Jak vzniká procesor - moderní výrobní technologie

Trendy v oblasti fotolitografie

Se zmenšující se výrobní technologií se řada změn odehrála i na poli fotolitografie. A zde je nutné podotknout, že jsou to zejména a právě změny v oblasti fotolitografie, které umožňují pokrok v oblasti zmenšování výrobní technologie a pokračování platnosti Moorova zákona. Ačkoliv dnes již existují možnosti v oblasti EUV litografie (Extreme UltraViolet), firmy se samozřejmě snaží tento přechod oddálit, a to zejména z důvodu ceny. Pro nasazení EUV je třeba ještě vyřešit řadu problémů, které komerčnímu nasazení zatím brání.

K tématu fotolitografie se váže několik pojmů. Asi nejdůležitějším faktorem je dnes možné rozlišení fotolitografie k použité vlnové délce, a tím i možná miniaturizace výrobní technologie.

Rozlišení je dáno vztahem: r = k x λ (vlnová délka) / NA

Numerická apertura (NA, Numerical Aperture): NA = n x sinθ

n je refrakční index (bod lomu) nejčastěji mezi čočkou a waferem, kterým prochází záření (n je za normálních okolností 1.0, protože médiem je u běžné fotolitografie vzduch. Pokud je refrakční index 1, teoreticky NA je méně než 1 a ve většině případů je prakticky nižší než 0,9, vzhledem k θ (což je maximální úhel dopadu světla pro imerzní fotolitografii, s použitím vody například okolo θ = 65°).

k je index zavislý na konkrétním zařízení pro fotolitografii. Je to v podstatě soubor technických prostředků dnes umožňující nasazení „suché“ DUV litografie i za hranicí vlnové délky použitého záření. Několik technologií a metod, které slouží k tomuto účelu, je popsáno níže.

Čím kratší je tedy vlnová délka použitého záření a čím vyšší je numerická apertura projekčních čoček zároveň s vyšším refrakčním indexem fotorezistu a kapaliny samotné, tím vyšší může být rozlišení.


DUV fotolitografie

Neboli (Deep UltraViolet) fotolitografie. V současnosti se při výrobě procesorů běžně používá vlnové délky 193 nm. Předpokládal se i přechod na vlnovou délku 157 nm před nasazením náročné EUV. Intel například před řadou let počítal s jejím nasazením u 90 nm výrobního procesu, později došlo k odložení na 65 nm, ale po mnoha problémech byla zcela zavržena ve prospěch dalších technologií (osvědčené fotolitografii o vlnové délce 193 nm) a později EUV, která bude nevyhnutelně následovat během několika let.

Protože vlnová délka již dávno překročila hranice velikosti výrobní technologie a „velikost“ vzorů, které se pomocí této vlnové délky tvoří. Následkem je řada deformací a nepřesností oproti původnímu záměru a vzorům na fotolitografické masce. Proto je dnes nutné používat řadu technik, které takto vzniklé problémy potlačují. Mezi několik „chytrých“ metod používaných v moderní DUV fotolitografii patří například:


Optical Proximity Correction

Metoda optické korekce je založená na úpravě fotolitografické masky takovým způsobem, aby část, která bude námi cíleně ozářena, měla přesně požadovaný tvar. Díky řadě optimalizací masky se minimalizuje zkreslení a potlačují nedostatky současné DUV fotolitografie.

Phase Shift Mask

Jedná se o jednu z technik ke zvýšení rozlišovacích schopností DUV fotolitografie. Využívá interference a změny fáze k zlepšení kontrastu. Lze s ní tvořit extrémně malá hradla.

Double Exposure

Technika dvojitého ozáření. Jak již název napovídá, je založena na efektu dvojitého ozáření waferu. Ačkoliv tato metoda přináší z hlediska výstupu velice dobré výsledky, z nutnosti dvojitého ozáření plyne poloviční výstup waferů za hodinu (WPH, Wafers Per Hour) a navíc je nutné mít pro každé ozáření vlastní fotolitograficku masku. Je tedy snaha tuto metodu využívat co nejméně (ačkoliv s každou další generací procesorů se tyto pokročilé metody fotolitografie využívají stále častěji).

Kromě přibývajícího počtu masek (které jsou s každou generací záření pro fotolitografii dražší), toto je jedna z těch finančně náročnějších metod, které výrobu prodražují. Všechny tyto metody mají své klady i zápory a jsou více či méně běžně používány. Dalším z kroků k prodloužení života DUV fotolitografie s vlnovou délkou 193 nm je...


Imerzní fotolitografie

Jinak také řečená „ponořená“ fotolitografie. Ta řeší problémy současné DUV fotolitografie s vlnovou délkou 193 nm pokrytím waferu tenkou vrstvou vody nebo jiné vhodné kapaliny s požadovanými vlastnostmi. Tato kapalina vyplní mezeru mezi povrchem waferu a samotnou optikou fotolitografického zařízení. Na tuto kapalinu je kladena řada nároků a zcela jim vyhovuje jen pár tekutin, včetně například extrémně čisté vody. Mezi problémy „ponořené“ fotolitografie patří například bublinky v kapalině, špatné pokrytí určitých oblastí waferu, mikropřemostění nebo například omezená rychlost ozařování.

