Фотолитограф — это ключевое оборудование в производственной линии по изготовлению микрочипов. Именно он переносит «узор» микрочипа с фотомаски на кремниевую пластину. В некотором смысле это похоже на старую добрую аналоговую фотографию, когда мы переносили изображение с негатива на фотобумагу. Только в случае с фотолитографом инструментом «рисования» является волна ультрафиолетового света, генерируемая при помощи лазерной установки и переносящая чертёж интегральной схемы на покрытую светочувствительным фоторезистом кремниевую (используются и другие полупроводниковые материалы) пластину.
Но к этой процедуре задача современного фотолитографа не сводится. Более того, он «уделяет» этому процессу всего половину своих усилий. Остальная половина приходится на метрологию, а именно на процесс точного позиционирования пластины. Таким образом, позиционирование и экспонирование — два равнозначных и взаимосвязанных процесса в фотолитографических машинах. И понятно почему: в случае с нанометрами = миллиардными частями метра (именно о таких невероятно малых размерах идёт речь при производстве чипов), малейшая неточность может свести на нет всю работу. А учитывая, что цена в пять тысяч долларов для пластины с «напечатанными» чипами — далеко не предел, важность метрологии чрезвычайно высока.
Во время экспозиции (переносе рисунка с маски на пластину) маска и платформа с пластиной постоянно находятся в движении. Поскольку изображение на маске слишком велико, чтобы отправить его за один раз, маска перемещается вдоль прямоугольной щели, которая пропускает только соответствующую часть изображения, иными словами осуществляется его сканирование. Платформа с пластиной тоже должна двигаться в координации с процессом сканирования, чтобы корректно захватить проходящее через щель изображение. Из-за того, что рисунок маски больше, чем рисунок на пластине, маска перемещается дальше и быстрее, чем пластина. Так что добиться идеальной синхронизации движения маски и пластины — сложнейшая задача.
Для этого используются многочисленные датчики (лазерные интерферометры), соединённые с серводвигателями, которые непрерывно корректируют положение пластины (х, y, z). Ранее процесс выравнивания пластины происходил одновременно с процессом сканирования. Разумеется, это происходит и сейчас. Однако в 2000 году добавилось принципиальное улучшение: мировой лидер, голландская ASML, вывела на рынок линейку фотолитографов с инновационной архитектурой TWINSCAN. В этих литографических машинах одновременно перемещаются две платформы с кремниевыми пластинами. В то время, как одна пластина экспонируется, положение другой пластины измеряется метрологическими датчиками.
Фактически на первом этапе происходит создание трёхмерной карты пластины в нанометровом масштабе. Эти данные и используются на последующем этапе экспонирования для достижения оптимального расположения пластины. В итоге скорость и точность иизготовления микрочипов существенно повысилась. Технология TWINSCAN одинаково успешно используется как в DUV литографах (глубокий ультрафиолет), так и в наиболее передовых EUV литографах (экстремальный ультрафиолет).
В современных литографах ASML положение пластины измеряется около 20 тысяч раз в секунду с помощью датчиков с точностью около 60 пикометров: это меньше размера атома кремния (пикометр = тысячная часть нанометра). Это позволяет синхронизировать движение маски и пластины с точностью до нанометра и наносекунды. Поскольку фотолитограф — это про «рисование» интегральных схем с невероятной точностью, можно смело сказать, что эта машина является результатом самых передовых достижений не только в области оптики, но и в области метрологии.
❗ Для знатоков и любителей микроэлектроники, полупроводниковой промышленности и фотолитографии: заходите в премиум-раздел канала «Фотолитограф».