фотолитография что это такое
Фотолитография
Фотолитогра́фия — метод получения рисунка на тонкой плёнке материала, широко используется в микроэлектронике и в полиграфии. Один из основных приёмов планарной технологии, используемой в производстве полупроводниковых приборов.
Для получения рисунка используется свет определённой длины волны. Минимальный размер деталей рисунка — половина длины волны (определяется дифракционным пределом).
Фоторезист — специальный материал, который изменяет свои физико-химические свойства при облучении светом.
Фотошаблон — пластина, прозрачная для используемого в данном процессе электромагнитного излучения, с рисунком, выполненным непрозрачным для используемого излучения красителем.
Процесс фотолитографии происходит так:
Если после экспонирования становятся растворимыми засвеченные области фоторезиста, то процесс фотолитографии называется позитивным. Иначе — негативным.
Методы фотолитографии
По источнику излучения (указана длина волны)
Технологии, позволяющие уменьшить техпроцесс:
Альтернативные способы
См. также
Полезное
Смотреть что такое «Фотолитография» в других словарях:
фотолитография — фотолитография … Орфографический словарь-справочник
ФОТОЛИТОГРАФИЯ — Особый способ перенесения фотографического снимка на литографский камень. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. ФОТОЛИТОГРАФИЯ воспроизведение путем фотографии изображений на камне и перепечатка этого… … Словарь иностранных слов русского языка
фотолитография — и, ж. photolithographie f. Литография, полученная при помощи фотографического перенесения изображения на поверхность литографского камня. БАС 1. Два слова о фотолитографии. Этим именем называется перевод на камень фотографического (т. е. с… … Исторический словарь галлицизмов русского языка
ФОТОЛИТОГРАФИЯ — ФОТОЛИТОГРАФИЯ, фотолитографии, жен. (тип.). Литография, основанная на применении фотографии. см. фото… в 1 знач. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова
ФОТОЛИТОГРАФИЯ — способ формирования изделий разл. типа с использованием светочувствит. материалов. Ф. применяется в полиграфии для фотомеханич. изготовления печатных форм на формном материале (камне или металлич. пластине) в результате фотодубления или… … Физическая энциклопедия
фотолитография — сущ., кол во синонимов: 2 • литография (11) • оттиск (25) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов
фотолитография — и; ж. 1. Литография, основанная на применении фотографии, когда рисунок, изображение с негатива наносится на литографический камень или металлическую пластинку, покрытые светочувствительным слоем. 2. Оттиск с литографической печатной формы,… … Энциклопедический словарь
Микроэлектроника: просто, быстро и дешево
Можно уверенно сказать, что эта уникальная разработка вызвала на конференции большой интерес. На фотографии, которую нам прислали с полей конференции, видно (см. фото 1), как в очереди задать вопрос одному из докладчиков, представляющих компанию Nanotech SWHL GmbH, стоят доктор Барн Лин — бывший первый вице-президент тайваньской компании TSMC, крупнейшего мирового производителя чипов, который сейчас является главным советником президента этой компании, а за ним доктор Крис Мэк (США) — автор монографии, которая стала настольной книгой любого специалиста, хоть как-то связанного с фотолитографией в микроэлектронике. Именно об этом мы обещали рассказать в нашей статье посвященной развитию микроэлектроники в России.
Что такое фотолитография
Напомним нашему читателю, что такое фотолитография и для чего она нужна в микроэлектронике. Цель фотолитографии в микроэлектронике — формирование заданного изображения на кремниевой подложке для получения необходимой топологии микросхемы. Для этого на кремниевую подложку наносят тонкий слой материала, из которого нужно сформировать рисунок. На этот слой наносится светочувствительный материал — фоторезист, который подвергается облучению через оптическую систему и фотошаблон (маску). Маска, используемая при таком типе фотолитографии, представляет собой увеличенный трафарет проецируемого рисунка. После последующей обработки фоторезиста на пластине остается заданный рисунок. Чем меньше длина волны излучения, тем меньше размеры получаемых элементов рисунка. В процессе изготовления микросхем операция фотолитографии на одной пластине повторяется многократно, и каждое новое изображение должно очень точно совмещаться с предыдущим (см. рисунок 1).
