МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЛЬВІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ІВАНА ФРАНКА
Кафедра фізичної та біомедичної електроніки
| Бали | ECTS | Оцінка | Підпис викладача |
| | | | |
Курсова робота
«Літографічні методи в мікроелектроніці»
Виконав:
студент групи ФеМ-31
Давид Михайло
Науковий керівник
доц. Пенюх Б. Р.
Львів – 2022
Зміст
Вступ………………………………….…….……………………………………...2
Традиційні літографічні процеси, потреби та проблеми………………...2
Обладнання…………………………………………………………………3
Технологічний процес. Закон Мура……...…………………………….....5
2.1. Фотолітографія. Фоторезист……...……………………………….….......11
2.2. Фотолітографічні маски……………………………………..……………14
2.3 Основна ідея побудови TFI технологій………………………………..15
2.4. Роздільна здатність у фотолітографії…………………………………….18
3.1 Електронна літографія………………………………………………………21
4.1. Рентгенівська літографія……………………………………………………27
Висновки………………………………………………………………………….31
Список використаних джерел..…………..…………………………………….32
Вступ.
Слово літографія відноситься до процесу, винайденого в 1796 році Алоїсом Зенефельдером. Зенефельдер захопившись типографською справою, винайшов оригінальний спосіб друку малюнків на аркушах паперу. Принцип дії заснований на отриманні відбитків з поверхні гладкого каменю, куди попередньо наносилася фарба. Особливістю такого перенесення було попереднє креслення необхідного контуру на спеціальному валику. Цей валик прокочувався по поверхні каменя. Сам камінь потім щільно притискався до паперу, залишаючи чіткий слід на ній. Цей спосіб одержав назву літографія. Поява літографії дозволила друкувати книги, ілюстровані художниками. З’явилася можливість створювати порівняно дешеву друковану продукцію. Раніше для створення ілюстрацій при друку книг використовувався більш дорогий спосіб і менш продуктивний – шовкографія. Поява літографії дозволила використовувати цей метод для розмноження географічних карт. Одним з перших на це нововведення звернув свою увагу Наполеон, він тоді вже готувався завоювати весь світ, були потрібні карти країн і міст. Тому Алоїз Зенефельдер отримав свої перші замовлення в Парижі, де він розпочав друк карт для французької армії, придбавши виключні права на свій винахід. Обробка плоских каменів вимагала значних витрат на технологічний процес друку, тому в подальшому були розроблені металеві пластини, які можна багаторазово використовувати. Є й пластини одноразового застосування, але вони поступово витісняються пластинами багаторазового друку.
Традиційні літографічні процеси, потреби та проблеми
Сучасна літографія у великих обсягах використовується для виробництва афіш, карт, книг, газет і упаковок. Поява верстки друкованих видань на комп'ютері дозволило легко керувати розстановкою друкованої інформації і зображень для можливості друку на настільних або комерційних пресах. Розвиток цифрового пристрою фотовиводу дозволило друкарням отримувати негативи для виготовлення друкованих форм безпосередньо з цифрового входу, пропускаючи проміжний крок фотографування фактичного розташування сторінки. Розвиток цифрових фотоскладальних машин наприкінці двадцятого століття виключило використання плівкових негативів у цілому, дозволяючи створювати друковані форми безпосередньо з входу цифрових даних - процес, відомий як створення друкованої форми на комп'ютері. Потреби літографії полягають у збільшенні роздільної та пропускної здатності. Проблеми мікроелектроніки:
- Проблеми зменшення елементів інтегральних схем і збільшення площі оброблюваних підкладок;
- Проблема дефектів підкладок;
- Проблема контролю параметрів.
До переваг процесу фотолітографії відносять універсальність, масовість, технологічність, можливість автоматизації. Недоліками ж вважається: зменшення ресурсу фотошаблону та не рівні підкладки.
Основні етапи процесу фотолітографії:
На товсту підкладку (в мікроелектроніці часто використовують кремній) наносять тонкий шар матеріалу (це може бути і окис кремнію), з якого треба сформувати малюнок. На цей шар наноситься фоторезист.
Проводиться експонування через фотошаблон (контактним чи проекційним методом).
