सेमीकंडक्टर विनिर्माण के लिए नए अवसर - मल्टीपाथ इलेक्ट्रॉनिक लिथोग्राफी

मल्टीमथ इलेक्ट्रॉन लिथोग्राफी की शुरुआत के कारण अर्धचालक उद्योग में क्या नया दिखाई दे सकता है? डच कंपनी मैपर लिथोग्राफी द्वारा प्रस्तावित अभिनव तकनीक धीरे-धीरे निश्चित रूप से औद्योगिक अनुप्रयोग के स्तर पर आ रही है - रुस्सानो की मदद के बिना नहीं, जो कंपनी का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है। मल्टीप्थ इलेक्ट्रॉन लिथोग्राफी का उपयोग करके अर्धचालक विनिर्माण में क्या नया किया जा सकता है? आइए देखते हैं।

परिचय

पिछले पचास वर्षों के लिए, सेमीकंडक्टर प्रौद्योगिकी के विकास ने तथाकथित "मूर के नियम" का अच्छी तरह से पालन किया है , जिसे 1965 में गॉर्डन मूर द्वारा तैयार किया गया था: "एक एकीकृत सर्किट चिप पर रखे गए ट्रांजिस्टर की संख्या हर 24 महीने में दोगुनी हो जाती है।" मूर के कानून का एक सीधा परिणाम ट्रांजिस्टर के महत्वपूर्ण आयामों (सीडी) की कमी है, जो कि एकीकृत सर्किट बनाने के लिए उपयोग किए जाने वाले प्रौद्योगिकी नोड्स के नाम के लिए उपयोग किया जाता है। जिस समय से मूर की विधि वर्तमान दिन के लिए तैयार की गई थी, उस समय से सीडी 5,000 गुना घट गई: 50 माइक्रोन से 10 एनएम तक। यद्यपि मूर के कानून की मृत्यु की भविष्यवाणी काफी समय से की जा रही है (कहीं न कहीं 90 एनएम), आकार में कमी अभी भी जारी है। दूसरी ओर, यह स्पष्ट है कि यह अनिश्चित काल तक नहीं चल सकता है - एक भौतिक सीमा आएगी - परमाणुओं का आकार परिमित है।

हालांकि, डाउनवर्ड मूवमेंट (अक्सर अधिक मूर के रूप में संदर्भित) जारी है। चूंकि लिथोग्राफी अर्धचालक प्रौद्योगिकी की एक महत्वपूर्ण प्रक्रिया है, यह वह जगह है जहां आकार को कम करने के मुख्य प्रयास केंद्रित होते हैं, एक हड़ताली उदाहरण चरम अल्ट्रा वायलेट (ईयूवी) मशीन है , जिसे डच कंपनी एएसएमएल की प्रमुख फोटोलिथोग्राफी कंपनी द्वारा विकसित किया गया है। इस तकनीक की तरंग दैर्ध्य 13.5 एनएम है (जबकि आधुनिक फोटोलिथोग्राफ़िक मशीनों की तरंग दैर्ध्य 193 एनएम है), जो सीडी को 45 एनएम से कम की तकनीकों को सीधे मुद्रित करने की अनुमति देगा (फिलहाल, मल्टी-पेटिंग, जिसमें कई लिथोग्राफी और ईचिंग ऑपरेशन शामिल हैं, का उपयोग किया जाता है)।

एक अन्य दृष्टिकोण सरल डाउनसाइज़िंग और विभिन्न नई तकनीकों को मानक प्रक्रिया प्रौद्योगिकी से जोड़ना है (इसे आमतौर पर मूर से अधिक कहा जाता है)। इस तरह की प्रौद्योगिकियों का एक उदाहरण नई सामग्री है (उदाहरण के लिए, सिलिकॉन ऑक्साइड के बजाय कम या उच्च ढांकता हुआ निरंतर के साथ ढांकता हुआ, एल्यूमीनियम के बजाय तांबा, सिलिकॉन के बजाय जर्मेनियम, आदि); नई ट्रांजिस्टर वास्तुकला (वोल्टेज चैनल, तीन आयामी द्वार, आदि); नई प्रणाली समाधान (मल्टीकोर प्रोसेसर, एक चिप पर गणितीय और ग्राफिक प्रोसेसर का संयोजन, आदि)।

