فرص جديدة لتصنيع أشباه الموصلات - الطباعة الحجرية الإلكترونية متعددة المسارات

ما الجديد الذي يمكن أن يظهر في صناعة أشباه الموصلات بسبب إدخال الطباعة الحجرية الإلكترونية متعددة المسارات؟ التكنولوجيا المبتكرة التي اقترحتها الشركة الهولندية Mapper Lithography تقترب ببطء ولكن بثبات من مستوى التطبيق الصناعي - ليس بدون مساعدة من Rusnano ، التي تمتلك حصة كبيرة من الشركة. ما الجديد الذي يمكن القيام به في تصنيع أشباه الموصلات باستخدام الطباعة الحجرية الإلكترونية متعددة المسارات؟ دعنا نرى.

مقدمة

على مدى السنوات الخمسين الماضية ، اتبعت عملية تطوير تكنولوجيا أشباه الموصلات بشكل جيد إلى حد ما ما يسمى "قانون مور" ، الذي صاغه جوردون مور في عام 1965: "يتضاعف عدد الترانزستورات الموضوعة على شريحة دائرة متكاملة كل 24 شهرًا". والنتيجة المباشرة لقانون مور هي الحد من الأبعاد الحرجة (CD) للترانزستورات ، والتي تستخدم لتسمية العقد التكنولوجية المستخدمة لإنشاء دوائر متكاملة. من وقت صياغة قانون مور حتى يومنا هذا ، انخفضت الأقراص المدمجة 5000 مرة: من 50 ميكرون إلى 10 نانومتر. على الرغم من توقع وفاة قانون مور لبعض الوقت (حوالي 90 نانومتر) ، لا يزال تخفيض الحجم مستمرًا. من ناحية أخرى ، من الواضح أن هذا لا يمكن أن يستمر إلى ما لا نهاية - سيكون هناك حد مادي - أحجام الذرات محدودة.

ومع ذلك ، تستمر الحركة الهبوطية (يشار إليها غالبًا باسم مور). نظرًا لأن الطباعة الحجرية هي عملية حاسمة لتكنولوجيا أشباه الموصلات ، فإن هذا هو المكان الذي تتركز فيه الجهود الرئيسية لتقليل الحجم ، ومن الأمثلة اللافتة على ذلك آلة Extreme Ultra Violet (EUV) ، التي طورتها شركة الطباعة الحجرية الرائدة للشركة الهولندية ASML . يبلغ الطول الموجي لهذه التقنية 13.5 نانومتر (في حين أن الطول الموجي للآلات الليثوغرافية الضوئية الحديثة هو 193 نانومتر) ، مما سيسمح بطباعة أقراص مدمجة لتقنيات أقل من 45 نانومتر مباشرة (في الوقت الحالي ، متعدد الضرب ، والذي يتضمن العديد من عمليات الطباعة الحجرية والحفر).

نهج آخر هو الانحراف عن تقليص بسيط وإضافة تقنيات جديدة مختلفة إلى تكنولوجيا العملية القياسية (وهذا ما يسمى عادة أكثر من مور). ومن الأمثلة على هذه التقنيات مواد جديدة (على سبيل المثال ، عوازل ذات ثابت عازل منخفض أو مرتفع بدلاً من أكسيد السيليكون ، والنحاس بدلاً من الألومنيوم ، والجرمانيوم بدلاً من السيليكون ، وما إلى ذلك) ؛ بنية ترانزستور جديدة (قنوات الجهد ، والبوابات ثلاثية الأبعاد ، وما إلى ذلك) ؛ حلول نظام جديدة (معالجات متعددة النوى ، تجمع بين المعالجات الرياضية والرسومية على شريحة واحدة ، وما إلى ذلك).

في حين أن تقنية EUV لـ ASML هي مثال واضح على قانون مور ، يمكن لشركة Mapper Lithography ، وهي شركة هولندية أخرى ، استخدامه في كلتا الحالتين: المزيد من مور وأكثر من مور. في مقال اليوم ، لن نتحدث عن مزايا الطباعة الحجرية الإلكترونية عالية الدقة (وهي ميزة على الطباعة الحجرية الضوئية على السطح) ، ولكننا سنجادل في أن هذه التكنولوجيا يمكن أن تجلب الابتكار لعملية تصنيع الدوائر المتكاملة.

ما سيسمح بإنتاج الطباعة الحجرية الإلكترونية متعددة الحزم

الطباعة الحجرية الإلكترونية نفسها معروفة جيدًا وليست شيئًا مميزًا ، فهي تستخدم على نطاق واسع ، على سبيل المثال ، في تصنيع الأقنعة للطباعة الحجرية الضوئية. العيب الرئيسي في الطباعة الحجرية الإلكترونية هو سرعة التشغيل البطيئة بشكل محبط - يستغرق الأمر حوالي شهر لفضح لوحة 300 ملم. هذا غير مقبول للإنتاج حيث تعرض الليثوغرافيا الضوئية التقليدية لوحات ذات إنتاجية تزيد عن مائة في الساعة.


لوحة 300 ملم بعد التعرض لآلة الطباعة الحجرية Mapper والتطوير.

تستخدم الطباعة الحجرية الإلكترونية متعددة المسارات 13000 حزمة إلكترونية في وقت واحد ؛ يتم التحكم في كل حزمة بشكل فردي ، بالإضافة إلى أنها مقسمة أيضًا إلى 49 حزمة فرعية. باستخدام 13000 شعاع ، يمكنك طباعة حوالي 10 لوحات بقطر 300 مم في الساعة. ستكون تكلفة هذه الآلة أقل 2-3 مرات من وحدة الطباعة الحجرية الضوئية الحديثة (ماسح ضوئي 193 نانومتر مع طبقة مياه).

الميزة الرئيسية للطباعة الحجرية الإلكترونية متعددة المسارات هي عدم وجود أقنعة - يتم نقل النمط على رقاقة أشباه الموصلات مباشرة من الكمبيوتر. إذا كان يمكن مقارنة الطباعة الحجرية الضوئية الكلاسيكية بتصوير الأفلام - طباعة عدد كبير من المطبوعات من صورة سلبية واحدة ، فيمكن مقارنة الطباعة الحجرية الإلكترونية متعددة الحزم بالتصوير الرقمي - طباعة المطبوعات مباشرة من جهاز كمبيوتر إلى طابعة نافثة للحبر. في الحالة الأولى ، نحصل على أداء عالٍ مع تنوع منخفض (من السهل إعادة إنتاج العديد من المطبوعات ، ولكن من الصعب تغيير الصورة السلبية) ، وفي الحالة الثانية نحصل على إنتاجية أقل ، ولكن متغيرًا عاليًا (لن يكون من الصعب تصحيح الملف على الكمبيوتر). تشبيه جيد آخر هو الصب يموت والطباعة ثلاثية الأبعاد.


خطوط نصف دورة من 42 نانومتر بعد الطباعة الحجرية الإلكترونية والنقش. للحصول على نفس الهيكل باستخدام الطباعة الحجرية الضوئية الكلاسيكية ، ستكون هناك حاجة إلى العديد من عمليات التعرض / الحفر

تجدر الإشارة إلى أن العناصر الرئيسية للآلة - العدسات الإلكترونية - يتم إنتاجها في روسيا في مصنع MEMS صغير تم تصميمه خصيصًا لهذه الأغراض بدعم من Rusnano.

وبالنظر إلى أن تصنيع الأقنعة (الأقنعة) للتقنيات الحديثة (~ 20 نانومتر) عملية طويلة (عدة أشهر) ومكلفة (ملايين الدولارات) ، فلنرى أين يمكن استخدام تكنولوجيا الطباعة الحجرية بدون قناع.

النماذج الأولية السريعة للمنتجات الجديدة

كيف يتم تطوير منتجات أشباه الموصلات الجديدة اليوم؟ الشركة التي ترغب في إطلاق منتج جديد في السوق تنتج أولاً قناع ضوئي اختباري مع العديد من الخيارات للمنتج المستقبلي - عدة أشهر وعدة ملايين من الدولارات - تقوم بعمل عدد من رقائق الاختبار ، وتختار أفضل تصميم وتطلب القناع الضوئي النهائي مع أفضل تصميم - هذا هو عدة أشهر و عدة ملايين من الدولارات.

كيف يمكن تطوير منتجات جديدة عند استخدام تثبيت MEL؟ قد تحتوي مجموعة اختبار الرقائق مع منتج جديد على مئات أو آلاف الخيارات لشريحة جديدة ، ولن تحتاج إلى أي وقت إضافي لتصنيع أقنعة الصور أو تكاليف إضافية لتصنيعها. أي أن تطوير منتجات جديدة سيكون أسرع (بعدة أشهر) وأرخص (بعدة ملايين من الدولارات) وأفضل (المزيد من الخيارات لشريحة جديدة).

