Инновации 18 Ноября 2020

Микроэлектроника: просто, быстро и дешево

Принципиально новую технологию фотолитографии, которая существенно проще и дешевле, чем используемая сейчас в промышленности, разработала компания, основанная в Швейцарии российскими учеными и инженерами. О результатах своей работы они доложили на всемирной конференции, посвященной фотолитографии в микроэлектронике
Микроэлектроника: просто, быстро и дешево
Профессор, доктор физико-математических наук Вадим Раховский
Дмитрий Лыков

В феврале месяце этого года в Сан Хосе (Калифорния)состоялась очередная всемирная конференция Международного общества оптики и фотоники (SPIE), посвященная прогрессу в области фотолитографии. К сожалению, только недавно мы получили тексты четырех докладов, посвященных развитию голографической литографии, с которыми выступили на конференции представители швейцарской компании Nanotech SWLH GmbH, основанной нашими соотечественниками во главе с профессором, доктором физико-математических наук Вадимом Раховским в Швейцарии.
Активными участниками разработки, внесшими существенный вклад в развитие и создание голографической литографии, являются сотрудники компании профессор, доктор физико-математических наук А.С. Шамаев и кандидаты технических наук М.В. Борисов, Д.А. Челюбеев, В.В. Черник.
Только в Швейцарии они получили серьезную поддержку от Швейцарского научно -исследовательского института прикладных материалов науки и техники (Empa), который является частью Швейцарского федерального технологического института.

Можно уверенно сказать, что эта уникальная разработка вызвала на конференции большой интерес. На фотографии, которую нам прислали с полей конференции, видно (см. фото 1), как в очереди задать вопрос одному из докладчиков, представляющих компанию Nanotech SWHL GmbH, стоят доктор Барн Лин — бывший первый вице-президент тайваньской компании TSMC, крупнейшего мирового производителя чипов, который сейчас является главным советником президента этой компании, а за ним доктор Крис Мэк (США) — автор монографии, которая стала настольной книгой любого специалиста, хоть как-то связанного с фотолитографией в микроэлектронике. Именно об этом мы обещали рассказать в нашей статье посвященной развитию микроэлектроники в России.

ОЧЕРЕДЬ.jpg
Фото 1. В очереди задать вопрос представителю Nanotech SWHL GmbH, стоят доктор Барн Лин — бывший первый вице-президент TSMC, крупнейшего мирового производителя чипов, а за ним доктор Крис Мэк — автор монографии, которая стала настольной книгой любого специалиста, связанного с фотолитографией в микроэлектронике
Соцсети

 

Что такое фотолитография

Напомним нашему читателю, что такое фотолитография и для чего она нужна в микроэлектронике. Цель фотолитографии в микроэлектронике — формирование заданного изображения на кремниевой подложке для получения необходимой топологии микросхемы. Для этого на кремниевую подложку наносят тонкий слой материала, из которого нужно сформировать рисунок. На этот слой наносится светочувствительный материал — фоторезист, который подвергается облучению через оптическую систему и фотошаблон (маску). Маска, используемая при таком типе фотолитографии, представляет собой увеличенный трафарет проецируемого рисунка. После последующей обработки фоторезиста на пластине остается заданный рисунок. Чем меньше длина волны излучения, тем меньше размеры получаемых элементов рисунка. В процессе изготовления микросхем операция фотолитографии на одной пластине повторяется многократно, и каждое новое изображение должно очень точно совмещаться с предыдущим (см. рисунок 1).