Освітлені ділянки фоторезисту змінюють свою розчинність і їх можна видалити (позитивний процес) хімічним способом (травленням). Звільнені від фоторезисту ділянки також видаляються.
Заключна стадія — видалення залишків фоторезисту.
Обладнання
У 2021 році ASML займається розробкою нової системи фотолітографії, щоб зробити мікросхеми меншими та збільшити їхню продуктивність. Завдяки більшій числовій апертурі збільшується роздільна здатність зображення, дозволяючи світлу проходити через оптику під різними кутами. Для цього потрібні дзеркальні лінзи великого розміру, а також нове програмне та апаратне забезпечення для точного керування компонентами.
Рис. 1. Фотолітографічна установка
До кінця 2021 готову деталь для нової фотолітографічної установки відправлять з Коннектикуту в Нідерланди, в місто Велдховен, а до початку 2022 її інтегрують в перший прототип EUV-установки наступного покоління. До 2023 компанія Intel першої збирається застосувати нову систему для виробництва мікросхем. (Рис.1)Фотолітографічні установки коштують $150 млн., а за розміром вони приблизно як автобус. Для їх складання потрібно 100 тисяч деталей та 2 км кабелів. У їхньому транспортуванні залучать 40 вантажних контейнерів, 3 вантажні літаки та 20 фургонів. Тому лише великі компанії-виробники мікросхем, такі як TSMC, Samsung або Intel можуть собі дозволити це обладнання. ASML розробляє платформу EUV наступного покоління. Ця платформа має новий дизайн оптики та значно швидші ступені. Це дозволить геометричне масштабування чіпа протягом наступного десятиліття, пропонуючи роздільну здатність, яка на 70% краща, ніж наша поточна платформа EUV. Платформа High-NA була розроблена, щоб увімкнути декілька майбутніх вузлів, починаючи з 3 нм вузла Logic, а потім із вузлами пам’яті з аналогічною щільністю.
Рис. 2. Фотолітографічне обладнання
Технологічний процес. Закон Мура
З кожним роком слово "нанометр" все частіше зустрічається у нашому житті. Нанометр - це 10 -9 ступеня метра, тобто, це одна мільярдна метра - настільки мізерна величина. А тепер уявіть, скільки кристалів міститься на процесорі. Техпроцес постійно змінюється. Це впливає на енергоспоживання та енергоефективність. Через зменшення техпроцесу чіпи стають більш продуктивними . При зменшенні техпроцесу виробники отримують можливість зробити продуктивний чіп, не втративши швидкодії. Не варто думати, що зі зменшенням техпроцесу зменшується і сам чіп - на тому ж збільшується кількість розміщених ядер процесора - цьому сприяє щільніше розташування транзисторів у порівнянні з попереднім техпроцесом. За останні роки розробка чіпів відлетіла в іншу галактику: Qualcomm Snapdragon 200, випущений у 2013 році, був виготовлений за 45-нанометровою технологією, а останній Snapdragon 888 – вже за 5-нанометровим техпроцесом. Говорити про різницю в енергоефективності таких чіпів навіть не варто.
Закон Мура — емпіричне спостереження, зроблене в 1965 році (через шість років після винаходу інтегральної схеми), у процесі підготовки виступу Гордоном Муром, одним із засновників компанії Intel. Він припустив, що кількість транзисторів на кристалі мікросхеми подвоюватиметься кожні 24 місяці. Створивши графік зростання продуктивності запам'ятовувальних мікросхем, він виявив закономірність: нові моделі мікросхем розроблялися через більш-менш однакові періоди (18-24 міс.) після появи їхніх попередників. При цьому їхня місткість зростала щоразу приблизно вдвічі. Якщо така тенденція продовжиться, припустив Мур, то потужність комп'ютерів експоненціально зросте протягом відносно короткого проміжку часу.
