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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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