70b8c55488669b9314a1bb155f6d9c39.png
Рисунок 1. В процессе изготовления микросхем операция фотолитографии на одной пластине повторяется многократно, и каждое новое изображение должно очень точно совмещаться с предыдущим
ИФМ

С 1970-х годов стоимость фотолитографии в производстве ИС достигла почти 70% общей стоимости производства. Стоимость производимого литографического оборудования выросла почти в 160 раз, превысив 200 млн долларов. Столь высокие затраты привели к значительной концентрации рынка производства микросхем и оборудования для этого производства в руках нескольких компаний. Например, ASML занимает 85% мирового рынка установок фотолитографии (степперов), и только три компании по производству микросхем, а именно Intel Corp., Samsung и TSMC, работают над технологиями ниже 14 нм.

magnifier.png Цель фотолитографии в микроэлектронике — формирование заданного изображения на кремниевой подложке для получения необходимой топологии микросхемы. Для этого на кремниевую подложку наносят тонкий слой материала, из которого нужно сформировать рисунок. На этот слой наносится светочувствительный материал — фоторезист, который подвергается облучению через оптическую систему и фотошаблон

А суммарная стоимость набора фотошаблонов, которые являются важнейшим элементом технологии фотолитографии, для производства одного типа чипов может достигать нескольких миллионов долларов, и они требуют регулярной, раз в несколько дней, замены. Суммарная их стоимость за время производства данного типа чипов может достигать многих десятков миллионов долларов.

Фотолитография, предлагаемая компанией Nanotech SWHL GmbH, основана на использовании голографии для получения на пластине необходимого рисунка, что позволяет кардинально снизить стоимость и самой фотолитографической машины, и набора фотошаблонов. Попробуем, основываясь на полученных статьях, объяснить, что представляет собой этот новый тип фотолитографии. Но для понимания проблем этой технологи начнем с описания ее состояния в настоящее время.


bbde3681d5a42d64ccbeeb3a15803721.png
Рисунок 2 . Оптическая схема традиционного проекционного фотолитографа
ИФМ

 

Фотолитография сегодняшнего дня и ее проблемы

До недавнего времени самые передовые проектные нормы, то есть минимальные размеры элементов, достигались с использованием проекционной фотолитографии на длине волны 193 нм, возможности которой уже на порядок превзошли дифракционный предел разрешающей способности оптической системы литографа, определяющий минимальный размер топологического элемента, который может быть получен с помощью оптической системы. Вот почему для достижения минимальных проектных норм разработчики фотолитографических машин предприняли значительные усилия, в результате которые ее оптическая система стала существенно дороже (см. рисунок 2). Современные литографические объективы фирмы Carl Zeiss, которая, по сути, монополизировала рынок высокоразрешающих литографических объективов и фактически является их единственным производителем для литографического оборудования, имеют высоту до 170 см, диаметр до 600 мм, содержат около 40 чрезвычайно высококачественных линз и отражающих оптических элементов и весят до 800 кг. Масштаб этого объектива хорошо виден на фото 2.


ОБЪЕКТИВ.jpg
Фото 2. Традиционный проекционный фотолитограф компании ASML. В центре виден объектив
ASML


   Последние несколько лет в микроэлектронике нашла применение EUV-проекционная фотолитография на длине волны 13,5 нм, которая как раз и позволила достичь разрешения менее 10 нм — 7 и 5 нм а возможно, как обещает тайваньская компания TSMC, и 3 нм. Проблема при создании установок для EUV-литографии состоит в том, что на длине волны 13,5 нм нельзя использовать традиционные источники света и традиционную оптику из-за интенсивного поглощения такого света всеми известными оптическими материалами. Поэтому в подобных оптических системах используют зеркала с соответствующим интерференционным покрытием (см. рисунок 3). Сложность таких установок такова, что их стоимость, как мы как отметили, достигает уже 200 млн долларов (см. фото 3).

ФОТО3.jpg
Фото 3. EUV-фотолитограф компании ASML
ASML

Но кроме высокой цены и все большой сложности реализации традиционной фотолитографии и EUV-фотолитографии у них есть еще по меньшей мере два недостатка. Во-первых, как указывают авторы доклада, развитие микроэлектроники привело к появлению и постоянному расширению области применения 3D-компонентов, в том числе MEMS, MOEMS, различных типов микролинз и массивов микросенсоров, без которых немыслимо производство современных электронных устройств для того же интернета вещей: для их изготовления необходимо получить фотолитографическое изображение в разных плоскостях. При решении этой проблемы с помощью проекционной фотолитографии возникает противоречие между разрешением и глубиной резкости ее оптической системы. Чтобы получить изображение в разных плоскостях при одной экспозиции, нужно увеличить глубину резкости, но при этом падает разрешение: невозможно одновременно создавать изображение высокого качества в нескольких плоскостях, разнесенных на расстояниях, значительно превышающих глубину резкости проекционной системы. Поэтому приходится прибегать к нескольким экспозициям на разных плоскостях, что существенно усложняет процесс фотолитографии и делает его более дорогим.

