Peluang Baru untuk Pembuatan Semikonduktor - Litografi Elektronik Multipath

Apa yang baru dapat muncul dalam industri semikonduktor karena pengenalan litografi elektron multipath? Teknologi inovatif yang diusulkan oleh perusahaan Belanda Mapper Lithography perlahan tapi pasti mendekati tingkat aplikasi industri - bukan tanpa bantuan Rusnano, yang memiliki saham perusahaan yang signifikan. Apa yang baru dapat dilakukan dalam pembuatan semikonduktor menggunakan litografi elektron multipath? Ayo lihat.

Pendahuluan

Selama lima puluh tahun terakhir, perkembangan teknologi semikonduktor telah mengikuti dengan cukup baik apa yang disebut "Hukum Moore," yang dirumuskan oleh Gordon Moore pada tahun 1965: "Jumlah transistor yang ditempatkan pada chip sirkuit terintegrasi berlipat ganda setiap 24 bulan." Konsekuensi langsung dari hukum Moore adalah pengurangan dimensi kritis (CD) dari transistor, yang merupakan nama untuk simpul teknologi yang digunakan untuk membuat sirkuit terintegrasi. Sejak Hukum Moore diformulasikan hingga saat ini, CD menurun 5.000 kali: dari 50 mikron menjadi 10 nm. Meskipun kematian hukum Moore telah diprediksi cukup lama (sekitar 90 nm), pengurangan ukuran masih berlangsung. Di sisi lain, jelas bahwa ini tidak dapat berlangsung tanpa batas waktu - akan datang batas fisik - ukuran atom terbatas.

Namun, gerakan ke bawah terus berlanjut (sering disebut sebagai lebih banyak Moore). Karena litografi adalah proses kritis teknologi semikonduktor, di situlah upaya utama untuk mengurangi ukuran terkonsentrasi, contoh yang mencolok adalah mesin Extreme Ultra Violet (EUV), yang dikembangkan oleh fotolitografi andalan, perusahaan Belanda ASML . Panjang gelombang dari teknologi ini adalah 13,5 nm (sedangkan panjang gelombang dari mesin fotolitografi modern adalah 193 nm), yang akan memungkinkan CD untuk teknologi yang kurang dari 45 nm untuk dicetak secara langsung (saat ini, multi-pattering, yang mencakup beberapa operasi litografi dan etsa, digunakan).

Pendekatan lain adalah menyimpang dari perampingan sederhana dan menambahkan berbagai teknologi baru ke teknologi proses standar (ini biasanya disebut lebih dari Moore). Contoh dari teknologi tersebut adalah bahan baru (misalnya, dielektrik dengan konstanta dielektrik rendah atau tinggi alih-alih silikon oksida, tembaga bukan aluminium, germanium, bukan silikon, dll.); arsitektur transistor baru (saluran tegangan, gerbang tiga dimensi, dll.); solusi sistem baru (prosesor multicore, menggabungkan prosesor matematika dan grafis pada satu chip, dll.).

Sementara teknologi EUV ASML adalah contoh nyata dari hukum Moore, Mapper Lithography, perusahaan Belanda lainnya, dapat menggunakannya dalam kedua kasus: lebih banyak Moore dan lebih banyak daripada Moore. Pada artikel hari ini, kami tidak akan membahas keuntungan dari litografi elektronik resolusi tinggi (yang merupakan keunggulan dibandingkan litografi optik di permukaan), tetapi kami akan berpendapat bahwa teknologi ini dapat membawa inovasi ke proses pembuatan sirkuit terintegrasi.

Apa yang akan memungkinkan untuk menghasilkan litografi elektronik multi-balok

Litografi elektronik sendiri terkenal dan bukan sesuatu yang istimewa, ini banyak digunakan, misalnya, dalam pembuatan topeng untuk fotolitografi. Kerugian utama dari litografi elektronik adalah kecepatan operasi yang sangat lambat - dibutuhkan sekitar satu bulan untuk mengekspos plat 300 mm. Ini tidak dapat diterima untuk produksi di mana fotolitografi konvensional menunjukkan pelat dengan produktivitas lebih dari seratus per jam.


Piring 300 mm setelah terpapar pada mesin dan pengembangan Mapper Lithography.

Litografi elektron multipath menggunakan 13.000 elektron secara bersamaan, setiap balok dikontrol secara individual, ditambah lagi juga dibagi menjadi 49 sub-balok. Dengan menggunakan 13.000 sinar, Anda dapat mencetak sekitar 10 piring dengan diameter 300 mm per jam. Biaya mesin semacam itu akan 2-3 kali lebih murah daripada unit photolithography modern (pemindai 193 nm dengan lapisan air).

