Литограф – что за устройство и для чего нужен

Небольшой экскурс в историю: в чем суть литографии

Литография – это технология формирования (или переноса) изображения на материале. Что-то вроде привычной для нас печати, но вместо основы может использоваться не только бумага, но и другие материалы. Технология эта изобретена не вчера и даже не в прошлом веке. Ее изобретателем считается немецкий писатель и актер Алоис Сенефельдер. Год изобретения – 1796. Суть исходной технологии – в использовании предварительно подготовленной каменной плиты в качестве многоразового оттиска. Точнее, плиту изготавливали из литографского известняка, на плоскую поверхность которого маслом, жиром или воском наносили изображение. Затем поверхность обрабатывали кислотосодержащим составом, который частично «съедал» незащищенную часть плоскости, формируя выпуклый рисунок. Затем на него наносили чернила на водной основе, которые за счет масляного слоя не впитывались в камень, и прижимали к чистому листу бумаги.

Изначально литография обрела популярность из-за того, что позволяла относительно дешево и с высокой производительностью печатать большое количество одинаковых текстовых материалов или изображений. Впоследствии она стала основой для развития направления и появления более прогрессивных ответвлений, например, глубокой печати или фотолитографии.

При чем здесь полупроводники?

С развитием отрасли микроэлектроники базовый принцип формирования изображения начал использоваться и в ней, но с очевидной модернизацией. В целом, обновленная технология выглядит следующим образом:

• Кремниевая пластина полностью покрывается тонким слоем фоторезиста – специального полимера, чувствительного к излучению с определенной длиной волны.
• Для нанесения рисунка на поверхность фоторезиста используют либо сфокусированный луч (так называемую безмасковую литогрфию), либо фотошаблон.
• Участки фоторезиста, подвергнутые облучению, меняют степень растворимости в растворителе. Соответственно, после обработки заготовки проявителем на их месте обнажается кремниевая пластина, тогда как необлученная ее часть остается прикрытой защитной пленкой из фоторезиста.
• Полученный рельеф подвергается травлению, вакуумному осаждению и другим операциям. Их полный перечень соответствует используемой технологии.
• После нанесения рисунка оставшийся фоторезист смывается другим растворителем.

В зависимости от выбранной технологии для нанесения рисунка могут использовать электронно-лучевой, контактный или безмасковый литограф. Но в любом случае, литограф – это мощная установка с компьютерным управлением и сложной оптической схемой для формирования и четкого позиционирования луча возбуждения (засветки).

Литография в полупроводниковой электронике была изобретена в начале 1970-х, и с этого момента основным вектором ее развития стало сокращение длины световой волны: чем она меньше, тем более мелкие элементы можно воспроизводить на кремниевой пластине, и тем меньше может быть техпроцесс производства микропроцессоров. Это привело к развитию нескольких методов, в соответствии с которыми можно выделить два основных вида оборудования, использующихся сейчас.

Виды литографов

По технологии

Сейчас в производстве микроэлектроники используется три основные технологии:

• Контактная фотолитография. Ее также часто называют просто «масочной». В ней для переноса рисунка на подложку необходимо предварительно изготовить фотошаблоны (маски). В целом, метод достаточно высокопроизводительный и позволяет работать с малыми длинами волн, соответствующими актуальным стандартам. Однако в реализации он достаточно дорог, поскольку на изготовление одного чипа требуется до 10 различных фотошаблонов стоимостью десятки тысяч долларов каждый. Шаблоны многоразовые, но постепенно изнашиваются из-за контакта с пластиной, поэтому производственный процесс получается дорогостоящим и целесообразным только при огромных партиях.
• Проекционная фотолитография с использованием степперов или сканеров. В ней подложка не контактирует с фотошаблоном, а изображение на фоторезист проецируется целиком с помощью автоматической системы совмещения.
• Безмасковая фотолитография (электронно-лучевая, лазерная, светодиодная). В ней не требуется создавать промежуточные шаблоны, поскольку засветка резиста производится напрямую сфокусированным пучком электронов или света, который последовательно вырисовывает изображение на подложке. Процесс это существенно более медленный, чем при контактной или проекционной литографии, где одномоментно происходит засветка сразу всего рисунка. Поэтому электронно-лучевые литографы, в основном, используют при мелкосерийном производстве и в прототипировании.

