Новые возможности для полупроводникового производства – многолучевая электронная литография
Что нового может появиться в полупроводниковой промышленности благодаря внедрению многолучевой электронной литографии? Инновационная технология, предложенная голландской компанией Mapper Lithography медленно, но верно подходит к уровню промышленного применения — не без помощи Роснано, которое владеет существенной долей компании. Что нового можно будет сделать в полупроводниковом производстве при помощи многолучевой электронной литографии? Давайте посмотрим.
Введение
Последние лет пятьдесят развитие полупроводниковых технологий довольно хорошо следовало так называемому «закону Мура», который был сформулирован Гордоном Муром в 1965-ом: «количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца». Прямое следствие закона Мура — уменьшение критических размеров (critical dimensions — CD) транзисторов, по ним называются техпроцессы (technology nodes), использующиеся для изготовления интегральных схем. Со времен формулировки закона Мура до наших дней CD уменьшились в 5 000 раз: с 50 мкм до 10 нм. Хотя смерть закону Мура предрекают уже довольно давно (где-то начиная с 90 нм), до сих пор уменьшение размеров продолжается. С другой стороны, очевидно, что бесконечно так продолжаться не может — наступит физический предел — размеры атомов конечны.
Тем не менее, движение в сторону уменьшения размеров продолжается (часто это называют more Moore). Так как критическим процессом полупроводниковой технологии является литография, то именно там сосредоточены основные усилия по уменьшению размеров, ярким примером является машина Экстремального Ультра Фиолета ЭУФ (Extreme Ultra Violet — EUV), разработку которой ведет флагман фотолитографии, голландская компания ASML. Длина волны этой технологии составляет 13.5 нм (тогда как длина волны современных фотолитографических машин составляет 193 нм), что позволит печатать CD для технологий менее 45 нм напрямую (на данный момент для таких технологий используется мультипаттернинг, включающий в себя несколько операций литографии и травления).
Другой подход заключается в отступлении от простого уменьшения размеров и добавления различных новых технологий в стандартный техпроцесс (это обычно называют more than Moore). Примером таких технологий являются новые материалы (например диэлектрики с низкой либо высокой диэлектрической проницаемостью вместо оксида кремния, медь вместо алюминия, германий вместо кремния и т.д.); новая архитектура транзисторов (напряженные каналы, трехмерные затворы и т.д.); новые системные решения (многоядерные процессоры, совмещение математического и графического процессоров на одном кристалле и т.д.).
Если технология EUV от ASML является очевидным примером следования закону Мура, то технология безмасочной электронной литографии от другой голландской компании Mapper Lithography позволит применять ее в обоих случаях: more Moore and more than Moore. В сегодняшней статье не будем останавливаться на преимуществах высокого разрешения электронной литографии (которая является лежащим на поверхности преимуществом по сравнению с оптической), а порассуждаем о том, что эта технология может принести инновационного в процесс производства интегральных схем.
Что позволит производить многолучевая электронная литография
Сама по себе электронная литография хорошо известна и не является чем-то особенным, она широко используется, например, при производстве масок для фотолитографии. Основным недостатком электронной литографии является удручающе медленная скорость работы — чтобы экспонировать 300 мм пластину, понадобится около месяца. Это не приемлемо для производства, где обычная фотолитография экспонирует пластины с производительностью более сотни в час.
300 мм пластина после экспонирования на машине Mapper Lithography и проявки.
Основным преимуществом многолучевой электронной литографии является отсутствие масок — рисунок на полупроводниковую пластину переносится напрямую с компьютера. Если классическую фотолитографию можно сравнить с пленочной фотографией — печать большого количества отпечатков с одного негатива, то многолучевую электронную литографию можно сравнить с цифровой фотографией — печать отпечатков напрямую с компьютера на струйном принтере. В первом случае получаем высокую производительность при низкой вариативности (легко воспроизвести множество отпечатков, но сложно изменить негатив), во втором случае получаем более низкую производительность, но высокую вариативность (подправить файл на компьютере труда не составит). Еще одной хорошей аналогией служит отливка в формы и печать на 3D принтере.
Линии с полупериодом 42 нм после электронной литографии и травления. Для получения такой же структуры с применением классической фотолитографии потребуется несколько операций экспонирования/травления
Стоит отметить, что ключевые элементы машины — электронные линзы — производятся в России на небольшой МЭМС-фабрике, построенной специально для этих целей при поддержке Роснано.
Учитывая, что изготовление масок (фотошаблонов) для современных технологий (~20 нм) является длительным (несколько месяцев) и дорогостоящим (миллионы долларов) процессом, давайте посмотрим, где может найти применение технология безмасочной литографии.
Быстрое прототипирование новых продуктов
Как происходит разработка новых полупроводниковых продуктов на сегодняшний день? Компания, желающая выпустить на рынок новый продукт, сначала изготавливает тестовый фотошаблон с несколькими вариантами будущего продукта — это несколько месяцев и несколько миллионов долларов — изготавливает некоторое количество тестовых чипов, выбирает наилучший дизайн и заказывает уже окончательный фотошаблон по наилучшему дизайну — это еще несколько месяцев и несколько миллионов долларов.
Как может происходить разработка новых продуктов при использовании установки МЭЛ? Тестовая партия чипов с новым продуктом может содержать сотни или тысячи вариантов нового чипа, причем для ее изготовления не понадобится ни дополнительное время на ожидание изготовления фотошаблонов, ни дополнительные расходы. То есть разработка новых продуктов будет быстрее (на несколько месяцев), дешевле (на несколько миллионов долларов) и качественнее (больше вариантов нового чипа).
