Жаңа буын фотолитографиялық технологиялар

Кіріспе

Жаңа фотолитографиялық техникалар

Жаңа буын литографиясы немесе NGL – интегралды схемаларды өндіруде қолданылатын, қазіргі технологияларды алмастыруға бағытталған литографиялық технологияларды сипаттау үшін пайдаланылатын термин. Мур заңының ықпалымен жартылай өткізгіш өндірісінде чиптердің мөлшері мен маңызды өлшемдерінің азаюы жалғасуда. Бұл термин қазіргі заманғы техникадан қысқа толқын ұзындығына ие жарық немесе сәуле түрін қолданатын кез келген литографиялық әдіске қолданылады, мысалы, рентгендік литография, электрондық сәулелі литография, фокустық иондық сәулелі литография және нанобедерлік литография. Бұл термин сондай-ақ қолданыстағы жарық толқын ұзындығынан жоғары ажыратымдылықты ерекшеліктерді алуға мүмкіндік беретін әдістерді сипаттау үшін де қолданылады. Көптеген технологиялар, бір кезде «жаңа буын» деп аталған, коммерциялық өндіріске енді, ал ашық ауадағы фотолитография, қолмен салынған фотомаскалар арқылы көрінетін жарықпен, оптикалық жақындық түзету, кері литография технологиясы, осьтен тыс жарықтандыру, фазалық ығысу маскалары, екі рет бедерлеу және көп рет бедерлеуді пайдалана отырып, терең ультракөк сәулелі литографияға дейін бірте-бірте жетті. 2010 жылдардың соңында мұндай әдістердің үйлесімі 193 нм толқын ұзындығы бар ArF эксимер лазерін қолдана отырып, 14 нм, 10 нм және 7 нм процестерінде 20 нм шамасындағы ерекшеліктерге қол жеткізе алды, бірақ бұл өңдеу қадамдарын және тиісінше, шығындарды арттырудың есебінен болды. 13,5 нм экстремалды ультракөк (EUV) литографиясы, ұзақ уақыт бойы жаңа буын литографиясының басты үміткері саналған, 2018 жылы коммерциялық жаппай өндіріске кіре бастады. 2021 жылдан бастап Samsung және TSMC EUV литографиясын өндірістік желілеріне кезең-кезеңмен енгізіп келеді, өйткені бірнеше өңдеу қадамдарын бір EUV қадамымен алмастыру экономикалық тұрғыдан тиімді болды. 2020 жылдардың басында көптеген EUV техникалары әлі де дамытылуда және көптеген қиындықтарды шешу қажет, бұл EUV литографиясын «жаңа буыннан» «қазіргі заманғы технологияға» өтуде деп сипаттауға болады. EUV-ден кейінгі жаңа буын литографиясының үміткерлері рентгендік литография, электрондық сәулелі литография, фокустық иондық сәулелі литография, нанобедерлік литография және кванттық литографияны қамтиды. Осы технологиялардың бірнешеуі танымалдылықтың жоғары-төменді кезеңдерін бастан өткерді, бірақ фотолитографияның үздіксіз жетістіктерімен бәсекелесе алмады. Электрондық сәулелі литография 1970 жылдары ең танымал болды, бірақ 1980 жылдары мен 1990 жылдардың басында рентгендік литография, содан кейін 1990 жылдардың ортасынан 2000 жылдардың ортасына дейін EUV литографиясы оны ығыстырды. Фокустық иондық сәулелі литография ақауларды жөндеу саласында өзіне ерекше орын тапты. Нанобедерлік литографияның танымалдылығы артып келеді және оның қарапайымдылығы мен төменгі пайдалану шығындары, сондай-ақ LED, қатты дискілер және микрофлюидика салаларындағы жетістіктеріне байланысты EUV-ді жаңа буын литографиясы үшін ең танымал таңдау ретінде алмастыруға дайын. NGL үміткерлерінің танымалдылығының өсуі мен төмендеуі олардың өнімділігіне, жұмыс істеу және енгізу шығындарына тікелей байланысты. Электрондық сәуле және нанобедерлік литография негізінен өнімділікпен, ал EUV және рентгендік литография енгізу және пайдалану шығындарымен шектеледі. Зарядталған бөлшектерді (иондар немесе электрондар) штамп маскалары арқылы шығару да 2000 жылдардың басында кеңінен қарастырылды, бірақ ақырында төмен өнімділік пен енгізу қиындықтарына тап болды.