في تصنيع الدُفعات الصغيرة ، يمكن استخدام MEL في الإنتاج التسلسلي اللاحق ؛ في الإنتاج على نطاق واسع ، يمكنك طلب قناع صور وفقًا لأفضل تصميم ورقائق طباعة منه بالفعل.

صنع سلسلة صغيرة من الرقائق

CubeSat. المصدر: Wikipedia CC BY 1.0 ، Link

إذا كنت ترغب في عمل رقاقة في مليون نسخة - لا توجد مشكلة ، فإن تكلفة أقنعة الصور ستنتشر على عدد كبير من الرقائق ولن تكلف كل شريحة الكثير. ولكن إذا كنت بحاجة إلى مائة أو ألف رقاقة؟ على سبيل المثال ، تريد دفع جميع الأجهزة الإلكترونية للقمر الصناعي النانوي إلى شريحة واحدة من تصميمك الفريد من نوعه - ستكون تكلفة هذه الشريحة ضخمة ، حيث سيتم تقسيم تكلفة القناع الضوئي (ملايين الدولارات) إلى عدد صغير من الرقائق. ومع ذلك ، إذا لم تكن بحاجة إلى عمل قناع ضوئي ، فلن يزعج أحدًا بإنشاء عدد صغير من الرقائق - إذا لم تتغير بقية التكنولوجيا ، باستثناء الطباعة الحجرية الضوئية كثيرًا ، فإن تكلفة الشريحة لن تتغير كثيرًا - على لوحة 300 مم ، ستتكلف شريحة واحدة من عشرات إلى مئات بالاعتماد على الحجم.

صنع رقاقة فريدة من نوعها

إذا كان من الممكن إنتاج سلسلة صغيرة من الرقائق الفريدة باستخدام الطباعة الحجرية الضوئية التقليدية ، على الرغم من أنها مكلفة للغاية ، ولكن من الممكن من حيث المبدأ ، فإن جعل كل شريحة فريدة من نوعها أمر مستحيل بالفعل من حيث المبدأ. لماذا قد تحتاج إلى رقائق فريدة؟ يمكن استخدامها لأغراض أمنية (يتم إنشاء تنوع الحماية ليس على البرنامج ، ولكن على مستوى الأجهزة) أو لأغراض التعريف (شريحة فريدة يصعب تزويرها). أصبح الكثير من العملاء مهتمين بالقدرة على إنتاج رقائق فريدة ، لذلك أنشأ الهولنديون من Mapper Lithography موقعًا خاصًا .

إطالة عمر المصانع القديمة التي تعمل على رقائق 200 مم

مصنع 200 مم. المصدر: انفينيون

في الوقت الحالي ، يستخدم معظم تصنيع أشباه الموصلات (حوالي 60٪) رقائق 300 مم والمعدات ذات الصلة. ومع ذلك ، فإن حصة إنتاج أشباه الموصلات على رقائق 200 مم ، على الرغم من تناقصها ، لا تزال أكثر من 20 ٪. هذه المصانع أقل تقدمًا من الناحية التكنولوجية من 300 مم ولا يمكنها عادةً إنتاج رقائق باستخدام عمليات تكنولوجية أقل من 90 نانومتر. المعدات الرئيسية التي تحدد العملية التقنية هي تركيب الطباعة الحجرية الضوئية ، وهي أيضًا الأغلى. من حيث المبدأ ، يمكن سحب خط الإنتاج 200 مم المتبقي من خلال عملية تكنولوجية أكثر تقدمًا (45 نانومتر - 65 نانومتر) ، ولكن كل شيء يعتمد على الطباعة الحجرية ، واستبداله بآخر أكثر تقدمًا (هذا هو آلات 300 مم) سيكلف الكثير. في هذه الحالة ، يمكن أن تساعد الطباعة الحجرية الإلكترونية متعددة الحزم - تكلفة المعدات أرخص عدة مرات من آلة الطباعة الحجرية الضوئية الحديثة ، ولكنها ستسمح بإنتاج لوحات باستخدام تقنيات أكثر تقدمًا ، وإن لم يكن على دفعات كبيرة جدًا ، مما سيطيل عمر مصانع 200 مم القديمة.