Рис. 3
Технологічний процес напівпровідникового виробництва – технологічний процес виготовлення напівпровідникових виробів і матеріалів, що складається з послідовності технологічних та контрольних операцій, частина виробничого процесу виготовлення н/п виробів ( транзисторів, діодів). При виробництві н/п інтегральних мікросхем застосовується фотолітографія і літографічне обладнання.[8] Роздільна здатність (у мкм і нм) цього обладнання і визначає назву застосовуваного конкретного технологічного процесу. Удосконалення технології та пропорційне зменшення розмірів н/п структур сприяють поліпшенню характеристик (розміри, енергоспоживання, вартість) напівпровідникових приладів (мікросхем, процесорів, мікроконтролерів тощо). Особливу значимість це має для процесорних ядер, в аспектах споживання електроенергії та підвищення продуктивності, тому нижче вказані процесори (ядра) масового виробництва на даному техпроцесі. Технологічний процес виробництва напівпровідникових приладів та інтегральних мікросхем (мікропроцесорів, модулів пам'яті та ін.) включає нижче наведені операції:
Механічну обробку напівпровідникових пластин - отримують пластини напівпровідника зі строго заданої геометрією, потрібної кристалографічної орієнтацією (не гірше ± 5 %) і класом чистоти поверхні. Ці пластини надалі служать заготовками у виробництві приладів або підкладками для нанесення епітаксійного шару.
Хімічну обробку (попередню всім термічним операціями) - видалення механічно порушеного шару напівпровідника і очищення поверхні пластини. Основні методи хімічної обробки: рідинне і газове травлення, плазмохімічні методи. Для отримання на пластині рельєфу (профілізація поверхні) у вигляді виступів і западин певної геометрії, для витравлювання (Рис. 4) вікон в маскувальних
Рис. 4
покриттях, для прояву прихованого зображення в шарі експонованого фоторезисту, для видалення його заполімерізірованних залишків, для отримання контактних майданчиків і розведення в шарі металізації застосовують хімічну (електрохімічну) обробку.
Епітаксіальне нарощування шару напівпровідника - осадження атомів напів-провідника на підкладку, в результаті чого на ній утворюється шар, кристалічна структура якого подібна структурі підкладки. При цьому підкладка часто виконує лише функції механічного носія.
Отримання маскуючого покриття - для захисту шару напівпровідника від проникнення домішок на наступних операціях легування. Найчастіше проводиться шляхом окислення епітаксійного шару кремнію в середовищі кисню при високій температурі.
Фотолітографія - виробляється для утворення рельєфу в діелектричній плівці.
Введення електрично активних домішок в пластину для утворення окремих p- та n-областей - потрібно для створення електричних переходів, ізолюючих дільниць. Проводиться методом дифузії з твердих, рідких або газоподібних джерел, основними дифузантами у кремній є фосфор і бор.
Термічна дифузія - спрямоване переміщення частинок речовини в бік убування їх концентрації: визначається градієнтом концентрації. Часто застосовується для отримання введення легуючих домішок у напівпровідникові пластини (або вирощені на них епітаксіальні шари) для отримання протилежної, в порівнянні з вихідним матеріалом, типу провідності, або елементів з більш низьким електричним опором.
Іонне легування (застосовується при виготовленні напівпровідникових приладів з великою щільністю переходів, сонячних батарей і СВЧ-структур) визначається початковою кінетичною енергією іонів в напівпровіднику і виконується в два етапи:
в напівпровідникову пластину на вакуумній установці вводять іони;
робиться відпал при високій температурі;
У результаті відновлюється порушена структура напівпровідника і іони домішки займають вузли кристалічної решітки.
Отримання омічних контактів і створення пасивних елементів на пластині - за допомогою обробки фотолітографії в шарі оксиду, що покриває області сформованих структур, над попередньо створеними сильно легованими областями n+- або p+-типу, які забезпечують низький перехідний опір контакту, розкривають вікна. Потім, методом вакуумного напилення всю поверхню пластини покривають шаром металу (металізують), надлишок металу видаляють, залишивши його тільки на місцях контактних майданчиків і розводки. Отримані таким чином контакти, для поліпшення адгезії матеріалу контакту до поверхні і зменшення перехідного опору, термічно обробляють (операція відпалу). У разі напилення на матеріал оксиду спеціальних сплавів отримують пасивні тонкоплівкові елементи - резистори, конденсатори, індуктивності.
Додавання додаткових шарів металу (у сучасних процесах - близько 10 шарів), між шарами розташовують діелектрик з наскрізними отворами.
Пасивація поверхні пластини. Перед контролем кристалів необхідно очистити їх зовнішню поверхню від різних забруднень. Більш зручною (в технологічному плані) є очищення пластин безпосередньо після скрайбування або різання диском, поки вони ще не розділені на кристали. Це доцільно й тому, що крихти напівпровідникового матеріалу, утворені при скрайбуванні або надрізанні пластин, потенційно є причиною появи браку при розмелюванні їх на кристали з утворенням подряпин при металізації. Найбільш часто пластини очищають у деіонізованій воді на установках гідромеханічної (кістьевой) відмивання, а потім сушать на центрифузі, в термошкафу при температурі не більше 60 ° C або інфрачервоним нагрівом. На очищеній пластині визначаються дефекти вносяться операцією скрайбування і розламування пластин на кристали, а також раніше проведених операціях — фотолітографії, окисленні, напилюванні, вимірі (відколи й мікротріщини на робочій поверхні, подряпини та інші ушкодження металізації, залишки оксиду на контактних майданчиках, різні залишкові забруднення у вигляді фоторезиста, лаку, маркувальної фарби і та ін).
Тестування нерозрізаної пластини. Зазвичай це випробування зондовими головками на установках автоматичної розбракування пластин. У момент торкання зондами розбраковуваних структур вимірюються електричні параметри. У процесі маркуються браковані кристали, які потім відкидаються. Лінійні розміри кристалів зазвичай не контролюють, так як їх висока точність забезпечується механічною та електрохімічною обробкою поверхні (товщина) і наступним скрайбуванням (довжина і ширина).
Поділ пластин на кристали - механічно поділяє (розрізанням) пластину на окремі кристали.
Збірка кристала і наступні операції монтажу кристала в корпус і герметизація - приєднання до кристалу виводів і подальша упаковка в корпус, з подальшою його герметизацією.
Електричні вимірювання та випробування - проводяться з метою відбракування виробів, що мають невідповідні технічної документації параметри. Іноді спеціально випускаються мікросхеми з «відкритим» верхньою межею параметрів, що допускають згодом роботу в нештатних для решти мікросхем режимах підвищеного навантаження (наприклад, Розгін комп'ютерів).
Тестова структура - гетероструктура, сформована на напівпровідниковій пластині, що використовується у процесі тестового контролю мікросхем на виробництві. Завершальний технологічний цикл виготовлення пристрою - вельми важливе і складне завдання (так, для перевірки всіх комбінацій схеми, що складається з 20 елементів з 75 (сукупно) входами, при використанні пристрою, що працює за принципом функціонального контролю зі швидкістю 104 перевірок у секунду, буде потрібно 1019 років).
Маркування, нанесення захисного покриття, упаковка - завершальні операції перед відвантаженням готового виробу кінцевому споживачеві.
У літографії є різні види: фотолітографія, хромолітографія, автолітографія, рентгенолітографія, електронна літографія та ін. Оглянемо деякі з них.
Фотолітографія. Фоторезист
Фоторезист (також відомий просто як резист )являє собою[5.2] матеріал, світлочутливий використовується в декількох процесах, такі як фотолітографія і фоторепродуцірованіе , щоб сформувати покриття на мереживну поверхню. Цей процес має вирішальне значення в електронній промисловості. Процес починається з покриття субстрату світлочутливим органічним матеріалом. Потім на поверхню наносять візерункову маску, щоб блокувати світло, так що світло потраплятиме лише на незамасковані ділянки матеріалу. Потім на поверхню наносять розчинник, який називається проявником. У разі позитивного фоторезисту світлочутливий матеріал руйнується під впливом світла, і проявник розчиняє ділянки, які були піддані впливу світла, залишаючи після себе покриття, де була нанесена маска. У разі негативного фоторезисту світлочутливий матеріал зміцнюється (або полімеризується, або зшивається) світлом, і проявник розчиняє лише ті ділянки, які не піддавалися впливу світла, залишаючи після себе покриття в тих місцях, де була маска не розміщено. Перед нанесенням фоторезисту можна наносити покриття BARC (нижнє антивідбиваюче покриття), щоб уникнути відображення під фоторезистом та покращити характеристики фоторезисту на менших напівпровідникових вузлах. Позитивний фоторезист є тип фоторезиста , в якому частина фоторезиста, яка піддається впливу світла стає розчинним розробником фоторезиста. Неосвітлена частина фоторезисту залишається нерозчинною для розробника фоторезисту. Негативний фоторезист є тип фоторезиста , в якому частина фоторезиста, яка піддається впливу світла стає нерозчинної для проявника фоторезиста. Неосвітлена частина фоторезисту розчиняється розробником фоторезисту.