जबकि ASML की EUV तकनीक मूर के कानून का एक स्पष्ट उदाहरण है , एक अन्य डच कंपनी, मैपर लिथोग्राफी, दोनों मामलों में इसका उपयोग कर सकती है: मूर से अधिक और मूर से अधिक। आज के लेख में, हम उच्च-रिज़ॉल्यूशन इलेक्ट्रॉनिक लिथोग्राफी (जो सतह पर ऑप्टिकल लिथोग्राफी पर एक फायदा है) के लाभों पर ध्यान केंद्रित नहीं करेंगे, लेकिन हम तर्क देंगे कि यह तकनीक एकीकृत सर्किट निर्माण प्रक्रिया में नवीनता ला सकती है।

मल्टी-बीम इलेक्ट्रॉनिक लिथोग्राफी का उत्पादन करने की अनुमति क्या होगी

इलेक्ट्रॉनिक लिथोग्राफी ही अच्छी तरह से जाना जाता है और कुछ खास नहीं है, यह व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, उदाहरण के लिए, फोटोोग्राफी के लिए मास्क के निर्माण में। इलेक्ट्रॉनिक लिथोग्राफी का मुख्य नुकसान ऑपरेशन की निराशाजनक धीमी गति है - एक 300 मिमी प्लेट को उजागर करने में लगभग एक महीने का समय लगता है। यह उत्पादन के लिए स्वीकार्य नहीं है जहां पारंपरिक फोटोलिथोग्राफी प्रति घंटे सौ से अधिक की उत्पादकता के साथ प्लेटों का प्रदर्शन करती है।


एक मैपर लिथोग्राफी मशीन और विकास पर एक्सपोजर के बाद 300 मिमी प्लेट।

मल्टीपाथ इलेक्ट्रॉन लिथोग्राफी एक साथ 13,000 इलेक्ट्रॉन बीम का उपयोग करती है, प्रत्येक बीम को व्यक्तिगत रूप से नियंत्रित किया जाता है, साथ ही इसे 49 उप-बीम में भी विभाजित किया जाता है। 13,000 किरणों का उपयोग करके, आप 300 मिमी प्रति घंटे के व्यास के साथ लगभग 10 प्लेटों को प्रिंट कर सकते हैं। इस तरह की मशीन की लागत आधुनिक फोटोलिथोग्राफी यूनिट (पानी की परत के साथ 193 एनएम स्कैनर) से 2-3 गुना कम होगी।

मल्टीप्थ इलेक्ट्रॉन लिथोग्राफी का मुख्य लाभ मास्क की अनुपस्थिति है - अर्धचालक वेफर पर पैटर्न सीधे कंप्यूटर से स्थानांतरित किया जाता है। यदि शास्त्रीय फोटोलिथोग्राफी की तुलना फिल्म फोटोग्राफी से की जा सकती है - बड़ी संख्या में प्रिंट को एक नकारात्मक से प्रिंट करना, तो मल्टी-बीम इलेक्ट्रॉनिक लिथोग्राफी की तुलना डिजिटल फोटोग्राफी से की जा सकती है - प्रिंटिंग प्रिंट को कंप्यूटर से सीधे इंकजेट प्रिंटर से। पहले मामले में, हम कम परिवर्तनशीलता के साथ उच्च प्रदर्शन प्राप्त करते हैं (कई प्रिंटों को पुन: पेश करना आसान है, लेकिन नकारात्मक को बदलना मुश्किल है), दूसरे मामले में हमें कम उत्पादकता मिलती है, लेकिन उच्च परिवर्तनशीलता (कंप्यूटर पर फ़ाइल को सही करना मुश्किल नहीं होगा)। एक और अच्छा सादृश्य है डाई कास्टिंग और 3 डी प्रिंटिंग।


इलेक्ट्रॉन लिथोग्राफी और नक़्क़ाशी के बाद 42 एनएम के आधे चक्र के साथ लाइनें। शास्त्रीय फोटोलिथोग्राफी का उपयोग करके समान संरचना प्राप्त करने के लिए, कई एक्सपोज़र / ईचिंग ऑपरेशन की आवश्यकता होगी

यह ध्यान देने योग्य है कि मशीन के प्रमुख तत्व - इलेक्ट्रॉनिक लेंस - रूस में एक छोटे से MEMS कारखाने में उत्पादित किए जाते हैं, जो विशेष रूप से रुस्नो के समर्थन से इन उद्देश्यों के लिए बनाया गया है।

यह देखते हुए कि आधुनिक प्रौद्योगिकियों (~ 20 एनएम) के लिए मास्क (मास्क) का निर्माण एक लंबी (कई महीने) और महंगी (लाखों डॉलर) की प्रक्रिया है, आइए देखें कि मास्कलेस लिथोग्राफी तकनीक का उपयोग कहां किया जा सकता है।

नए उत्पादों का तेजी से प्रोटोटाइप

आज नए सेमीकंडक्टर उत्पादों का विकास कैसे हो रहा है? बाजार पर एक नया उत्पाद लॉन्च करने की इच्छा रखने वाली एक कंपनी पहले भविष्य के उत्पाद के लिए कई विकल्पों के साथ एक परीक्षण फोटोमैस्क का उत्पादन करती है - कई महीनों और कई मिलियन डॉलर - कई टेस्ट चिप्स बनाती है, सर्वश्रेष्ठ डिजाइन का चयन करती है और सबसे अच्छे डिजाइन के साथ अंतिम फोटोमास्क का आदेश देती है - यह कई महीनों और है कई मिलियन डॉलर।

एमईएल स्थापना का उपयोग करते समय नए उत्पादों का विकास कैसे हो सकता है? एक नए उत्पाद के साथ चिप्स के एक परीक्षण बैच में एक नई चिप के लिए सैकड़ों या हजारों विकल्प हो सकते हैं, और इसके निर्माण के लिए, आपको फोटो मास्क, या अतिरिक्त लागत के उत्पादन के लिए प्रतीक्षा करने के लिए किसी अतिरिक्त समय की आवश्यकता नहीं होगी। यही है, नए उत्पादों का विकास तेजी से (कई महीनों से), सस्ता (कई मिलियन डॉलर से) और बेहतर (नई चिप के लिए अधिक विकल्प) होगा।

छोटे बैचों के निर्माण में, एमईएल का उपयोग बाद के धारावाहिक उत्पादन में किया जा सकता है, बड़े पैमाने पर उत्पादन में, आप पहले से ही सबसे अच्छा डिजाइन और प्रिंट चिप्स के अनुसार एक फोटो मुखौटा ऑर्डर कर सकते हैं।

चिप्स की छोटी श्रृंखला बनाना

क्यूबसैट। स्रोत: 1.0 से विकिपीडिया CC , लिंक

यदि आप एक लाख प्रतियों में एक चिप बनाना चाहते हैं - कोई समस्या नहीं है, फोटो मास्क की लागत बड़ी संख्या में चिप्स पर फैलेगी और प्रत्येक चिप की लागत इतनी नहीं होगी। लेकिन अगर आपको सौ या हजार चिप्स चाहिए? उदाहरण के लिए, आप अपने स्वयं के अनूठे डिजाइन के एक चिप में नैनोसैटेलाइट के सभी इलेक्ट्रॉनिक्स को चमकाना चाहते हैं - इस तरह की चिप की लागत बहुत बड़ी होगी, क्योंकि फोटोमास्क की लागत (लाखों डॉलर) को चिप्स की एक छोटी संख्या में विभाजित किया जाएगा। हालांकि, अगर आपको फोटोमास्क बनाने की आवश्यकता नहीं है, तो कोई भी छोटी संख्या में चिप्स बनाने के लिए परेशान नहीं करता है - अगर बाकी तकनीक, फोटोथोग्राफी के अपवाद के साथ, बहुत कुछ नहीं बदलता है, तो चिप की लागत में ज्यादा बदलाव नहीं होगा - एक 300 मिमी प्लेट पर, एक चिप की कीमत दसियों से सैकड़ों तक होगी। आकार के आधार पर डॉलर।

