Производство электронных компонентов достаточно сложный процесс, в котором используется целая серия различных независимых технологий. Одна из наиболее объемных и важных среди них это литография, необходимая для производства интегральных схем. И одна из наиболее распространенных и развитых технологий – фотолитография.
Зачем нужна фотолитография в электронике?
Термин «литография» происходит от двух греческих слов – lithos (камень) и grapho (рисую) – то есть, под ним изначально подразумевается перенос рисунка на твердый материал. В современном же мире технология используется и для мягких материалов, когда подготовленное изображение переносится с формы на бумагу или ткань прессованием. В микроэлектронике, ввиду чрезвычайно малых размеров изображений и используемых материалов, перенос их методом оттиска невозможен, поэтому применяется гораздо более прогрессивный метод.
Фотолитография в производстве микроэлектроники используется для формирования изображения на кремниевой подложке и получения нужной топологии микросхемы. В процессе обработки на кремниевую подложку наносится слой светочувствительного материала (фоторезиста) в виде полимерной пленки, которая облучается через маску (фотошаблон) на фотолитографе – специальном приборе для фотолитографии. В результате на пластине остается рельефный рисунок: на участках, прошедших прямое облучение, формируются углубления, а элементы, прикрытые светочувствительным материалом, остаются выпуклыми.
Основы технологии
Стандартный техпроцесс фотолитографии состоит из серии этапов:
- Подготовка подложки.
- Нанесение маски, ее сушка.
- Совмещение с фотошаблоном.
- Экспонирование (УФ-облучение).
- Проявка.
- Травление.
- Смывка фоторезиста.
При производстве сложных элементов этапы могут повторяться многократно, например, при использовании взаимодополняющих друг друга фотошаблонов, а для получения четкого рисунка используется система позиционирования. На крупных производствах устанавливаются комбинированные установки совмещения и экспонирования.
В качестве источника излучения в установках используются ртутные лампы, поскольку они обеспечивают высокую интенсивность излучения, параллельность и равномерность светового потока. Кроме того, они позволяют использовать три отдельных световых диапазона:
- 100-300 нм – дальний.
- 300-360 нм – средний.
- 360-450 нм – ближний.
Чем меньше длина волны, тем меньшие размеры рисунка на пластине можно получить. Однако зависят они не только от характеристик света, но и от качества установленной в фотолитографе оптики, поскольку она отвечает за параллельность светового пучка, а также от свойств фоторезиста.
Самые передовые технологические установки с высококачественными линзами позволяли уменьшить техпроцесс до 28 нм. А при многократном экспонировании и излучения с меньшей длиной волны – достичь техпроцесса в 10 нм, однако стоимость подобных установок оказывается огромной – от 300 млн. долларов и выше. Кроме того, в миллионах исчисляется и суммарная стоимость фотошаблонов, которые в процессе использования изнашиваются и требуют периодической замены. За счет этого фотолитография составляет порядка 60-70% от общей стоимости выпуска электронного компонента. В связи с этим, а также для дальнейшего уменьшения техпроцесса, развиваются и другие методы литографии. Но о них чуть позже.
Виды фотолитографии в микроэлектронике
Непосредственно фотолитография также существует в виде нескольких технологий:
- контактной,
- бесконтактной,
- проекционной.
Контактная фотолитография
В качестве фотошаблона используются жесткие прозрачные пластины, на которые нанесен рисунок. При нанесении используются материалы, которые задерживают световое излучение определенной длины, поэтому оно не попадает на фоторезист и не засвечивает его в нужных участках. Фотошаблон может содержать топологию одного слоя интегральной микросхемы или целой группы одинаковых микросхем, последовательно размещенных на одной заготовке.
Технология получила свое название за счет того, что шаблон и пластина с фоторезистом, на которую переносится рисунок, в процессе экспонирования соприкасаются. Для установки пластины используется поворотный вакуумный держатель. Он приподнимает пластину до соприкосновения с шаблоном, а затем отводит ее на расстояние до 25 мкм, чтобы произвести точное позиционирование. Позиционирование обеспечивается оптико-механическим способом. Для этого используется микроскоп с разведенным полем зрения: правый окуляр направлен на отметки в правой части фотошаблона и заготовки, левый – в левой. Совмещение отметок производится поворотом и сдвигом пластины. После совпадения рисунков шаблон и пластина снова складываются вместе, и освещаются УФ-излучением. Среднее время экспонирования – порядка 15-20 с. На это время микроскоп автоматически отводится.
