Nuevas oportunidades para la fabricación de semiconductores: litografía electrónica de múltiples rutas

¿Qué novedades pueden aparecer en la industria de los semiconductores debido a la introducción de la litografía electrónica multitrayecto? La tecnología innovadora propuesta por la compañía holandesa Mapper Lithography se acerca lenta pero seguramente al nivel de aplicación industrial, no sin la ayuda de Rusnano, que posee una parte importante de la compañía. ¿Qué novedades se pueden hacer en la fabricación de semiconductores utilizando la litografía electrónica por trayectos múltiples? A ver

Introduccion

En los últimos cincuenta años, el desarrollo de la tecnología de semiconductores ha seguido bastante bien la llamada "Ley de Moore", formulada por Gordon Moore en 1965: "El número de transistores colocados en un chip de circuito integrado se duplica cada 24 meses". Una consecuencia directa de la ley de Moore es la reducción de las dimensiones críticas (CD) de los transistores, que se utilizan para nombrar los nodos tecnológicos utilizados para hacer circuitos integrados. Desde el momento en que se formuló la Ley de Moore hasta nuestros días, los CD disminuyeron 5.000 veces: de 50 micras a 10 nm. Aunque la muerte de la ley de Moore se ha pronosticado durante bastante tiempo (alrededor de 90 nm), la reducción de tamaño aún está en curso. Por otro lado, es obvio que esto no puede continuar indefinidamente - vendrá un límite físico - los tamaños de los átomos son finitos.

Sin embargo, el movimiento hacia abajo continúa (a menudo denominado más Moore). Dado que la litografía es un proceso crítico de la tecnología de semiconductores, aquí es donde se concentran los principales esfuerzos para reducir el tamaño, un ejemplo sorprendente es la máquina Extreme Ultra Violet (EUV), desarrollada por la compañía insignia de fotolitografía de la compañía holandesa ASML . La longitud de onda de esta tecnología es de 13.5 nm (mientras que la longitud de onda de las máquinas fotolitográficas modernas es de 193 nm), lo que permitirá que los CD para tecnologías de menos de 45 nm se impriman directamente (en este momento, se utiliza el multi-pattering, que incluye varias operaciones de litografía y grabado).

Otro enfoque es desviarse de la reducción de tamaño simple y agregar varias tecnologías nuevas a la tecnología de proceso estándar (esto generalmente se llama más que Moore). Un ejemplo de tales tecnologías son los nuevos materiales (por ejemplo, dieléctricos con constante dieléctrica baja o alta en lugar de óxido de silicio, cobre en lugar de aluminio, germanio en lugar de silicio, etc.); nueva arquitectura de transistores (canales de voltaje, puertas tridimensionales, etc.); Nuevas soluciones de sistema (procesadores multinúcleo, combinando procesadores matemáticos y gráficos en un chip, etc.).

Si bien la tecnología EUV de ASML es un ejemplo obvio de la ley de Moore, Mapper Lithography, otra compañía holandesa, puede usarla en ambos casos: más Moore y más que Moore. En el artículo de hoy, no nos detendremos en las ventajas de la litografía electrónica de alta resolución (que es una ventaja sobre la litografía óptica en la superficie), pero argumentaremos que esta tecnología puede aportar innovación al proceso de fabricación de circuitos integrados.

Lo que permitirá producir litografía electrónica multihaz

La litografía electrónica en sí es bien conocida y no es algo especial, se usa ampliamente, por ejemplo, en la fabricación de máscaras para fotolitografía. La principal desventaja de la litografía electrónica es la velocidad de operación deprimentemente lenta: lleva aproximadamente un mes exponer una placa de 300 mm. Esto no es aceptable para la producción donde la fotolitografía convencional exhibe placas con una productividad de más de cien por hora.


Placa de 300 mm después de la exposición en una máquina de litografía Mapper y desarrollo.

La litografía electrónica de trayectos múltiples utiliza 13,000 haces de electrones simultáneamente; cada haz se controla individualmente, además también se divide en 49 subhaces. Con 13,000 rayos, puede imprimir aproximadamente 10 planchas con un diámetro de 300 mm por hora. El costo de una máquina de este tipo será 2-3 veces menor que una unidad de fotolitografía moderna (un escáner de 193 nm con una capa de agua).

