Далее пластина вновь перемещается в трековый инструмент. Здесь модифицированный резист смывается с ее поверхности с помощью растворителя, а для затвердевания оставшегося резиста еще раз применяются нагрев и высушивание.

После формирования рисунка пластина отправляется в другие машины. Области без затвердевшего резиста подвергаются травлению, и на них распыляются различные химические вещества — одни заполняют собой образовавшиеся канавки, а другие образуют основу для следующего слоя.

Данный процесс повторяется несколько раз, пока поверх первого слоя не образуется множество дополнительных слоев соединений. Именно через них транзисторы чипов будут «общаться» друг с другом. Толщина этих соединительных проводов зависит от высоты слоя: внизу с транзисторами контактируют самые тонкие, а наверху располагаются самые крупные.

Циклы построения слоев повторяются десятки раз, а количество их отдельных этапов приближается к тысяче. Поэтому общее время, необходимо для создания одной пластины с чипами, достигает четырех месяцев.

Транзисторный слой современных чипов формируется с помощью машин EUV (Extreme UltraViolet), которые работают с экстремально короткими ультрафиолетовыми волнами длиной всего 13 нм.

Верхние соединения чаще всего создаются с помощью машин DUV (Deep Ultra Violet), которые работают с более длинными ультрафиолетовыми волнами — обычно от 193 до 365 нм.

Машины DUV появились еще в 2000-х годах и обходятся намного дешевле, чем более передовые EUV. Поэтому некоторые простые чипы, для которых не требуются тонкие техпроцессы производства, до сих пор производятся только их силами.

Формирование EUV-света

Давайте заглянем внутрь EUV-машины. Она состоит из пяти основных компонентов: источника света (Source), осветителя (Illuminator), манипулятора и столика визирной сетки (Reticle Handler/Stage), проекционной оптики (Projection Optics), а также манипулятора и столика пластин (Wafer Handler/Stage).

Ключевой компонент — это источник экстремального ультрафиолетового света (EUV). Почему используется именно такой свет, и что он дает?

Представьте, что вы переносите буквы с трафарета на бумагу с помощью толстого маркера. Если закрашивать крупные буквы, они будут выглядеть четко. Но стоит закрасить несколько мелких букв рядом, и краска расплывется, не давая их прочитать. А вот если повторить тот же процесс с помощью тонкой ручки, то даже мелкие буквы перенесутся четко и будут читаемыми.

EUV-свет с длиной 13 нм — это та самая тонкая ручка, которая позволяет копировать рисунки с линиями толщиной около 10 нм.

Если использовать свет с большой длиной волны, то он не сможет проникнуть в микроскопические отверстия нашей маски-трафарета, и узор ее рисунка потеряется.

В отличие от него, экстремально короткие ультрафиолетовые волны беспрепятственно проходят через маску, четко перенося на пластину все детали и контуры.

Ультрафиолетовое излучение такой длины не встречается в природных источниках света, поэтому создается искусственно. Для этого используется сложная система из двух лазеров и нескольких усилителей, которые установлены под EUV-машиной.

С помощью зеркал импульсы лазера проходят в контейнер-источник, где на их пути распыляются микроскопические шарики из олова. Первый импульс мощностью в 5 кВт превращает олово в жидкую каплю. Второй импульс имеет мощность в 25 кВт — при взаимодействии с ним капля испаряется, переходя в состояние раскаленной плазмы. В процессе этого происходит выброс электронов, благодаря которому и возникает EUV-свет.

Олово для этой операции хранится в специальной емкости и поддерживается в расплавленном состоянии. С помощью системы шлангов оно попадает в пьезоэлектрический распылитель, который за счет высокого давления азота внутри своего резервуара обеспечивает подачу тонкой и равномерной струи.

Когда капля олова попадает в рабочую область контейнера, ее траекторию отслеживает несколько высокоскоростных камер. Эта информация передается приводам зеркал, цель которых сдвинуть отраженный лазерный луч так, чтобы он попал точно в каплю.

