Компания ASML, являющаяся единственным в мире производителем сканеров для экстремальной ультрафиолетовой (EUV) литографии, подтвердила намерение продолжать использование лазерно-плазменной технологии (LPP) в своих установках. Согласно аналитической заметке JPMorgan для клиентов, производитель не видит оснований для перехода на технологию лазеров на свободных электронах (FEL), которую ранее поддерживал Илон Маск.
Особенности текущей лазерно-плазменной технологии ASML
Современные EUV-системы работают путем воздействия мощных импульсов CO2-лазера на микроскопические капли расплавленного олова диаметром около 30 микрон. При попадании лазерного излучения капли превращаются в ионизированную плазму, температура электронов в которой достигает нескольких десятков электрон-вольт. Это приводит к генерации EUV-излучения с длиной волны 13,5 нм.
Для сбора света используется эллиптическое зеркало диаметром примерно 0,5 метра, имеющее многослойное покрытие из молибдена и кремния. Оно отражает излучение в направлении промежуточного фокуса на входе в сканер. Поскольку материалы поглощают EUV-излучение, весь оптический тракт должен функционировать в глубоком вакууме, а использование исключительно отражающей оптики вместо преломляющей создает дополнительные сложности при масштабировании мощности.
Несмотря на технические вызовы, ASML удалось добиться существенного прогресса: мощность источников LPP была увеличена с 250 Вт до 500 Вт. В ближайшие годы компания планирует поднять этот показатель до 1000 Вт, а также увеличить частоту генерации капель олова до 100 000 в секунду.
Перспективы и ограничения лазеров на свободных электронах
Технология FEL предполагает ускорение электронов почти до скорости света с последующим прохождением пучка через ондулятор — последовательность магнитов, заставляющих электроны колебаться и излучать свет. Этот метод позволяет отказаться от капель олова и сопутствующего мусора, который требует применения защитных пелликул на фотошаблонах. Теоретически, один FEL-источник способен обеспечить значительно более высокую мощность, чем несколько LPP-систем.
Однако для внедрения FEL в промышленное производство требуются сложные ускорители частиц, источники электронов, протяженные ондуляторы и системы распределения излучения с использованием зеркал, способных выдерживать крайне высокую мощность EUV. Создание такой инфраструктуры, соответствующей строгим требованиям по надежности, доступности и стоимости оборудования для полупроводниковых фабрик, представляет собой колоссальную инженерную задачу.
По оценкам экспертов, несмотря на активный интерес к разработкам FEL в Китае, США и Японии, потребуется не менее десяти лет, прежде чем данная технология сможет конкурировать с LPP в реальных производственных условиях. Ожидается, что процесс разработки потребует многомиллиардных инвестиций, что ставит под угрозу выживаемость некоторых компаний, делающих ставку на FEL.
Технические тонкости процесса генерации и сложности оптики
Важным аспектом работы LPP-систем является специфика взаимодействия лазера с веществом. Процесс превращения капель олова в плазму требует крайне высокой точности наведения, так как капли имеют диаметр всего около 30 микрон. Сложность оптической системы обусловлена тем, что практически все известные материалы интенсивно поглощают EUV-излучение. Даже специализированные многослойные зеркала, состоящие из чередующихся слоев молибдена и кремния, поглощают существенную часть светового потока, что делает потери энергии неизбежными на каждом этапе пути — от источника до промежуточного фокуса. Именно этот фактор поглощения является одной из ключевых причин, почему достижение необходимой мощности источника остается столь сложной инженерной задачей.
Принцип работы FEL и сопутствующие вызовы
В отличие от плазменного метода, технология лазера на свободных электронах (FEL) формирует излучение через взаимодействие электронов с их собственным электромагнитным полем в ондуляторе. Прохождение электронного пучка через серию магнитов с чередующейся полярностью заставляет частицы совершать колебательные движения, что приводит к формированию микроскопических сгустков (микробанчингу) электронов. Это позволяет генерировать свет с необходимой длиной волны 13,5 нм без образования частиц мусора, который в текущих установках LPP требует обязательного использования защитных пелликул для сохранения целостности дорогостоящих фотошаблонов.
Тем не менее, переход на FEL требует создания гигантской и крайне сложной инфраструктуры, включающей не только сам ускоритель, но и системы управления пучком, а также надежную радиационную защиту. Главным препятствием остается разработка распределительной системы зеркал, которые должны не только направлять, но и выдерживать экстремальную плотность энергии без деградации оптических свойств. В отрасли отмечают, что ASML уже потратила многие годы на доведение текущих LPP-систем до стандартов доступности и эффективности, принятых в современных полупроводниковых фабриках, и именно этот накопленный опыт делает технологию LPP наиболее предпочтительной в обозримом будущем.