Next generation lithography or NGL is a term used in integrated circuit manufacturing to describe the lithography technologies in development which are intended to replace current techniques. Driven by Moore's law in the semiconductor industries, the shrinking of the chip size and critical dimension continues. The term applies to any lithography method which uses a shorter wavelength light or beam type than the current state of the art, such as X ray lithography, electron beam lithography, focused ion beam lithography, and nanoimprint lithography. The term may also be used to describe techniques which achieve finer resolution features from an existing light wavelength. Many technologies once termed "next generation" have entered commercial production, and open air photolithography, with visible light projected through hand drawn photomasks, has gradually progressed to deep UV immersion lithography using optical proximity correction, inverse lithography technology, off axis illumination, phase shift masks, double patterning, and multiple patterning. In the late 2010s, the combination of many such techniques was able to achieve features on the order of 20 nm with the 193 nm wavelength ArF excimer laser in the 14 nm, 10 nm and 7 nm processes, though at the cost of adding processing steps and therefore cost. 13.5 nm extreme ultraviolet (EUV) lithography, long considered a leading candidate for next generation lithography, began to enter commercial mass production in 2018. As of 2021, Samsung and TSMC were gradually phasing EUV lithography into their production lines, as it became economical to replace multiple processing steps with single EUV steps. As of the early 2020s, many EUV techniques are still in development and many challenges remain to be solved, positioning EUV lithography as being in transition from "next generation" to "state of the art." Candidates for next generation lithography beyond EUV include X ray lithography, electron beam lithography, focused ion beam lithography, nanoimprint lithography, and quantum lithography. Several of these technologies have experienced periods of popularity, but have remained outcompeted by the continuing improvements in photolithography. Electron beam lithography was most popular during the 1970s, but was replaced in popularity by X ray lithography during the 1980s and early 1990s, and then by EUV lithography from the mid 1990s to the mid 2000s. Focused ion beam lithography has carved a niche for itself in the area of defect repair. Nanoimprint's popularity is rising, and is positioned to succeed EUV as the most popular choice for next generation lithography, due to its inherent simplicity and low cost of operation as well as its success in the LED, hard disk drive and microfluidics sectors. The rise and fall in popularity of each NGL candidate has largely hinged on its throughput capability and its cost of operation and implementation. Electron beam and nanoimprint lithography are limited mainly by the throughput, while EUV and X ray lithography are limited by implementation and operation costs. The projection of charged particles (ions or electrons) through stencil masks was also popularly considered in the early 2000s but eventually fell victim to both low throughput and implementation difficulties.

Мәселелер

+Гипотетикалық NGL жағдайы @ 5 нмНодАлдыңғы қатарлы чип өндірушіАртта қалған чип өндірушіӨзгеріс жоқNGL180 нмKrFKrF 130 нмKrFKrF90 нмArFArF65 нмArFArF45/40 нмArF суға батыруArF суға батыру32/28 нмArF суға батыруArF суға батыру22/20 нмArF суға батыру, екі үлгілеу ? Көп үлгілеу шығындарынан бас тарту16/14 нмArF суға батыру, екі үлгілеу10 нмArF суға батыру, SADP/үш үлгілеу7 нмArF суға батыру, SADP/SAQP5 нмSAQP + қосымша литографияNGLОптикалық литографияны жетілдірудің қиындығы – NGL-дің басты артықшылығы болды. Дегенмен, алдыңғы қатарлы чип өндірушіге, оптикалық литографияны қазіргі деңгейге дейін жетілдіруге салған үлкен қосымша инвестицияларға байланысты, артта қалған чип өндірушіге қарағанда пайдасы айтарлықтай аз болады. Бұл гипотетикалық жағдайда NGL енгізу кейбір чип өндірушілеріне бірнеше литографиялық буынды өткізіп жіберуге мүмкіндік береді. :Файл:Тораптың дамуы.png (2016, Пайдаланушы:Guiding Light) (CCA SA 3.0 портталмаған)

Негізгі мәселелер

NGL немесе фотолитография қолданылғанына қарамастан, полимерді (резистті) кесу соңғы қадам болып табылады. Ақырында, осы полимерлік кесудің сапасы (бетеулігі) және ажыратымдылығы литография техникасының ішкі ажыратымдылығын шектейді. Келесі буын литографиясы көбінесе иондаушы сәулеленуді пайдаланады, бұл екіншілік электрондардың пайда болуына алып келеді, олар ажыратымдылықты тиімді түрде 20 нм-нен жоғары деңгейге дейін шектей алады. Сондай-ақ зерттеулер көрсеткендей, NGL-дің LER (сызық жиегінің бетеулігі) көрсеткіштеріне жету үшін полимердің мөлшері, кескіннің контрасты және резисттің контрасты сияқты факторларды басқару жолдары табылуы керек.