При изготовлении небольших серий МЭЛ может использоваться в последующем серийном производстве, при крупносерийном производстве можно заказать фотошаблон по наилучшему дизайну и печатать чипы уже с него.
Изготовление малых серий чипов
CubeSat. Источник: Wikipedia CC BY 1.0, Link
Если вы хотите изготовить какой-либо чип миллионным тиражом — нет проблем, стоимость фотошаблонов размажется на огромное количество чипов и каждый чип будет стоить не так дорого. Но если вам нужна сотня или тысяча чипов? Например, вы хотите запихнуть всю электронику наноспутника в один чип своего собственного уникального дизайна — стоимость такого чипа будет огромной, так как стоимость фотошаблона (миллионы долларов) будет разделена на небольшое количество чипов. Однако, если фотошаблон изготавливать не надо, то никто не мешает сделать небольшое количество чипов — если вся остальная технология, за исключением фотолитографии, не сильно изменяется, то и стоимость чипа особо не изменится — на 300 мм пластине один чип будет стоить от десятков до сотен долларов в зависимости от размера.
Изготовление уникальных чипов
Если изготовить малую серию уникальных чипов при помощи обычной фотолитографии хоть и очень дорого, но в принципе возможно, то сделать каждый чип уникальным уже невозможно в принципе. Для чего могут понадобиться уникальные чипы? Они могут использоваться в целях безопасности (вариативность защиты создается не на программном, а на аппаратном уровне) или в целях идентификации (уникальный чип слишком сложно подделать). Возможностью изготавливать уникальные чипы заинтересовалось довольно много клиентов, так что голландцы из Mapper Lithography создали специальный сайт.
Продление жизни устаревающих фабрик, работающих на 200 мм пластинах
200 мм фабрика. Источник: Infineon
В настоящее время большинство полупроводникового производства (около 60%) использует 300 мм пластины и соответствующее оборудование. Тем не менее, доля полупроводникового производства на 200 мм пластинах хоть и уменьшается, все еще составляет более 20%. Такие фабрики менее технологически продвинуты, чем 300 мм и обычно не могут выпускать пластины по техпроцессам менее 90 нм. Ключевым оборудованием, определяющим техпроцесс, является установка фотолитографии, которая также является и самой дорогой. В принципе, остальная 200 мм технологическая линия может потянуть и более продвинутый техпроцесс (45 нм — 65 нм), но все упирается в литографию, а ее замена на более продвинутую (это 300 мм машины) обойдется слишком дорого. В таком случае может помочь многолучевая электронная литография — стоит оборудование в несколько раз дешевле, чем современная машина фотолитографии, однако позволит выпускать пластины по более продвинутым технологиям, пусть и не очень большими сериями, что продлит жизнь устаревающим 200 мм фабрикам.
Изготовление больших светочувствительных матриц
Фотоматрица. Источник: Wikipedia By Filya1 — Own work, CC BY-SA 3.0, Link
Как известно, на качество изображения физический размер матрицы имеет большее влияние, чем количество мегапикселей. Размер матрицы определяется максимальным полем зрения фотолитографической установки (за один прием современная фотолитографическая установка печатает рисунок, соответствующий полю зрения, затем переходит на следующий участок, печатает такой же рисунок и т.д.). На сегодняшний день максимальный размер матрицы составляет примерно 20 мм х 20 мм, что соответствует полю зрения сканеров, которое вряд ли будет увеличиваться в ближайшем будущем.
Так как принцип работы многолучевой электронной литографии аналогичен струйному принтеру, печатающему картинку полосу за полосой от края до края, а не фотоувеличителю, печатающему картинку целиком шаг за шагом (как у фотолитографических сканеров), размер картинки, получаемой на установке многолучевой электронной литографии ограничен только размером полупроводниковой пластины, на которую переносится рисунок (на данный момент это 300 мм, в дальнейшем может быть будет 450 мм. Но это не точно.). Таком образом, применяя многолучевую электронную литографию теоретически можно создавать фотоматрицы размером с полупроводниковую пластину (диаметром 300 мм). Понятно, что для массового потребителя это не нужно, но, например, для космических телескопов или каких-то других применений, где важно качество изображения, а размер и цена играют второстепенную роль, такие матрицы будут незаменимы и некоторые компании этой технологией сильно интересуются.
Заключение
Многолучевая электронная литография позволит открыть новую главу в полупроводниковом производстве. Она аналогична 3D печати в сравнении с литьем и цифровой фотографии + струйному принтеру в сравнении с фотографией на пленку и печати с негатива.
Я много раз слышал мнение, что многолучевая электронная литография не сможет конкурировать с классической фотолитографией (включая EUV) и Mapper Lithography не сможет конкурировать с ASML, из чего делался вывод, что МЭЛ обречена на неудачу. Если с первой частью данного утверждения я соглашусь, то со второй — нет. Если посмотреть на историю с МЭЛ и классической фотолитографией немного с другой стороны, то МЭЛ можно сравнить с вертолетом, а классическую фотолитографию — с магистральным самолетом. Вроде и та и другая технология перевозит пассажиров и грузы по воздуху, но в то же время между ними огромная разница. Если нужно перевезти несколько сотен человек через океан, то ваш выбор — магистральный лайнер. А если доставить смену нефтяников на морскую платформу, то самолет вам уже не поможет. Да, производство вертолетов никогда не достигнет масштабов производства самолетов и не будет с ними конкурировать. Но построить успешный бизнес на производстве вертолётов вполне возможно. Так что со временем многолучевая электронная литография займет свою нишу в полупроводниковом производстве, так же как вертолеты заняли свою в воздушном транспорте.
