Фотолитограф — ключевое оборудование в производственной цепочке производства микросхем. Именно эта машина позволяет перенести узор интегральной схемы, предварительно «нарисованный» на фотошаблоне (электронно-лучевыми машинами прямой записи), на полупроводниковую пластину, покрытую фоторезистом (светочувствительным материалом). Таким образом на пластине формируется трафарет из твёрдого фоторезиста, согласно которого на последующих этапах полупроводникового производства и будут формироваться микрочипы (посредством процедур травления, ионной имплантации, осаждения и т. д.).
Какими вообще бывают эти замечательные машины? Классифицируются они по самым разным признакам: например, сканеры или степперы, EUV (работающие с излучением экстремального ультрафиолета) или DUV (глубокий ультрафиолет). Но в рамках этой статьи давайте поговорим о том, каким образом, контактным или бесконтактным, с фотошаблона на пластину переносится рисунок интегральной схемы, и как в зависимости от этого меняются сами фотошаблоны.
На заре фотолитографии (60-е годы прошлого века) технология была контактной: шаблон в виде пластины из плавленного кварца (высокочистое стекло) прижимался к полупроводниковой пластине, покрытой фоторезистом. Шаблон был хромированным (хром и поныне остаётся фаворитом при изготовлении шаблонов). Таким образом свет от источника (синей или ультрафиолетовой ртутной лампы) проходил через прозрачные области фотошаблона (и не проходил через покрытые хромом), засвечивая тем самым узор на светочувствительной пластине.
Следует отметить, что качество экспонирования и разрешение были достаточно высокими: из-за того, что шаблон был прижат к пластине, не было серьёзных искажений вследствие дифракций света. К тому же пластина служила своего рода упором для шаблона, так что не требовалось специально выравнивать шаблон и пластину относительно друг друга по вертикали, что является абсолютно необходимым в случае проекционной (бесконтактной) фотолитографии. Побочным следствием этой простоты был быстрый выход из строя фотошаблонов, так как они повреждались вследствие контакта с пластиной. На самих пластинах множество микросхем из-за этого также приходили в негодность. Так что в те годы выход годных чипов с пластины обычно составлял не более 10%. Для сравнения: в наши дни тайваньский производственный гигант TSMC старается при серийном производстве обеспечить выход годных чипов свыше 90%.
Разновидностью контактной была так называемая проксимальная (непостредственной близости) фотолитография. В этом случае шаблон приподнимался над пластиной на микроскопическое расстояние: 10-20 микрон. Повреждение пластин и шаблонов от этого снизилось, однако из-за возникшего зазора также усилилась дифракция световых волн, и как следствие снизилось разрешение всей системы. Но как бы там ни было, в 60-х и 70-х годах прошлого века установки контактной фотолитографии смогли обеспечить массовое производство микросхем по техпроцессам в несколько микрон.
Параллельно с контактными фотолитографами в это же время начали набирать популярность и фотолитографы проекционные, в которых проецирование рисунка шаблона на полупроводниковую пластину происходит через оптическую систему. В данном случае фотошаблон и пластина находятся друг от друга на значительном расстоянии. Пионером по части таких машин стала американская компания Perkin-Elmer. Уже в конце 60-х годов американцы выпустили первый проекционный фотолитограф Perkin-Elmer Microprojector, а в 1973 году пришла очередь знаменитой проекционной установки совмещения Micralign. Новая техника помогла поднять долю выпуска годныъх чипов с обычных 10% до 70%. При этом оптическая система работала в масштабе 1:1 и проецировала рисунок фотошаблона на всю пластину. Именно с фотолитографов Perkin-Elmer началась эпоха проекционной фотолитографии.
Все передовые фотолитографы нашего времени — проекционные. В отличие от первых установок Micralign, они проецируют рисунок фотошаблона на пластину со значительным уменьшением, как правило пятикратном для DUV машин и четырёхкратном для EUV. И работают при этом в режиме степпера или сканера. В степпере фотошаблон неподвижен: в пошаговом режиме передвигается только полупроводниковая пластина. Рисунок фотошаблона при этом проецируется только на небольшой участок пластины. Затем происходит очередной «шаг» (step), и на пластине возникает ещё один прямоугольник со слоем чипа, и так до тех пор, пока прямоугольниками чипов не будет покрыта вся пластина.
В сканере, в отличие от степпера, рисунок фотошаблона не проецируется на пластину полностью за один раз: экспонирование происходит через щель, подобно офисному сканеру. При этом и пластина, и фотошаблон перемещаются относительно друг друга в поиске оптимального положения (вычисляемого компьютером).
А что же с фотошаблонами? Перепутать шаблоны контактной машины и проекционной невозможно. В первом случае это небольшое тонкое хромированное квадратное стекло, во втором — сложная объёмная конструкция. Фотошаблон проекционной машины обычно изготавливается из достаточно толстого стекла 6,35 мм (встречаются и другие размеры). На шаблон крепится металлическая рамка (обычно алюминиевая) с натянутой на ней прозрачной защитной плёнкой. Глубина рамки обычно равна толщине стекла, то есть составляет 6,35 мм.