За счет прямого контакта заготовки и шаблона, контактная фотолитография обеспечивает предельно высокую разрешающую способность – около 0,5 мкм. Однако она не лишена недостатков. Наиболее существенный минус заключается в том, что поверхность пластины не является идеально ровной, из-за чего при прижиме между ней и шаблоном в случайных местах образуются микрозазоры, которые приводят к локальным деформациям изображения в результате оптической дифракции. Кроме того, из-за физического контакта шаблон со временем изнашивается и требует периодической замены. На скорость износа влияет чистота окружающей среды и тип шаблона.
Проекционная фотолитография
Суть технологии заключается в проецировании на пластину с фоторезистом топологического слоя через фотошаблон. Слой может отображаться полностью или поэлементно (с разбивкой исходного изображения на блоки или модули) или вычерчиванием рисунка сфокусированным лучом (сканирование). При поэтапном экспонировании заготовка по завершении нанесения одного блока сдвигается к следующему. Управление процессом осуществляется с компьютера. Фотошаблон может содержать изображение всего кристалла или нескольких кристаллов небольших размеров. Для увеличения разрешающей способности исходные шаблоны увеличены в несколько раз, и при экспонировании уменьшаются (соотношение обычно 5:1 или 4:1). Таким путем удается получить разрешение менее 0.5 мкм (в зависимости от длины волны источника света), а в современных установках ASML вплоть до 5 нм.
Среди преимуществ метода:
- высокое разрешение,
- более точное позиционирование,
- минимальная вероятность повреждения фотошаблона.
Бесконтактная фотолитография
Основное отличие от других методов – отсутствие фотошаблонов. То есть, изображение на фоторезисте формируется напрямую. Для этого могут использовать лазер или электронный луч, который засвечивает радиационночувствительные резисты.
В основном такие методы используются при производстве фотошаблонов. В частности, более 75% всех выпускаемых сейчас фотошаблонов высокого разрешения изготавливаются именно с помощью лазерной литографии, в которой для увеличения скорости и объемов производства иногда одновременно применяют сразу несколько лучей.
Дальнейшее развитие фотолитографии в микроэлектронике
«Классические» методы фотолитографии в настоящий момент достигли своих пределов и дальнейшее уменьшение техпроцесса микрочипов (меньше 10 нм) стало практически невозможным. Фактически, из-за того, что минимальный длина волны ультрафиолетового излучения ограничена 0,1-0,3 мкм, с помощью фотолитографии удается получить минимальную ширину проводника около 14-20 нм мкм. По этой причине ведущие компании модернизируют не только оборудование, но и саму технологию. В частности сейчас активно развивается так называемая EUV (Extreme Ultra Violet) фотолитография. В ней используется излучение, длина волны которого практически в 20 раз меньше «стандартного» – всего 13 нм, что позволяет достигать минимальной толщины линии 5-7 нм.
В целом, активному ее развитию очень долго мешали сложности с управлением излучением из-за его активного поглощения стеклом. Однако в декабре 2023 компания ASML предоставила первые коммерческие модули новой системы литографии High NA EUV с длиной волны всего 8 нм. И на них уже делают ставку крупнейшие мировые производители чипов.
Другие технологии литографии в микроэлектронике
Фотолитография – самый распространенный, но далеко не единственный метод переноса топологий. Вместе с ним производителями эксплуатируются и другие методы:
- Электронная (электронно-лучевая) – 0,01 нм. Позволяет использовать одиночный луч и обеспечивает высокие скорости, подходящие для промышленного использования. Ключевой минус – в физическом ограничении: при повышении мощности луча, происходит его расширение, из-за чего падает разрешающая способность.
- Рентгеновская – использует излучение с длиной волны 0,4-1,5 нм. Позволяет добиться большей четкости изображения за счет увеличенной разрешающей способности, но требует более сложного и дорогого технического оснащения, поэтому на данный момент она, фактически, находится на стадии исследования и разработки и не используется в промышленности.
Таким образом, как и все виды фотолитографии в микроэлектронике, эти технологии нуждаются в постоянном развитии. Особенно с учетом стремления крупных производственных компаний к уменьшению техпроцесса при производстве микросхем.
