Важнейшая задача любой полупроводниковой фабрики, внедряющей новый производственный техпроцесс, — обеспечение высокого процента выхода годных чипов с пластины. А добиться этого очень и очень непросто. Размеры элементов интегральных схем в наше время достигли десятков и даже единиц нанометров (миллиардных частей метра). Так что малейшая неточность, несогласованность в работе оборудования, сбой или изменение среды могут привести к браку.
Поэтому отработка новых техпроцессов, особенно на новом оборудовании, на полупроводниковых фабриках может длиться годами. Потому что на начальном этапе испытаний процент брака запросто может превышать 50% от общего количества чипов. Месяц за месяцем его стараются сократить. Обычно серийное производство начинается где-то на уровне 70% выхода годных чипов и со временем доводится до уровня 90% и даже выше. Учитывая, что стоимость одной пластины с чипами может составлять от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч долларов, цена вопроса идёт на многие миллиарды.
Ключевую роль в увеличении числа годных микросхем играют метрологические (измерительные) системы. К примеру, в фотолитографах голландского производителя ASML, использующих технологию TWINSCAN, в нанометровом масштабе создаётся трёхмерная карта полупроводниковой пластины, которая в дальнейшем используется для её оптимального позиционирования на этапе экспонирования (переносе рисунка интегральной схемы с фотошаблона на пластину, покрытую светочувствительным материалом).
Добавляет сложности то, что в современной фотолитографической машине (сканере) фотошаблон и платформа с пластиной постоянно находятся в движении относительно друг друга. Для качественного экспонирования необходимо обеспечить их синхронизацию с точностью до нанометра и наносекунды. Для этого положение пластины в современных фотолитографических установках измеряется десятки тысяч раз в секунду.
И вот, казалось бы, посчитали и учли всё, что только можно. Означает ли это, что теперь все чипы будут как один безупречны? К сожалению, нет. Здесь в дело вступает стохастическая изменчивость: случайность, неопределённость в поведении системы. Свет, молекулы и даже атомы в материалах и оборудовании, используемых в фотолитографии, ведут себя до некоторой степени случайным образом. Другое дело, что стохастические эффекты очень невелики. И пока дело касалось более зрелых техпроцессов, ими обычно пренебрегали. Например при размере элемента интегральной схемы в 100 нм, стохастическая погрешность обычно составляет порядка 2-3%, что не оказывает определяющего влияние на точность микросхемы. Иными словами, стохастика серьёзно не влияла на размеры элементов и расстояние между ними.
Но благодаря фотолитографии экстремального ультрафиолета (EUV) появилась возможность изготавливать микросхемы с чрезвычайно малыми размерами элементов: от 13 нм в стандартных EUV фотолитографах до 8 нм в машинах с высокой числовой апертурой (в данном случае речь идёт не о маркетинговых размерах вроде 2-х или 3-х нанометров, характеризующих техпроцессы современных чипов, а о реальном разрешении, которое сегодня обеспечивают EUV литографы).
Иными словами, размеры элементов стали сопоставимыми с размерами атомов. И на этом уровне стохастические эффекты заиграли по-новому. Теперь относительный размер стохастической изменчивости превысил 10% от размера элемента. А это означает существенное нарушение однородности размеров. К примеру, неровные края транзисторов влияют на утечку тока через затвор, сопротивление проводов и как следствие, на надёжность и мощность чипа. Нештатные перемычки могут привести к коротким замыканиям в микросхеме. Обрывы межсоединений и отсутствующие контактные отверстия ухудшают производительность и надёжность работы.
К тому же так и не удалось полностью устранить стандартные факторы, влияющие на качество чипов: неровность пластин и неравномерность их нагревания в процессе работы. Стохастическая изменчивость здесь зачастую является фактором, который склоняет чашу весов от годной микросхемы к негодной. Следует добавить, что одной фотолитографией влияние стохастической изменчивости не ограничивается: такие процессы как травление и осаждение так же подвержены её воздействию.
Есть ли способы держать под контролем случайную изменчивость? Это не просто по определению. Решением является специализированное метрологическое оборудование. Ведь чтобы повлиять, сперва нужно измерить. Для построения стохастических моделей и определения погрешностей используются вероятностные расчёты. Мировым лидером в производстве метрологического оборудования для стохастических измерений является американская компания Fractilia из Остина, штат Техас.
Конечно, измерительные приборы не могут сами по себе устранить проблему, однако они могут делать прогнозы относительно того, как случайные изменения повлияют на качество чипов. Так что у их производителей появляется возможность оптимизировать соответствующим образом техпроцессы на своих фабриках. Неудивительно, что крупнейшим заказчиком оборудования Fractilia является мировой лидер в области производства полупроводников, тайваньский гигант TSMC.
Мировая электроника требует всё более производительных микросхем, количество электронных компонентов в передовых чипах возрастает, размеры элементов уменьшаются. Стало быть, современной микроэлектронике всё больше придётся иметь дело с квантовой физикой, атомными размерами и вероятностями.
❗ Для знатоков и любителей микроэлектроники, полупроводниковой промышленности и фотолитографии: заходите в премиум-раздел канала «Фотолитограф».
