В области микро‑ и наноинженерии преобразование цифровых чертежей, полученных в рамках компьютерного проектирования, в физические устройства с заданными функциональными свойствами опирается на комплекс высокоточных технологических процессов; при этом литография несомненно является краеугольным камнем, определяющим геометрическую структуру устройств. Однако, как и любая физическая система, разрешающая способность оптической литографии ограничена её внутренними физическими законами. В данной статье, исходя из классической оптической теории, рассматриваются факторы, влияющие на разрешение литографии, анализируются основные методы повышения разрешения, а затем особое внимание уделяется новому направлению — бесмасочному литографированию, которое, сохраняя высокую точность, обеспечивает уникальную ценность для ускоренной разработки и широкого спектра применений.

Границы теории: критерий Рэлея и его последствия

Любое обсуждение разрешающей способности литографии не может обойти критерий Рэлея.

Этот критерий, введённый астрономом лордом Рэлеем для оценки способности телескопа разрешать две звезды, с такой же точностью характеризует минимальный размер структуры, достижимый в проекционных литографических системах.

CD=k1 * (λ / NA)

Эта простая формула раскрывает три ключевых фактора, определяющих разрешение литографии:

λ (длина волны):   Длина волны источника излучения. Более короткая длина волны означает более слабый эффект дифракции световых волн, что теоретически позволяет получать более мелкие структуры. Именно поэтому в истории развития литографии источники света последовательно эволюционировали от видимого спектра (g‑линия — 436 нм, i‑линия — 365 нм) до глубокого ультрафиолета (DUV, 248 нм, 193 нм) и далее — до экстремального ультрафиолета ( ЭУВ , 13,5 нм) — основная движущая сила.

NA (числовая апертура):   Числовая апертура проекционной объективной системы характеризует её способность собирать свет. Чем выше значение NA, тем шире угол, под которым объектив может принимать дифракционное излучение, что позволяет сохранять больше деталей изображения и повышать разрешение.

k1 (технологический фактор):   Это комплексный технологический коэффициент, значение которого определяется множеством факторов, включая свойства фоторезиста, точность управления процессом экспонирования и применение технологий повышения разрешения (Resolution Enhancement Techniques, RET). Теоретический физический предел коэффициента k1 составляет 0,25.

Критерий Рэлея выступает своеобразным маяком, указывая три направления развития литографических технологий: сокращение длины волны (λ), увеличение числовой апертуры (NA) и снижение технологического коэффициента (k1). Однако каждое из этих направлений сопровождается серьёзными техническими трудностями и значительными затратами. Каждый переход к новой длине волны источника света влечёт за собой радикальные изменения как во всей оптической системе и фоторезистных материалах, так и в целом технологическом экосистеме. При этом повышение значения NA также не обходится без издержек: оно нередко приводит к уменьшению другого ключевого параметра — глубины резкости, что усложняет управление технологическим процессом. Поэтому на практике инженеры стремятся найти динамическое равновесие и оптимизировать соотношение этих трёх переменных.

Инженерная мудрость: «комбинированный удар», преодолевающий предел дифракции

По мере того как размеры структур стремительно приближаются к длине волны источника света, эффект дифракции становится всё более выраженным, и простое сокращение длины волны и увеличение числового апертурного отношения уже перестаёт давать желаемый результат. В связи с этим поколения инженеров по литографии разработали целую серию изящных «хитроумных приёмов» — технологий повышения разрешения (RET), основная идея которых заключается в том, чтобы путём оптимизации режима освещения и рисунка маски активно «управлять» дифракционным полем света, добиваясь более качественного формирования изображения на поверхности подложки.

Погружная литография:   Это крупное достижение в области увеличения числа апертуры (NA). В традиционных литографических системах между проекционным объективом и подложкой находится воздух (коэффициент преломления n≈1). В иммерсионной литографии между этими двумя средами заполняется жидкость с высоким коэффициентом преломления (например, чистая вода; при длине волны 193 нм n≈1,44), что эквивалентно повышению предела NA с 1,0 до 1,44. Успешное применение этой технологии существенно продлило жизненный цикл 193‑нм ArF‑литографии, позволив ей оставаться актуальной вплоть до техпроцесса 45 нм и даже более узких технологических узлов.