यूनिक चिप मेकिंग

यदि पारंपरिक फोटोलिथोग्राफी का उपयोग करके अद्वितीय चिप्स की एक छोटी श्रृंखला का उत्पादन करना संभव है, हालांकि यह बहुत महंगा है, लेकिन सिद्धांत रूप में यह संभव है, तो प्रत्येक चिप को अद्वितीय बनाना अब सिद्धांत रूप में संभव नहीं है। आपको अद्वितीय चिप्स की आवश्यकता क्यों हो सकती है? उनका उपयोग सुरक्षा उद्देश्यों के लिए किया जा सकता है (सुरक्षा परिवर्तनशीलता सॉफ़्टवेयर में नहीं, बल्कि हार्डवेयर स्तर पर बनाई गई है) या पहचान के उद्देश्यों के लिए (एक अद्वितीय चिप नकली होना बहुत मुश्किल है)। बहुत सारे ग्राहक अद्वितीय चिप्स बनाने की क्षमता में रुचि रखते हैं, इसलिए मैपर लिथोग्राफी के डच ने एक विशेष साइट बनाई।

200 मिमी वेफर्स पर काम कर रहे उम्र बढ़ने वाले कारखानों के जीवन का विस्तार

200 मिमी का कारखाना। स्रोत: Infineon

वर्तमान में, अधिकांश अर्धचालक विनिर्माण (लगभग 60%) 300 मिमी वेफर्स और संबंधित उपकरणों का उपयोग करते हैं। फिर भी, 200 मिमी वेफर्स पर अर्धचालक उत्पादन का हिस्सा, हालांकि यह घट रहा है, अभी भी 20% से अधिक है। इस तरह के कारखाने 300 मिमी से कम तकनीकी रूप से उन्नत हैं और आमतौर पर 90 एनएम से कम की तकनीकी प्रक्रियाओं का उपयोग करके वेफर्स का उत्पादन नहीं कर सकते हैं। तकनीकी प्रक्रिया को निर्धारित करने वाले प्रमुख उपकरण फोटोलिथोग्राफी की स्थापना है, जो सबसे महंगी भी है। सिद्धांत रूप में, शेष 200 मिमी उत्पादन लाइन को अधिक उन्नत तकनीकी प्रक्रिया (45 एनएम - 65 एनएम) द्वारा खींचा जा सकता है, लेकिन सब कुछ लिथोग्राफी पर निर्भर करता है, और इसे और अधिक उन्नत एक (यह 300 मिमी मशीनों) के साथ प्रतिस्थापित करने में बहुत अधिक लागत आएगी। इस मामले में, मल्टी-बीम इलेक्ट्रॉनिक लिथोग्राफी मदद कर सकती है - उपकरण आधुनिक फोटोलिथोग्राफी मशीन की तुलना में कई गुना सस्ता है, लेकिन यह अधिक उन्नत प्रौद्योगिकियों का उपयोग करके प्लेटों का उत्पादन करना संभव बना देगा, यद्यपि बहुत बड़ी श्रृंखला में नहीं, जो 200 मिमी कारखानों के जीवनकाल का विस्तार करेगा।

बड़े फोटोसेंसिटिव मेट्रिसेस का उत्पादन

Photomatrixes। स्रोत: विकिपीडिया बाय फिला 1 - खुद का काम, सीसी बाय-एसए 3.0 , लिंक

जैसा कि आप जानते हैं, मैट्रिक्स का भौतिक आकार मेगापिक्सेल की संख्या की तुलना में छवि गुणवत्ता पर अधिक प्रभाव डालता है। मैट्रिक्स का आकार फोटोलिथोग्राफ़िक इकाई के अधिकतम क्षेत्र द्वारा निर्धारित किया जाता है (एक समय में, आधुनिक फोटोलिथोग्राफ़िक इकाई दृश्य के क्षेत्र के अनुरूप एक चित्र प्रिंट करती है, फिर अगले अनुभाग में जाती है, उसी चित्र को प्रिंट करती है, आदि)। आज, अधिकतम मैट्रिक्स का आकार लगभग 20 मिमी x 20 मिमी है, जो स्कैनर्स के दृष्टिकोण से मेल खाता है, जो निकट भविष्य में बढ़ने की संभावना नहीं है। निष्पक्षता में, मैं ध्यान देता हूं कि एएसएमएल में स्कैनर के कई क्षेत्रों को एक चिप में सिलाई करने की तकनीक है, लेकिन यह इतना सरल नहीं है।