Рис. 5. Фоторезист
Центральне місце у сучасній технології виготовлення виробів мікроелектроніки займає фотолітографія. На її частку припадає понад половини виробничих витрат. Саме вона найчастіше визначає можливість отримання того чи іншого напівпровідникового приладу, особливо у тому випадку, коли розміри елементів топології приладу, а також товщини його активних шарів близькі до граничних для сучасного рівня розвитку фотолітографії. Можна сказати, що саме успішний розвиток фотолітографії був своєрідним "локомотивом", рух якого визначав темпи розвитку мікроелектроніки. Фотолітографія "забезпечила дотримання" знаменитого закону Гордона Є. Мура, згідно з яким щільність компонування елементів у виробах мікроелектроніки подвоюється кожні 18 місяців. Успіхи фотолітографії багато в чому визначаються культурою фотолітографічного виробництва та продуманістю конструктивних особливостей обладнання, але в більшій мірі - якістю використовуваних елементів. Фоторезисти є матеріалами, які повинні задовольняти набір суперечливих вимог, а саме мати високу чутливість до дії актинічного випромінювання, високу стійкість до плазмохімічного травлення, малу дефектність, високу контрастність, низьку чутливість зміни параметрів фотолітографічного процесу (тобто, велику технологічну широту) тощо. Найчастіше вибір складу фоторезиста визначається необхідністю пошуку компромісного рішення, що призводить до оптимального для цієї технології набору властивостей. Для успішної розробки фоторезистів та грамотного їх використання необхідно глибоке розуміння фізико-хімічних механізмів формування резистних масок шару резиста. На жаль здебільшого наявні в даний час механізми часто носять якісний і ймовірний (спекулятивний) характер та не можуть бути науковою основою сучасної літографії. Системні роботи у даній області є рідкісним явищем. Метою цього етапу фотолітографічної науки є перехід до створення кількісних та напівкількісних теорій фотолітографії та науки про фоторезистив. Тенденцією у розвитку сучасної мікроелектроніки є виготовлення виробів із елементами субмікронних розмірів. Більшість експертів у галузі мікроелектронних технологій вважає, що для успішного розвитку в цій галузі необхідний пошук принципово нових способів фотолітографії та матеріалів для їх здійснення. В даний час існує два успішних напрями досліджень: фоторезисти з хімічним проявом та з формуванням первинного зображення у тонкому світлочутливому шарі (технологія TFI). Вказані вище напрямки виникли не більше десятка років тому, нині більшість великих споживачів фотолітографічних технологій проводять інтенсивні науково-дослідні та дослідно-конструкторські роботи для якнайшвидшого широкого використання в промисловості. Фотолітографічне виробництво є порівняно дорогим. Так наприклад, виробництво одного сучасного фотошаблону коштує близько 1 мільйон доларів; час служби таких шаблонів у великих фірмах США та Японії не перевищує 1-2 тижнів. Пошук нових матеріалів та розробка нових технологій методом послідовного перебору є надто затратним. В даний час більшість дослідників схиляються до дедалі ширшого використання методів математичного моделювання фотолітографічних процесів для прогнозування найбільш перспективних методів дослідження. Хоча, починаючи з робіт Ділла в 1975 році, в цьому напрямі проведено величезний обсяг науково-дослідних робіт, задовільного за швидкодією та передбачувальною силою математичного забезпечення немає. Причиною тому є те, що у більшості програм використовуються чисельні методи розв'язання відповідних кінетичних рівнянь. Останнє призводить до надзвичайно громіздких та дорогих у вартісному вираженні розрахунків. Виходом є формулювання спрощених моделей, що допускають точне або наближене функціональне рішення. Метою цього посібника є аналіз стану справ у галузі фотолітографії, та фоторезистів, насамперед з погляду перспектив їх розвитку, а також розробки наукових засад для створення нових технологій виробництва компонентів інформаційно-телекомунікаційних систем.
1 2