La principal ventaja de la litografía electrónica de trayectos múltiples es la ausencia de máscaras: el patrón en la oblea de semiconductores se transfiere directamente desde la computadora. Si la fotolitografía clásica se puede comparar con la fotografía de película, imprimiendo una gran cantidad de impresiones de un negativo, entonces la litografía electrónica de haces múltiples se puede comparar con la fotografía digital, imprimiendo impresiones directamente desde una computadora a una impresora de inyección de tinta. En el primer caso, obtenemos un alto rendimiento con baja variabilidad (es fácil reproducir muchas impresiones, pero es difícil cambiar el negativo), en el segundo caso obtenemos una menor productividad, pero alta variabilidad (no será difícil corregir el archivo en la computadora). Otra buena analogía es la fundición a presión y la impresión 3D.


Líneas con un semiciclo de 42 nm después de la litografía electrónica y el grabado. Para obtener la misma estructura usando fotolitografía clásica, se requerirán varias operaciones de exposición / grabado

Vale la pena señalar que los elementos clave de la máquina, las lentes electrónicas, se producen en Rusia en una pequeña fábrica de MEMS construida específicamente para estos fines con el apoyo de Rusnano.

Teniendo en cuenta que la fabricación de máscaras (máscaras) para tecnologías modernas (~ 20 nm) es un proceso largo (varios meses) y costoso (millones de dólares), veamos dónde se puede utilizar la tecnología de litografía sin máscara.

Creación rápida de prototipos de nuevos productos

¿Cómo es el desarrollo de nuevos productos semiconductores hoy? Una empresa que desea lanzar un nuevo producto en el mercado primero produce una fotomasca de prueba con varias opciones para el producto futuro, varios meses y varios millones de dólares, hace una serie de chips de prueba, selecciona el mejor diseño y ordena la fotomasca final con el mejor diseño, esto es varios meses y Varios millones de dólares.

¿Cómo puede ocurrir el desarrollo de nuevos productos cuando se utiliza la instalación de MEL? Un lote de chips de prueba con un nuevo producto puede contener cientos o miles de opciones para un nuevo chip, y para su fabricación, no necesitará tiempo adicional para esperar la producción de máscaras fotográficas o costos adicionales. Es decir, el desarrollo de nuevos productos será más rápido (por varios meses), más barato (por varios millones de dólares) y mejor (más opciones para un nuevo chip).

En la fabricación de lotes pequeños, MEL se puede utilizar en la producción en serie posterior; en la producción a gran escala, puede solicitar una máscara fotográfica de acuerdo con el mejor diseño e imprimir chips de ella.

Hacer pequeñas series de chips

CubeSat. Fuente: Wikipedia CC BY 1.0 , Enlace

Si desea hacer un chip en un millón de copias, no hay problema, el costo de las máscaras fotográficas se distribuirá entre una gran cantidad de chips y cada chip no costará tanto. Pero si necesitas cien o mil chips? Por ejemplo, desea insertar todos los componentes electrónicos de un nanosatelital en un chip de su propio diseño único: el costo de dicho chip será enorme, ya que el costo de la fotomáscara (millones de dólares) se dividirá en un pequeño número de chips. Sin embargo, si no necesita hacer una fotomáscara, nadie se molestará en hacer una pequeña cantidad de chips; si el resto de la tecnología, con la excepción de la fotolitografía, no cambia mucho, entonces el costo del chip no cambiará mucho: en una placa de 300 mm, un chip costará de decenas a cientos dólares dependiendo del tamaño.

Fabricación de chips única

Si es posible producir una pequeña serie de chips únicos usando fotolitografía convencional, aunque es muy costoso, pero en principio es posible, entonces hacer que cada chip sea único ya no es posible en principio. ¿Por qué podrías necesitar chips únicos? Se pueden usar con fines de seguridad (la variabilidad de la protección no se crea en el software, sino a nivel de hardware) o con fines de identificación (un chip único es demasiado difícil de falsificar). Muchos clientes se interesaron en la capacidad de producir chips únicos, por lo que los holandeses de Mapper Lithography crearon un sitio especial .

Prolongar la vida útil de las antiguas fábricas que funcionan con obleas de 200 mm.