Для чего нужна плёнка? Чтобы защитить шаблон от прилипания пыли и мусора, образующихся во время производственного процесса. Тут и частицы пластины, и фоторезиста, и всё то, что содержится в окружающей среде. Конечно, по сравнению с контактной литографией, в проекционной машине это воздействие гораздо деликатнее, однако для того, чтобы чипы получились бракованными, и такого воздействия более чем достаточно. Прилипшая к фотошаблону частица будет экспонироваться вместе с рисунком на чип и, соответственно, может его испортить. Так что без защитной плёнки в этом случае никуда.
Крепление плёнки — нешуточный технологический процесс. Само стекло должно быть толстым и устойчивым к деформации. Рамка и плёнка крепятся на специальный клей, рассчитывается оптимальное натяжение. Ведь если стекло под воздействием рамки деформируется, могут исказиться и проецируемые на пластину узоры интегральных схем. Как правило, сначала плёнка фиксируется на рамке, а уже после рамка крепится на фотошаблон. В наши дни это происходит автоматически на специализированном оборудовании.
А почему бы просто не приклеить плёнку на поверхность фотошаблона? Зачем нужен столь сложный каркас? Чтобы частички, скопившиеся на поверхности плёнки, оказались вне фокуса системы. Если бы они оседали непосредственно на стекло, пусть даже защищённое тончайшей плёнкой, они оказались бы в фокусе и оптическая система переносила бы их изображение на пластину. А так она их попросту не замечает. Поэтому настроить оптимальную глубину резкости оптической системы — важная задача для обеспечения качественного производства микпросхем. Следует отметить, что таким образом можно размыть изображения только относительно небольших частиц. Если вдруг отлетит здоровенный кусок фоторезиста и прклеится к плёнке, то само собой никакая глубина резкости делу не поможет.
Защищается ли плёнкой обратная сторона фотошаблона? Если речь идёт о машинах глубокого ультрафиолета, то нет. В этом попросту нет необходимости. Ведь рисунок интегральной схемы наносится на нижнюю (защищённую плёкой) поверхность стекла, которая смотрит на оптическую колонну и полупроводниковую пластину. Таким образом между верхней поверхностью стекла (на которую направлен источник излучения) и рисунком фотошаблона есть расстояние порядка 6 мм, обеспеченного тощиной самого стекла. Так что пыль и частички также не могут подобраться непосредственно к рисунку. В EUV фотолитографах защитная плёнка используется с лицевой стороны зеркального фотошаблона, с обратной стороны поверхность защищена специальным электропроводящим покрытием, не только защищающим фотошаблон, но и обеспечивающим возможность его крепления электростатическим держателем. Мировыми лидерами по части производства защитных плёнок для использования в фотолитографических машинах являются японские компании AGC и Mitsui Сhemicals. В системах глубокого ультрафиолета традиционно используются полимерные защитные плёнки, а вот в EUV машинах применяются плёнки из инновационного нитрида кремния. Последние разработки для EUV фотолитографов — плёнки из углеродных нанотрубок.
Используется ли плёнка в фотошаблонах для контактных машин? Нет. Контакт между фотошаблоном и подложкой должен быть самым что ни на есть непосредственным. Кстати, ещё одна разница между контактными и бесконтактными шаблонами, которую, как правило, тоже можно сразу заметить, состоит в том, что контактные шаблоны покрыты множеством маленьких рисунков интегральных схем, а на бесконтактных таких рисунков гораздо меньше: например 4 или 12. Это связано с тем, что получить большое количество микросхем на одной подложке в случае с контактными мошинами, проецирующими рисунок 1:1, можно только «нарисовав» их все на соответствующем фотошаблоне. А в степперах и сканерах рисунки фотошаблонов многократно уменьшаются при экспонировании, что позволяет делать их на фотошаблонах очень большими (и точными) по сравнению с контактными решениями.
Используются ли контактные фотолитографы в наши дни? Вовсю. Другое дело, что не в производстве современных логических чипов или микросхем памяти: рарешения таким машинам для этого явно не хвавтает. Однако с такими задачами, как производство МЭМС (микроэлектромеханических систем), дисплеев и светодиодов, такие установки справляются очень хорошо, а главное недорого. Ну а раз есть спрос, то будет и предложение. Наиболее известны такие производители бесконтактных машин как немецкая SUSS Micro Tec и австрийская EVG. Фотошаблоны для таких литографов тоже продолжают выпускаться, в том числе лидерами мирового рынка, японской Tekscend Photomask и американской Photronics. Разумеется, все лидеры отрасли прежде всего производят шаблоны для проекционных фотолитографов (производства мировых передовиков, голландской ASML и японских Canon и Nikon). Потому что, как не крути, а вот уже более полувека именно проекционные машины правят бал в полупроводниковом производстве.
Премиум-статья про иммерсионные фотолитографы: