в лаборатории Белла начала формироваться технология фотолитографии. В 1959 году компания Fairchild Semiconductor предложила стандартизированный процесс фотолитографии, что способствовало развитию контактной фотолитографической машины. Основной проблемой этого процесса являлось возникновение большого числа дефектов вследствие контакта между маской и подложкой. Для решения этой проблемы была внедрена проекционная экспозиция с соотношением масштаба 1:1 (как показано на рис. 1). Разрешающая способность экспозиционной системы может быть оценена с помощью уравнения Рэлея [1]:

Здесь λ — длина волны облучения, R — разрешение, DOF — глубина резкости, k1 и k2 — константы Рэлея, NA — числовая апертура.

Для реализации литографии с высоким разрешением необходимо использовать оптические системы с большим числовым апертурным соотношением (NA) либо источники света с более короткой длиной волны. Однако в ранних проекционных системах экспозиции 1:1 достижение высокого значения NA сталкивалось с серьёзными трудностями. В 1960‑е годы американская компания GCA инновационно представила шаговый литографический аппарат, который вместо однократной экспозиции большой площади применял поэтапную повторяющуюся проекцию; таким образом удалось эффективно преодолеть ограничения хроматических и сферических аббераций традиционных проекционных технологий, проложив путь к повышению числового апертурного соотношения и положив начало эре литографических машин, работающих на микронном уровне технологического процесса. На ранних этапах развития шаговых аппаратов в качестве источника света использовалась линия g ртутной лампы (436 нм); к 1970‑м годам значение NA было увеличено до 0,28, что позволило достичь разрешения порядка 1 мкм.

С наступлением 1980‑х годов разработанный компанией SVGL шаговый сканирующий проекционный экспозиционный аппарат позволил ещё более преодолеть технологические ограничения, сократив минимальную ширину линии с 0,5 микрометра до точных 0,35 микрометра. В 1990‑е годы технологии глубокого ультрафиолетового (DUV) литографирования претерпели коренную революцию: благодаря внедрению эксимерных лазерных источников излучения длиной волны 248 нм (KrF) и 193 нм (ArF), а также использованию таких методов повышения разрешения, как фазово‑смещённые маски и офф‑осевое освещение, впервые была достигнута сверхвысокая точность литографии на уровне 0,13 микрометра.

Для преодоления предела дифракции в оптике исследователи инновационно внедрили технологию иммерсионной литографии — путём заполнения пространства между объективом и подложкой высокопреломляющей средой сокращают эффективную длину волны. В 2004 году совместно разработанный ASML и TSMC иммерсионный литографический аппарат был официально введён в коммерческую эксплуатацию; благодаря преломляющему эффекту водной среды (с показателем преломления n≈1,44) эффективная длина волны 193 нм была сокращена примерно до 134 нм, что обеспечило ключевую техническую основу для массового производства чипов на 7‑нанометровом технологическом узле.

В 2010‑е годы пределы длины волны оптической литографии приблизились к физическому барьеру, и компания ASML совместно с Zeiss приступила к разработке технологии экстремального ультрафиолетового (EUV) литографирования. Эта технология использует диапазон экстремального ультрафиолета с длиной волны 13,5 нм для преодоления предела дифракции; с помощью четырёхзеркальной рефлекторной оптической системы типа Вольтера — состоящей из многослойных отражающих зеркал, выполненных в виде периодической структуры Mo/Si — пучок света фокусируется на поверхности подложки, что позволяет осуществлять точную обработку с линейными ширинами менее 5 нм. Источник излучения создаёт плазму путём воздействия мощного импульсного лазера на капли жидкого олова, а компоненты зеркальной системы изготавливаются на атомном уровне в условиях сверхчистой среды класса 100, при этом шероховатость поверхности поддерживается на уровне не более 0,1 нм. В 2018 году первый серийный EUV‑литограф NXE:3400B был официально поставлен компании TSMC, что способствовало началу коммерческого производства логических микросхем по техпроцессу 7 нм и передовых типов памяти. Согласно технологической дорожной карте ASML, к 2025 году будет выпущен следующий поколение EUV‑литографа с высоким числовым апертурным отношением (NA=0,55), способный обеспечить производство чипов по техпроцессам 3 нм и более узких.