Для генерации EUV-света нужной интенсивности выстрелы по каплям совершаются около 50 тысяч раз в секунду. Чтобы поддерживать равномерный темп излучения, система может пропускать некоторые капли мимо лазера — они попадают в специальный отвод.

Излученный свет собирается в пучок с помощью первого зеркала, называемого коллектором. Он направляется в промежуточный фокус — микроскопическое отверстие, которое пропускает только EUV-лучи и отсеивает более длинные.

Затем луч EUV-света попадает в осветитель — систему из нескольких фацетных зеркал, которые рассеивают его на более широкий пучок из множества линий.

Пучок света проецируется на маску, а прошедшие через нее лучи с помощью еще одного массива зеркал отправляются в конечную цель путешествия — на поверхность кремниевой пластины.

Особенности работы с EUV-светом

Экстремально глубокий ультрафиолет отличается от видимого света многими свойствами. Например, он сразу поглощается молекулами воздуха, поэтому внутри его пути в EUV-машине всегда соблюдается вакуум.

Более того, EUV поглощается стеклом и почти всеми прочими материалами. Поэтому для фокусировки и передачи такого света используются зеркала, а не линзы. Но и обычные зеркала для этой цели тоже не подходят. В EUV-машине используются специальные зеркала, называемые отражателями Брэгга. Они состоят из десятков чередующихся слоев кремния и молибдена, каждый из которых имеет толщину всего в несколько нанометров. Когда EUV-луч попадает на поверхность такого отражателя, то только 3 % отражается от одного слоя, а оставшийся свет проходит насквозь. Благодаря множеству слоев луч отражается от каждого, поэтому в сумме одно зеркало способно перенаправить чуть более 70 % попавшего на него света.

В оптической системе EUV-машины более десяти зеркал, поэтому часть исходного потока света теряется после каждого переотражения. В результате до кремниевой пластины доходит менее 10 % от его изначальной яркости. Именно поэтому первоначальный свет от источника должен быть максимально ярким.

Другой особенностью работы с EUV-лучами являются фацетные зеркала. Они состоят из множества сегментов, наклон каждого из которых управляется независимо с помощью системы с миниатюрным электроприводом.

За счет этого можно создавать из точечного EUV-света сложные рисунки освещения.

В виду ограничения фотоматериалов

ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ...

В основе любой электроники, которой мы пользуемся ежедневно, лежат микрочипы из миллиардов транзисторов. Их существование стало возможным благодаря фотолитографии — сложному процессу, позволяющему наносить огромное количество логических элементов на миниатюрные кремниевые пластины. Как работает современное фотолитографическое производство, и как оно устроено внутри?

Введение

ПК, ноутбуки, смартфоны, планшеты, громоздкие автомобили и миниатюрные смарт-часы. Внутри этих устройств скрывается несколько разновидностей современных микрочипов: центральные и графические процессоры, системы на чипе (SoC), а также чипы оперативной (DRAM) и флеш-памяти (NAND).

Каждый из таких чипов состоит из миллиардов миниатюрных транзисторов, соединенных вместе несколькими слоями токопроводящих дорожек.

Самые мелкие элементы подобных транзисторов имеют размер около 10 нм — это всего 45 атомов кремния.

Чтобы производить такие сложные чипы, используется сложная последовательность фотолитографических процессов. Каждый из них состоит из нескольких этапов, которыми занимается специализированная машина-установка.

Принцип фотолитографии можно сравнить с копировальным аппаратом. С ее помощью на кремниевую подложку переносятся микроскопические рисунки элементов транзисторов и слоев соединяющих их дорожек.

Инструменты для фотолитографии постоянно совершенствуются, позволяя копировать все более мелкие элементы. Тут можно привести сравнение с печатью текста: чем тоньше и прогрессивнее технологический процесс, тем меньшим шрифтом можно напечатать буквы (то есть — транзисторы чипа).

Ключевыми установками для производства современных микрочипов являются машины, работающие с экстремально глубоким ультрафиолетовым светом — EUV (Extreme UltraViolet).

Принцип работы литографической машины

Начнем обзор с принципа работы EUV-машины. Первым делом в нее помещается фотомаска — трафарет транзисторного слоя будущего чипа.

