ТехНовБум – Онлайн журнал о новых технологиях

Фотолитография – технологический процесс создания микросхем

Теперь, когда, читатель понял, какими были первые интегральные схемы и каким образом изготавливались в предыдущей статье  Эволюция полупроводниковой электроники – интегральные схемы, мы переместимся на 50 лет вперед, в современный мир. Сегодня, вероятее всего, количество интегральных схем превышает население земли минимум в два раза, а процессы давно уж перешли на микроуровень, вместе с этим возросла и степень сложности и производительности микросхем.

Технологический процесс, самый распространенный на сегодняшний день – это фотолитография, или оптическая литография. Как и любой другой литографический процесс, метод создания микросхем основан на копировании (или фотографировании) рисунка маски на кремниевую подложку. Световые лучи с определенной длиной волны просвечивают через маску, затем уменьшаются многократно, вследствии прохождения через сложную систему линз и зеркал и, наконец, в точности копируют рисунок маски на кремниевой подложке.

Фотографирование рисунка маски на кремниевую подложку

Очень важную роль в технологическом процессе создания микросхемы играет фоточувствительный материал – резист. И хотя резист в фотолитографии используется исключительно как вспомогательный материал, служит он для правильного переноса рисунка на кремниевую подложку.

Давайте повнимательнее рассмотрим базовые этапы копирования рисунка маски на кремниевую подложку. Кремниевая пластина покрывается диоксидом кремния (SiO₂), играющего  роль диалектрика затвора, из этого материала формируется рисунок маски (1 этап на рисунке). Следующим накладывается слой фоторезиста (2), и на этом заканчивается подготовительный этап.

При включении источника излучения (3) световые лучи проходят сквозь окна шаблона маски и расщепляют открытый фоторезист (4). Закрытые шаблоном участки сохранившегося фоторезиста обрабатываются, затем уже по рисунку фоторезиста удаляется (травится) диоксид кремния (5), а после удаляется и сам фоторезист (6). Вот и весь процесс.

процесс переноса рисунка маски на кремниевую подложку

Но чтобы все не казалось слишком простым, я напомню, что фотолитография – очень тонкая технология. Каждый из описаных выше процессов имеет с десяток тонкостей, которые, в конце концов, позволяют добиться желаемого результата, а о системе фокусирования светового луча тут и говорить нечего – при таких крошечных размерах очень непросто правильно передать световой луч через всю систему линз и зеркал, с тем, чтобы он не рассеялся и не растворился попросту. . .

Для описания всех этих тонкостей  не то что статьи, книги будет мало.Так что, можно сказать, что  мы с вами сделали первый вводный экскурс в новый мир и, надеюсь, поняли идею процесса литографии.

Наверняка, вам известно, что вершителем многих революционных достижений в области микроэлектроники была компания Intel, да и по сей день она удерживает мировое лидерство по производству самых сильных и качественных микрочипов и микропроцессоров, в частности.

Кстати, интересный факт – Роберт Нойс, разработавший одну из первых интегральных схем, впоследствии стал одним и основателем фирмы Intel. На сегодняшний день доступны микропроцессоры Интела с минимальной проектной нормой в 32 нм. Это означает именно то, что вы подумали: размер обычного элемента на микросхеме имеет размер около 32 нанометров (миллиардных частей метра).

рисунок проектной нормы 45 нм

Технология, используемая Интелом для создания проектной нормы в 32 нм, по- прежнему, остается иммерсионной, с длиной волны светового луча в 193 нм. Для производства 32 нм процессоров, Intel предпочла пока не переходить на малоразвитое оборудование нового типа,  использующее сверхжесткое ультрафиолетовое излучение (Extreme Ultraviolet), а решила усовершенствовать имеющее иммерсионное, чтобы подоспеть в срок. На тех же основах Intel сообщила, что и для последующих 22-нм и 15-нм техпроцессов, возможно, им придется адаптировать иммерсионное оборудование.

Сверхжесткое ультрафиолетовое излучение или, так называемая, EUV-литография станет следующим этапом развития, чем-то вроде покорения новой вершины, с которой открываются новые просторы и горизонты. Инновационная EUV-литография подразумевает сокращение длины волны светогого луча в десять раз, что позволит без проблем создавать транзисторы размером с десяток атомов.

Обычно при совершенствовании технологического процесса сначала обдумывают,  как создать качественный световой поток (сверхжесткое ультрафиолетовое излучение – в нашем случае), затем разрабатывается система линз и зеркал, способная передать уменьшенный направленный луч света в нужную точку. Далее тестируются материалы самой микросхемы, и происходит освоение технологического процесса в целом.

Освоение все меньших техпроцессов не проходит гладко. В микропространстве все чаще световое излучение поглощается окружающими веществами, такой исход консервативные знатоки сулят технологиям, использующим длину волны меньше 157 нм. Но, как вы уже заметили,  EUV-литография метит намного дальше.

Еще одной проблемой в освоении новых техпроцессов стал слой диалектрика затвора (SiO₂). Слой диалектрика должен был сокращаться каждый раз, когда размер транзисторов уменьшался. И, в конце концов, при 45 нм техпроцессе утечка тока через диалектрик начала превышать норму. Ступор продолжался какое-то время, пока Intel не нашла новый материал для изолятора с более высокой диэлектрической постоянной «high-k».

Так происходит постоянный прогресс, освоение новых технологически процессов, все меньших проектных норм. В результате этого мы получаем меньшее электропотребление, более высокую производительность и возможность в будущем поместить суперкомпьютер в корпус обычного мобильного телефона .

Много раз скептические аналитики прогнозировали полное самоисчерпание идеи постоянной минитюризации микросхем. Однако ничего подобного не только не произошло, но и наоборот:  технологический прогресс в уменьшении размеров транзисторов с упорной настойчивостью продолжает путь, как написано ему в знаменитом предсказании Мура. В такие моменты вспоминаются слова Ричарда Фейнмана, пророка нанотехнологической революции, слова, заключившие в себя самый простой и глубокий смысл нанотехнологии: «Там, внизу, полно места».

Метки: Intel, микросхема