EUV‑литография обеспечивает наноразрешение за счёт источника света на основе плазмы олова (LPP) и системы многослойных отражающих зеркал, однако её технологическая сложность превосходит все остальные — в настоящее время только компания ASML обладает возможностью полной интеграции всей системы. Тем не менее, эта технология сталкивается с уникальной проблемой «усиления дефектов»: поскольку EUV‑литографические машины используют проекционное изображение с масштабированием 4:1, даже пятно размером 50 нм на резистной маске будет увеличено до 200 нм на поверхности подложки, что может привести к выходу из строя десятков тысяч транзисторов на чипе. Этот каскадный эффект усиления делает допустимый уровень дефектов на резистной маске на четыре порядка строже, чем на поверхности подложки; поэтому для выполнения точной обработки резистных масок необходимо использовать электронно‑лучевую литографию (EBL), обладающую гораздо более высокой точностью и степенью свободы, чтобы преодолеть «узкое место», связанное с дефектами, в процессе литографии.

Для решения сложной задачи обработки масочных пластин фотолитографический аппарат на основе цифровых микрозеркальных устройств (DMD) внедрил инновационный подход к фотолитографии — динамическую оптическую маску. Эта технология основана на принципе прямой записи и с помощью компьютерного управления в режиме реального времени управляет массивом микрозеркал на чипе DMD (каждое микрозеркало способно независимо отклоняться на ±12°), отражая ультрафиолетовый луч и точно проецируя его на поверхность светочувствительного материала, что обеспечивает динамическое формирование и экспонирование требуемого рисунка.

Технология DMD была разработана компанией Texas Instruments (TI) в начале 2000‑х годов; первоначально она ориентировалась на сферу проекционной отображающей техники, а затем постепенно расширила своё применение и на область литографии. На ранних этапах оборудование ограничивалось разрешением порядка микрометров и возможностями обработки данных, что позволяло использовать его преимущественно в лабораторных условиях. С развитием высокоточных чипов, таких как DLP9500 от TI, а также с оптимизацией оптических систем, DMD‑литографические станки уже достигли коммерческого прорыва в таких отраслях, как производство печатных плат и упаковка на уровне кристаллов.

В глобальной рыночной структуре компания Heidelberg занимает лидирующие позиции благодаря высокоточным оптическим системам и отлаженным технологическим процессам; её продукция широко применяется в таких высокоточных промышленных секторах, как упаковка полупроводников и микроэлектромеханические системы (MEMS). Внутренний китайский производитель Hefei Xinqi Micro добился технологического прорыва в сфере печатных плат и широкого спектра полупроводниковых технологий: он самостоятельно разработал ключевые модули — оптические системы, алгоритмы управления приводами и другие компоненты — и создал отечественное DMD‑решение для фотолитографии.

В качестве представителей научно‑исследовательской сферы и мелкосерийного производства американская компания Microlight3D совместно с китайской Zeyou Technology выпустили компактный DMD‑литограф, ориентированный на преимущества быстрого прототипирования. На примере модели ZML10A компании Zeyou Technology — она оснащена чипом TI DLP6500 и в сочетании с оптической системой с субмикронной точностью обеспечивает обработку микрона‑ и наноструктур с разрешением 0,5 мкм, демонстрируя уникальные преимущества в таких передовых направлениях исследований, как массивы фотодетекторов и устройства на основе двумерных материалов.

Несмотря на существующие технические вызовы — такие как повышение разрешения до нанометрового уровня (требующее преодоления предела оптической дифракции) и обработка потоков больших данных в режиме реального времени (с задержками передачи графических данных порядка сотен гигабайт) — перспективы применения технологии литографии с использованием DMD остаются весьма обширными в таких новых областях, как научные инновации, передовые методы упаковки и гибкая электроника. Её свойства динамической маски и способность к параллельной обработке открывают новые технологические пути для решения актуальных задач, таких как гетерогенная интеграция и трёхмерная литография.