С 1970-х годов стоимость фотолитографии в производстве ИС достигла почти 70% общей стоимости производства. Стоимость производимого литографического оборудования выросла почти в 160 раз, превысив 200 млн долларов. Столь высокие затраты привели к значительной концентрации рынка производства микросхем и оборудования для этого производства в руках нескольких компаний. Например, ASML занимает 85% мирового рынка установок фотолитографии (степперов), и только три компании по производству микросхем, а именно Intel Corp., Samsung и TSMC, работают над технологиями ниже 14 нм.
Цель фотолитографии в микроэлектронике — формирование заданного изображения на кремниевой подложке для получения необходимой топологии микросхемы. Для этого на кремниевую подложку наносят тонкий слой материала, из которого нужно сформировать рисунок. На этот слой наносится светочувствительный материал — фоторезист, который подвергается облучению через оптическую систему и фотошаблон
А суммарная стоимость набора фотошаблонов, которые являются важнейшим элементом технологии фотолитографии, для производства одного типа чипов может достигать нескольких миллионов долларов, и они требуют регулярной, раз в несколько дней, замены. Суммарная их стоимость за время производства данного типа чипов может достигать многих десятков миллионов долларов.
Фотолитография, предлагаемая компанией Nanotech SWHL GmbH, основана на использовании голографии для получения на пластине необходимого рисунка, что позволяет кардинально снизить стоимость и самой фотолитографической машины, и набора фотошаблонов. Попробуем, основываясь на полученных статьях, объяснить, что представляет собой этот новый тип фотолитографии. Но для понимания проблем этой технологи начнем с описания ее состояния в настоящее время.
Фотолитография сегодняшнего дня и ее проблемы
До недавнего времени самые передовые проектные нормы, то есть минимальные размеры элементов, достигались с использованием проекционной фотолитографии на длине волны 193 нм, возможности которой уже на порядок превзошли дифракционный предел разрешающей способности оптической системы литографа, определяющий минимальный размер топологического элемента, который может быть получен с помощью оптической системы. Вот почему для достижения минимальных проектных норм разработчики фотолитографических машин предприняли значительные усилия, в результате которые ее оптическая система стала существенно дороже (см. рисунок 2). Современные литографические объективы фирмы Carl Zeiss, которая, по сути, монополизировала рынок высокоразрешающих литографических объективов и фактически является их единственным производителем для литографического оборудования, имеют высоту до 170 см, диаметр до 600 мм, содержат около 40 чрезвычайно высококачественных линз и отражающих оптических элементов и весят до 800 кг. Масштаб этого объектива хорошо виден на фото 2.
Последние несколько лет в микроэлектронике нашла применение EUV-проекционная фотолитография на длине волны 13,5 нм, которая как раз и позволила достичь разрешения менее 10 нм — 7 и 5 нм а возможно, как обещает тайваньская компания TSMC, и 3 нм. Проблема при создании установок для EUV-литографии состоит в том, что на длине волны 13,5 нм нельзя использовать традиционные источники света и традиционную оптику из-за интенсивного поглощения такого света всеми известными оптическими материалами. Поэтому в подобных оптических системах используют зеркала с соответствующим интерференционным покрытием (см. рисунок 3). Сложность таких установок такова, что их стоимость, как мы как отметили, достигает уже 200 млн долларов (см. фото 3).
Но кроме высокой цены и все большой сложности реализации традиционной фотолитографии и EUV-фотолитографии у них есть еще по меньшей мере два недостатка. Во-первых, как указывают авторы доклада, развитие микроэлектроники привело к появлению и постоянному расширению области применения 3D-компонентов, в том числе MEMS, MOEMS, различных типов микролинз и массивов микросенсоров, без которых немыслимо производство современных электронных устройств для того же интернета вещей: для их изготовления необходимо получить фотолитографическое изображение в разных плоскостях. При решении этой проблемы с помощью проекционной фотолитографии возникает противоречие между разрешением и глубиной резкости ее оптической системы. Чтобы получить изображение в разных плоскостях при одной экспозиции, нужно увеличить глубину резкости, но при этом падает разрешение: невозможно одновременно создавать изображение высокого качества в нескольких плоскостях, разнесенных на расстояниях, значительно превышающих глубину резкости проекционной системы. Поэтому приходится прибегать к нескольким экспозициям на разных плоскостях, что существенно усложняет процесс фотолитографии и делает его более дорогим.