Нарықтық мәселелер

Жоғарыда аталған NGL және фотолитографияның үнемі жалғасып жатқан кеңейтілуі арасындағы бәсекелестік, соңғысы тұрақты түрде жеңіске жететін болса, техникалық емес, стратегиялық мәселе болуы мүмкін. Егер жоғары масштабталатын NGL технологиясы қолжетімді болса, өнімділіктің алдыңғы шегін қабылдағандар қазіргі кезде қолданылып жүрген, бірақ қымбат фотолитографиялық техникалардан дереу бас тарта алады, бұл алдыңғы қатарлы технологияны алғаш қабылдағандардың есебінен болады, олар NGL-ге негізгі инвестиция жасағандар. Бұл жағдай өнеркәсіп ландшафтын бұзып, бәсекелестік ортаны теңестіргенімен, жетекші жартылай өткізгіш компаниялар мұндай жағдайдың тууына ынталанбауы мүмкін. Мысалы, A компаниясы 28 нм-ге дейін, ал B компаниясы 7 нм-ге дейін өндіріс жүргізеді, соңғысы қос үлгіні қолдану арқылы фотолитографиялық мүмкіндіктерін кеңейтеді. Егер NGL 5 нм торабы үшін қолданылса, екі компания да пайда көреді, бірақ қазіргі уақытта 28 нм торабында өндіріс жүргізіп жатқан A компаниясы одан да көп пайда көреді, себебі ол NGL-ді 22 нм-ден 7 нм-ге дейінгі барлық жобалау ережелерінде (барлық көп үлгілі өндірістің орнына) дереу пайдалана алады, ал B компаниясы тек 5 нм торабынан бастап пайда көреді, өйткені фотолитографияны 22 нм процесінен 7 нм-ге дейін кеңейтуге көп қаражат жұмсады. NGL кешіктіріліп, фотолитографияның кеңейтілуі қымбатқа түсетін сайын, B компаниясының клиенттері одан алдыңғы қатарда болуын күтеді, ал A компаниясының клиенттері соншалықты агрессивті жол картасын күтпейді, сондықтан екі компания арасындағы алшақтық арта береді, бұл NGL-ді енгізуді B компаниясы үшін стратегиялық тұрғыдан азырақ тартымды етеді. NGL енгізілген жағдайда, клиенттер озық буында жасалған өнімдерге төмен баға талап етуге мүмкіндік алады. Бұл фотолитографияға қолданылатын әрбір ажыратымдылықты арттыру әдісі, әдетте, мүмкіндікті бір немесе екі буынға ғана кеңейтетінін ескергенде айқын болады. Осы себепті "оптикалық литография мәңгі өмір сүреді" деген пікір, алдыңғы қатарлы технологияны ерте қабылдағандар бәсекелестік ортада жоғары масштабталатын литографиялық технологиялардан ешқашан пайда таппайтынын ескере отырып, шындыққа жақын болуы мүмкін. Сондықтан NGL-ді мүмкіндігінше тезірек енгізуге үлкен қысым бар, бірақ NGL, ақырында, бағытталған өзін-өзі құрастыру немесе агрессивті кесуді азайту сияқты тиімді көп үлгілі өндіріспен фотолитография түрінде жүзеге асырылуы мүмкін.

The above mentioned competition between NGL and the recurring extension of photolithography, where the latter consistently wins, may be more a strategic than a technical matter. If a highly scalable NGL technology were to become readily available, late adopters of leading edge technology would immediately have the opportunity to leapfrog the current use of advanced but costly photolithography techniques, at the expense of the early adopters of leading edge technology, who have been the key investors in NGL. While this would level the playing field, it is disruptive enough to the industry landscape that the leading semiconductor companies would probably not want to see it happen. The following example would make this clearer. Suppose company A manufactures down to 28 nm, while company B manufactures down to 7 nm, by extending its photolithography capability by implementing double patterning. If an NGL were deployed for the 5 nm node, both companies would benefit, but company A currently manufacturing at the 28 nm node would benefit much more because it would immediately be able to use the NGL for manufacturing at all design rules from 22 nm down to 7 nm (skipping all the said multiple patterning), while company B would only benefit starting at the 5 nm node, having already spent much on extending photolithography from its 22 nm process down to 7 nm. The gap between Company B, whose customers expect it to advance the leading edge, and Company A, whose customers don't expect an equally aggressive roadmap, will continue to widen as NGL is delayed and photolithography is extended at greater and greater cost, making the deployment of NGL less and less attractive strategically for Company B. With NGL deployment, customers will also be able to demand lower prices for products made at advanced generations. This becomes more clear when considering that each resolution enhancement technique applied to photolithography generally extends the capability by only one or two generations. For this reason, the observation that "optical lithography will live forever" will likely hold, as the early adopters of leading edge technology will never benefit from highly scalable lithography technologies in a competitive environment. There is therefore great pressure to deploy an NGL as soon as possible, but the NGL ultimately may be realized in the form of photolithography with more efficient multiple patterning, such as directed self assembly or aggressive cut reduction.