Fábrica de 200 mm. Fuente: Infineon

Actualmente, la mayoría de la fabricación de semiconductores (alrededor del 60%) utiliza obleas de 300 mm y equipos relacionados. Sin embargo, la participación de la producción de semiconductores en obleas de 200 mm, aunque está disminuyendo, sigue siendo superior al 20%. Dichas fábricas son menos avanzadas tecnológicamente que 300 mm y generalmente no pueden producir obleas utilizando procesos tecnológicos de menos de 90 nm. El equipo clave que determina el proceso técnico es la instalación de fotolitografía, que también es la más costosa. En principio, la línea de producción de 200 mm restante se puede extraer mediante un proceso tecnológico más avanzado (45 nm - 65 nm), pero todo depende de la litografía, y reemplazarla por una más avanzada (esto es máquinas de 300 mm) costará demasiado. En este caso, la litografía electrónica de haces múltiples puede ayudar: el equipo cuesta varias veces más barato que una máquina de fotolitografía moderna, pero permitirá la producción de placas con tecnologías más avanzadas, aunque no en lotes muy grandes, lo que extenderá la vida útil de las antiguas fábricas de 200 mm.

Producción de grandes matrices fotosensibles.

Photomatrix. Fuente: Wikipedia por Filya1 - Trabajo propio, CC BY-SA 3.0 , Enlace

Como saben, el tamaño físico de una matriz tiene una mayor influencia en la calidad de imagen que el número de megapíxeles. El tamaño de la matriz está determinado por el campo de visión máximo de la unidad fotolitográfica (en un momento, la unidad fotolitográfica moderna imprime una imagen correspondiente al campo de visión, luego pasa a la siguiente sección, imprime la misma imagen, etc.). Hoy, el tamaño máximo de la matriz es de aproximadamente 20 mm x 20 mm, que corresponde al campo de visión de los escáneres, que es poco probable que aumente en el futuro cercano. Para ser justos, noto que ASML tiene la tecnología de unir varios campos del escáner en un solo chip, pero no es tan simple.

Dado que el principio de funcionamiento de la litografía electrónica de múltiples rutas es similar a una impresora de inyección de tinta, que imprime una tira de imagen por tira de borde a borde, en lugar de una fotograbadora, que imprime una imagen completa paso a paso (como en los escáneres fotolitográficos), el tamaño de la imagen obtenida mediante la instalación de una litografía electrónica de trayectoria múltiple está limitado solo por el tamaño una oblea semiconductora a la que se transfiere el patrón (en este momento es de 300 mm, en el futuro será de 450 mm. Pero esto no es exacto). Por lo tanto, utilizando la litografía electrónica multitrayectoria, es teóricamente posible crear fotomatrices del tamaño de una oblea semiconductora (300 mm de diámetro). Está claro que esto no es necesario para el consumidor masivo, pero, por ejemplo, para telescopios espaciales u otras aplicaciones donde la calidad de la imagen es importante, y el tamaño y el precio juegan un papel secundario, tales matrices serán indispensables y algunas compañías están muy interesadas en esta tecnología.

Conclusión

La litografía electrónica multitrayecto abrirá un nuevo capítulo en la fabricación de semiconductores. Es similar a la impresión 3D en comparación con el moldeo y la fotografía digital + una impresora de inyección de tinta en comparación con la fotografía de película y la impresión negativa.

He escuchado muchas veces que la litografía electrónica de trayectos múltiples no puede competir con la fotolitografía clásica (incluido EUV) y la litografía de Mapper no puede competir con ASML, de lo que se concluyó que MEL está condenado al fracaso. Si estoy de acuerdo con la primera parte de esta declaración, entonces con la segunda, no. Si miras la historia con MEL y la fotolitografía clásica un poco por otro lado, entonces MEL se puede comparar con un helicóptero y la fotolitografía clásica con un avión principal. Parece que ambas tecnologías transportan pasajeros y carga por aire, pero al mismo tiempo hay una gran diferencia entre ellas. Si necesita transportar varios cientos de personas a través del océano, entonces su elección es el revestimiento principal. Y si entrega un cambio de trabajadores petroleros a una plataforma en alta mar, entonces el avión ya no lo ayudará. Sí, la producción de helicópteros nunca alcanzará la escala de producción de aviones y no competirá con ellos. Pero construir un negocio exitoso de helicópteros es posible. Entonces, con el tiempo, la litografía electrónica de haces múltiples ocupará su lugar en la fabricación de semiconductores, al igual que los helicópteros hicieron estragos en el transporte aéreo.