Novas oportunidades para a fabricação de semicondutores - Litografia eletrônica de caminhos múltiplos

Que novidades podem surgir na indústria de semicondutores devido à introdução da litografia eletrônica de caminhos múltiplos? A tecnologia inovadora proposta pela empresa holandesa Mapper Lithography está lenta mas seguramente se aproximando do nível de aplicação industrial - não sem a ajuda de Rusnano, que possui uma parcela significativa da empresa. Que novidade pode ser feita na fabricação de semicondutores usando litografia eletrônica de caminhos múltiplos? Vamos ver

1. Introdução

Nos últimos cinquenta anos, o desenvolvimento da tecnologia de semicondutores seguiu bastante bem a chamada "Lei de Moore", formulada por Gordon Moore em 1965: "O número de transistores colocados em um chip de circuito integrado dobra a cada 24 meses". Uma conseqüência direta da lei de Moore é a redução das dimensões críticas (CD) dos transistores, que são usados ​​para nomear nós de tecnologia usados ​​para fabricar circuitos integrados. Desde o momento em que a Lei de Moore foi formulada até os dias atuais, os CDs diminuíram 5.000 vezes: de 50 mícrons para 10 nm. Embora a morte da lei de Moore tenha sido prevista há algum tempo (algo em torno de 90 nm), a redução de tamanho ainda está em andamento. Por outro lado, é óbvio que isso não pode continuar indefinidamente - haverá um limite físico - os tamanhos dos átomos são finitos.

No entanto, o movimento descendente continua (geralmente referido como mais Moore). Como a litografia é um processo crítico da tecnologia de semicondutores, é aí que estão concentrados os principais esforços para reduzir o tamanho, um exemplo impressionante é a máquina Extreme Ultra Violet (EUV), desenvolvida pela principal fotolitografia, a empresa holandesa ASML . O comprimento de onda dessa tecnologia é de 13,5 nm (enquanto o comprimento de onda das modernas máquinas fotolitográficas é de 193 nm), o que permitirá que CDs para tecnologias com menos de 45 nm sejam impressos diretamente (no momento, é utilizado o uso de vários padrões, que inclui várias operações de litografia e gravação).

Outra abordagem é desviar-se do simples downsizing e adicionar várias novas tecnologias à tecnologia de processo padrão (isso geralmente é chamado mais do que Moore). Um exemplo dessas tecnologias são os novos materiais (por exemplo, dielétricos com constante dielétrica baixa ou alta em vez de óxido de silício, cobre em vez de alumínio, germânio em vez de silício, etc.); nova arquitetura de transistor (canais de tensão, portas tridimensionais, etc.); novas soluções de sistema (processadores multicore, combinando processadores matemáticos e gráficos em um chip, etc.).

Embora a tecnologia EUV da ASML seja um exemplo óbvio da lei de Moore, a Mapper Lithography, outra empresa holandesa, pode usá-la nos dois casos: mais Moore e mais que Moore. No artigo de hoje, não falaremos sobre as vantagens da litografia eletrônica de alta resolução (que é uma vantagem sobre a litografia óptica na superfície), mas argumentaremos que essa tecnologia pode trazer inovação ao processo de fabricação de circuitos integrados.

O que permitirá produzir litografia eletrônica de feixe múltiplo

A litografia eletrônica em si é bem conhecida e não é algo especial, é amplamente utilizada, por exemplo, na fabricação de máscaras para fotolitografia. A principal desvantagem da litografia eletrônica é a velocidade deprimente da operação - leva cerca de um mês para expor uma placa de 300 mm. Isso não é aceitável para a produção em que a fotolitografia convencional exibe placas com uma produtividade superior a cem por hora.


Placa de 300 mm após exposição em uma máquina Mapper Lithography e desenvolvimento.

A litografia eletrônica de caminhos múltiplos usa 13.000 feixes de elétrons simultaneamente; cada feixe é controlado individualmente e também é dividido em 49 sub-feixes. Usando 13.000 raios, você pode imprimir cerca de 10 chapas com um diâmetro de 300 mm por hora. O custo dessa máquina será 2-3 vezes menor do que uma unidade de fotolitografia moderna (um scanner de 193 nm com uma camada de água).

A principal vantagem da litografia eletrônica de caminhos múltiplos é a ausência de máscaras - o padrão na pastilha semicondutora é transferido diretamente do computador. Se a fotolitografia clássica pode ser comparada à fotografia de filme - imprimindo um grande número de impressões de um negativo, a litografia eletrônica de feixes múltiplos pode ser comparada à fotografia digital - imprimindo impressões diretamente de um computador para uma impressora a jato de tinta. No primeiro caso, obtemos alto desempenho com baixa variabilidade (é fácil reproduzir muitas impressões, mas é difícil alterar o negativo); no segundo caso, obtemos menor produtividade, mas alta variabilidade (não será difícil corrigir o arquivo no computador). Outra boa analogia é a fundição e impressão 3D.


Linhas com um meio ciclo de 42 nm após litografia eletrônica e gravação. Para obter a mesma estrutura usando a fotolitografia clássica, serão necessárias várias operações de exposição / gravação

Vale ressaltar que os elementos-chave da máquina - lentes eletrônicas - são produzidos na Rússia em uma pequena fábrica de MEMS construída especificamente para esses fins, com o apoio de Rusnano.

Considerando que a fabricação de máscaras (máscaras) para tecnologias modernas (~ 20 nm) é um processo longo (vários meses) e caro (milhões de dólares), vamos ver onde a tecnologia da litografia sem máscara pode ser usada.

Prototipagem rápida de novos produtos

Como está o desenvolvimento de novos produtos semicondutores atualmente? Uma empresa que deseja lançar um novo produto no mercado produz primeiro uma máscara de foto de teste com várias opções para o produto futuro - vários meses e vários milhões de dólares - produz vários chips de teste, seleciona o melhor design e solicita a máscara de foto final com o melhor design - isso são vários meses e vários milhões de dólares.

Como o desenvolvimento de novos produtos ocorre ao usar a instalação do MEL? Um lote de chips de teste com um novo produto pode conter centenas ou milhares de opções para um novo chip e, para sua fabricação, você não precisará de tempo adicional para aguardar a produção de máscaras fotográficas ou custos adicionais. Ou seja, o desenvolvimento de novos produtos será mais rápido (em vários meses), mais barato (em vários milhões de dólares) e melhor (mais opções para um novo chip).

Na fabricação de pequenos lotes, o MEL pode ser usado na produção serial subsequente; na produção em larga escala, você pode solicitar uma máscara fotográfica de acordo com o melhor design e chips de impressão já existentes.

Fazendo pequenas séries de chips

CubeSat. Fonte: Wikipedia CC BY 1.0 , Link

Se você deseja fazer um chip em um milhão de cópias - não há problema, o custo das máscaras fotográficas será distribuído por um grande número de chips e cada chip não custará tanto. Mas se você precisar de cem ou mil fichas? Por exemplo, você deseja colocar todos os componentes eletrônicos de um nanossatélites em um chip de seu próprio design - o custo de um chip será enorme, pois o custo da fotomáscara (milhões de dólares) será dividido em um pequeno número de chips. No entanto, se você não precisar fazer uma máscara de foto, ninguém se incomodará em fazer um pequeno número de chips - se o resto da tecnologia, com exceção da fotolitografia, não mudar muito, o custo do chip não mudará muito - em uma placa de 300 mm, um chip custará de dezenas a centenas dólares dependendo do tamanho.

Fabricação exclusiva de chips

Se for possível produzir uma pequena série de chips únicos usando fotolitografia convencional, embora seja muito caro, mas em princípio seja possível, tornar cada chip único não é mais possível em princípio. Por que você precisa de chips exclusivos? Eles podem ser usados ​​para fins de segurança (a variabilidade da proteção é criada não no software, mas no nível do hardware) ou para fins de identificação (um chip exclusivo é muito difícil de falsificar). Muitos clientes ficaram interessados ​​na capacidade de produzir chips únicos, então os holandeses da Mapper Lithography criaram um site especial .