Keuntungan utama litografi elektron multipath adalah tidak adanya topeng - pola pada wafer semikonduktor ditransfer langsung dari komputer. Jika photolithography klasik dapat dibandingkan dengan fotografi film - mencetak sejumlah besar cetakan dari satu negatif, maka litografi elektronik multi-balok dapat dibandingkan dengan fotografi digital - mencetak cetakan langsung dari komputer ke printer inkjet. Dalam kasus pertama, kami memperoleh kinerja tinggi dengan variabilitas rendah (mudah untuk mereproduksi banyak cetakan, tetapi sulit untuk mengubah negatif), dalam kasus kedua kami mendapatkan produktivitas yang lebih rendah, tetapi variabilitas tinggi (tidak akan sulit untuk memperbaiki file di komputer). Analogi bagus lainnya adalah die casting dan pencetakan 3D.


Baris dengan setengah siklus 42 nm setelah litografi dan etsa elektron. Untuk mendapatkan struktur yang sama menggunakan photolithography klasik, beberapa operasi paparan / etsa akan diperlukan

Perlu dicatat bahwa elemen kunci mesin - lensa elektronik - diproduksi di Rusia di pabrik MEMS kecil yang dibangun khusus untuk keperluan ini dengan dukungan dari Rusnano.

Menimbang bahwa pembuatan topeng (topeng) untuk teknologi modern (~ 20 nm) adalah proses yang panjang (beberapa bulan) dan mahal (jutaan dolar), mari kita lihat di mana teknologi litografi tanpa topeng dapat digunakan.

Pembuatan prototipe produk baru dengan cepat

Bagaimana perkembangan produk semikonduktor baru saat ini? Sebuah perusahaan yang ingin meluncurkan produk baru di pasaran terlebih dahulu menghasilkan photomask uji dengan beberapa opsi untuk produk masa depan - beberapa bulan dan beberapa juta dolar - menghasilkan sejumlah chip uji, memilih desain terbaik dan memesan photomask final dengan desain terbaik - beberapa bulan dan beberapa juta dolar.

Bagaimana pengembangan produk baru terjadi ketika menggunakan instalasi MEL? Kumpulan uji chip dengan produk baru dapat berisi ratusan atau ribuan opsi untuk chip baru, dan untuk pembuatannya, Anda tidak perlu waktu tambahan untuk menunggu pembuatan topeng foto, atau biaya tambahan. Artinya, pengembangan produk baru akan lebih cepat (beberapa bulan), lebih murah (beberapa juta dolar) dan lebih baik (lebih banyak pilihan untuk chip baru).

Dalam pembuatan batch kecil, MEL dapat digunakan dalam produksi serial berikutnya, dalam produksi skala besar, Anda dapat memesan masker foto sesuai dengan desain terbaik dan chip cetak sudah dari itu.

Membuat serangkaian chip kecil

CubeSat. Sumber: Wikipedia CC BY 1.0 , Tautan

Jika Anda ingin membuat chip dalam sejuta salinan - tidak masalah, biaya masker foto akan tersebar di sejumlah besar chip dan setiap chip tidak akan memakan biaya banyak. Tetapi jika Anda membutuhkan seratus atau seribu chip? Misalnya, Anda ingin memasukkan semua elektronik nanosatellite ke dalam satu chip dari desain unik Anda sendiri - biaya chip seperti itu akan sangat besar, karena biaya photomask (jutaan dolar) akan dibagi menjadi sejumlah kecil chip. Namun, jika Anda tidak perlu membuat fotomask, maka tidak ada yang mengganggu untuk membuat sejumlah kecil chip - jika sisa teknologinya, dengan pengecualian fotolitografi, tidak banyak berubah, maka biaya chip tidak akan banyak berubah - pada pelat 300 mm, satu chip akan berharga dari puluhan hingga ratusan. dolar tergantung ukuran.

Pembuatan Chip yang unik

Jika dimungkinkan untuk menghasilkan serangkaian kecil chip unik menggunakan photolithography konvensional, meskipun sangat mahal, tetapi pada prinsipnya itu mungkin, maka membuat setiap chip unik pada prinsipnya sudah mustahil. Mengapa Anda membutuhkan chip unik? Mereka dapat digunakan untuk tujuan keamanan (variabilitas perlindungan dibuat bukan pada perangkat lunak, tetapi pada tingkat perangkat keras) atau untuk tujuan identifikasi (chip unik terlalu sulit untuk dipalsukan). Cukup banyak pelanggan yang tertarik pada kemampuan untuk menghasilkan chip yang unik, sehingga orang Belanda dari Mapper Lithography membuat situs khusus .

