Производство чипов

Ни одно современное электронное устройство не обходится без миниатюрного прибора под названием микросхема.
Самые сложные из микросхем, с большим количеством транзисторов – вычислительные процессоры, которые устанавливаются в компьютеры, телефоны и даже порой в микроволновки. Процессоры отвечают за вычисления и обработку данных, управление процессами и механизмами. На их основе строят сложные вычислительные системы и устройства с простыми функциями. То, как работает процессор, определяется его логической схемой. Для обычного пользователя логическая схема выглядит как набор команд и соответствующих ответных действий процессора на эти команды. За такой относительно простой схемой стоит слаженная работа миллионов транзисторов, добиться которой можно, только если объединить их в один общий корпус микросхемы.
Подобное объединение позволяет увеличить скорость работы транзисторов, уменьшить физические размеры устройства и увеличить его энергопотребление.

Все современные процессоры производятся на основе кремниевой подложки, на которой тем или иным способом получают необходимые активные элементы (транзисторы) и соединения между ними. Самый эффективный способ полунения чипов на сегодняшний день – так называемая планарная технология.
Планарный процесс производства микросхем состоит из множества этапов, большинство из которых являются подготовительными к основному процессу – фотолитографии. Слово «литография» образовано от греческих «литое» и «графо», что можно перевести как «письмо по камню», в художественном искусстве при помощи литографии получают отпечатки графических изображений, нанесенных первоначально на твердую основу-негатив. Применительно к производству микро­схем слово «литография» приобретает дополнительный смысл, так как чипы производят из кристаллического материала, подобного камню.

Литография – это технология, применяемая для нанесения светом рисунка будущей микро­схемы на подложку, покрытую слоем специального материала-фоторезиста (подбирается специальный материал, изменяющий свои характеристики после воздействия света), посредством специальных масок, в которых вырезаны будущие межсоединения внутри микросхемы. Через маски пропускается световое излучение, которое фокусируется на подложке. Для точной фокусировки необходима специальная система линз или зеркал, способная не просто уменьшить, изображение, вырезанное на маске, до размеров чипа, но и точно спроецировать его на заготовке.
Важнейшей характеристикой литографического процесса является его разрешающая способность. Этот параметр, так же как и разрешающая способ­ность принтера, обусловливает минимальную тол­щину линии, которую можно нанести на подложке. Только при печати на бумаге разрешающая способ­ность измеряется в количестве отдельных точек на единицу длины (дюйм), а в литографии, параметр измеряется в нанометрах. От линий зависит размер технологического процесса, по которому производятся чипы: чем он меньше, тем лучше. Сегодня минимальный размер техпроцесса 32нм, но технология не стоит на месте. Постоянно появляются новые способы получения быстрых и доступных микросхем.
Разновидностей процесса литографии суще­ствует достаточно много, каждый из которых в итоге отличается той самой разрешающей способностью. Наибольшей популярностью пользуются DUV-литография с излучением из середины ультрафио­летового спектра, EUV-литография (тут используется жесткое ультрафиолетовое излучение), а с недавнего времени большое будущее прочат нанопечатной лито­графии, при помощи которой производители вроде Intel и AMD будут делать процессоры по 10-нм технологиче­скому процессу.

Как это работает

В современном производстве процессоров исполь­зуется проекционная литография, в которой применя­ются линзы или зеркала, позволяющие проецировать рисунок маски-шаблона с уменьшением масштаба. Свет, попадая на фоторезист, изменяет характеристики материала. После засвечивания фоторезист может быть растворен специальным составом, растворится и часть подложки под засвеченным фоторезистом. Часть подложки, которая была закрыта от света маской, не растворится. Она образует проводник или будущий активный элемент.
Разрешающая способность установки для литогра­фии зависит от многих факторов, которые приходится учитывать как производителям самих установок, так и создателям процессоров. Главная причина неко­торой ограниченности применения фотолитогра­фии — использование для изменения характеристик фоторезиста светового излучения, которое при умень­шении размеров межсоединений сильно искажается различными волновыми эффектами. К примеру, из-за такого широко известного явления, как дифракция вместо одной тонкой линии на фоторезисте могут поя­виться три и более. Естественно, подобное недопустимо. Из школьного курса физики известно, что влияние диф­ракции уменьшается с уменьшением длины волны све­тового излучения. Однако с уменьшением длины волны у света начинают проявляться квантовые свойства.
В современной литографии используется корот­коволновое ультрафиолетовое излучение с длиной волны 248 нм (технологический процесс 350, 250 и 180 нм) и 193 нм (технологический процесс 180,130, 90 и 65 нм).
Для того чтобы достичь высокой разрешающей способности, необходим переход на более коротко­волновое излучение.
Литография с использованием источников излучения с длиной волны 248 и 193 нм получила название DUV (Deep Ultraviolet — глубокое ультрафи­олетовое излучение). А для литографии с проектной топологией 45 и 32 нм будет применяться уже так называемая EUV-литография (Extreme Ultraviolet — сверхжесткое ультрафиолетовое излучение), которая основана на использовании ультрафиолетового излу­чения с длиной волны 13,5 нм.
Последним словом в области производства чипов является EUV-литография. И согласно общему мнению участников конференции SPIE Advanced Lithography, которая совсем недавно состоялась в американском городе Сан-Хосе, на сегодняшний день реальных альтернатив этой технологии в производ­стве микросхем по 22-нм проектным нормам и менее не существует. Сейчас подобные установки только начали разрабатываться и внедрятся ведущими про­изводителями чипов. Один японский производитель оборудования для литографии — компания Canon Inc. уже отличилась в рамках упомянутой конферен­ции новой моделью EUV-сканера, которая, правда, относится к категории научно-исследовательского оборудования и непригодна для коммерческого использования. Сканер способен работать по техпро­цессу 24 нм.
Переход с DUV- на EUV-литографию обеспечивает более чем 10-кратное уменьшение длины волны и переход в диапазон, где свойственные транзисторам размеры сопоставимы с размерами всего нескольких десятков атомов.
Применяемая сегодня литографическая техно­логия позволяет наносить шаблон с минимальной шириной проводников 65 нм, в то время как EUV-литография делает возможной печать линий гораздо меньшей ширины.
Управлять ультракоротким излучением не так про­сто, как кажется. Поскольку EUV-излучение хорошо поглощается стеклом, новая технология предполагает использование серии из четырех специальных выпу­клых зеркал, которые уменьшают и фокусируют изо­бражение, полученное после применения маски. Каждое такое зеркало содержит 80 отдельных металлических слоев толщиной примерно в 12 атомов.

Что ждать в будущем

В ближайшие годы фотолитография на основе EUV-излучения будет основным инструментом производ­ства микропроцессоров со все возрастающим числом транзисторов и уменьшающимся размером межсоеди­нений. Уже сегодня размеры технологического процесса сравнимы с размером атомов. Поэтому в будущем из-за ограничений, которые накладывает использование света, рано или поздно понадобятся новые способы получения полупроводниковых структур. Хотя, веро­ятно, когда EUV-литография исчерпает свои возмож­ности, появятся новые принципы, по которым будут строиться процессоры и другие микросхемы.