Внеканальная подсветка (OAI):   Традиционный способ освещения предполагает падение света под прямым углом на маску. В случае OAI, благодаря специально сконструированной апертуре освещения, свет падает под определённым углом. Такой подход позволяет изменять пространственное распределение дифракционного изображения, обеспечивая попадание в объектив более высоких дифракционных порядков и тем самым повышая контрастность и разрешение изображений в заданных направлениях — например, для плотных линейных структур.

Маска с фазовым смещением (PSM):   Традиционные маски управляют лишь «проходом» и «непроходом» света (амплитудой). PSM же, опираясь на этот принцип, дополнительно регулирует «фазу» проходящего света, вводя в определённых областях изменения толщины материала. Используя принцип интерференции и взаимного гашения световых волн, можно формировать более резкий градиент интенсивности света у границ изображения, что обеспечивает более чёткое воспроизведение.

Коррекция оптического ближнего эффекта (OPC):   Из‑за эффекта дифракции прямоугольные структуры на маске могут на подложке проявляться с закруглёнными углами или с искажением размеров. Технология OPC позволяет заранее, на этапе проектирования, выполнить «антидисторшн» обработку рисунка маски — например, добавить вспомогательные элементы в острых углах или скорректировать ширину линий — чтобы компенсировать оптические искажения в процессе литографии.

Эти технологии RET часто применяются в сочетании, формируя чрезвычайно сложную систему вычислительной литографии, благодаря чему литография превратилась из «оптического искусства» в «науку о данных», опирающуюся на масштабные вычисления и точное моделирование.

Смена парадигмы: гибкость и сферы применения безмасочного литографирования

Несмотря на то что указанные выше технологии RET в значительной степени способствовали развитию производства интегральных схем крупного масштаба, они в высокой степени зависят от одного ключевого компонента — физической маски‑пластины. Изготовление таких масок не только чрезвычайно затратно, но и требует длительного времени; при любом изменении проекта вся партия масок оказывается непригодной, что для исследований и разработок, проверки прототипов и мелкосерийного производства представляет собой серьёзное препятствие по времени и стоимости.

Именно в таком контексте и появилась технология безмасочного литографирования, которая полностью отказывается от физической маски и вместо этого использует «цифровую маску», программируемую в режиме реального времени, для непосредственного формирования экспозиционного рисунка. В настоящее время, на основе… Цифровое микрозеркальное устройство Безмасочная литография на основе DMD является одним из наиболее распространённых технологических подходов.

DMD представляет собой полупроводниковую матрицу оптических переключателей, состоящую из миллионов микрозеркал микронного размера, способных независимо и с высокой скоростью поворачиваться. Благодаря точному компьютерному управлению углом отклонения каждого микрозеркала («включено» или «выключено») можно в реальном времени формировать произвольные двумерные распределения интенсивности света и проецировать их на подложку, покрытую фоторезистом, что реализует так называемую «прямую запись».

Этот переход от «физического шаблона» к «цифровому световому полю» обеспечил революционные преимущества:

Предельная гибкость и скорость:   Внесение изменений в дизайн‑макет осуществляется исключительно в программном обеспечении; за считанные минуты можно перейти от проектирования к экспонированию, что существенно сокращает цикл исследований и разработок. Это особенно важно для научно‑исследовательской деятельности, требующей частой проверки топологии, а также для опытного производства небольших партий разнообразной продукции.

Значительная экономическая эффективность:   Это позволяет избежать дорогостоящих затрат на изготовление, хранение и обслуживание масок‑шаблонов, делая экономически целесообразными мелкосерийное производство и персонализированную индивидуализацию.

Мощная масштабируемость функций:   Каждое микрозеркало DMD способно не только осуществлять бинарную модуляцию «включено/выключено», но и, благодаря высокоскоростной широтно‑импульсной модуляции, обеспечивать многозначное управление уровнем серого. Эта возможность позволяет безмасочному литографическому процессу легко реализовывать серую литографию, что применяется для изготовления микрооптических элементов с трёхмерной непрерывной рельефной структурой (например, линз Френеля, массивов микролинз) и сложных микрофлюидных каналов и т. п.