В ходе развития оптической литографии повышение разрешения неизменно остаётся ключевым вызовом. По мере того как полупроводниковые приборы становятся всё более миниатюрными и высокопроизводительными, размеры структур продолжают уменьшаться, что привело к появлению электронно‑лучевой литографии (EBL). Ещё в 1960‑е годы компании IBM и Carl Zeiss первыми начали разрабатывать технологии электронно‑лучевой литографии; в 1970‑е годы восточногерманский подразделённый концерн Carl Zeiss представил первое коммерческое устройство, положив начало новой эпохе нанолитографии.

Введение электронно‑лучевой литографии (EBL) обусловлено её существенными преимуществами: длина волны электронов чрезвычайно мала — при энергии 10–50 кэВ она составляет менее 0,1 нм, что позволяет теоретически преодолеть пределы дифракции оптического излучения. В основе метода лежит взаимодействие электронного пучка с фоторезистом; диаметр пучка должен быть строго меньше размера требуемой структуры, чтобы обеспечить более высокое разрешение. Хотя длина волны де Бройля электронов теоретически может поддерживать атомарную точность, в реальности точность литографии ограничивается чувствительностью и разрешением материала фоторезиста, вследствие чего его свойства становятся ключевым фактором, определяющим конечную точность получаемой структуры.

В 1972 году исследователям удалось на поверхности кремния нанести алюминиевые металлические дорожки шириной 60×60 нанометров, впервые доведя разрешение литографии до субмикронного уровня. На этом этапе такие компании, как IBM, первыми начали изучать инженерные возможности электронно‑лучевой литографии в полупроводниковом производстве и разработали технологию формирования электронных пучков — метод, повышающий эффективность экспозиции за счёт параллельной проекции множества графических элементов. Например, система EL‑1 компании IBM использовала фиксированную форму электронного пучка для одновременной проекции 25 графических элементов, что в несколько раз ускорило процесс экспозиции по сравнению с традиционным построчным сканированием.

В то же время Япония в рамках национального проекта по сверхбольшим интегральным схемам (VLSI) активно продвигала исследования и разработки в области электронно‑лучевой литографии. Созданная в 1976 году Ассоциация по исследованию технологий VLSI организовала совместные усилия таких компаний, как Toshiba и Hitachi, которые разработали электронно‑лучевые литографические установки — растрового сканирования, с переменным пучком (VSB) и с полевым электронным источником — и добились их внедрения в промышленное производство. В этот период электронно‑лучевая литография преимущественно использовалась как высокоточный дополнительный метод к оптической литографии, сосредоточившись на подготовке масок.

В 1990‑е годы технология переменной формы пучка (VSB), позволяющая динамически перестраивать геометрию пятна электронного пучка — например, превращая его в прямоугольник или многоугольник, — обеспечила высокоэффективное склеивание и экспозицию сложных рисунков, повысив производительность по сравнению с традиционным точечным сканированием гауссовского пучка в 10–20 раз. Одновременно развивавшаяся технология многопучковой электронной литографии положила начало революции параллельной обработки: например, разработанная компанией IMS система с 262 144 параллельными пучками, использующая массивы источников полевой эмиссии и массивы микроколонковых линз, позволила осуществлять масштабную параллельную запись с линейной шириной на наноуровне, полностью преодолев ограничения скорости, характерные для однопучковой литографии. С наступлением 2000‑х годов электронная литография закрепила за собой незаменимую ключевую роль в производстве масок для экстремально ультрафиолетовой (EUV) литографии. Ключевые компоненты, такие как наноразмерные фазовые маски и образцы для выявления дефектов, необходимые для EUV‑литографии, могут быть изготовлены лишь благодаря атомарно точной обработке, обеспечиваемой электронной литографией с разрешением до 0,1 нм. Такая технологическая зависимость сделала электронную литографию стратегическим опорным пунктом всей цепочки поставок в сфере EUV‑технологий.

