Podręcznik

Skalowanie – łatwiej powiedzieć (i policzyć teoretycznie), trudniej zrobić. O możliwościach technologicznych redukcji wymiarów tranzystorów decyduje fotolitografia. W części I, w punkcie 4.1.5, omówiona była na najprostszym przykładzie naświetlania płytki półprzewodnika pokrytej fotorezystem przez leżącą na tej płytce maskę. Taki sposób naświetlania stosowano tylko w początkowym okresie rozwoju mikroelektroniki. Jak wspomniano w części I, od dziesiątków lat stosuje się fotolitografię projekcyjną. Obraz maski jest wyświetlany na płytkę przez obiektyw, na podobnej zasadzie, jak w zwykłym rzutniku do przezroczy lub powiększalniku fotograficznym. Urządzenie do naświetlania zwane jest potocznie steperem, ponieważ naświetla nie całą płytkę równocześnie, lecz kolejne układy na płytce („step and repeat” – „zrób krok i powtórz”. Aby osiągnąć 

Rysunek 5‑1. Zmiany długości kanału w układach CMOS i zmiany długości fali światła stosowanego w fotolitografii

maksymalną możliwą zdolność rozdzielczą, stosuje się światło monochromatyczne o małej długości fali – ultrafiolet. Kierując się zasadami klasycznej optyki uważano, że nie da się precyzyjnie odwzorować kształtów o wymiarach porównywalnych lub mniejszych od długości fali światła służącego do naświetlania. Granicę tę jednak udało się przekroczyć, co pokazuje rysunek 5-1.
Jak widać, tranzystory o długościach kanału rzędu kilkunastu nanometrów są wytwarzane przy zastosowaniu procesu fotolitograficznego o długości fali 193 nanometry. Jak to jest możliwe? Osiąga się to przez zastosowanie

• wstępnego zniekształcania obrazu na maskach,
• masek z kontrastem fazowym,
• fotolitografii immersyjnej,
• podwójnego naświetlania.

Wstępne zniekształcanie obrazu (ang. optical proximity correction, OPC) polega na celowej deformacji kształtów na maskach, która kompensuje zniekształcenia powodowane dyfrakcją, interferencją, a także innymi czynnikami (na przykład zależnością szybkości procesów trawienia fotorezystu od kształtu i wymiarów trawionych obszarów i od ich otoczenia). 

Rysunek 5‑2. Zasada korekcji (wstępnego zniekształcania) obrazu na maskach: (a) pożądany kształt paska polikrzemu, (b) kształt na masce i kształt otrzymany bez korekcji, (c) kształt na masce z korekcją i kształt otrzymany

Idea jest pokazana na rysunku 5-2. Wstępne deformacje obrazów na maskach są wprowadzane przez odpowiednie programy komputerowe, konstruktor nie musi o tych deformacjach wiedzieć. 
Maski z kontrastem fazowym wykorzystują zjawisko interferencji do podniesienia kontrastu obrazu na granicy obszarów. Takie maski nie są płaskie. W pobliżu krawędzi, które mają być ostro odwzorowane, występują wypukłości i wgłębienia, dzięki którym promienie ultrafioletowe docierające w pobliże krawędzi różnymi drogami mają różne fazy. Tam, gdzie fotorezyst ma być naświetlony, w wyniku interferencji następuje wzrost natężenia fali świetlnej. W obszarach, które mają pozostać nie naświetlone, interferencja powoduje wygaszenie fali świetlnej.

Fotolitografia immersyjna polega na zanurzeniu naświetlanej płytki z fotorezystem w cieczy o wysokim współczynniku załamania światła. W takiej cieczy długość fali świetlnej jest mniejsza. Cieczą taką może być po prostu woda o odpowiednio wysokiej czystości.

Podwójne naświetlanie (ang. double patterning) polega w uproszczeniu na tym, że proces naświetlania wykonywany jest dwukrotnie, przy zastosowaniu dwóch różnych masek. Zbiór wszystkich obiektów geometrycznych definiowanych w danym procesie fotolitografii dzielony jest na dwa podzbiory, obiekty z jednego z nich trafiają na jedną z masek, z drugiego – na drugą. Dzięki temu na każdej z masek odległości między obiektami są większe, wymagania dla rozdzielczości fotolitografii są mniejsze, a po wykonaniu obu procesów naświetlania i wywołaniu fotorezystu otrzymujemy komplet obiektów. 