По принципу нанесения рисунка

Если с контактной и проекционной фотолитографией в этом плане все просто – рисунок на подложке формируется сразу целиком, то в случае с электронно-лучевой есть несколько вариантов его переноса:

• Растровый – луч последовательно проходит по всем линиям пикселей в изображении.
• Векторный – луч засвечивает только линии, не обрабатывая всю площадь рисунка. За счет того, что лучу не приходится обрабатывать весь рисунок, процесс переноса протекает в разы быстрее.
• Запись электронным пучком с изменяющимся размером – можно менять не только размер, но и форму пучка, постепенно, по частям «перекрывая» все изображение. Это самый быстрый метод переноса.

По рабочей длине волны

• 365 нм – i-line (Hg),
• 248 нм – KrF,
• 193 нм – ArF dry или ArF immersion (так называемая иммерсионная литография),
• 13,5 нм – EUV (Extreme Ultra Violet).

Для примера, литограф для микросхем техпроцесса 45 нм должен быть построен на технологии иммерсионной литографии. EUV-литография позволяет работать с техпроцессом 7 нм и менее, то есть, является более прогрессивной.

Как устроен современный промышленный литограф?

Литограф состоит из серии подсистем:

• Электронно-оптическая (электронная пушка с системой магнитных линз). Отвечает за генерацию, фокусировку и контроль луча и, как следствие, за засветку и определение координат слоев. Поскольку от системы требуется очень высокая точность, важно изолировать ее от внешних влияний – вибрации, магнитных полей и помех в электросети.
• Координатный стол с лазером. Служит основой для размещения кремниевых пластин. При этом стол не закреплен статично, а также приводится в движение для дополнительной подстройки положения луча и изначального позиционирования. Должен быть виброизолирован и защищен от ЭМИ.
• Рабочая камера. В ней помимо координатного стола присутствует шлюзовое устройство, отвечающее за подачу и забор пластин, и вакуумная система захвата.
• Узлы управления и электропитания – отдельные стабилизаторы для питания электронной пушки, системы линз, координатного стола и прочих подсистем.
• Компьютер – с него управляется литограф, а разработанные в САПР рисунки отправляются к электронно-оптической системе.

Вместо заключения: проблемы доступности литографов

Во введении мы упомянули, что для любого современного производства полупроводников и компонентов на их основе нужен литограф – для процессоров, микросхем, систем на кристалле (SoC) и прочих микроэлектронных узлов. То есть, установка (несмотря на то, что литографией производственный процесс не ограничивается), фактически занимает центральное место в нем. Соответственно, важную роль для любого профильного предприятия играет доступность оборудования и сервисное обслуживание. Акцентировать внимание на этом моменте приходится сразу по нескольким причинам.

1. Очень высокая стоимость самих литографов. Во многом она обусловлена не только технологичностью и высокой сложностью их производства, но и тем, что изготовление отдельных элементов или подсистем очень сильно монополизировано. Например, высококачественные объективы, способные работать с традиционными фотолитографами на малых длинах волн, фактически выпускает только один производитель – Carl Zeiss.
2. Монополия производства. Более того, производство литографов монополизировано в целом. 99% мирового рынка оборудования в денежном выражении охватывает всего 3 компании: голландская ASML, японская Nikon и японская Canon. Причем иммерсионные установки выпускают только ASML и Nikon, а EUV – и вовсе только ASML. Есть и другие компании, например, небольшие игроки рынка из Китая или местные производства, но они все равно в большой степени зависят от пионеров отрасли, так как вынуждены закупать часть деталей или узлов у них.
3. Отсутствие передовых разработок в РФ. Особенно сильный удар за последнюю пару лет пришелся на отечественную отрасль микроэлектроники из-за приостановки поставок зарубежного оборудования. В России есть собственные производства литографов, однако ни одно из них не выпускает иммерсионного и EUV-оборудования. В лучшем случае оно работает с ArF-источниками излучения. Отечественная индустрия уже ищет пути решения и разработки собственных передовых устройств, но пока не очень успешно. Однако часть оборудования (восстановленные литографы Canon/Nikon/ASML для работы с пластинами до 300мм) у крупных поставщиков все еще доступна под заказ.

Достигайте технологического лидерства в радиоэлектронике вместе с «Диполь».