С 1970-х годов стоимость фотолитографии в производстве ИС достигла почти 70% общей стоимости производства. Стоимость производимого литографического оборудования выросла почти в 160 раз, превысив 200 млн долларов. Столь высокие затраты привели к значительной концентрации рынка производства микросхем и оборудования для него в руках нескольких компаний
Почему голография и что она дает
Под голографией обычно понимают особую технологию фотографирования, основанную на регистрации на фотопластинке интерференционной картины, формируемой волнами опорного источника излучения — лазера, — и этого же излучения, отраженного от объекта (см. рисунок 4). Это позволяет в последующем получать трехмерные (объемные) изображения объектов: на экспонированной таким образом и проявленной пластинке содержится система интерференционных полос, и, если такую голограмму просветить, как диапозитив, лазерным светом той же частоты, что была использована при записи, возникнет голограмма — объемное изображение снятого предмета, словно висящего в пространстве.
Проблема в том, что в случае голографической фотолитографии не существует объекта, изображения, голограмму которого необходимо создать, а необходимо решить так называемую обратную задачу: зная, какое изображение на кремниевой подложке мы хотим получить, определить, какой рисунок надо нанести на маску, чтобы при прохождении через нее света благодаря дифракции и интерференции на этой кремниевой подложке было получено необходимое изображение. И это оказалось нетривиальной математической задачей, которую в мире пока удалось решить только компании Nanotech SWHL GmbH. Опираясь на достижения российской математической школы, в компании разработали программный комплекс для синтеза голограммных масок, что позволяет создавать изображение сложных топологий, используемых в современных интегральных схемах
При этом полученная маска обладает важными достоинствами. Во-первых, ее рисунок значительно проще, чем рисунок традиционной фотолитографической маски. Во-вторых, предельно упрощая, можно сказать, что голограмма обладает следующим важным свойством: каждая ее точка, до определенного размера, несет информацию обо всем изображении.
В случае голографической фотолитографии не существует объекта, изображения, голограмму которого необходимо создать, а необходимо решить так называемую обратную задачу: зная, какое изображение на кремниевой подложке мы хотим получить, определить, какой рисунок надо нанести на маску
И поэтому влияние локальных дефектов на получаемое изображение пренебрежимо мало. Расчеты показывают, что даже при суммарной площади всех дефектов, занимающих сотой процента от голограммной маски, качество создаваемого с ее помощью изображения практически не пострадает. То есть чувствительность изображения к локальным дефектам голограммной маски на 9–10 порядков меньше, чем у обычной проекционной. В результате радикально упрощается топология голограммных масок, существенно снижаются требования к технологии использования и хранения масок, сокращаются дорогостоящие регулярный контроль и ремонт масок, а срок службы голограммных масок становился практически неограниченным. А следовательно, снижается и их стоимость.
Кроме того, голографическая литография радикально решает и проблему проекционного объектива, поскольку для воспроизведения голографического изображения он вообще не нужен. Требуется лишь простейший объектив (иллюминатор) для освещения маски (см. рисунок 5), что существенно снижает стоимость степпера. По совокупности этих качеств весь процесс голографической фотолитографии получается существенно дешевле.
Чего уже достигла компания Nanotech SWHL GmbH
Подведем итоги. В представленных на конференции докладах их авторы отмечают, что они разработали, запатентовали и экспериментально подтвердили новый голографический метод фотолитографии. Этот новый подход позволяет не только преодолеть многие технологические проблемы традиционной фотолитографии, но также предлагает радикально более простую и дешевую литографическую технологию, которая может расширить рынок производителей литографического оборудования и производителей микросхем. Разработаны и внедрены быстрые алгоритмы для синтеза голографических масок и оптимизации их структуры, позволяющие повысить качество реконструированных изображений. Разработаны и построены экспериментальные установки, которые позволили проверить предложенную концепцию голографической фотолитографии и получить изображения с разрешением 250 нм в фоторезисте.