Wymienione wyżej sposoby odwzorowywania kształtów o wymiarach znacznie mniejszych od długości fali światła (ang. resolution enhancement techniques, RET) bardzo utrudniają projektowanie topografii układów. Pojawiają się liczne nowe skomplikowane geometryczne reguły projektowania, ich liczba w zaawansowanych technologiach sięga tysiąca i więcej. Bardzo poważnie rośnie także koszt przygotowania kompletu masek produkcyjnych. 

Dlaczego zatem nie zastosować jeszcze krótszych fal światła? Od wielu lat trwają prace nad fotolitografią przy zastosowaniu promieniowania o długości fali 13,5 nm (ang. extreme UV, EUV). Urządzenie do naświetlania EUV działa na zupełnie innej zasadzie niż wcześniej stosowane urządzenia do fotolitografii. Po pierwsze nie nadaje się żadne ze stosowanych wcześniej źródeł światła. Po drugie naświetlanie musi odbywać się w próżni, bo powietrze bardzo silnie tłumi promieniowanie o tak krótkiej fali. Po trzecie nie jest znany żaden materiał optyczny przezroczysty dla tak krótkofalowego promieniowania, więc nie wchodzi w grę żaden obiektyw, układ optyczny urządzenia do fotolitografii składa się wyłącznie ze zwierciadeł o niezwykle wysokiej precyzji wykonania.

Rysunek 5‑3. Schemat urządzenia EUV do fotolitografii

Poglądowy schemat urządzenia do fotolitografii EUV przedstawia rysunek 5-3. Źródłem promieniowania jest plazma powstająca pod wpływem naświetlania światłem lasera o wielkiej mocy mikroskopijnych kropelek ciekłej cyny, które są w sposób ciągły dostarczane do specjalnej komory. Wzbudzone w ten sposób promieniowanie jest ogniskowane na masce przez skomplikowany system zwierciadeł, maska jest również zwierciadlana, a nie przezroczysta, po odbiciu od maski promieniowanie zawierające obraz maski jest rzutowane przez drugi system zwierciadeł na naświetlaną płytkę. O stopniu komplikacji tej technologii i koszcie urządzenia EUV niech świadczy fakt, że ma ono wielkość dwupiętrowego domu, a do transportu wymaga rozmontowania na części składowe.

Urządzenia takie są od kilku lat produkowane (w europejskiej firmie ASML), ale nie osiągnęły dotąd wydajności dostatecznej do zastosowań w seryjnej produkcji. Problem w tym, że w układzie optycznym urządzenia EUV do naświetlanej płytki dociera tylko kilka procent energii promieniowanej ze źródła. Na każdym zwierciadle tracone jest bowiem około 30% tej energii. Naświetlanie każdej płytki trwa więc długo, zbyt długo z punktu widzenia opłacalnej ekonomicznie przepustowości linii produkcyjnej. Z fotolitografią EUV związane są też dalsze problemy. Potrzebny jest inny od obecnie używanych fotorezyst, o wyższej czułości. Potrzebne są środki ochrony masek przed zanieczyszczeniami, bowiem pyłek o średnicy jednego nanometra na masce będzie odwzorowany na naświetlanej płytce powodując defekt w układzie scalonym. Produkowane obecnie (początek roku 2019) urządzenia do fotolitografii EUV są na razie wykorzystywane tylko do eksperymentów i przygotowywania przyszłych procesów produkcyjnych. Jednak producenci opracowujący najbardziej zaawansowane technologie mają nadzieję, że wprowadzenie do produkcji fotolitografii EUV poważnie obniży koszt produkcji, bowiem zmniejszy się liczba masek i operacji fotolitografii (nie będzie potrzeby podwójnego naświetlania), a same maski staną się tańsze, uproszczone będzie bowiem ich przygotowanie. Czy i kiedy tak się stanie? Na razie trudno przewidzieć.