Прорив в EUV-літографії - знайдено спосіб здешевити виробництво передових чипів у 4 рази

Напівпровідникові мікрочипи є фундаментом сучасного життя - від дата-центрів, що забезпечують роботу штучного інтелекту нового покоління, до життєво важливого медичного обладнання, автомобілів та гаджетів. У міру розвитку технологій та зростання енергоспоживання вчені прагнуть створювати дедалі менші чипи, що вимагає формування транзисторних структур на рівні одиниць нанометрів. Сучасний метод літографії в екстремальному ультрафіолеті (EUV) відкриває шлях до таких масштабів, проте він стикається з колосальними фізичними, інженерними та фінансовими труднощами.

Радикальне розв'язання цієї проблеми запропонував професор Цумору Шинтаке (Tsumoru Shintake) з Окінавського інституту науки і технологій (OIST). У дослідженні, опублікованому в науковому виданні Journal of Micro/Nanopatterning, Materials, and Metrology (JM3), науковець представив кардинально перепроєктовану оптичну систему освітлення та проєкції для літографії з високою числовою апертурою (High-NA EUV). Комп'ютерне моделювання показує, що його дизайн здатний повністю усунути складні оптичні спотворення (так звані тривимірні ефекти маски), підвищити роздільну здатність та забезпечити випуск передових чипів за значно менші гроші.

«Сучасні літографічні системи EUV коштують сотні мільйонів євро за один апарат, - розповідає професор Шинтаке. - Мій новий дизайн дозволить друкувати мікросхеми з деталізацією на рівні 2–3 нанометрів у набагато дешевший спосіб порівняно з сьогоднішніми найпередовішими машинами».

Професор наголошує, що впровадження його розробки має критичне значення на тлі вибухового попиту на інфраструктуру штучного інтелекту. За прогнозами Міжнародного енергетичного агентства, споживання електроенергії дата-центрами подвоїться вже до 2030 року через роботу енергомістких AI-агентів. Проте вища щільність розміщення елементів на чипах, виготовлених за допомогою нової High-NA оптики, означає, що електричні сигнали долатимуть меншу відстань. Це мінімізує втрати енергії та знизить вартість кожного окремого обчислення. Окрім того, щільніші чипи виділятимуть менше тепла, що зменшить витрати на охолодження серверних стійок.

У класичній EUV-літографії світло з екстремально короткою довжиною хвилі (13,5 нм) проходить крізь систему освітлення і потрапляє на відбивальну фотомаску з шаблоном мікросхеми. Далі відбите світло проходить крізь проєктор, який за допомогою серії дзеркал зменшує та фокусує зображення на кремнієвій пластині. Щоб зробити малюнок щільнішим, індустрія переходить на технологію High-NA, де висока числова апертура (NA) дозволяє лінзам захоплювати світло під ширшим кутом і розрізняти дрібніші деталі. На зорі досліджень EUV-літографії у 1990-х роках вчені вже намагалися створити лінійні (in-line) оптичні системи, подібні до дизайну Шинтаке, де фотомаска, проєктор і пластина вирівняні по одній осі. Проте тоді дослідники не змогли подолати розмиття та викривлення картинки, що виникали із підвищенням показника апертури.

Цумору Шинтаке підійшов до проблеми з іншого боку. Спершу він перевірив, чи зможе проста пара дзеркал - одне увігнуте та одне опукле - виконувати роль проєктора. Згодом його концепція еволюціонувала у двоетапну конфігурацію, де на кожному етапі працювала пара «увігнуте-опукле дзеркало». Після багатьох місяців складних математичних розрахунків у спеціалізованому оптичному симуляторі OpTaliX професор виявив, що множинні відбиття між правильно розташованими дзеркалами здатні взаємно компенсувати оптичні дефекти, зберігаючи при цьому високе значення апертури та бездоганну якість зображення.

Як і в будь-якому теоретичному дослідженні, розробка має певні допущення: комп'ютерні симуляції базуються на тому, що дзеркала є стовідсотково відбивальними та позбавленими будь-яких дефектів. Перехід від математичної моделі до фізичного заліза вимагатиме надскладної інженерної роботи. Наступним кроком команди професора Шинтаке є створення фізичного прототипу. Вчені вже розпочали розробку експериментального EUV-обладнання. «Цей дизайн може зробити технологію High-NA набагато простішою та дешевою у виробництві, відкриваючи нові горизонти для напівпровідникової індустрії. Ми зможемо створювати літографічні машини, вартість яких становитиме всього чверть від ціни тих систем, що зараз представлені на ринку. Це зробить майбутню електроніку швидшою, енергоефективнішою та доступнішою для кінцевого споживача», - підсумовує Цумору Шинтаке.

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI