Neue Möglichkeiten für die Halbleiterfertigung - Multipath Electronic Lithography

Was kann durch die Einführung der Mehrweg-Elektronenlithographie in der Halbleiterindustrie neu erscheinen? Die von der niederländischen Firma Mapper Lithography vorgeschlagene innovative Technologie nähert sich langsam aber sicher dem Niveau der industriellen Anwendung - nicht ohne die Hilfe von Rusnano, der einen bedeutenden Anteil des Unternehmens besitzt. Was kann man in der Halbleiterherstellung mittels Mehrweg-Elektronenlithographie neu machen? Mal sehen.

Einführung

In den letzten fünfzig Jahren folgte die Entwicklung der Halbleitertechnologie ziemlich gut dem sogenannten „Moore-Gesetz“, das 1965 von Gordon Moore formuliert wurde: „Die Anzahl der auf einem integrierten Schaltkreischip platzierten Transistoren verdoppelt sich alle 24 Monate.“ Eine direkte Konsequenz des Moore'schen Gesetzes ist die Reduzierung der kritischen Abmessungen (CD) von Transistoren, mit denen Technologieknoten benannt werden, die zur Herstellung integrierter Schaltkreise verwendet werden. Von der Formulierung des Mooreschen Gesetzes bis zum heutigen Tag nahmen die CDs 5.000-mal ab: von 50 Mikrometer auf 10 nm. Obwohl der Tod von Moores Gesetz schon seit geraumer Zeit vorhergesagt wird (irgendwo um 90 nm), ist die Größenreduzierung noch nicht abgeschlossen. Andererseits ist es offensichtlich, dass dies nicht unbegrenzt weitergehen kann - es wird eine physikalische Grenze geben - die Größe der Atome ist endlich.

Die Abwärtsbewegung setzt sich jedoch fort (oft als mehr Moore bezeichnet). Da die Lithografie ein kritischer Prozess der Halbleitertechnologie ist, konzentrieren sich hier die Hauptanstrengungen zur Reduzierung der Größe. Ein bemerkenswertes Beispiel ist die EUV- Maschine (Extreme Ultra Violet), die vom Flaggschiff-Fotolithografieunternehmen des niederländischen Unternehmens ASML entwickelt wurde . Die Wellenlänge dieser Technologie beträgt 13,5 nm (während die Wellenlänge moderner Fotolithografiemaschinen 193 nm beträgt), wodurch CDs für Technologien unter 45 nm direkt gedruckt werden können (derzeit wird Multi-Pattering verwendet, das mehrere Lithografie- und Ätzvorgänge umfasst).

Ein anderer Ansatz besteht darin, von der einfachen Verkleinerung abzuweichen und der Standardprozesstechnologie verschiedene neue Technologien hinzuzufügen (dies wird normalerweise als mehr als Moore bezeichnet). Ein Beispiel für solche Technologien sind neue Materialien (z. B. Dielektrika mit niedriger oder hoher Dielektrizitätskonstante anstelle von Siliziumoxid, Kupfer anstelle von Aluminium, Germanium anstelle von Silizium usw.); neue Transistorarchitektur (Spannungskanäle, dreidimensionale Gatter usw.); neue Systemlösungen (Multicore-Prozessoren, die mathematische und grafische Prozessoren auf einem Chip kombinieren usw.).

Während die EUV-Technologie von ASML ein offensichtliches Beispiel für das Gesetz von Moore ist, kann Mapper Lithography, ein anderes niederländisches Unternehmen, sie in beiden Fällen verwenden: mehr Moore und mehr als Moore. In dem heutigen Artikel werden wir nicht auf die Vorteile der hochauflösenden elektronischen Lithographie eingehen (was ein Vorteil gegenüber der optischen Lithographie auf der Oberfläche ist), aber wir werden argumentieren, dass diese Technologie Innovationen in den Herstellungsprozess integrierter Schaltkreise bringen kann.

Was wird es ermöglichen, elektronische Mehrstrahllithographie zu erzeugen?