Затем в машину загружается предварительно обработанная круглая пластина из кремния диаметром 300 мм.

С помощью источника ультрафиолетового света и системы зеркал шаблон с маски переносится на небольшой кусочек пластины. После этого пластина сдвигается, и процесс повторяется снова и снова — до тех пор, пока она полностью не заполнится «рисунками» транзисторного слоя будущих микрочипов.

На обработку одной пластины EUV-машина тратит около 18 секунд — за это время шаблон переносится около сотни раз. Затем подается следующая пластина, и весь процесс повторяется снова. После окончания процедуры заготовка отправляется в другую разновидность фотолитографической машины, где поверх транзисторов аналогичным образом формируются несколько слоев их соединений. Если заглянуть внутрь готового чипа, можно будет увидеть вот такой лабиринт из них.

Здесь можно привести аналогию с книгой. Слои соединений — это страницы с буквами среднего размера, а транзисторный слой — страница с самыми мелкими. Поэтому для «печати» соединений в ряде случаев может использоваться более простая фотолитография в глубоком ультрафиолете (DUV — Deep Ultra Violet).

Насколько мелки элементы транзисторного слоя? Представьте, что толщина штриха каждой буквы составляет 13 нм. Тогда слово «cat» будет иметь размер в 240х155 нм.

Страница подобного текста будет иметь размер эритроцита. А одна глава книги займет область, схожую по размерам с пылинкой.

С таким шрифтом на площади графического процессора топовой видеокарты уместятся семь книг о Гарри Поттере, все творчество Стивена Кинга, весь текст английской Википедии, а также все книги из крупной городской библиотеки. Система фотолитографии копирует подобный рисунок с «текстом» из транзисторов очень быстро — менее, чем за одну секунду.

Как устроено литографическое производство

Рассмотрев принцип формирования микрочипов, совершим виртуальную экскурсию на их производство. Кремниевые пластины попадают сюда сложенными в специальные контейнеры FOUP.

В процессе производства чипов эти контейнеры переносятся от машины к машине с помощью автоматизированной подвесной транспортной системы.

Прибыв к нужной машине, контейнер опускается. Пластины поочередно выгружаются из него для той или иной обработки — нанесения, засвечивания или удаления материала.

После завершения одного процесса пластины вновь попадают в FOUP и переносятся к следующей машине. Так продолжается до тех пор, пока не будут «выстроены» все слои будущих чипов.

Шаги этого процесса можно сравнить с распылением краски на бумагу через трафарет: она остается там, где в трафарете присутствуют отверстия, и не попадает туда, где этих отверстий нет.

А после распыления нескольких слоев краски разных цветов получается итоговое цветное изображение.

В нашем случае вместо слоев рисунка на масках-трафаретах находятся схемы слоев транзисторов и соединяющих их дорожек, которые вместо бумаги переносятся на пластину из кремния.

В этом процессе участвуют разные типы установок. Одни осаждают материалы на кремний или смывают их с него (Spray Paint) — подобно тому, как распыляется или смывается краска. А EUV- и DUV-машины выполняют роль трафаретной печати (Stencil), благодаря которой перед нанесением краски на пластины переносятся контуры нужного рисунка.

Процессы создания слоев чипов

Перейдем к тому, как создаются слои чипа. Сначала кремниевая пластина поступает в установку, называемую трековым инструментом. Здесь на нее добавляется светочувствительный материал — фоторезист, который равномерно распределяется по поверхности пластины за счет вращения центрифуги.

Чтобы резист затвердел, пластина нагревается и высушивается.

По окончанию процедуры пластина переходит в EUV-машину. Здесь ультрафиолетовый свет пропускается через маску-трафарет, а затем с помощью системы зеркал уменьшается и проецируется на малую область пластины.

На всех участках, где свет попал на пластину, резист под действием ультрафиолета модифицируется — таким образом, рисунок маски «отпечатывается» на ее поверхности. Затем пластина сдвигается, и процесс повторяется сотни раз до ее полного заполнения этими отпечатками.

В виду ограничения фотоматериалов

ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ...