Ugrás a tartalomhoz

Ipari technológiák

Dr. Német Béla (2013)

Pécsi Tudományegyetem

Nanotechnológia a chipgyártás területén

Nanotechnológia a chipgyártás területén

A lézeres fotolitográfia eszközei, optikai módszerei

1. Táblázat A fotolitográfia során alkalmazott „fényforrások” és hullámhosszaik:

Fényforrások

Hullámhosszak

higanygőz lámpa

365 nm

kripton-fluorid (KrF) excimer lézer

248 nm

argon-fluorid (ArF) excimer lézer

193 nm

Fluor molekula (F2) lézer

157 nm

A fotolitográfiánál annál vékonyabb lesz a „vezetékek” szélessége (csíkszélesség, az áramkörben a vezetők szélessége) és az elemek mérete, minél kisebb méretű maszkot és a makroszkópikus masznak minél nagyobb kicsinyítését tudják megvalósítani. A leképezendő és az átvilágítandó maszk egyes vonalai közötti távolság összemérhető az alkalmazott fény hullámhosszával, a fény interferencia miatt a leképezés (a csíkok élessége) romlik. Ezért a minél kisebb csíkszélesség megvalósítása érdekében a látható tartományból az ultraibolya (UV), majd a vákuum ultraibolya (VUV) tartomány irányába „haladt” a fényforrások fejlesztése és alkalmazása. Nagyon fontos még az éles leképezéshez a fényforrás monokromatikussága.

Az ultraibolya litográfia megvalósítása során az első alkalmazott fényforrás a higanygőz lámpa volt 365 nm-es vonalával. Ezt követte először kripton-fluorid (248 nm) excimer lézer, az utóbbi 5-6 évben pedig az argon-fluorid (ArF) lézer (193 nm). A 193 nanométernél jóval kisebb csíkszélességű (pl. 130, 90, 65, 45, 32 nanométeres) mintákat a szilíciumlemezen további „technológiai fogásokkal” érik el. Az egyik ilyen „fogás” az immerzió, amikor levilágításkor a szilíciumlemezt extrém tisztaságú vízbe merítik, a folyadék pedig lencseként segít a fénysugár fókuszálásában (Immerziós litográfia).

12.13. ábra - Fotolitográfiánál alkalmazott „fényforrások” hullámhosszai és a velük elért „felbontás”

Fotolitográfiánál alkalmazott „fényforrások” hullámhosszai és a velük elért „felbontás”

http://www.design-reuse.com/articles/24046/in-design-physical-verification.html

A chippek elkészítésének technológiai lépései

A chippek elkészítésének technológiai lépéseit a következő ábra foglalja össze. A chippeket egy nagy lapon alakítják ki. Ehhez először szilícium egykristály rudakat növesztenek (minél nagyobb átmérőben, ma már 300 mm-nél tartunk). Majd ezeket szeletelik, így jönnek létre a szilíciumostyák („silicon wafer”). A fejlesztések egyik útja az egykristályok átmérőjének a növelése. Most már a cél 450 mm. A másik irány, egy chip méretének csökkentése. Ezzel elérhetővé vált, hogy egy lapon 400 körüli chip készüljön el egy kezelés, levilágítás során.

A szilícium dioxidot néhány nanométer vastagságban felpárologtatják a szilícium lapra (wafer), amit előtte rendkívül alaposan megtisztítottak {a) ábra)}. Erre viszik fel a fotoérzékeny (Photo resister - PR) anyagot 5-10 nanométer vastagságban {b) ábra)}. Erre felviszik a fotomaszkot (Cr) {c) ábra)}. Ezután történik az UV fénnyel a levilágítás {d) ábra)}. Ezután már le lehet választani az „exponált” fotoérzékeny anyagot {e) ábra)}. A szabadon maradt szilícium dioxidot így le lehet maratni {f) ábra)}. A szubsztráton maradt szilícium dioxidról ezután már el lehet távolítani a maradék fotoérzékeny anyagot {f) ábra)}.

12.14. ábra - A chip „felületkezelése”. Struktúra kialakításának lépései a fotolitográfia során

A chip „felületkezelése”. Struktúra kialakításának lépései a fotolitográfia során

http://ahshonorschemistry.wikispaces.com/A-Silicon+Wafer+Patterned

Egy másik megoldás az ún. computational vagy másképp inverz litográfia. Ez a maszkok optimalizálása a teljes levilágítási procedúra összes elemének számítógépes szimulációjával. Az inverz litográfia nevét onnan kapta, hogy az eljárás kiindulópontja nem a maszk, hanem az ábra, amit a szilíciumon látni szeretnénk.

A Phase Shift Mask előállítása lehetővé teszi, hogy a 193 nm-es megvilágító fény alkalmazásával elkészíthető legyen a 40 nm szélességű csík.

A "double patterning" során a levilágítás két menetben, két eltérő maszkkal történik - ennek a hátránya, hogy a folyamat kétszer annyi ideig tart.

12.15. ábra - Alternating Phase Shift Mask (APSM) készítés sémája

Alternating Phase Shift Mask (APSM) készítés sémája

http://ixbtlabs.com/articles2/intel-65nm/litho.html

Nanolitográfiai technikák

Az extrém ultraibolya fény „előállítása” a fény interferencia tulajdonságán alapszik (egyike a nanolitográfiai technikáknak). A nagyon kicsi hőtágulási együtthatóval bíró szubsztráton szilícium (4,1 nm) és molibdén (2,8 nm) vastag rétegeiből 40 párt párologtatnak fel. Ezeken keresztül jut a 13 nm hullámhosszúságú fény a felületre. Ezt már nagyvákuumban kell végezni.

12.16. ábra - Az extreme ultra violet light (EUVL)

Az extreme ultra violet light (EUVL)

http://ixbtlabs.com/articles2/intel-65nm/litho.html

Az un. Extrém ultraibolya litográfia (extreme ultra violet light EUVL) mint nanolitográfiai technika, már üzembe állás állapotában van, és várhatóan 2013-2014-ben ezzel az eljárással a chipek sorozatgyártása is megkezdődik

12.17. ábra - Az alkalmazott fény hullámhossza és a csíkszélesség közötti kapcsolat az „évek függvényében”

Az alkalmazott fény hullámhossza és a csíkszélesség közötti kapcsolat az „évek függvényében”

http://ixbtlabs.com/articles2/intel-65nm/litho.html

Mivel az fotolitográfiás eljárás során alkalmazott fényérzékeny anyagok „ultraibolya érzékenyek” ezért a chip gyártó helyiségekben az alkalmazott fény csak a látható sárga komponensét tartalmazzák (Na lámpa) azaz narancssárga színű fény mellett dolgoznak..

12.18. ábra - Chip előállító „tisztaszoba”

Chip előállító „tisztaszoba”

Végezetül egy összefoglaló az összes lehetséges nanolitográfiai technikáról

- Extreme ultraviolet lithography (EUV) az optikai litográfia vákuum ultraibolya tartományú “folytatása” (13.5 nm). Ez várhatóan a legelőször megvalósuló NGL technika.

- röntgensugaras litográfia,

- maszk nélküli litográfia,

- Electron-Beam Direct-Write Lithography (EBDW),

- Atomic Force Microscopic Nanolithography (AFM)

- Magnetolithography (ML)