В рамках этой технологической волны ведущие производители научного оборудования, такие как компания Zeyou Technology, благодаря выпуску ряда настольных систем DMD‑литографии без масок смогли вывести эту технологию, ранее ограниченную узкими сферами применения, на более широкий круг лабораторий и исследовательских институтов. Например, их серия литографических станков ZML без масок наглядно демонстрирует множество практических аспектов внедрения данной технологии в инженерные задачи. Используя светодиоды высокой мощности с высокой однородностью светового потока в качестве источника экспозиции и сочетая их с технологией DMD, эти устройства обеспечивают разрешение на уровне субмикронных величин. Кроме того, встроенные ПЗС‑камеры и система автоматической фокусировки позволяют реализовать «то, что видишь — то получаешь»: управляемую экспозицию и точное совмещение слоёв, что существенно снижает сложность операций. Для инженеров это означает возможность сосредоточиться на проектировании устройств и разработке технологических процессов, не тратя значительные усилия на традиционные трудоёмкие этапы литографии, такие как точная центровка масок.

В практическом применении оборудование компании «ZEPTOOLS» уже используется в таких передовых исследованиях, как подготовка электродов для устройств на основе двумерных материалов, быстрое прототипирование микрожидкостных чипов, а также совместная литография с использованием электронного пучка (EBL), что в полной мере демонстрирует его потенциал в области быстрого прототипирования и многофункциональной интеграции.

Сделать выбор между ограничениями и свободой

История развития литографических технологий — это величественная эпопея, в которой постоянно ставятся под сомнение физические пределы и посредством инженерных инноваций расширяются границы применения. От теоретических ограничений, обозначенных критерием Рэлея, через такие изящные инженерные решения, как иммерсионная литография, PSM и OPC, до совершенно новых возможностей проектирования, предоставляемых DMD‑литографией без масок, мы наблюдаем чёткую траекторию — от «следования законам физики» к «управлению физикой».

Для полупроводникового производства переднего плана, ориентированного на достижение предельной ширины линии и масштабное серийное производство, традиционная масочная литография, в том числе с использованием EUV и сложных RET‑технологий, по‑прежнему остаётся незаменимым основным методом. Однако в более широких областях — научных исследованиях, образовании, передовых технологиях упаковки, MEMS, биочипах и других — требования к эффективности НИОКР, контролю затрат и гибкости проектирования зачастую выходят за рамки однобокой заботы о предельном разрешении.

В таких сценариях технологии безмасочного литографирования, представленные, в частности, DMD‑литографическими системами компании Zeyou Technology, позволяют перейти от «тяжёлого» капитального подхода, основанного на дорогостоящих физических масках, к «облегчённому», цифровому процессу, управляемому программным обеспечением, тем самым предоставляя инженерам и учёным эффективный, экономичный и высокофункциональный новый инструмент. Благодаря этому микро‑ и нанообработка перестаёт быть прерогативой лишь немногих передовых лабораторий и становится платформой, на которой можно быстро проверять и воплощать всё больше инновационных идей. В конечном счёте выбор технологии — это не простое сравнение преимуществ и недостатков, а наиболее обоснованный компромисс, основанный на глубоком понимании её физических ограничений и инженерных характеристик и соответствующий конкретным прикладным требованиям.

Справочные материалы
1. Н. Такахаси, Х. Кикути. «Критерий Рэлея: парадигма фотолитографического оборудования». Annals of Business Administrative Science, 147, 1 (2017): 203–213.
2. Лю, Цзюньбо, и др. «Обратная оптимизация литографического источника и маски с использованием гибридного алгоритма GA‑APSO». Photonics, т. 10, № 6, июнь 2023, с. 638. Crossref.
3. «Критерий Рэлея для разрешения». ASML.
4. Википедия: угловое разрешение, иммерсионная литография, маска с фазовым сдвигом, оптическая коррекция близости
5. Левинсон, Х. «Иммерсионная литография и пределы оптической литографии». 2011. 0.
6. Макк, Крис А. «Технологии повышения разрешающей способности». The Lithography Expert, май 2003, Tutor41.doc, версия от 9 декабря 2003 года.
7. Ю, Хаоян, и др. «Оптическое шифрование путём динамической модуляции пространственной частоты световых полей». Optics Communications, т. 560, июнь 2024, с. 130459. Crossref.
8. Дербишир, Кэтрин. «Наступает ли эпоха литографии без масок?» Semiconductor Engineering, 17 августа 2023 года.