Prolongando a vida útil das fábricas antigas que operam em bolachas de 200 mm

200 mm de fábrica. Fonte: Infineon

Atualmente, a maioria dos fabricantes de semicondutores (cerca de 60%) usa bolachas de 300 mm e equipamentos relacionados. No entanto, a participação na produção de semicondutores nas bolachas de 200 mm, embora esteja diminuindo, ainda é superior a 20%. Tais fábricas são menos avançadas tecnologicamente que 300 mm e geralmente não podem produzir bolachas usando processos tecnológicos inferiores a 90 nm. O principal equipamento que determina o processo técnico é a instalação da fotolitografia, que também é a mais cara. Em princípio, a linha de produção restante de 200 mm pode ser puxada por um processo técnico mais avançado (45 nm - 65 nm), mas tudo depende da litografia, e substituí-la por uma mais avançada (máquinas de 300 mm) custará muito. Nesse caso, a litografia eletrônica de feixe múltiplo pode ajudar - o equipamento custa várias vezes mais barato que uma máquina de fotolitografia moderna, mas possibilitará a produção de chapas usando tecnologias mais avançadas, embora não em séries muito grandes, o que prolongará a vida útil das fábricas envelhecidas de 200 mm.

Produção de grandes matrizes fotossensíveis

Photomatrix. Fonte: Wikipedia By Filya1 - Trabalho próprio, CC BY-SA 3.0 , Link

Como você sabe, o tamanho físico de uma matriz tem uma influência maior na qualidade da imagem do que no número de megapixels. O tamanho da matriz é determinado pelo campo de visão máximo da unidade fotolitográfica (ao mesmo tempo, a moderna unidade fotolitográfica imprime uma imagem correspondente ao campo de visão, depois passa para a próxima seção, imprime a mesma imagem, etc.). Hoje, o tamanho máximo da matriz é de aproximadamente 20 mm x 20 mm, o que corresponde ao campo de visão dos scanners, que provavelmente não aumentará no futuro próximo. Para ser sincero, observo que o ASML tem a tecnologia de costurar vários campos do scanner em um chip, mas não é tão simples.

Como o princípio de operação da litografia eletrônica de caminhos múltiplos é semelhante a uma impressora a jato de tinta, que imprime uma tira de foto por tira de borda a borda, em vez de um ampliador fotográfico, que imprime uma imagem inteira passo a passo (como em scanners fotolitográficos), o tamanho da imagem obtida pela instalação de uma litografia eletrônica de caminhos múltiplos é limitado apenas pelo tamanho uma bolacha semicondutora para a qual o padrão é transferido (no momento é de 300 mm, no futuro será de 450 mm. Mas isso não é exato). Assim, usando litografia eletrônica de caminhos múltiplos, é teoricamente possível criar fotomatrizes do tamanho de uma bolacha semicondutora (300 mm de diâmetro). É claro que isso não é necessário para o consumidor de massa, mas, por exemplo, para telescópios espaciais ou outras aplicações em que a qualidade da imagem é importante, e tamanho e preço desempenham um papel secundário, essas matrizes serão indispensáveis ​​e algumas empresas estão muito interessadas nessa tecnologia.

Conclusão

A litografia eletrônica de caminhos múltiplos abrirá um novo capítulo na fabricação de semicondutores. É semelhante à impressão 3D em comparação com moldagem e fotografia digital + uma impressora a jato de tinta em comparação com fotografia de filme e impressão negativa.

Ouvi muitas vezes que a litografia eletrônica de caminhos múltiplos não pode competir com a fotolitografia clássica (incluindo EUV) e a Mapper Lithography não pode competir com a ASML, da qual foi concluído que o MEL está fadado ao fracasso. Se eu concordar com a primeira parte desta declaração, então com a segunda - não. Por outro lado, se você observar a história com o MEL e a fotolitografia clássica, então o MEL poderá ser comparado com um helicóptero e a fotolitografia clássica com uma aeronave principal. Parece que ambas as tecnologias transportam passageiros e carga por via aérea, mas ao mesmo tempo há uma enorme diferença entre elas. Se você precisar transportar várias centenas de pessoas através do oceano, sua escolha será o transporte principal. E se você entregar uma mudança de trabalhadores de petróleo para uma plataforma offshore, o avião não ajudará mais. Sim, a produção de helicópteros nunca alcançará a escala de produção de aeronaves e não competirá com eles. Mas construir um negócio bem-sucedido de helicóptero é possível. Assim, com o tempo, a litografia eletrônica com feixes múltiplos ocupará seu nicho na fabricação de semicondutores, assim como os helicópteros cobraram seu preço no transporte aéreo.