ASML
Появу на початку 21 століття технологій глибокої (DUV) та екстремальної ультрафіолетової фотолітографії (EUV) й розробку спеціальних машин на базі цих технологій можна вважати революційною. Це як порівняти з ефектом появи типографського верстата Гутенберга в середині 15 століття. Вся електроніка, якою ми користуємось щодня, керується мікросхемами з мільярдами транзисторів. Складний і кропіткий процес фотолітографії це ключова основа їхнього виробництва, що дозволяє розміщувати велику кількість інтегральних схем на крихітних кремнієвих пластинах. Буквально все, від ПК, ноутбуків, планшетів, автівок до смартгодинників працює на кількох видах сучасних мікросхем. CPU, GPU, SoC, DRAM, NAND — ці мікросхеми містять мільярди крихітних транзисторів, з’єднаних разом кількома шарами доріжок, які проводять струм. А найбільшим виробником машин для DUV та EUV-літографії є нідерландська ASML. Тож познайоммось ближче з їхнім виробництвом.
Зміст
Найдрібніші елементи у транзисторах мають розміри близько 10 нм, що еквівалентно 45 атомам кремнію. Для виробництва настільки складних мікросхем використовується низка послідовних фотолітографічних процесів. Кожен з них, своєю чергою, складається з кількох етапів, які виконує спеціальна фотолітографічна машина. Це дещо схоже на роботу копіювального апарату. Вона переносить на кремнієву пластину крихітні малюнки елементів транзисторів та шарів доріжок, що їх поєднують.
Постійне вдосконалення елементів фотолітографічної машини дозволяє друкувати схеми менших розмірів та розміщувати на кремнієвій пластині більшу кількість транзисторів. Сучасні машини фотолітографії працюють з екстремально глибоким ультрафіолетовим світлом (EUV). Вони складаються з фотомаски, яка являє собою фактично трафарет шару транзисторів для майбутньої мікросхеми. У машину завантажується попередньо оброблена кремнієва пластина діаметром близько 300 нм. За допомогою ультрафіолетового світла та спеціальних дзеркал шаблон переноситься на крихітну підкладку. Після цього пластина відсувається і процес повторюється аж до поки машина повністю не заповнить її малюнками шару транзисторів для майбутніх мікросхем.
Обробка однієї пластини займає в EUV-машини близько 18 секунд. Протягом цього часу шаблон переноситься близько сотні разів. Потім завантажується наступна пластина і все повторюється. Після завершення пластина завантажується в інший різновид фотолітографічної машини де поверх шару транзисторів формується кілька шарів з’єднань. У деяких випадках для друку з’єднань може використовуватись простіший фотолітографічний процес (DUV). Завтовшки сторона кожного транзистору у шарі складає близько 13 нм. Фотолітографічна машина копіює малюнок з шаром транзисторів менш ніж за секунду.
Кремнієві підкладки подаються складеними у спеціальні контейнери (FOUP), які транспортуються від однієї машини до іншої з допомогою автоматизованої підвісної системи. Контейнер опускається над необхідною машиною для обробки та послідовно вивантажує пластини для нанесення на них необхідного малюнку з транзисторним шаром, або з’єднаннями, засвічування або видалення матеріалу.
По завершенні того чи іншого процесу пластини знову завантажуються у (FOUP) та транспортуються до наступної машини, аж поки не будуть нанесені всі шари. Це можна порівняти з розпиленням фарби на папір за допомогою трафарету. Різні типи машин виконують різні завдання. Одні осаджують матеріал на кремнієву пластину або навпаки видаляють вже нанесений. Машини EUV та DUV працюють як трафарети, що переносять контури необхідного малюнку на пластину перед безпосереднім осадженням матеріалу.
Шари мікросхем на кремнієвих пластинах створюються окремою установкою, що має назву трекового інструмента. Вона додає на підкладку світлочутливий матеріал — фоторезист, який рівномірно розподіляється по поверхні пластини коштом обертання у центрифузі. Для затвердіння фоторезисту пластину нагрівають та висушують. Після цього кремнієву пластину транспортують до EUV-установки. На ній ультрафіолетове світло, що проходить через фотомаску, зменшується дзеркалами та спрямовується на малу ділянку пластини.
Під впливом ультрафіолету фоторезист залишає відбиток малюнку схеми на поверхні пластини. Потім пластина відсувається і процес повторюється до сотні разів, поки вся пластина не заповниться цими малюнками. Потім пластина знову транспортується до трекової установки, де фоторезист змивається з її поверхні за допомогою розчинника. Для затвердіння фоторезисту, що залишився, пластину знову нагрівають та висушують.
