Безмасковой литографии что это

16.12.202309.09.2023 admin 0 Comments

Безмасковая литография – технология MLE™ или как преодолеть достигнутый предел в 3D- и гетерогенной интеграции

Современные возможности и непрерывное развитие оборудования для литографических процессов в полупроводниковом производстве обусловлены рядом тенденций, которые формируют наше «цифровое» сообщество. Технология безмаскового экспонирования MLE™ (MaskLess Exposure) от компании EV Group (EVG) позволит сделать следующий шаг и преодолеть множество ограничений в 3D- и гетерогенной интеграции, связанных с использованием стандартных методов экспонирования и фотошаблонов.

Что это за тенденции? О каких возможностях, да еще и с непрерывным развитием, идет речь? Какие ограничения 3D- и гетерогенной интеграции можно преодолеть, если использовать технологию MLE™?

Поскольку масштабирование по плотности 2D-интегральных схем достигло своих пределов как в размерах, так и в стоимости, особенно для процессов формирования рисунка структур, в настоящее время достижения в миниатюризации и производительности устройств расширяются в сторону трехмерной (3DI) и гетерогенной интеграции (HI — Heterogeneous Integration) в современном корпусировании. Данный подход рассматривается как ключевой фактор развития изделий нового поколения, где процессоры для мобильных устройств запустили первый цикл роста 3DI/HI. Ожидается, что этот цикл продолжится, пока области применения, требующие высокой производительности — искусственный интеллект (AI — Artificial Intelligence) и системы связи поколения 5G (5G) — будут набирать обороты в мобильных устройствах. Также на рост 3D/HI окажут существенное влияние системы для автономного вождения, которым необходимы высокая надежность и пропускная способность сети передачи данных, а также развивающийся семимильными шагами рынок Интернет вещей (IoT — Internet of Things).

Компания EV Group, Австрия, www.EVGroup.com, является мировым лидером в области высокотехнологичных решений и оборудования для изготовления МЭМС, компаундных полупроводников, силовых компонентов и устройств на основе нанотехнологий. Основная продукция: оборудование для сварки пластин, обработки утоненных полупроводниковых пластин, оборудование для фотолитографии, наноимпринтной литографии (NIL), метрологическое оборудование, а также устройства для нанесения и проявления фоторезиста, очистки пластин и систем контроля. Компания была основана в 1980 году, в настоящее время обслуживает и поддерживает развитую сеть клиентов и партнеров по всему миру.

Технологии в современном корпусировании с годами стали более сложными и разнообразными. Переход от устройств с одним кристаллом в корпусе к нескольким кристаллам в корпусе стал возможен благодаря трехмерной интеграции. Данный подход является одним из вариантов решения проблемы обработки большого потока данных, созданных с помощью высокопроизводительных вычислений. Инновации в дизайне чиплетов и разнообразные схемы интеграции теперь могут включать несколько уровней (слоев) с топологическими рисунками. Необходимо учитывать постоянно растущие требования к гибкости и адаптивности дизайна, рисунка структур и возможности одновременного применения систем литографического структурирования как на уровне кристалла или пластины, так и при внутренней литографической обработке в 3DI. Это важно, чтобы сократить время на разработку и одновременно охватить широкий спектр платформ, используемых в современном корпусировании. Кроме того, любое усовершенствование дизайна или структуры конечного продукта добавляет дополнительные литографические процессы — уровни и, соответственно, необходимо дополнительное количество фотошаблонов. Оборудование для создания, хранения, обработки и подержания работоспособности фотошаблонов составляет значительную часть общих производственных затрат. При этом нужно учитывать, что затраты на замену обычных лазерных источников или ртутных ламп в литографических системах также значительное влияют на производственные затраты.

Время ожидания новых наборов фотошаблонов, а также общие концепции проверки новой разработанной конструкции для устройств с большим количеством 3D-структур, по сути приводят к серьезному удлинению цикла разработки при использовании традиционного подхода на производстве, в основе которого лежат фотошаблоны.

Источник

СОДЕРЖАНИЕ

Преимущества

Преимущество MPL заключается в высокоскоростной параллельной манипуляции с шаблоном, обеспечиваемой большой и дешевой доступной вычислительной мощностью, что не является проблемой для стандартного подхода, который отделяется от медленного, но точного процесса структурирования для записи маски из быстрого и высокопроизводительного параллельный процесс копирования для достижения высокой производительности репликации в соответствии с требованиями отрасли.

Ключевым преимуществом литографии без маски является возможность изменять образцы литографии от одного прогона к другому без затрат на создание новой фотошаблона. Это может оказаться полезным для создания двойного рисунка или компенсации нелинейного поведения материала (например, при использовании более дешевой, некристаллической подложки или для компенсации случайных ошибок размещения предыдущих структур).