magnifier.png С 1970-х годов стоимость фотолитографии в производстве ИС достигла почти 70% общей стоимости производства. Стоимость производимого литографического оборудования выросла почти в 160 раз, превысив 200 млн долларов. Столь высокие затраты привели к значительной концентрации рынка производства микросхем и оборудования для него в руках нескольких компаний

Во-вторых, чувствительность проекционной фотолитографии к дефектам на фотошаблонах — проекционных масках, возникающим в процессе их изготовления и эксплуатации, очень высока: ведь эти дефекты при экспонировании воспроизводятся на кремниевой пластине. А поскольку маски эксплуатируются многократно, многократно возрастает и число дефектов. Причем по мере перехода ко все меньшим технологическим нормам требования к размерам и числу допустимых дефектов маски становились все строже. Например, уже для технологического уровня 90 нм отношение общей площади дефектов на поверхности маски к площади ее поверхности составляло 10–11. Обе эти проблемы можно решить благодаря использованию голографии.


f52363c51a766cdd11cb3bddda023a15.png
Рисунок 3. Оптическая схема EUV-фотолитографа
ИФМ

 

Почему голография и что она дает

Под голографией обычно понимают особую технологию фотографирования, основанную на регистрации на фотопластинке интерференционной картины, формируемой волнами опорного источника излучения — лазера, — и этого же излучения, отраженного от объекта (см. рисунок 4). Это позволяет в последующем получать трехмерные (объемные) изображения объектов: на экспонированной таким образом и проявленной пластинке содержится система интерференционных полос, и, если такую голограмму просветить, как диапозитив, лазерным светом той же частоты, что была использована при записи, возникнет голограмма — объемное изображение снятого предмета, словно висящего в пространстве.
Проблема в том, что в случае голографической фотолитографии не существует объекта, изображения, голограмму которого необходимо создать, а необходимо решить так называемую обратную задачу: зная, какое изображение на кремниевой подложке мы хотим получить, определить, какой рисунок надо нанести на маску, чтобы при прохождении через нее света благодаря дифракции и интерференции на этой кремниевой подложке было получено необходимое изображение. И это оказалось нетривиальной математической задачей, которую в мире пока удалось решить только компании Nanotech SWHL GmbH. Опираясь на достижения российской математической школы, в компании разработали программный комплекс для синтеза голограммных масок, что позволяет создавать изображение сложных топологий, используемых в современных интегральных схемах

кот ораж.jpg
Рисунок 4 .Принцип записи голограммы
«Эксперт»

При этом полученная маска обладает важными достоинствами. Во-первых, ее рисунок значительно проще, чем рисунок традиционной фотолитографической маски. Во-вторых, предельно упрощая, можно сказать, что голограмма обладает следующим важным свойством: каждая ее точка, до определенного размера, несет информацию обо всем изображении. 

magnifier.png В случае голографической фотолитографии не существует объекта, изображения, голограмму которого необходимо создать, а необходимо решить так называемую обратную задачу: зная, какое изображение на кремниевой подложке мы хотим получить, определить, какой рисунок надо нанести на маску

И поэтому влияние локальных дефектов на получаемое изображение пренебрежимо мало. Расчеты показывают, что даже при суммарной площади всех дефектов, занимающих сотой процента от голограммной маски, качество создаваемого с ее помощью изображения практически не пострадает. То есть чувствительность изображения к локальным дефектам голограммной маски на 9–10 порядков меньше, чем у обычной проекционной. В результате радикально упрощается топология голограммных масок, существенно снижаются требования к технологии использования и хранения масок, сокращаются дорогостоящие регулярный контроль и ремонт масок, а срок службы голограммных масок становился практически неограниченным. А следовательно, снижается и их стоимость.