Memperpanjang usia pabrik yang beroperasi dengan wafer 200 mm

Pabrik 200 mm. Sumber: Infineon

Saat ini, sebagian besar manufaktur semikonduktor (sekitar 60%) menggunakan wafer 300 mm dan peralatan terkait. Namun demikian, pangsa produksi semikonduktor pada wafer 200 mm, meskipun menurun, masih lebih dari 20%. Pabrik semacam itu kurang maju secara teknologi dari 300 mm dan biasanya tidak dapat menghasilkan wafer menggunakan proses teknologi kurang dari 90 nm. Peralatan utama yang menentukan proses teknis adalah pemasangan photolithography, yang juga paling mahal. Pada prinsipnya, sisa jalur produksi 200 mm dapat ditarik dengan proses teknologi yang lebih maju (45 nm - 65 nm), tetapi semuanya tergantung pada litografi, dan menggantinya dengan yang lebih maju (ini adalah mesin 300 mm) akan memakan biaya terlalu banyak. Dalam hal ini, litografi elektronik multi-balok dapat membantu - biaya peralatan beberapa kali lebih murah daripada mesin photolithography modern, tetapi itu akan memungkinkan untuk memproduksi pelat menggunakan teknologi yang lebih maju, meskipun tidak dalam seri yang sangat besar, yang akan memperpanjang usia pabrik yang menua 200 mm.

Produksi matriks fotosensitif besar

Photomatrix. Sumber: Wikipedia Oleh Filya1 - Karya sendiri, CC BY-SA 3.0 , Link

Seperti yang Anda ketahui, ukuran fisik matriks memiliki pengaruh yang lebih besar pada kualitas gambar daripada jumlah megapiksel. Ukuran matriks ditentukan oleh bidang pandang maksimum dari unit photolithographic (pada satu waktu, unit photolithographic modern mencetak gambar yang sesuai dengan bidang pandang, kemudian pindah ke bagian berikutnya, mencetak gambar yang sama, dll.). Saat ini, ukuran matriks maksimum adalah sekitar 20 mm x 20 mm, yang sesuai dengan bidang pandang pemindai, yang tidak mungkin meningkat dalam waktu dekat. Dalam keadilan, saya perhatikan bahwa ASML memiliki teknologi menjahit beberapa bidang pemindai menjadi satu chip, tetapi tidak begitu sederhana.

Karena prinsip operasi litografi elektron multipath mirip dengan printer inkjet, yang mencetak strip gambar demi strip dari tepi ke tepi, daripada pembesar foto, yang mencetak seluruh gambar langkah demi langkah (seperti dalam pemindai photolithographic), ukuran gambar yang diperoleh dengan memasang litografi elektron multipath hanya dibatasi oleh ukurannya. wafer semikonduktor di mana pola ditransfer (saat ini 300 mm, di masa depan akan menjadi 450 mm. Tapi ini tidak akurat.). Dengan demikian, menggunakan litografi elektron multipath, secara teori dimungkinkan untuk membuat fotomat ukuran semikonduktor wafer (diameter 300 mm). Jelas bahwa ini tidak diperlukan untuk konsumen massal, tetapi, misalnya, untuk teleskop ruang angkasa atau beberapa aplikasi lain di mana kualitas gambar adalah penting, dan ukuran dan harga memainkan peran sekunder, matriks seperti itu akan sangat diperlukan dan beberapa perusahaan sangat tertarik dengan teknologi ini.

Kesimpulan

Litografi elektron multipath akan membuka bab baru dalam pembuatan semikonduktor. Ini mirip dengan pencetakan 3D dibandingkan dengan pencetakan dan fotografi digital + printer inkjet dibandingkan dengan fotografi film dan pencetakan negatif.

Saya telah mendengar berkali-kali bahwa litografi elektron multipath tidak dapat bersaing dengan fotolitografi klasik (termasuk EUV) dan Mapper Lithography tidak dapat bersaing dengan ASML, yang darinya disimpulkan bahwa MEL akan gagal. Jika saya setuju dengan bagian pertama dari pernyataan ini, maka dengan yang kedua - tidak. Jika Anda melihat cerita dengan MEL dan sedikit photolithography di sisi lain, maka MEL dapat dibandingkan dengan helikopter, dan photolithography klasik dengan pesawat utama. Tampaknya kedua teknologi membawa penumpang dan kargo melalui udara, tetapi pada saat yang sama ada perbedaan besar di antara mereka. Jika Anda perlu mengangkut beberapa ratus orang melintasi lautan, maka pilihan Anda adalah kapal utama. Dan jika Anda mengirim pekerja minyak ke anjungan lepas pantai, maka pesawat tidak akan lagi membantu Anda. Ya, produksi helikopter tidak akan pernah mencapai skala produksi pesawat terbang dan tidak akan bersaing dengan mereka. Tetapi membangun bisnis helikopter yang sukses adalah mungkin. Jadi seiring waktu, litografi elektronik multi-balok akan menempati ceruknya dalam pembuatan semikonduktor, seperti halnya helikopter mengambil korban dalam transportasi udara.