Недостатки

Основными недостатками являются сложность и стоимость процесса репликации, ограничение растеризации в отношении передискретизации вызывает артефакты наложения спектров, особенно с меньшими структурами (которые могут повлиять на выход), в то время как прямая запись вектора ограничена в пропускной способности. Также цифровая пропускная способность таких систем является узким местом для высоких разрешений, то есть для структурирования пластины диаметром 300 мм с ее площадью

707 см² требуется около 10 Ти Б данных в растеризованном формате без передискретизации и, следовательно, страдает ступенчатыми артефактами ( наложением ). Передискретизация в 10 раз для уменьшения этих артефактов добавляет еще два порядка 1 ПиБ на одну пластину, которую необходимо передать за

50 мкм является наиболее распространенным (что в

2000 раз ниже требований к пропускной способности компонентов).

Формы

В настоящее время основными видами безмасковой литографии являются электронно-лучевая и оптическая. Кроме того, системы сфокусированного ионного пучка заняли важную нишу в анализе отказов и ремонте дефектов. Также были продемонстрированы системы на основе массивов механических и термоабляционных наконечников зондов.

Электронный луч (электронный луч)

Большинство разрабатываемых в настоящее время систем литографии без масок основаны на использовании нескольких электронных лучей. Цель состоит в том, чтобы использовать параллельное сканирование лучей, чтобы ускорить формирование рисунка на больших площадях. Однако фундаментальное соображение здесь заключается в том, в какой степени электроны из соседних пучков могут мешать друг другу (из-за кулоновского отталкивания ). Поскольку электроны в параллельных пучках движутся одинаково быстро, они будут постоянно отталкивать друг друга, в то время как электронные линзы действуют только на части траекторий электронов.

Оптический

Интерференционная литография или голографическая экспозиция не являются процессами без масок и, следовательно, не считаются «без масок», хотя между ними нет системы визуализации 1: 1.

Плазмонная литография с прямой записью использует локализованные поверхностные плазмонные возбуждения через сканирующие зонды для непосредственного экспонирования фоторезиста.

В 2013 году группа из Технологического университета Суинберна опубликовала свое достижение размера элемента 9 нм и шага 52 нм с использованием комбинации двух оптических лучей с разной длиной волны.

Технология DLP также может использоваться для литографии без маски.

Сфокусированный ионный пучок

Системы сфокусированного ионного пучка сегодня широко используются для распыления дефектов или обнаружения скрытых элементов. При использовании ионного распыления необходимо учитывать повторное осаждение распыляемого материала.

Контакт наконечника зонда

Исследовать

2000-е

В последние годы DARPA и NIST уменьшили поддержку литографии без масок в США.

Была европейская программа, которая подтолкнула к внедрению литографии без маски для производства ИС в узле половинного шага 32 нм в 2009 году. Проект назывался MAGIC, или «Бесконтактная литография для производства ИС», в рамках 7-й рамочной программы ЕС ( FP7).

Из-за увеличения стоимости масок для создания множественного рисунка литография без масок снова побуждает проводить соответствующие исследования в этой области.

Дарпа

Экономика

Литейные заводы

Источник

Литография без маски

Е ще в 2017 году крупнейший производитель чипов — ключевых элементов любой электронной аппаратуры — Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) объявил о строительстве новой фабрики, которая будет работать по 3 нм.

В 1965 году, когда один из создателей корпорации Intel Гордон Мур высказал эмпирическое предположение, которое потом назвали «законом Мура», что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые полтора-два года, а их размеры, которые называются проектными нормами, соответственно уменьшаться, эти нормы исчислялись в микронах — теперь же это нанометры.

Возможность достижения таких результатов появилась благодаря фотолитографии. Существует несколько ее типов. До последнего времени в производстве микроэлектроники в основном использовалась проекционная фотолитография, оборудование для которой одно из самых сложных, точных и дорогих в машиностроении. Цена таких установок выросла за последние десятилетия с десятков тысяч долларов до десятков миллионов.

Последняя разработка советской фотолитографической установки была сделана в конце 1980-х минским предприятием «Планар» под научным руководством академика РАН Камиля Валиева

Последняя разработка советской фотолитографической установки (революционная по тем временам) была сделана в конце 1980-х минским предприятием «Планар» под научным руководством тогдашнего директора Физико-технологического института РАН академика Камиля Валиева. После распада СССР «Планар» сохранился, но, к сожалению, его разработки пока остаются на том же уровне 1980-х годов. Хотя и они востребованы на мировом рынке.

А разработку и производство самых современных, так называемых EUV-фотолитографических установок (Extreme Ultraviolet Lithography, экстремальная ультрафиолетовая литография), о которых мы расскажем ниже, осуществляют в мире только две компании — голландская ASM Lithography и японская Nikon.