В последние годы электронно‑лучевая литография неуклонно достигает новых рубежей в области сверхвысокой точности: в 2022 году американская компания Zyvex, применив трансмиссионную электронно‑лучевую литографию, успешно изготовила чип с шириной линий всего 0,7 нанометра на одном атомном слое, преодолев физические пределы точности и предоставив революционный инструмент для таких передовых направлений, как квантовые точки и атомарно‑разрешённые схемы. В Китае в рамках процесса импортозамещения был совершён скачок в развитии: в 2024 году разработанный компанией Zeyou Technology электронно‑лучевой литографический станок модели ZEL304G был запущен в серийное производство, обеспечив полную независимость и контроль над всеми компонентами — от электронной пушки и генератора рисунков до наноразмерного образцового столика; уровень локализации оборудования превысил 95%, а ключевые эксплуатационные показатели достигли уровня ведущих международных устройств (таких как Raith150 Two и Vistec SB3050), что позволило разрушить многолетнюю монополию американских и японских компаний на рынке высокотехнологичной электронно‑лучевой литографии.

ZEL304G демонстрирует выдающиеся результаты в таких передовых областях, как исследование новых материалов (например, графеновые устройства), производство квантовых чипов (массивы сверхпроводящих квантовых битов) и фотонные интегральные устройства (нанофотонные волноводы), став ключевым оборудованием для научных исследований и инженерной практики. В то же время компания Zeyou Technology активно наращивает разработки следующего поколения высокотехнологичного оборудования: проекты по созданию электронно-лучевой литографической установки с ускоряющим напряжением 100 кВ, многолучевой электронно-лучевой литографии и гибридных литографических систем постепенно продвигаются, что неуклонно способствует достижению двойного прорыва — повышению точности нанопроизводства до атомарного уровня и его масштабированию до массового производства.

Параллельно с быстрым развитием литографических технологий активно ведётся разработка таких новых методов, как рентгеновская литография, ионно‑лучевая литография, наноимпринтная литография и технология ДНК‑оригами, что обеспечивает многообразие технических путей для преодоления предела дифракции света.

[1]Шарма, Э.; Ратхи, Р.; Мишарвал, Дж.; Синхмар, Б.; Кумари, С.; Далал, Дж.; Кумар, А. Эволюция технологий литографии: от микролитографии до нанолитографии. Nanomaterials, 2022, 12, 2754.
[2] https://www. asml.com/en/products/euv-lithography-systems
[3] https://www. zeptools.cn/products_de хвост/c-_detailId%3D1239530854921826304.html
[4] https://www. zeptools.cn/products_de хвост/c-_detailId%3D1252996665469636608.html
[5]Назмов, В.; Голденберг, Б.; Васильев, А.; Асадчиков, В. Оптимизация условий рентгеновской литографии для изготовления крупных массивов субмикронных пор с высоким соотношением сторон. J. Micromechanics Microengineering, 2021, 31, 055011.
[6]Хэ, С.; Тянь, Р.; У, В.; Ли, В.-Д.; Ван, Д. Нанофабрикация с использованием пучка гелиевых ионов: экстремальные процессы и приложения. Int. J. Extrem. Manuf. 2021, 3, 012001.
[7]Унно, Н.; Мякеля, Т. Термическая наноимпринтная литография — обзор процесса, изготовления матриц и материалов. Nanomaterials, 2023, 13, 2031.
[8] Чжан, П.; Пейль, А.; Цзян, Ц.; Ван, Д.; Мусави, С.; Сюн, Ц.; Шэнь, Ц.; Шан, Ю.; Дин, Б.; Линь, Ц.; и др. Недавние достижения в области наноматериалов, сконструированных с использованием метода ДНК‑оригами, и их приложения. Chem. Rev. 2023, 123, 3976–4050.