Фотолитография – самый широко используемый способ «рисования» микросхем. Ещё раз (напомним): предварительно изготавливается маска: стеклянная пластина, на которой непрозрачные области формируют нужный рисунок. Свет от специального источника, проходя через маску, попадает в систему линз, фокусирующих изображение маски на поверхности резиста.
На первый взгляд всё очень просто: изготовили маску и с помощью уменьшающей оптики печатаем сколько надо изображений. Если надо – повторяем.
Всё так. Но есть нюансы. Реальные устройства намного сложнее, чем изображено на схеме. Но об этом – ниже.
Размер элементов микросхемы, их плотность (степень интеграции) определяются возможностями литографии.
Размер имеет значение
Длина световой волны – основной естественный «ограничитель» разрешения в фотолитографии. Как волна на поверхности воды «не заметит» тонкую тростинку, так и поток света «не заметит» препятствия, если размер препятствия много меньше длины волны. В случае фотолитографии нужно не просто «заметить» (например, зафиксировать некоторое затемнение). Необходимо более менее точно воспроизвести форму элементов маски («напечатать» в резисте). При этом чем меньше размер «напечатанных» элементов – тем лучше.
Что ж, значит надо использовать излучение (свет) с короткой длиной волны, - скажет догадливый. Действительно, вначале, при производстве микросхем с размерами элементов более 1 микрометра, использовалось излучение с длиной волны около 430нм (0.43 микрометра). С развитием технологии и возрастанием требований (уменьшение размеров) перешли к излучению 365нм, потом к 248нм, и 193нм. Постепенный переход к более коротковолновому излучению объясняется постепенным развитием технологии, физическими ограничениями и экономическим фактором.
Основные проблемы / технические сложности, которые приходится учитывать / решать при "выборе" длины волны излучения для фотолитографии:
1. Практически невозможно (очень трудно) создать достаточно мощный и стабильный источник излучения с произвольной длиной волны.
2. Прозрачность и преломление линз оптической системы, как и фото-чувствительность резиста зависят от излучения. Так что при переходе к «новой» длине волны в фотолитографии необходимо поменять и оптику (а это очень непросто!), и маски, и резист (а значит и растворители, и – возможно - технологию травления… и т. д.)
3. Перестройка технологического цикла означает большие затраты и необходимость практически нового производства.
Так что не всё так просто с переходом на новую длину волны. А это значит, что надо постараться достичь максимальной эффективности не меняя излучения.
Чёткость изображения
При печати изображения свет от специального источника проходит через маску. Затем свет фокусируется специальной оптической системой на поверхности резиста. Часть света, рассеянного маской, до резиста не доходит. То есть, не принимает участия в формировании изображения.
Это всё равно, что получать неполную информацию. Неполную – значит искажённую. Так и изображение маски на поверхности резиста будет искажённым. Прозрачность маски меняется ступенчато (1 или 0), а освещённость в изображении – плавная кривая.
Чёткость печатаемого изображения зависит от количества света от маски, собранного линзой и перенесённого в резист. То есть, от диаметра объектива. Или, если быть точным, от угла, который покрывает объектив, если смотреть с поверхности резиста (или – от максимального угла падения света на резист). Чем больше угол – тем чётче изображение!
Но… с другой стороны, при увеличении этого угла малейший сдвиг/ отклонение/ неточность положения поверхности резиста приводит к расфокусировке изображения. Сходящиеся лучи вместо точки образуют размытое пятно. Таким образом, требования к оптической системе порождают очень высокие требования к системе позиционирования подложки.
При перемещениях по горизонтали (для пошаговой печати одного рисунка маски на разных участках подложки) не допускается ни малейшего смещения по вертикали. Иначе – изображение будет «размываться». (Здесь даже не упоминаем требования к чистоте и однородности материала линз, к точности обработки из поверхностей. Это отдельная большая задача, которая по плечу только немногим производителям литографического оборудования.) То есть: конечно, для обеспечения качественного изображения нужна качественная оптика; но, для фотолитографии этого мало. Размеры и расстояния здесь очень критичны, а значит, здесь так же важна и о-о-о-очень точная механика.
Кстати, на рисунке в начале страницы уменьшающая оптическая система изображена как одна линза (перед резистом). В реальности всё несколько сложнее. Оптическая система степпера состоит из десятков линз. Причем каждая из них проходит индивидуальную обработку (это не конвейер!). Поэтому (далее цитата из публикации начала 2010-х): "Степперы – самое дорогое из литографического оборудования. Их цена растет в среднем на 17% в год со времени появления на рынке в конце 1970-х годов. В настоящее время стоимость лучших степперов превышает 50 миллионов долларов. (Wafer steppers are the most expensive pieces of equipment in the lithography tool set. Their prices have increased by an average of 17% per year since they were introduced in the late 1970s, to the point where the prices for leading-edge step-and-scan systems now exceed $50M. Harry J. Levinson. Principles of Lithography, Third Edition. Published: 2011)"
Схемы литографических уменьшающих объективов Nikon разных лет (для разных длин волн).
Иммерсионная литография
Как предсказывает классическая оптика, разрешение оптической системы (чёткость изображения) можно увеличить, заполнив пространство между линзой и резистом водой (жидкостью с показателем преломления больше единицы). Кстати, такой подход используется в иммерсионной микроскопии. Но одно дело, когда жидкость помещают между объективом и неподвижным предметным стеклом, а другое – когда пластина должна двигаться в шаг за шагом, «подставляя» участки для экспонирования. И нельзя терять производительность!
… И с этой технической задачей инженеры справились.
Оптимизация
Работа инженеров и учёных из многих стран и компаний по оптимизации фотолитографии привела к замечательным результатам. Меньше, чем за 40 лет с 1980 по 2015 годы минимальный размер
По материалам: Jaione Tirapu Azpiroz, Alan E. Rosenbluth. Impact of Sub-Wavelength Electromagnetic Diffraction in Optical Lithography for Semiconductor Chip Manufacturing. 2013 SBMO/IEEE MTT-S International Microwave & Optoelectronics Conference (IMOC).
печатаемых в фотолитографии элементов уменьшился в 100 с лишним раз (больше микрона в 1980 году, 10нм в 2015 году). В то время как длина волны уменьшилась в два с небольшим раза (от 436 до 193 нм).
Чтобы достичь этого был оптимизирован каждый элемент фотолитографической системы. Были разработаны
алгоритмы/компьютерные программы для выбора оптимальной «формы» и поляризации источника излучения для каждой (!) маски (source-mask optimization);
алгоритмы/программы расчета коррекции (искажения) элементов маски для получения требуемого рисунка в резите (Optical Proximity Correction, Inverce Lithography и т. п.);
технологии двойного экспонирования (double exposure), «разбиения» рисунка (double patterning) и т. п. для печати «плотных» рисунков маски в несколько проходов.
Родилась целая индустрия Electronic Design Automation (EDA) и выросшая из неё вычислительная (компьютерная) литография (Computational Lithography).
В начале 2020х годов рынок EDA составлял 11-12 миллиардов долларов. К 2030 году прогнозируется объём до 25 и более миллиардов долларов.
Кстати, маски для производства современных микросхем (с минимальными размерами элеменов) оптимизируются под конкретного производителя. Стоимость такого набора масок превышает миллион долларов.