Начало нашей истории

Казалось, что в России уже не осталось научных коллективов и предприятий, способных разрабатывать и изготавливать такие сложные машины. Но выяснилось, что это не так. В России сохранились и работают группы ученых, занятые созданием как важнейших узлов самых современных фотолитографических установок, так и полноценной установки.

В России сохранились и работают группы ученых, занятые созданием как важнейших узлов самых современных фотолитографических установок, так и полноценной установки

Наша история началась, можно сказать, еще в конце 1970-х, когда в Институте прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде (в 1993 году из ИПФ РАН выделился Институт физики микроструктур — ИФМ РАН, а два назад ИФМ стал филиалом ФИЦ ИПФ РАН) начали заниматься рентгенооптикой в диапазоне длин волн от одной десятой ангстрема до тысячи ангстрем и заняли в этих исследованиях одно из лидирующих мест в мире, на котором находятся до сих пор. И оказалось, что рентгенооптика — ключевой элемент EUV-фотолитографии. «Дело в том, что до фотолитографии рентгенооптика использовалась в микроскопии, астрономии, диагностике плазмы», — поясняет главный научный сотрудник Института физики микроструктур, член-корреспондент РАН Николай Салащенко.

Начав заниматься рентгенооптикой, в ИФМ поняли, что им придется разрабатывать и изготавливать практически все — от технологий и технологического оборудования до измерительной аппаратуры. В результате в институте был создан замкнутый цикл производства рентгенооптики. Самое главное — были разработаны зеркала со специальным покрытием. Именно поэтому разработками ИФМ заинтересовалась компания ASML, которая в течение нескольких сотрудничала с институтом: зеркала, отражающие в рентгеновском диапазоне, были нужны ей для новейших установок EUV-фотолитографии.

Работы над БМРЛ начаты недавно, это прорывная технология, идеально подходящая, как подчеркивают разработчики, для условий российской экономики: ограниченный доступ к мировому рынку, концентрация промышленности на производстве уникальных продуктов

Но в ИФМ считают, что поиск возможностей для разработки и производства фотолитографических установок в России надо продолжать. Производство таких установок, по мнению Николая Салащенко, может стать основой для восстановления в России современного оптико-электронного машиностроения, тем более что разработка и производство фотолитографических установок, сочетающих в себе прецизионную оптику и механику, уникальные источники излучения, могут стать хорошей школой для развития всего спектра наукоемкого машиностроения.

Фотолитография сегодняшнего дня

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). 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. рис. 1).

Суммарная стоимость набора фотошаблонов, важнейших элементов технологии фотолитографии, для производства одного типа чипов может достигать нескольких миллионов долларов, и они требуют регулярной замены. Суммарная их стоимость за время производства чипов определенного типа может достигать многих десятков миллионов долларов.

До недавнего времени самые передовые проектные нормы достигались с использованием проекционной фотолитографии на длине волны 193 нм, возможности которой уже на порядок превзошли дифракционный предел разрешающей способности оптической системы литографа (см. рис. 2).

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 или 5 нм. Проблема при создании установок для EUV-литографии 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 отражающую многослойную оптику, то есть зеркала с соответствующим интерференционным покрытием. А специалисты по такой оптике, как мы уже знаем, работают в ИФМ. Сложность подобных установок такова, что их стоимость достигает уже 100 млн долларов (см. рис. 3).

Как отметил Николай Салащенко, «из-за высокой стоимости оборудования, дороговизны масок, сложной и дорогостоящей инфраструктуры проекционная фотолитография становится конкурентоспособной только при массовом производстве, которое достигает десятков миллионов чипов в год. Иными словами, для этой технологии требуется глобальный рынок. Все это в совокупности делает технологию доступной только единичным глобальным игрокам, таким как Intel, Samsung, TSMC, Global Foundries».

В этих условиях, считает Николай Николаевич, становится принципиально важным создать фотолитографическую установку, которая позволит сделать доступным производство наноэлектроники с предельными проектными нормами более мелким компаниям. Это особенно важно для нашей страны, где есть возможности и необходимость разработки самых современных чипов с проектными нормами до единиц нанометров, но нет возможности для их производства.

А как показали исследователи в разных странах, в том числе у нас в ИМФ РАН, создать такую установку можно, используя так называемую безмасочную литографии (БМРЛ): она не требует фотошаблонов, а формируемая на подложке топология получается путем непосредственной засветки резистивного слоя, например оптическим, рентгеновским или электронным лучом, и может быть при переходе от одной операции к другой перепрограммирована простым изменением алгоритмов сканирования электронными или световыми пучками.

Другой путь

В Институте физики микроструктур решили сосредоточиться на рентгеновской безмасочной фотолитографии, поскольку, по мнению разработчиков, электронная фотолитография пока значительно менее производительна, хотя и наиболее продвинута. Но ей мы посвятим отдельную публикацию.