Авторы отмечают следующие преимущества голографической фотолитографии, которые мы уже отметили выше:
— простота изготовления голографической маски;
— маска бесконечного времени жизни;
— чрезвычайно высокая устойчивость к дефектам на маске;
— радикально упрощается топология голограммных масок;
— теоретически доказана (в докладе были продемонстрированы результаты успешной компьютерной симуляции) возможность создания с помощью SWHL топологий чипов, относящихся к технологическому ноду N7нм (проектная норма).
Чувствительность изображения к локальным дефектам голограммной маски на 9–10 порядков меньше, чем у обычной проекционной. В результате существенно снижаются требования к технологии использования и хранения масок, сокращаются дорогостоящие регулярный контроль и ремонт масок, а срок службы голограммных масок становился практически неограниченным. А следовательно, снижается и их стоимость
Компания разработала эффективный и быстрый метод синтеза масок, в том числе алгоритмы, интегрированные в программный пакет.
Для экспериментальной проверки создан макет голографического степпера, позволяющий получать изображения с субволновым разрешением 0,56 λ (длины волны излучения). Продемонстрировано, что 3D-изображения можно экспонировать на многоуровневой поверхности с помощью одной голографической маски за одну экспозицию. При этом результаты моделирования экспериментов оказались в хорошем согласии с предложенным теоретическим обоснованием. Наконец, смоделирован весь технологический процесс создания необходимого рисунка для проектных норм 7 нм, что дает разработчика полную уверенность в возможностях его реализации.
Сейчас Nanotech SWHL GmbH готовится к следующему этапу разработки — созданию опытного образца голографического степпера. голографического степпера.
Мы же напоминаем нашему читателю, что мы уже писали о работах, которые ведутся в нижегородском Институте прикладной физики по созданию фотолитографии без масок, целью которых также является удешевление и упрощение процесса фотолитографии.
Экстремальная УФ-литография. Будущее индустрии? РАЗБОР
Как создаются современные процессоры? Насколько это сложный и интересный процесс и почему так важна некая Экстремальная УФ-литография? В этот раз мы копнули действительно глубоко и готовы рассказать вам об этой магии технологий. Располагайтесь поудобнее, будет интересно.
Вот вам затравочка — 30-килоВаттный лазер в вакууме стреляет по капле олова и преввсе поращает ее в плазму — скажете фантастика?
Чтобы понять процесс экстремальной ультрафиолетовой литографии — нам надо для начала понять, что вообще такое фотолитография. Сам процесс по своей сути очень похож на то как печатаются фотографии с с пленочных негативов на фотобумагу! Не верите — сейчас все объясним.
Фотолитография
Начнем с простого примера — возьмем прозрачное стекло и нанесем на него какой-то геометрический рисунок, оставив при этом какие-то участки без краски. По сути, сделаем трафарет. Приложим этот кусок стекла к фонарику и включим его. Мы получим ровно тот же рисунок в виде тени, который мы нанесли на кусок стекла.
В производстве процессоров этот кусок стекла с рисунком называется маска. Маска позволяет получить на поверхности любого материала “засвеченные и незасвеченные” участки любой плоской формы.
Хорошо — рисунок на поверхности мы получили, но это всего лишь тень. Теперь надо как-то его там сохранить. Для этого на поверхность кремниевой пластины наносится специальный светочувствительный слой, который называют Фоторезистом. Для простоты мы не будем тут говорить о позитивных и негативных фоторезистах, почему они так реагируют, все-таки мы не на уроке Физической химии. Просто скажем, что это такое вещество, которое меняет свои свойства, когда на него попадает свет на определенной частоте, то есть на определенной длине волны.
Опять же как и на фотопленке или фотобумаге — специальные слои материалов реагируют на свет!
После того как нужные нам участки на кремнии мы засветили, именно их мы можем убрать, оставив при этом на месте остальные, то есть незасвеченные участки. В итоге мы получили тот рисунок, который и хотели. Это и есть фотолитография!
Конечно, кроме фотолитографии в производстве процессоров участвуют и другие процессы, такие как травление и осаждение, фактически комбинацией этих процессов вместе с фотолитографией транзисторы как-бы печатаются слой за слоем на кремнии.
