25 лет: Легендарная история одного зеркала! 

25 лет: Легендарная история одного зеркала!

Поздней осенью 1997 года в небольшом немецком городке Оберкохен атмосфера в конференц-зале штаб-квартиры компании Zeiss была наполнена напряжением. Мужчина средних лет из Нидерландов поднялся со своего места и подвинул через стол технический чертеж. На чертеже была изображена сложная механическая конструкция, а в самом её центре красовалась короткая надпись: 13,5 нанометра.

«Нам нужно зеркало, — произнес он, — зеркало, способное отражать свет с длиной волны 13,5 нанометра».

Этого человека звали Вим ван дер Хук; впоследствии он стал техническим директором компании ASML. Но в 1997 году он был всего лишь инженером, вооруженным идеей, которая на тот момент казалась совершенно фантастической. Он прекрасно понимал, о чем просит — о создании того, чего на тот момент еще никому в мире не удавалось воплотить в жизнь.

Свет глубокого ультрафиолета (DUV) имеет длину волны 193 нанометра; в то время этот показатель считался абсолютным пределом технологических возможностей человечества. Однако Закон Мура не ждет никого; он требовал перехода к еще более короткой длине волны — к свету экстремального ультрафиолета (EUV) — с длиной волны всего 13,5 нанометра, что составляло лишь одну четырнадцатую от длины волны DUV.

И тут возникла проблема: практически *любое* вещество поглощает свет с длиной волны 13,5 нанометра. Будь то стекло, вода, воздух или металл — когда свет с длиной волны 13,5 нанометра падает на эти материалы, это напоминает попытку бросить камешек в ворох ваты: он мгновенно поглощается без остатка.

Это означало, что традиционные оптические системы, основанные на использовании линз, становились совершенно бесполезными. В эпоху DUV свет можно было фокусировать с помощью стеклянных линз — точно так же, как увеличительное стекло собирает в пучок солнечные лучи. Но для света EUV даже само стекло превращалось в «непроницаемую» стену.

В чем же тогда заключалось решение? Ответ: в отражении. Но не в обычном отражении.

Школа зеркал

Зеркала для работы с EUV-излучением, которые компания Zeiss в конечном итоге изготовила для ASML, должны были обладать поверхностью с допуском на плоскостность, не превышающим 0,1 нанометра. Насколько же мал этот размер — 0,1 нанометра? Это составляет примерно одну пятисоттысячную диаметра человеческого волоса.

Впереди ждет еще более поразительная аналогия: если бы это зеркало увеличили до размеров самой Германии (площадь которой составляет примерно 357 000 квадратных километров), неровности на его поверхности не могли бы превышать диаметр одного-единственного обычного человеческого волоса — то есть примерно 60 микрометров.

Зеркало, чья площадь поверхности превышает территорию целой страны — Германии, — и при этом имеющее неровности, не превышающие толщину одной волосинки. Это было не просто изготовление зеркала; это было создание безупречного, совершенного континента. Основная структура EUV-зеркала состоит из 40 чередующихся слоев пленок молибдена и кремния. Толщина каждого слоя молибдена составляет примерно 2,8 нанометра, а каждого слоя кремния — около 4,2 нанометра; таким образом, общая толщина одной пары слоев составляет примерно 7 нанометров. При укладке 40 слоев друг на друга общая толщина структуры не превышает 300 нанометров — это даже меньше диаметра одной-единственной пылинки.

Зачем нужно так много слоев? Здесь задействован сложный физический принцип, известный как «брэгговское отражение».

Представьте, что вы играете в футбол и выстроились в одну линию с товарищами по команде, чтобы перепасовывать мяч. Если вы займете абсолютно правильные позиции — позволяющие каждому игроку передать мяч следующему в строго определенный момент, — мяч будет плавно и беспрепятственно перемещаться вдоль всей линии. Отражение света работает точно по такому же принципу.

Когда толщина слоев молибдена и кремния с предельной точностью подогнана под конкретные значения, свет, отраженный каждым отдельным слоем, оказывается «в фазе» с остальными; эти световые волны интерферируют друг с другом конструктивно, что в конечном итоге создает мощный эффект отражения.

Один-единственный слой способен отразить лишь около 0,1% EUV-излучения; однако при наложении 40 слоев друг на друга коэффициент отражения удается повысить примерно до 70%.

Дьявол кроется в деталях: толщина *каждого отдельного слоя* должна контролироваться с атомной точностью — с допуском не более 0,01 нанометра, что примерно соответствует диаметру трех атомов кремния. Если толщина хотя бы одного из 40 слоев окажется неверной, вся система выйдет из строя, и все приложенные усилия окажутся напрасными. **25 лет упорства**

В 2000 году компания Zeiss взялась за этот проект. Однако никто не предполагал, насколько трудным окажется это начинание. Первое экспериментальное зеркало продемонстрировало коэффициент отражения менее 1% — результат, который был на целых 70 порядков ниже целевого показателя в 70%. В течение следующих пяти лет инженеры Zeiss, по сути, действовали практически вслепую. Они экспериментировали с различными сочетаниями материалов, с ювелирной точностью подбирали толщину каждого слоя и непрерывно совершенствовали процессы нанесения покрытий — слой за слоем. Путь к повышению коэффициента отражения выглядел следующим образом:

2006 г. → 10%
2010 г. → 40%
2015 г. → Прорыв: более 70%

Компании Zeiss потребовалось целых 15 лет, чтобы преодолеть путь от 1% до 70% отражающей способности. И наконец, в 2018 году компания ASML начала отгрузку своих первых коммерческих установок для EUV-литографии. Отражающая зеркальная система, разработанная для этих установок компанией Zeiss, включает в себя более 20 зеркал — каждое из которых изготовлено с поистине поразительной точностью.

Теперь «объектив» разворачивается на Восток. Примерно с 2020 года Китай начал вкладывать значительные средства в исследования и разработки в области EUV-технологий. Оптические системы занимают в этих усилиях центральное место.

Объективно говоря, Китай по-прежнему отделяет от компании Zeiss в этой сфере весьма существенный разрыв. Преодолеть это отставание за какие-то несколько лет невозможно: десятилетия накопленного производственного опыта, уникальные ноу-хау и высокоточное оборудование, которыми располагает Zeiss, просто невозможно легко и быстро воспроизвести.

И всё же пугает не сам этот разрыв. По-настоящему страшно — это не осознавать, где именно проходит эта граница отставания.

Отрадно видеть, что Китай четко осознал всю грандиозность этой «технологической вершины» и уже приступил к формированию собственных команд для её покорения. От научно-исследовательских институтов до корпоративных лабораторий — всё большее число специалистов посвящают себя работе в этой области.

Один из инженеров, участвующих в разработке отечественных оптических систем, однажды заметил: «То, чего компания Zeiss добилась за 25 лет, у нас может занять 30 лет — а возможно, и того больше. И всё же этот путь мы обязаны пройти, ибо именно он является единственной дорогой к достижению независимости в сфере технологий производства микросхем». Эти слова невольно возвращают нас к той сцене, которая была описана в самом начале этой статьи. В 1997 году, когда Бастус подвинул через стол инженерам Zeiss тот комплект чертежей, никто не верил, что ему удастся добиться успеха. И всё же двадцать лет спустя он одержал победу. История технологий — это никогда не сольное выступление гения-одиночки; скорее, это длинная восходящая лестница — эстафета восхождения, которую поколение за поколением передают друг другу.