إنتاج مصفوفات حساسة للضوء

مصفوفة ضوئية. المصدر: Wikipedia By Filya1 - العمل الخاص ، CC BY-SA 3.0 ، Link

كما تعلمون ، فإن الحجم المادي للمصفوفة له تأثير أكبر على جودة الصورة من عدد الميجابكسل. يتم تحديد حجم المصفوفة من خلال الحد الأقصى لمجال الرؤية للوحدة الليثوغرافية الضوئية (في وقت واحد ، تطبع الوحدة الليثوغرافية الحديثة صورة تتوافق مع مجال الرؤية ، ثم تنتقل إلى القسم التالي ، وتطبع نفس الصورة ، وما إلى ذلك). اليوم ، يبلغ الحد الأقصى لحجم المصفوفة 20 مم × 20 مم تقريبًا ، وهو ما يتوافق مع مجال رؤية الماسحات الضوئية ، والذي من غير المحتمل أن يزداد في المستقبل القريب. في الإنصاف ، ألاحظ أن ASML لديه تقنية خياطة العديد من حقول الماسح الضوئي في شريحة واحدة ، ولكنها ليست بهذه البساطة.

نظرًا لأن مبدأ تشغيل الطباعة الحجرية الإلكترونية متعددة المسارات مشابه للطابعة النافثة للحبر ، التي تطبع شريط صورة بقطاع من الحافة إلى الحافة ، بدلاً من المكبر الفوتوغرافي ، الذي يطبع صورة كاملة خطوة بخطوة (كما هو الحال في الماسحات الضوئية الليتوغرافية) ، فإن حجم الصورة التي يتم الحصول عليها عن طريق تركيب الطباعة الحجرية الإلكترونية متعددة المسارات يقتصر فقط على الحجم رقاقة أشباه الموصلات التي يتم نقل النمط عليها (في الوقت الحالي 300 ملم ، في المستقبل سيكون 450 ملم. لكن هذا ليس دقيقًا). وبالتالي ، باستخدام الطباعة الحجرية الإلكترونية متعددة المسارات ، من الممكن نظريًا إنشاء صور ضوئية بحجم رقاقة أشباه الموصلات (قطرها 300 مم). من الواضح أن هذا ليس ضروريًا للمستهلك الشامل ، ولكن ، على سبيل المثال ، بالنسبة إلى التلسكوبات الفضائية أو بعض التطبيقات الأخرى حيث تكون جودة الصورة مهمة ، ويلعب الحجم والسعر دورًا ثانويًا ، فإن هذه المصفوفات لا غنى عنها وبعض الشركات مهتمة جدًا بهذه التكنولوجيا.

الخلاصة

ستفتح الطباعة الحجرية الإلكترونية متعددة المسارات فصلاً جديدًا في تصنيع أشباه الموصلات. وهي تشبه الطباعة ثلاثية الأبعاد مقارنة بالصب والتصوير الرقمي + طابعة نافثة للحبر مقارنة بتصوير الأفلام والطباعة السلبية.

لقد سمعت عدة مرات أن الطباعة الحجرية الإلكترونية متعددة المسارات لا يمكن أن تتنافس مع الطباعة الحجرية الضوئية الكلاسيكية (بما في ذلك EUV) ولا يمكن أن تتنافس Mapper Lithography مع ASML ، والتي استنتج منها أن MEL محكوم عليها بالفشل. إذا كنت أتفق مع الجزء الأول من هذا البيان ، ثم مع الجزء الثاني - لا. إذا نظرت إلى القصة باستخدام MEL والطباعة الحجرية الضوئية الكلاسيكية قليلاً من ناحية أخرى ، فيمكن مقارنة MEL بطائرة هليكوبتر والطباعة الحجرية الضوئية الكلاسيكية بالطائرة الرئيسية. يبدو أن كلا التقنيتين تحملان الركاب والبضائع عن طريق الجو ، ولكن في نفس الوقت هناك فرق كبير بينهما. إذا كنت بحاجة إلى نقل عدة مئات من الأشخاص عبر المحيط ، فإن اختيارك هو الخطوط الرئيسية. وإذا قدمت نقلة لعمال النفط إلى منصة بحرية ، فلن تساعدك الطائرة بعد ذلك. نعم ، لن يصل إنتاج طائرات الهليكوبتر إلى حجم إنتاج الطائرات ولن يتنافس معها. لكن بناء شركة هليكوبتر ناجحة أمر ممكن. لذا بمرور الوقت ، ستشغل الطباعة الحجرية الإلكترونية متعددة الحزم مكانتها في تصنيع أشباه الموصلات ، تمامًا مثلما تسببت المروحيات في خسائر في النقل الجوي.