Далі пластину транспортують до інших машин, де проводиться травлення ділянок без фоторезисту. Різні хімічні речовини розпилюються на ці ділянки. Частина з них заповнює утворені канавки, а інші формують основу для наступного шару. Цей процес багаторазово повторюється, поки поверх першого шару не утвориться багато додаткових шарів з’єднань. Через них транзистори мають обмінюватись між собою сигналами. Знизу з транзисторами контактують найтонші з’єднання, а зверху розміщуються найбільші.
Ці цикли повторюються десятки разів, включаючи близько тисячі окремих етапів. Саме тому для створення однієї пластини з мікросхемами необхідно близько 4 місяців. Шар транзисторів формується машинами EUV з екстремально короткими хвилями ультрафіолетового світла довжиною близько 13 нм. Верхні з’єднання переважно формуються машинами DUV з ультрафіолетовими хвилями довжиною від 193 до 365 нм. Виробництво за допомогою DUV-машин дешевше за передові EUV. Простіші мікросхеми без необхідності наявності складних техпроцесів виконуються переважно за допомогою них.
EUV-машина складається з джерела світла, освітлювача, маніпулятора та столика візирної сітки, проєкційної оптики й маніпулятора та столика для пластин. Ключовим елементом виступає джерело екстремального ультрафіолетового світла. На довжині хвилі 13 нм воно дозволяє копіювати малюнки з лініями завтовшки 10 нм. Використання світла з більшою довжиною хвилі не дозволить йому потрапити у крихітні отвори на фотомасці та візерунок малюнку буде втрачений.
Натомість екстремально короткі ультрафіолетові хвилі чудово проходять через фотомаску та чітко переносять на пластину всі деталі та контури. Ультрафіолетове випромінення з такою довжиною хвилі не виникає природним шляхом, його можна створити тільки штучно за допомогою двох лазерів та кількох підсилювачів, встановлених під EUV-машиною.
Дзеркала спрямовують лазерні імпульси у контейнер-джерело, де на їхньому шляху розпилюються мікроскопічні олов’яні кульки. Перший імпульс потужністю 5 кВт перетворює олово у рідку краплю. Під час взаємодії з другим імпульсом потужністю 25 кВт ця крапля випаровується та переходить у стан розпеченої плазми. Внаслідок цього процесу відбувається вивільнення електронів, створюючи необхідне EUV-світло. Олово для цього зберігається у спеціальній ємності, де підтримується у розплавленому стані. Система шлангів подає його у п’єзоелектричний розпилювач, який внаслідок високого тиску азоту всередині власного резервуара забезпечує подачу тонкого та рівномірного струменя.
Траєкторію краплі олова під час потрапляння у робочу область контейнера відстежують кілька високошвидкісних камер. Інформація передається приводам дзеркал, які зсувають відбитий лазерний промінь так, щоб він влучив точно у краплю. Для того аби утворити EUV-світло необхідної інтенсивності, лазерні імпульси б’ють по краплях близько 50 тис. разів на секунду. Для підтримки рівномірного випромінення система пропускає деякі краплі повз лазер і вони потрапляють у спеціальний канал відведення.
Випромінене світло збирається в пучок за допомогою дзеркала-колектора. Воно спрямовується у проміжний фокус — мікроскопічний отвір, що пропускає лише EUV-промені, відсіюючи решту з більшими довжинами хвиль. Промінь ультрафіолетового світла потрапляє в освітлювач, який складається з кількох фацетних дзеркал які розсіюють його на ширший пучок. Він спрямовується на фотомаску. Промені, які проходять крізь неї, за допомогою низки окремих дзеркал прямують вже на поверхню кремнієвої пластини.
Оскільки EUV-світло на відміну від видимого світла одразу ж поглинається молекулами кисню, на його шляху в середині EUV-машини завжди підтримується вакуум. Ба більше, екстремальне ультрафіолетове світло також поглинається склом та майже всіма матеріалами. Через це для фокусування та передачі цього світла використовуються дзеркала, а не лінзи. Однак звичайні дзеркала також не підійдуть для такого завдання. У EUV-машинах використовуються дзеркала, що називаються відбивачами Брегга. Вони складаються з десятків шарів кремнію та молібдену, що чергуються між собою, завтовшки усього у кілька нм.
Під час потрапляння EUV-проміня на поверхню цього відбивача, тільки 3% світла відбивається від одного шару, а решта проходить крізь нього. Промінь відбивається від кожного з великої кількості шарів та загалом дозволяє одному відбивачу переспрямувати більш як 70% світла, що на нього потрапляє. Оптична система EUV-машини налічує понад 10 дзеркал. Отже, частина вихідного потоку світла втрачається після кожного відбиття. З рештою до кремнієвої пластини доходить лише близько 10% від його початкової яскравості. Саме тому початкове світло від джерела має бути дуже яскравим.
Фацетні дзеркала в EUV-установці складаються з великої кількості сегментів. Нахил кожного з цих сегментів керується незалежно за допомогою системи з крихітним електроприводом. Це дозволяє створювати з точкового EUV-світла складні малюнки. Тип малюнка залежить від конкретної фотомаски. За переважно горизонтальних з’єднань підходить одна схема освітлення, вертикальних — інша, а для круглих міжшарових з’єднань — третя. Для точкових міжшарових з’єднань світло має бути спрямоване вниз, а для створення прямих безперервних ліній воно має бути спрямоване під кутом.
Фотомаска за допомогою підвісної транспортувальної системи під вакуумом завантажується в EUV-установку. Після цього звіряється її штрих-код та проводиться перевірка на відсутність дефектів. Положення маски вирівнюється за спеціальними мітками з країв з точністю до 1 нм. Маска закріплюється на столику візирної сітки. Під час роботи установки столик рухається вздовж променів EUV-світла з дуже високою швидкістю та послідовно проектує кожну лінію малюнку з маски на кремнієву підкладку.
Поверхня маски схожа на вищезгаданий відбивач Брега, однак там, де малюнок відсутній, використовується світлопоглинальний матеріал. Точкові розміри цього матеріалу складають приблизно 10×10 нм. Розміри самої маски складають близько 104×132 мм. Це дозволяє отримувати малюнок у дуже високій роздільній здатності.
Дзеркала масштабують малюнок з маски та проєктують на пластину у зменшеному вигляді. Кожна маска може містити один або кілька шаблонів майбутніх мікросхем залежно від їхнього розміру. Вона здатна вміщувати один великий шаблон GPU два менших шаблони CPU, або 12 мікросхем ОЗП. Залежно від розмірів мікросхем змінюється і їхня загальна кількість для розміщення на одній пластині. Таким чином на одній підкладці можна розмістити близько 90 великих GPU, близько 185 CPU, або до тисячі чипів пам’яті.
На фотомасці не має бути жодного дефекту аби не пошкодити шаблони майбутніх чипів на пластині.
Пластини у контейнерах FOUP доставляються на літографічний кластер, який складається з трекової установки та EUV-машини. Під вакуумом пластина переміщується з FOUP у трекову установку. У першій області проводиться нанесення фоторезисту, після переміщення у другу область пластина нагрівається та висушується. За допомогою роботизованого маніпулятора пластина через вакуумний шлюз переноситься до EUV-установки. Ця система під назвою TwinScan здатна одночасно переносити дві пластини. Поки проходить обробка однієї, іншу у цей час можна завантажити на столик та вирівняти з точністю до нм.
Для перевірки ідеальної сумісності шару, що формується, з попереднім, пластину ретельно перевіряють за допомогою міток сумісності та датчиків вирівнювання. Ця інформація використовується для створення високоточної двовимірної карти зміщень. Датчики вирівнювання також використовують відбите світло для вимірювання висоти по всій поверхні пластини, формуючи у такий спосіб топологічну карту пластини, що дозволяє ідеально фокусувати EUV-промені на її поверхню. У міру готовності мікросхем пластину розрізають відповідно до їх розмірів. Саме тому між малюнками на пластині мають залишатись невеликі проміжки. Після нанесення однієї копії малюнку затвор столика візирної сітки тимчасово перекривається, поки столик разом з пластиною не зсунеться і не займе положення для друку наступного шаблону.
Фоторезист — це суміш синтетичної смоли з фоточутливим органічним барвником — сенсибілізатором. Під час потрапляння фотонів EUV-світла на смолу, вивільняються електрони з високою енергією. Під їхнім впливом сенсибілізатор перетворюється на кислоту, яка послаблює структуру смоли.
Таким чином на ділянках, на які впливало EUV-випромінення, фоторезист легко видаляється за допомогою виявляючої рідини. При цьому резист не руйнується на окремі шматки, а слабшає лише на тих ділянках, куди проникло EUV-випромінення. Це дозволяє створювати чіткі контури елементів транзисторів та їхніх з’єднань.
Цікаво, що поки що нідерландська компанія зберігає за собою монополію на виробництво EUV літографічних установок. Однак китайські фахівці, які неодноразово намагались дізнатись секрети машин ASML, на тлі жорстких обмежень на постачання цього обладнання з боку США та Нідерландів, нарешті заявляють про власну розробку. Зокрема, Huawei кілька років тому заявила про патентування фотолітографічної машини для виготовлення мікросхем CPU розмірами близько 10 нм. Однак більшість аналітиків сприйняла цю заяву скептично. Наразі китайські виробники чипів все ще критично залежать від ASML у постачанні цього обладнання, навіть отримуючи старіші машини, які на 8 ітерацій відстають від флагманської продукції нідерландської компанії.
Контент сайту призначений для осіб віком від 21 року. Переглядаючи матеріали, ви підтверджуєте свою відповідність віковим обмеженням.
Cуб'єкт у сфері онлайн-медіа; ідентифікатор медіа - R40-06029.