Кроме того, голографическая литография радикально решает и проблему проекционного объектива, поскольку для воспроизведения голографического изображения он вообще не нужен. Требуется лишь простейший объектив (иллюминатор) для освещения маски (см. рисунок 5), что существенно снижает стоимость степпера. По совокупности этих качеств весь процесс голографической фотолитографии получается существенно дешевле.

ОБЪЕКТИВЫ.jpg
Рисунок 5. Сравнение оптических схем традиционного проекционного фотолитографа и голографического фотолитографа
«Эксперт»

 

Чего уже достигла компания Nanotech SWHL GmbH

Подведем итоги. В представленных на конференции докладах их авторы отмечают, что они разработали, запатентовали и экспериментально подтвердили новый голографический метод фотолитографии. Этот новый подход позволяет не только преодолеть многие технологические проблемы традиционной фотолитографии, но также предлагает радикально более простую и дешевую литографическую технологию, которая может расширить рынок производителей литографического оборудования и производителей микросхем. Разработаны и внедрены быстрые алгоритмы для синтеза голографических масок и оптимизации их структуры, позволяющие повысить качество реконструированных изображений. Разработаны и построены экспериментальные установки, которые позволили проверить предложенную концепцию голографической фотолитографии и получить изображения с разрешением 250 нм в фоторезисте.

Авторы отмечают следующие преимущества голографической фотолитографии, которые мы уже отметили выше:

— простота изготовления голографической маски;

— маска бесконечного времени жизни;

— чрезвычайно высокая устойчивость к дефектам на маске;

— радикально упрощается топология голограммных масок; 

— теоретически доказана (в докладе были продемонстрированы результаты успешной компьютерной симуляции) возможность создания с помощью SWHL топологий чипов, относящихся к технологическому ноду N7нм (проектная норма).

magnifier.png Чувствительность изображения к локальным дефектам голограммной маски на 9–10 порядков меньше, чем у обычной проекционной. В результате существенно снижаются требования к технологии использования и хранения масок, сокращаются дорогостоящие регулярный контроль и ремонт масок, а срок службы голограммных масок становился практически неограниченным. А следовательно, снижается и их стоимость

Компания разработала эффективный и быстрый метод синтеза масок, в том числе алгоритмы, интегрированные в программный пакет.

Для экспериментальной проверки создан макет голографического степпера, позволяющий получать изображения с субволновым разрешением 0,56 λ (длины волны излучения). Продемонстрировано, что 3D-изображения можно экспонировать на многоуровневой поверхности с помощью одной голографической маски за одну экспозицию. При этом результаты моделирования экспериментов оказались в хорошем согласии с предложенным теоретическим обоснованием. Наконец, смоделирован весь технологический процесс создания необходимого рисунка для проектных норм 7 нм, что дает разработчика полную уверенность в возможностях его реализации.

Сейчас Nanotech SWHL GmbH готовится к следующему этапу разработки — созданию опытного образца голографического степпера. голографического степпера. 

Мы же напоминаем нашему читателю, что мы уже писали о работах, которые ведутся в нижегородском Институте прикладной физики по созданию фотолитографии без масок, целью которых также является удешевление и упрощение процесса фотолитографии.


Темы: Инновации

Еще по теме:
03.12.2020
Платежная блокчейн-система Libra Association, принадлежащая Facebook, объявила о ребрендинге. Теперь она будет называться...
27.11.2020
Петербургские ученые и инженеры под руководством профессора Георгия Прохорова создали криогенный аппарат для заморозки и...
19.11.2020
Участники глобальной антивирусной гонки демонстрируют хорошие промежуточные результаты, позволяющие надеяться, что пробл...
10.11.2020
В Томске разработали светодиодный прибор для лечения депрессии. Это совместная разработка ученых НИИ психического здоров...
Наверх