Die elektronische Lithographie selbst ist bekannt und nichts Besonderes. Sie wird beispielsweise häufig bei der Herstellung von Masken für die Fotolithografie verwendet. Der Hauptnachteil der elektronischen Lithographie ist die bedrückend langsame Betriebsgeschwindigkeit - es dauert ungefähr einen Monat, um eine 300-mm-Platte freizulegen. Dies ist für die Produktion nicht akzeptabel, bei der die herkömmliche Fotolithografie Platten mit einer Produktivität von mehr als hundert pro Stunde aufweist.


300 mm Platte nach Belichtung auf einem Mapper Lithographiegerät und Entwicklung.

Die Mehrweg-Elektronenlithographie verwendet gleichzeitig 13.000 Elektronenstrahlen, wobei jeder Strahl einzeln gesteuert wird und außerdem in 49 Teilstrahlen unterteilt ist. Mit 13.000 Strahlen können Sie etwa 10 Platten mit einem Durchmesser von 300 mm pro Stunde drucken. Die Kosten einer solchen Maschine sind 2-3 mal geringer als bei einer modernen Fotolithografieeinheit (einem 193-nm-Scanner mit einer Wasserschicht).

Der Hauptvorteil der Mehrweg-Elektronenlithographie ist das Fehlen von Masken - das Muster auf dem Halbleiterwafer wird direkt vom Computer übertragen. Wenn die klassische Fotolithografie mit der Filmfotografie verglichen werden kann - Drucken einer großen Anzahl von Drucken von einem Negativ -, dann kann die elektronische Mehrstrahllithografie mit der digitalen Fotografie verglichen werden - Drucken von Drucken direkt von einem Computer auf einen Tintenstrahldrucker. Im ersten Fall erhalten wir eine hohe Leistung bei geringer Variabilität (es ist einfach, viele Ausdrucke zu reproduzieren, aber es ist schwierig, das Negativ zu ändern), im zweiten Fall erhalten wir eine geringere Produktivität, aber eine hohe Variabilität (es wird nicht schwierig sein, die Datei auf dem Computer zu korrigieren). Eine weitere gute Analogie ist Druckguss und 3D-Druck.


Linien mit einem Halbzyklus von 42 nm nach Elektronenlithographie und Ätzen. Um die gleiche Struktur unter Verwendung der klassischen Fotolithografie zu erhalten, sind mehrere Belichtungs- / Ätzvorgänge erforderlich

Es ist erwähnenswert, dass die Schlüsselelemente der Maschine - elektronische Objektive - in Russland in einer kleinen MEMS-Fabrik hergestellt werden, die speziell für diese Zwecke mit Unterstützung von Rusnano gebaut wurde.

Angesichts der Tatsache, dass die Herstellung von Masken (Masken) für moderne Technologien (~ 20 nm) ein langer (mehrere Monate) und teurer (Millionen von Dollar) Prozess ist, wollen wir sehen, wo die maskenlose Lithografietechnologie eingesetzt werden kann.

Rapid Prototyping neuer Produkte

Wie ist die Entwicklung neuer Halbleiterprodukte heute? Ein Unternehmen, das ein neues Produkt auf den Markt bringen möchte, stellt zunächst eine Testphotomaske mit mehreren Optionen für das zukünftige Produkt her - mehrere Monate und mehrere Millionen Dollar - stellt eine Reihe von Testchips her, wählt das beste Design aus und bestellt die endgültige Fotomaske mit dem besten Design - dies sind mehrere Monate und mehrere Millionen Dollar.

Wie kann die Entwicklung neuer Produkte bei Verwendung der MEL-Installation erfolgen? Eine Testcharge von Chips mit einem neuen Produkt kann Hunderte oder Tausende von Optionen für einen neuen Chip enthalten, und für dessen Herstellung benötigen Sie keine zusätzliche Zeit, um auf die Erstellung von Fotovorlagen oder zusätzliche Kosten zu warten. Das heißt, die Entwicklung neuer Produkte wird schneller (um mehrere Monate), billiger (um mehrere Millionen Dollar) und besser (mehr Optionen für einen neuen Chip) sein.

