В ходе встречи с выпускниками вузов Брайан Кржанич (Brian Krzanich), главный исполнительный директор Intel, посоветовал будущим профессионалам подготовить для себя план развития карьеры на ближайшие пять лет. Он рассказал, что когда начал работать в Intel, то поставил перед собой задачу стать директором одной из фабрик корпорации. Он знал, что для этого ему нужно освоить все тонкости технологического процесса.
Фотолитография — самый дорогостоящий этап технологического процесса производства микросхем, на долю которого приходятся от 40% до 50% расходов. Но, что более важно, этот процесс подразумевает реализацию минимальных допустимых размеров топологических элементов на подложке, что создает целый ряд сложностей при массовом производстве. Способность инженеров и специалистов Intel создавать все более миниатюрные транзисторы имела критически важное значение для реализации закона Мура. Но недостаточно решить только вопросы, связанные с уменьшением размеров. Важно сохранить расходы на приемлемом уровне, так как если у вас не получится разместить в два раза больше транзисторов на кристалле при одинаковом уровне расходов, то это будет уже не закон Мура.
Отдельные участки подложки, покрытой фоторезистом, подвергаются воздействию ультрафиолета для растворения «резиста». В роли трафаретов, рисунок которых копируется на кристалл, выступают маски. Рисунок оптически уменьшается с помощью линзы, и инструмент воздействия ультрафиолетовым светом повторяет этот процесс несколько раз для того, чтобы создать конечный рисунок.
1. Основной процесс
В фотолитографии используются так называемые «сканеры» для импринтинга определенной схемы на каждом кристалле. На поверхность подложки методом центрифугирования наносится светочувствительный и стойкий к травлению материал, который называется «фоторезист», который затем застывает. Дальнее ультрафиолетовое излучение (длина волны 193 нм), создаваемое лазером на фториде аргона, проходит через трафарет (маску). Размеры уменьшаются с помощью линзы, и осуществляется печать структуры схемы. Области фоторезиста, которые подверглись воздействию излучения, растворяются. Химический процесс оставляя рисунок заданный маской.
2. Метод оптического подсчета Стретта
Джон Уильям Стретт (1842-1919 гг.), третий барон Рэлей, получил в 1904 г. Нобелевскую премию за открытие аргона. Но специалисты ценят его за изобретение метода оптического подсчета, который может использоваться при современном производстве полупроводниковой продукции. (На самом деле, компания ASML назвала Стретта одним из двух отцов-основателей фотолитографии наряду с Гордоном Муром.) Формула соотносит длину волны света (меньше – лучше) и апертуру линзы сканера (больше – лучше; мы недавно достигли предельного значения) по отношению к размеру топологического элемента. В уравнении Стретта предусмотрена постоянная k1, которая позволяет понять, насколько трудным является обеспечение достаточного уровня качества при производстве. При 0,3 и менее оно будет связано с большими сложностями и расходами.
3. Подводная фотосъемка
Если вы поместите соломинку в стакан с водой, вам покажется, что она имеет небольшой излом. Эта иллюзия лучше проявляется в воде, чем на воздухе, и называется рефракцией. При 32 нм инженеры пришли к выводу, что по стоимости и другим факторам целесообразно создать новое решение, поэтому Intel перешла на технологию иммерсионной литографии. В этом процессе воздушное пространство между линзой и подложкой заполняется водой. С учетом более высокого коэффициента преломления воды сканер может создавать более миниатюрные элементы без изменения размеров линзы. Внедрив этот процесс позднее конкурентов, Intel смогла сэкономить и воспользоваться их наработками. Для иммерсионной литографии требуются другие фоторезисты. Кроме того, вода двигается. (Просто попробуйте добиться высокого качества изображения с помощью экшн-камеры, размещенной под водой в бурном потоке.)
Мы не можем в деталях показать оборудование, которое используется на ультрасовременных фабриках Intel, но можем сказать, что лампы желтого цвета защищают фоторезист от нежелательного воздействия ультрафиолета.
4. Один, два, три слоя
Итак, нам удалось продлить актуальность 193-нанометровой длины волны для создания 32-нанометровых процессоров и последующих поколений с помощью иммерсионной литографии. Но что будет дальше? Когда вы хотите еще больше уменьшить размеры микросхем, вы можете нанести рисунок одного и того же слоя два, три или больше раз для того, чтобы реализовать новые функциональные возможности на кристалле. Такой подход связан с дополнительными расходами, т.к. он подразумевает больше производственных операций, но не настолько, чтобы не соответствовать кривой затрат, предусмотренной законом Мура.
5. Необычные формы
Вы думаете, что можно просто нарисовать крест на маске, чтобы напечатать крест на подложке, используя 14-нанометровую технологию? Это не так. Согласно Вивеку Сингху (Vivek Singh), руководителю направления литографии в Technology & Manufacturing Group, сегодня для этого может потребоваться нарисовать звезду. «Трудно угадать, как должен выглядеть рисунок маски», – сказал он. Двадцать лет назад специалисты в области вычислительной литографии выступали в качестве простых консультантов, а сейчас они стали правой рукой руководителей производств. Инженеры команды Сингха предъявляют большие требования к вычислительным ресурсам серверного парка корпорации, что связано с большим объемом обрабатываемых данных, необходимых для создания современных масок.
6.Конец уже близок?
Чтобы двигаться дальше, необходимо использовать излучение длиной волны менее 193 нм. Но это уже ЭУФ-литография (экстремальный ультрафиолет) с длиной волны 135 нм. ЭУФ-инструменты позволяют сделать больше операций за один проход по сравнению с современными сканерами. Хотя технология продолжает развиваться, это происходит достаточно медленно в связи с целым рядом трудностей. Требуются новые установки, вакуумные системы и различные материалы для масок и фоторезиста. Кроме того, появляются и другие сложности, например, уменьшение «неровности ширины линии» вместо уменьшения «неровности края линии». Источник излучения сейчас является основной проблемой полупроводников отрасли: для обработки большого количества подложек его мощность должна быть весьма велика. Кроме того, необходимо удешевить ЭУФ-технологию в целом.
7. Будущее закона Мура
Современная фотолитография представляет собой сочетание всех технологий, доступных сегодня, завтра и через десять лет. Каждый метод используется там, где он обеспечивает максимальную экономическую эффективность. Кроме того, разрабатываются и другие технологии, которые на данный момент выглядят футуристично. С помощью технологии Multiple Electron-Beam Direct Write (MEBDW) когда-нибудь в будущем миллиарды лучей будут создавать транзисторы на кристалле, тогда как технология Directed Self-Assembly (DSA) подразумевает полный контроль над атомами, которые будут образовывать миллиарды нанометровых транзисторов.