Создание БМРЛ стало возможно с появлением микрооптических электромеханических систем — МОЭМС, которые используются для проецирования или отображения изображений на различные поверхности, например в лазерном пикопроекторе (см. рис. 4).

В установке БМРЛ МОЭМС выполняет функцию фотошаблона: топология кодируется состоянием MOEMS-пикселей (микрозеркал), отражающих лучи, идущие от источника излучения, и формирующих изображение на фоторезисте. Использование МОЭМС облегчено тем, что в России голландская фирма Mapper Lithography и «Роснано» создали совместное предприятие «Маппер», выпускающее МОЭМС.

Как пояснил Николай Салащенко, теоретически было показано, что с помощью МОЭМС можно формировать изображения с пространственным разрешением, определяемым размером пятна фокусировки, порядка размера пикселя, нормированного на коэффициент уменьшения оптической системы. Поскольку размер пикселя у серийно выпускаемых МОЭМС составляет около 10 × 10 мкм, то при использовании рентгеновского излучения с длиной волны 13,5 нм и меньше становится достижимым разрешение системы на уровне нескольких нанометров, как у самых современных установок EUV-фотолитографии. Специалисты считают, что возможно, создать МОЭМС с размером пикселя 4 мкм, но перед разработчиками здесь встало несколько проблем, как инженерно-технических, так и организационных.

Первой проблемой стал выбор источника излучения. Под руководством Константина Кошелева в компании RnD-ISAN разработан интересный лазерно-плазменный источник излучения на основе ионов олова (см. рис. 5), который предполагается использовать в ИФМ в ближайших экспериментах с МОЭМС.

Однако это опять-таки длина волны 13,5 нм, а, как следует из формулы дифракционного разрешения, чем меньше длина волны, тем выше разрешающая способность. Поэтому в последнее время в ИФМ изучали лазерно-плазменный источник с газовой мишенью на основе ксенона или криптона. Такой источник позволяет получить мягкое рентгеновское излучение достаточной мощности в окрестности 10–11 нм.

Детально вид лазерно-плазменного источника излучения до сих пор не определен: он будет на основе то ли газовой струи, то ли расплавленного металла или еще какой-то. Но источник излучения, схематично показанный на рис. 5 и имеющийся в лабораторном исполнении, уже позволяет начать исследования с имеющимися образцами чипов МЭМС.

Одна из основных проблем заключается в том, что в мире не выпускаются МОЭМС с покрытием, отражающим излучение с необходимыми длинами волн — 13,5 нм или 11 нм и с качеством поверхности, необходимым для работы в рентгеновском диапазоне. Но учитывая опыт ИФМ в разработки рентгенооптики, в том числе для установок EUV-фотолитографии, Николай Салащенко считает, что в ИФМ есть подходы, позволяющие решить возникшие проблемы. Были получены первые положительные результаты1 в изготовлении МОЭМС, но в дальнейшем нужна серьезная кооперация с их производителями у нас в стране и за рубежом. И тут мы переходим к организационным проблемам.

«Мы делаем литограф, который будет в десять раз дешевле существующих. Мы рассчитываем, что на опытный образец может уйти пять-шесть лет. И это будет очень востребованная машина для создания пробных микросхем, для мелкосерийного производства»

Как подчеркнул Николай Салащенко, создание такой установки — это работа многих коллективов: создателей МОЭМС, разработчиков источника излучения, разработчиков координатных столов, производителей управляющей электроники, в том числе специализированного контроллера. ИФМ ведет разработки необходимой для установки рентгенооптики и выступает координатором всего проекта. Рассказывая о поисках соисполнителей, Николай Николаевич даже с некоторым удивлением констатирует: «В стране многое порушили, но не до конца. Если порыться, можно найти специалистов в любой области: людей, которые получили прекрасное образование, работают со всем миром и имеют колоссальный опыт. У меня есть подозрение, что много таких, которые даже не знают, что они собой представляют. Не использовать этих людей просто преступно».

Проблема в том, что собрать все эти коллективы возможно только при наличии устойчивого финансирования. А пока есть госпрограмма «Развитие электронной промышленности Российской Федерации в 2018-2027 годы», в которую записана эта разработка, но на самом деле финансирования нет. «И получается так, что я все время обманываю людей. А планы у нас наполеоновские: мы делаем литограф, который будет в десять раз дешевле существующих. Мы рассчитываем, что на опытный образец может уйти пять-шесть лет. И это будет очень востребованная машина для создания пробных микросхем, для мелкосерийного производства. Она нужна будет в каждой лаборатории, которая занимается не только проблемами нанолитографии, но и разработкой и производством микросхем. Это будет реальный продукт, с которым можно будет выйти на рынок не только в нашей стране. Очень надеемся, что программа будет запущена и реализована».

Источник