चूंकि मल्टीपाथ इलेक्ट्रॉनिक लिथोग्राफी के संचालन का सिद्धांत एक इंकजेट प्रिंटर के समान है, जो कि एक फोटोग्राफिक एंगर की बजाए स्ट्रिप से किनारे तक एक पिक्चर स्ट्रिप को प्रिंट करता है, जो एक पूरी तस्वीर को स्टेप बाय स्टेप (जैसा कि फोटोलिथिथ स्कैनर में) प्रिंट करता है, मल्टीपैथ इलेक्ट्रॉन लिथोग्राफी स्थापित करके प्राप्त छवि का आकार केवल साइज द्वारा सीमित है। एक अर्धचालक वेफर जिस पर पैटर्न स्थानांतरित किया जाता है (फिलहाल यह 300 मिमी है, भविष्य में यह 450 मिमी होगा। लेकिन यह सटीक नहीं है।) इस प्रकार, मल्टीप्थ इलेक्ट्रॉन लिथोग्राफी का उपयोग करके, फोटोमाट्रिसेस को सेमीकंडक्टर वेफर (व्यास में 300 मिमी) का आकार बनाना सैद्धांतिक रूप से संभव है। यह स्पष्ट है कि यह बड़े पैमाने पर उपभोक्ता के लिए आवश्यक नहीं है, लेकिन, उदाहरण के लिए, अंतरिक्ष दूरबीनों या कुछ अन्य अनुप्रयोगों के लिए जहां छवि की गुणवत्ता महत्वपूर्ण है, और आकार और कीमत एक माध्यमिक भूमिका निभाते हैं, इस तरह के मैट्रिक्स अपरिहार्य होंगे और कुछ कंपनियां इस तकनीक में बहुत रुचि रखती हैं।

निष्कर्ष

मल्टीपाथ इलेक्ट्रॉन लिथोग्राफी अर्धचालक विनिर्माण में एक नया अध्याय खोलेगी। यह मोल्डिंग और डिजिटल फोटोग्राफी की तुलना में 3 डी प्रिंटिंग के समान है + फिल्म फोटोग्राफी और नकारात्मक प्रिंटिंग की तुलना में एक इंकजेट प्रिंटर।

मैंने कई बार सुना है कि मल्टीप्थ इलेक्ट्रॉन लिथोग्राफी शास्त्रीय फोटोलिथोग्राफी (ईयूवी सहित) का मुकाबला नहीं कर सकती है और मैपर लिथोग्राफी एएसएमएल के साथ प्रतिस्पर्धा नहीं कर सकती है, जिससे यह निष्कर्ष निकाला गया था कि एमईएल विफलता के लिए बर्बाद है। यदि मैं इस कथन के पहले भाग से सहमत हूं, तो दूसरे के साथ - नहीं। यदि आप एमईएल और शास्त्रीय फोटोलिथोग्राफी के साथ कहानी को थोड़ा देखते हैं, तो एमईएल की तुलना एक हेलीकॉप्टर, और शास्त्रीय फोटोलिथोग्राफी के साथ की जा सकती है। ऐसा लगता है कि दोनों प्रौद्योगिकियां यात्रियों और कार्गो को हवाई मार्ग से ले जाती हैं, लेकिन साथ ही उनके बीच एक बड़ा अंतर है। यदि आपको समुद्र में कई सौ लोगों को ले जाने की आवश्यकता है, तो आपकी पसंद मुख्य लाइनर है। और यदि आप एक अपतटीय प्लेटफ़ॉर्म पर तेल श्रमिकों की शिफ्ट वितरित करते हैं, तो विमान अब आपकी मदद नहीं करेगा। हां, हेलीकॉप्टर उत्पादन कभी भी विमान उत्पादन के पैमाने तक नहीं पहुंचेगा और उनसे मुकाबला नहीं करेगा। लेकिन एक सफल हेलीकॉप्टर व्यवसाय का निर्माण संभव है। इसलिए समय के साथ, मल्टी-बीम इलेक्ट्रॉनिक लिथोग्राफी अर्धचालक विनिर्माण में अपने स्थान पर कब्जा कर लेगी, जैसे हेलीकॉप्टरों ने हवाई परिवहन में अपना टोल लिया।