Bei der Herstellung kleiner Chargen kann MEL in der nachfolgenden Serienproduktion eingesetzt werden. Bei der Massenproduktion können Sie eine Fotomaske nach bestem Design bestellen und bereits Chips daraus drucken.

Kleine Serien von Chips herstellen

CubeSat. Quelle: Wikipedia CC BY 1.0 , Link

Wenn Sie einen Chip in einer Million Kopien herstellen möchten - kein Problem, werden die Kosten für Fotomasken auf eine große Anzahl von Chips verteilt und jeder Chip kostet nicht so viel. Aber wenn Sie hundert oder tausend Chips brauchen? Zum Beispiel möchten Sie die gesamte Elektronik eines Nanosatelliten in einen Chip Ihres eigenen einzigartigen Designs schieben - die Kosten für einen solchen Chip sind enorm, da die Kosten für die Fotovorlage (Millionen von Dollar) in eine kleine Anzahl von Chips aufgeteilt werden. Wenn Sie jedoch keine Fotomaske erstellen müssen, macht sich niemand die Mühe, eine kleine Anzahl von Chips herzustellen. Wenn sich der Rest der Technologie mit Ausnahme der Fotolithografie nicht wesentlich ändert, ändern sich die Kosten des Chips nicht wesentlich. Auf einer 300-mm-Platte kostet ein Chip zwischen zehn und hundert Dollar je nach Größe.

Einzigartige Chipherstellung

Wenn es möglich ist, eine kleine Serie einzigartiger Chips unter Verwendung herkömmlicher Fotolithografie herzustellen, obwohl dies sehr teuer ist, aber im Prinzip möglich ist, ist es im Prinzip nicht mehr möglich, jeden Chip einzigartig zu machen. Warum brauchen Sie vielleicht einzigartige Chips? Sie können zu Sicherheitszwecken (Schutzvariabilität wird nicht auf Software-, sondern auf Hardwareebene erstellt) oder zu Identifikationszwecken (ein eindeutiger Chip ist zu schwer zu fälschen) verwendet werden. Viele Kunden interessierten sich für die Möglichkeit, einzigartige Chips herzustellen. Deshalb haben die Niederländer von Mapper Lithography eine spezielle Website erstellt .

Verlängerung der Lebensdauer alternder Fabriken, die mit 200-mm-Wafern arbeiten

200 mm Fabrik. Quelle: Infineon

Derzeit verwenden die meisten Halbleiterhersteller (etwa 60%) 300-mm-Wafer und zugehörige Geräte. Trotzdem beträgt der Anteil der Halbleiterproduktion an 200-mm-Wafern, obwohl er abnimmt, immer noch mehr als 20%. Solche Fabriken sind technologisch weniger fortgeschritten als 300 mm und können normalerweise keine Wafer mit technologischen Verfahren von weniger als 90 nm herstellen. Die Schlüsselausrüstung, die den technischen Prozess bestimmt, ist die Installation der Fotolithografie, die auch am teuersten ist. Im Prinzip kann die verbleibende 200-mm-Produktionslinie durch ein fortschrittlicheres technologisches Verfahren (45 nm - 65 nm) gezogen werden, aber alles hängt von der Lithographie ab, und das Ersetzen durch eine fortschrittlichere (dies sind 300-mm-Maschinen) kostet zu viel. In diesem Fall kann die elektronische Mehrstrahllithographie helfen - die Ausrüstung kostet ein Vielfaches billiger als eine moderne Fotolithografiemaschine, ermöglicht jedoch die Herstellung von Platten mit fortschrittlicheren Technologien, wenn auch nicht in sehr großen Chargen, was die Lebensdauer alternder 200-mm-Fabriken verlängert.

Herstellung großer lichtempfindlicher Matrizen

Photomatrix. Quelle: Wikipedia Von Filya1 - Eigene Arbeit, CC BY-SA 3.0 , Link

Wie Sie wissen, hat die physikalische Größe einer Matrix einen größeren Einfluss auf die Bildqualität als die Anzahl der Megapixel. Die Größe der Matrix wird durch das maximale Sichtfeld der fotolithografischen Einheit bestimmt (zu einem Zeitpunkt druckt die moderne fotolithografische Einheit ein dem Sichtfeld entsprechendes Bild, geht dann zum nächsten Abschnitt über, druckt dasselbe Bild usw.). Die maximale Matrixgröße beträgt heute ca. 20 mm x 20 mm, was dem Sichtfeld von Scannern entspricht, das in naher Zukunft wahrscheinlich nicht zunehmen wird. Fairerweise stelle ich fest, dass ASML die Technologie hat, mehrere Felder des Scanners in einen Chip zu nähen, aber es ist nicht so einfach.

Da das Funktionsprinzip der Mehrweg-Elektronenlithographie einem Tintenstrahldrucker ähnlich ist, der ein Bild Streifen für Streifen von Kante zu Kante druckt, und nicht einem Fotovergrößerer, der Schritt für Schritt ein ganzes Bild druckt (wie bei photolithografischen Scannern), ist die Größe des durch die Installation einer Mehrweg-Elektronenlithographie erhaltenen Bildes nur durch die Größe begrenzt ein Halbleiterwafer, auf den das Muster übertragen wird (im Moment sind es 300 mm, in Zukunft 450 mm. Dies ist jedoch nicht genau.). Mit Hilfe der Mehrweg-Elektronenlithographie ist es daher theoretisch möglich, Photomatrices von der Größe eines Halbleiterwafers (300 mm Durchmesser) zu erzeugen. Es ist klar, dass dies für den Massenverbraucher nicht erforderlich ist, aber zum Beispiel für Weltraumteleskope oder andere Anwendungen, bei denen die Bildqualität wichtig ist und Größe und Preis eine untergeordnete Rolle spielen, werden solche Matrizen unverzichtbar sein und einige Unternehmen sind sehr an dieser Technologie interessiert.

Fazit

Die Mehrweg-Elektronenlithographie schlägt ein neues Kapitel in der Halbleiterherstellung auf. Es ähnelt dem 3D-Druck im Vergleich zu Form- und Digitalfotografie + einem Tintenstrahldrucker im Vergleich zu Filmfotografie und Negativdruck.

Ich habe oft gehört, dass die Mehrweg-Elektronenlithographie nicht mit der klassischen Fotolithographie (einschließlich EUV) und die Mapper-Lithographie nicht mit ASML konkurrieren kann, woraus geschlossen wurde, dass MEL zum Scheitern verurteilt ist. Wenn ich dem ersten Teil dieser Aussage zustimme, dann dem zweiten - nein. Wenn Sie sich die Geschichte mit MEL und klassischer Fotolithografie ein wenig ansehen, kann MEL mit einem Hubschrauber und klassische Fotolithografie mit einem Hauptflugzeug verglichen werden. Es scheint, dass beide Technologien Passagiere und Fracht auf dem Luftweg befördern, aber gleichzeitig gibt es einen großen Unterschied zwischen ihnen. Wenn Sie mehrere hundert Personen über den Ozean transportieren müssen, ist Ihre Wahl der Hauptliner. Und wenn Sie eine Schicht von Ölarbeitern auf eine Offshore-Plattform bringen, hilft Ihnen das Flugzeug nicht mehr. Ja, die Hubschrauberproduktion wird niemals das Ausmaß der Flugzeugproduktion erreichen und nicht mit ihnen konkurrieren. Der Aufbau eines erfolgreichen Hubschraubergeschäfts ist jedoch möglich. Mit der Zeit wird die elektronische Mehrstrahllithographie ihre Nische in der Halbleiterherstellung einnehmen, genau wie Hubschrauber ihren Tribut im Luftverkehr forderten.