Imerzní fotolitografie se v současnosti z oblasti testování začíná posouvat do praxe. Řada výrobců fotolitografických zařízení, včetně lídra v oboru ASML, již dodává zařízení ke zpracování waferů „mokrou“ cestou.

Kromě výzkumu v oblasti imerzní litografie nadále dochází k vývoji lepších fotorezistů a kapalin pro tento typ litografie (hledají se sloučeniny a kapaliny s co nejvyšším refrakčním indexem, případně příměsi, které zvyšují refrakční index vody a zároveň negativně příliš neovlivňují pohlcování záření). Dochází také k zlepšování vlastností optiky pro imerzní fotolitografická zařízení. Mezi nejvýznamnější firmy v tomto oboru patří Carl Zeiss SMT. Níže můžeme vidět výsledky experimentální mokré fotolitografie s upravenými čočkami od Carl Zeiss SMT na zařízení AT:1150i od ASML z roku 2003 v kombinaci s 90 nm výrobním procesem (v případě 65 nm výrobní technologie, dokonalejších čoček, kapaliny a fotorezistu jsou rozdíly ještě daleko výraznější). Zde se jedná o pouhou ukázku vlivu DOF na kvalitu výstupu.

Hloubka ostrosti (DOF, Depth Of Focus) má v případě fotolitografie vliv na toleranci zaostření. Prakticky jde o to, kdy je obraz ještě dostatečně ostrý a kdy se na ozařovaném waferu již začnou projevovat vady. V případě imerzní fotolitografie je DOF při stejném NA vyšší, takže je možné dosáhnout lepšího zaostření a pokud dojde nějakým způsobem k „rozostření“, poskytuje imerzní fotolitografie vyšší tolerance rozostření.

S nasazením imerzní fotolitografie se počítá od 45 nm výrobní technologie. Značné pokroky a stálé rozšiřování možností imerzní fotolitografie (s použitím lepšího fotorezistu, dokonalejších čoček a vhodnější kapaliny) nasvědčují tomu, že ji bude možné použít i v případě 32 nm výrobní technologie. Právě začátkem letošního roku se IBM podařilo dosáhnout mety pod 32 nm, konkrétně 29.9 nm právě s pomocí imerzní fotolitografie a vlnové délky 193 nm. Použito bylo fotorezistu, čocek a kapaliny s refrakčním indexem okolo 1.6, což ještě ponechává možnosti pro další zlepšení. Nasazení imerzní fotolitografie s vlnovou délkou 193 nm je u 32 nm výrobního procesu možné, v případě 22 nm je velice nepravděpodobné (ačkoliv v kombinaci s vlnovou déknou 157 nm by bylo 22 nm zřejmě dosažitelných). Tato vlnová délka se nicméně potýká s řadou problémů, zejména v oblasti vhodných kapalin a materiálů. Kapalina použitá pro imerzní fotolitografii musí mít vhodný refrakční index, blízký indexu použitého fotorezistu a nízký absorbční koeficient (pod 0.2-0.4 cm^-1), který v případě vody a vlnové délky pod 185 nm rychle stoupá (pro vlnovou délku 193 nm je pod 0.04 cm^-1).

I přes řadu problémů, jak se zatím zdá, bude možné přechod na kratší vlnovou délku ještě o pár let odložit. Ačkoliv jsou zvažovány všechny možnosti, nejpravděpodobnější nástupcem 193 nm fotolitografie bude právě EUV...


EUV litografie

EUV (Extreme UltraViolet) litografie je proces používání ultrafialového světla s extrémně krátkou vlnovou délkou, nejčastěji 13,5 nm. S EUV již delší dobu experimetuje řada firem, jako například Intel, IBM ve spolupráci s AMD, ASML a řada dalších firem. Od ASML je již kit pro experimentální EUV litografii dostupný. K testování chce podobné zařízení během roku 2007 dodat na trh například i firma Kodak. EUV litografie je stále ve vývoji a před jejím komerčním nasazením pro výrobu čipů bude nutné vyřešit ještě řadu technických problémů. Wafery je nutné pomocí EUV litografie zpracovávat ve ultravysokém vakuu (UHV, Ultra High Vacuum), protože záření o této vlnové délce je pohlcováno plyny. Stejný požadavek je kladen na optickou soustavu, protože již nelze použít ani optické čočky – používá se soustava speciálních a z hlediska provedení dokonalých zrcadel. To klade extrémní nároky na cenu a technické provedení takového řešení určeného pro masovou výrobu čipů.

Ačkoliv náklady na fotolitografii i fotolitografické masky stále stoupají, a v případě imerzní fotolitografie a 32 nm výrobního procesu budou ještě neporovnatelně vyšší, v případě EUV litografie je zatím problémem možný výstup waferů za hodinu u současných experimentálních zařízení. Zatímco výstup waferů za hodinu (WPH, Wafers Per Hour) je u současných fotolitografických zařízení řádově 60–150 waferů za hodinu, u prvních experimentálních EUV zařízení je to „pouze“ okolo 1 WPH. To je pro komerční nasazení zatím nedostatečné a výkon zařízení pro EUV litografii bude nutné v tomto směru řádově zvýšit.

S uvedením EUV litografie Intel počítá u 22 nm výrobní technologie, zatím pro rok 2011. Ovšem pokud se samozřejmě podaří udržet tempo přechodu na menší výrobní technologie každé dva roky (současně se změnou architektur, které s tímto trendem počítají).