Технология не новая, почти все процессоры начиная с 1960-х производятся при помощи фотолитографии. Именна эта технология открыла мир полевых транзисторов и путь ко всей современной микроэлектронике.
Но по-настоящему большой скачок в этой области произошел только недавно! С переходом на EUV. И всё из-за длинный волны 13.5 нм. Не переживайте, сейчас объясню!
Длина волны на которой светит наш “фонарик” — это невероятно важный параметр. Именно она и определяет насколько маленьким вы можете получить элементы на кристалле.
Правило максимально простое: Меньше длина волны — больше разрешение, и меньше техпроцесс!
Обратите внимание на картинку. Абсолютно все процессоры начиная с начала 90-х до 2019 года производились с использованием процесса Глубокой УФ-литографии, или DUV литографии. Это то, что было до Экстремальной.
Он основывался на использовании фторид-аргонового лазера, который испускает свет с длиной волны в 193 нанометра. Этот свет лежит в области глубокого ультрафиолета — отсюда и название.
Он проходит через систему линз, маску и попадает на наш кристалл покрытый фоторезистом, создавая необходимый рисунок.
Но у этой технологии тоже были свои ограничения, завязанные на фундаментальных законах физики.
Какой же минимальный техпроцесс возможен? Смотрим на формулу (только не пугайтесь):
Здесь Лямбда — это и есть наша длина волны, а CD — это critical dimension, то есть минимальный размер получаемой структуры. То есть с использованием “старой” DUV литографии нельзя получить структуры не меньше примерно 50 нм. Но как же это так спросите вы? Ведь производители отлично делали и 14 и 10 нм, а кто-то даже и 7 нм с использованием DUV литографии.
Они пошли на хитрости. Вместо одного засвета через одну единую маску, они стали использовать несколько масок, с разными рисунками, которые дополняют друг-друга. Это процесс получил название множественное экспонирование. Назовем это принципом слоеного пирога!
Да — производители обошли прямые физические ограничения, но физику не обманули!
Появилась серьезная проблема: эти дополнительные шаги сделали производство каждого чипа гораздо дороже, из-за них увеличивается количества брака, есть и другие проблемы.
То есть в теории можно продолжить работать со старой технологией и путем игры с масками и экспонированием (двойная, тройная, четверная экспозиция) уменьшать размеры и дальше, но это сделает процы золотыми. Ведь с каждым слоем процент брака возрастает все выше, а ошибка накапливается!
То есть можно сказать, что DUV — это тупик! Что делать дальше, как уменьшать?
И тут на помощь приходит великая и ужасная технология Экстремальной УФ-литографии, или EUV-литографии!
Посмотрите на фото — оно прекрасно демонстрирует различие двух технологий. Обе получены с использованием 7-нанометрового техпроцесса, но та что слева получена с использованием DUV-литографии и с теми самыми хитростями о которых мы говорили — тройное экспонирование, то есть с поэтапным использованием 3 разных масок. Справа же — технология EUV литографии на 13.5 нанометрах, с использованием одной единственной маски — разница очевидна — границы гораздо четче, лучший контроль геометрии, ну и сам процесс намного быстрее, меньше процент брака, то есть в конце концов дешевле. Вот она дорога в светлое будущее, почему бы сразу так не делать, в чем проблема?
Как работает EUV-литография
Все дело в том, что хоть EUV это та же литография, внутри в деталях все гораздо сложнее и тут ученые и инженеры столкнулись с новыми проблемами!
Сама технология экстремальной УФ-литографии начала разрабатываться в самом начале 2000 гдов. В ней используется источник, который излучает свет с длинной волны в 13.5 нанометров — то есть на нижней границе УФ-спектра, близко к рентгену!
В теории этим способом можно создавать структуры уже критических размеров — настолько маленьких, что еще чуть-чуть и на них перестанут действовать законы обычной физики. То есть после 5 нм мы попадаем в квантовой мир!
Но даже эта проблема на данный момент решена. Есть источник — возьми, да и делай себе сколь угодно маленькие процессоры.
Все совсем не так просто!
Проблема таких коротких длин волн в том, что они поглощаются почти всеми материалами, поэтому обычные линзы что были раньше уже не подходят. Что делать?
Для управления таким светом было принято решение создать специальные отражающие зеркальные линзы. И эти линзы должны быть гладкими! Очень гладкими. Практически идеально гладкими!
Одна проблема решена — линзы есть!
Есть и вторая — этот свет рассеивается даже в простом воздухе. Поэтому для того чтобы процесс прошел нормально его надо проводить в вакууме!
Про частички пыли и грязи я вообще молчу — понятно что их там вообще не должно быть. Чистые комнаты на таком производстве на порядки чище, чем операционные в больницах! Люди буквально ходят в скафандрах. Любая, даже самая маленькая частичка грязи кожи воздуха может испортить и маску и зеркала!
А что же с источником? Просто поставили специальный лазер на более короткую длину волны и все? Проблема в том, что ни лампочек, ни лазеров, ни каких-либо других нормальных источников света, которые излучают на такой длине волны просто не существует в природе.
И как же тогда получают нужное излучение? Элементарно, Ватсон — нам нужна плазма.
Надо нагреть оловянный пар до температур в 100 раз больших, чем температура поверхности солнца! Всего-то! И за этим стоит почти 2 десятилетия разработок.
В установке для производства процессоров по EUV-литографии, о которой мы поговорим отдельно установлен специальный углекислотный лазер, который опять же может производиться в тандеме всего двух компаний в мире — немецкой фирмой Trumpf и американской Cymer. Этот монстр мощностью в 30 киловатт стреляет по 2 импульса с частотой 50 килогерц.
Лазер попадает в капли олова, первый выстрел фактически плющит и превращает каплю в блин, которая становится легкой мишенью для второго залпа, который ее поджигает. И происходит это 50 тысяч раз в секунду! А образовавшаяся плазма и излучает этот свет в экстремальном УФ спектре.
И естественно, это только самая база, но мы попробовали нарисовать вам картину того насколько это сложный и крутой процесс.
Компания, стоящая за производством всех процессоров
О технологии рассказали, значит ее кто-то придумал и реализовал,но ее разработка оказалась настолько дорогой, что даже крупные гиганты и воротилы не способны потянуть такие бюджеты!
В итоге, чтобы это стало реальностью всем пришлось скинуться — Intel в 2012 году, а TSMC и Samsung где-то в 2015 году приняли участие в общем проекте. Суммарные инвестиции составили, по разным оценкам от 14 до 21 млрд долларов! Из которых почти 10 млрд были вложены в одну единственную нидерландскую компанию ASML. Именно она и стоит за всем производством процессоров в мире по методу EUV-литографии! Вау! Что за ASML и почему мы о ней ничего не слышали? Компания из Нидерландов — что за темная лошадка?
Мы выяснили, что эта компания делает одни из самых технологичных девайсов, в котором собраны все знания человечества и на них производят процессоры все IT-гиганты сразу!
Но не только ASML стоит за спиной нам известных IT-гигантов. Их установки состоят из более чем 100 тысяч деталей, которые производятся более чем тысячей компаний по всему миру. Все эти компании связаны друг с другом!
Будущее
Но что же будет дальше! Вы что — думали, что мы оставим вас оставим в дне сегодняшнем? Нет — мы подглядели в будущее! Мы раздобыли информацию что будет после пяти или даже двух нм!
А во-вторых, и это вообще взрывает мозг, ASML уже заканчивает разработку установок, которые позволят производить процессоры на 2 нанометровом техпроцессе и даже меньше всего через 4-5 лет!
Для этого ребята из нидерландской компании совместно с немецкой Zeiss разработали новые зеркальные линзы, с высокими значениями апертуры. Это анаморфная оптика — она и многое другое позволит увеличить разрешающую способность.
Сам процесс по сути тот же EUV, но с приставкой High-NA EUV. А сами агрегаты буду занимать еще большие размеры, посмотрите вот так для них делают оптику!
Этот год тяжелый для всех, но в тоже время — посмотрите какими шагами начинают развиваться технологии, все шире и шире. Нас ждут новые процессоры с мощностями, которые нам и не снились.
Кроме этого развиваются совершенно новые типы процессоров такие как NPU — для нейровычислений.