Новые фотолитографические технологии и перспективы развития

Введение

Новые фотолитографические технологии

Литография следующего поколения, или NGL, – это термин, используемый в производстве интегральных схем для описания технологий литографии, находящихся в разработке и предназначенных для замены существующих методов. Под влиянием закона Мура в полупроводниковой промышленности продолжается уменьшение размеров чипов и критических элементов. Термин применяется к любому методу литографии, использующему свет или пучок частиц с длиной волны меньше, чем у современных технологий, например, рентгеновскую литографию, литографию электронным лучом, литографию сфокусированным ионным лучом и наноимпринт-литографию. Этот термин также может применяться к технологиям, обеспечивающим более высокое разрешение при использовании существующей длины волны света. Многие технологии, ранее относимые к «следующему поколению», вышли в коммерческое производство. Фотолитография в воздушной среде с использованием видимого света, проецируемого через изготовленные вручную фотомаски, постепенно эволюционировала до глубокой УФ-литографии с коррекцией оптической близости, технологией обратной литографии, освещением вне оси, фазосдвигающими масками, двойным и многократным нанесением рисунка. В конце 2010-х годов комбинация этих методов позволила достичь элементов размером около 20 нм с использованием 193-нм лазера ArF в процессах 14 нм, 10 нм и 7 нм, хотя это потребовало дополнительных технологических операций и, следовательно, увеличило стоимость. Экстремальная ультрафиолетовая (EUV) литография с длиной волны 13,5 нм, долгое время считавшаяся основным кандидатом на литографию следующего поколения, начала массовое коммерческое производство в 2018 году. По состоянию на 2021 год компании Samsung и TSMC постепенно внедряли EUV-литографию в свои производственные линии, поскольку замена нескольких технологических этапов одним EUV-этапом стала экономически целесообразной. В начале 2020-х годов многие EUV-технологии все еще находятся в разработке, и предстоит решить множество задач, что позиционирует EUV-литографию как переходную от «следующего поколения» к «современному состоянию». Кандидатами на литографию следующего поколения после EUV являются рентгеновская литография, литография электронным лучом, литография сфокусированным ионным лучом, наноимпринт-литография и квантовая литография. Некоторые из этих технологий переживали периоды популярности, но уступали постоянному совершенствованию фотолитографии. Литография электронным лучом была наиболее популярна в 1970-х годах, но в 1980-х и начале 1990-х годов ее вытеснила рентгеновская литография, а затем, с середины 1990-х по середину 2000-х годов, – EUV-литография. Литография сфокусированным ионным лучом заняла свою нишу в области ремонта дефектов. Популярность наноимпринт-литографии растет, и она может стать наиболее популярным выбором для литографии следующего поколения благодаря своей внутренней простоте и низкой стоимости эксплуатации, а также успеху в секторах светодиодов, жестких дисков и микрофлюидики. Популярность каждого кандидата в NGL во многом зависела от его производительности и стоимости эксплуатации и внедрения. Литография электронным лучом и наноимпринт-литография в основном ограничены производительностью, в то время как EUV-литография и рентгеновская литография – затратами на внедрение и эксплуатацию. Проецирование заряженных частиц (ионов или электронов) через трафаретные маски также широко рассматривалось в начале 2000-х годов, но в конечном итоге столкнулось с низкой производительностью и трудностями реализации.

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.

Проблемы

+Гипотетический сценарий NGL @ 5 нмУзелВедущий производитель чиповОтстающий производитель чиповБез измененийС NGL180 нмKrFKrF 130 нмKrFKrF90 нмArFArF65 нмArFArF45/40 нмArF-иммерсионная литографияArF-иммерсионная литографияArF-иммерсионная литография32/28 нмArF-иммерсионная литографияArF-иммерсионная литография22/20 нмArF-иммерсионная литография, двойное маскирование? Затраты на мультипаттернинг не учитываются16/14 нмArF-иммерсионная литография, двойное маскирование10 нмArF-иммерсионная литография, SADP/тройное маскирование7 нмArF-иммерсионная литография, SADP/SAQP5 нмSAQP + дополнительная литографияNGL Сложность дальнейшего развития оптической литографии была главным аргументом в пользу NGL. Однако ведущий производитель чипов получит значительно меньше выгоды, чем отстающий, из-за огромных дополнительных инвестиций, уже вложенных в развитие оптической литографии до ее текущего уровня. В этом гипотетическом сценарии внедрение NGL позволило бы некоторым производителям микросхем пропустить несколько поколений литографии. Таблица основана на: Файл:Прогресс узлов.png (2016, User:Guiding Light) (CCA SA 3.0 не портирована)

Основные вопросы

Независимо от того, используется ли НГЛ или фотолитография, травление полимера (резиста) является заключительным этапом. В конечном счете, качество (шероховатость), а также разрешение этого травления полимера ограничивают присущее разрешение используемой литографической технологии. Литография следующего поколения также обычно использует ионизирующее излучение, что приводит к образованию вторичных электронов, которые могут ограничить разрешение, эффективно, до > 20 нм. Исследования также показали, что для того, чтобы НГЛ достигла целевых показателей LER (шероховатости края линии), необходимо найти способы контроля таких параметров, как размер полимера, контраст изображения и контраст резиста.

Рыночные вопросы

Вышеупомянутая конкуренция между NGL и последовательным развитием фотолитографии, в которой последняя неизменно побеждает, может быть скорее стратегической, чем технической проблемой. Если бы высокомасштабируемая технология NGL стала легкодоступной, компании, поздно внедряющие передовые технологии, сразу получили бы возможность обойти текущее использование сложных, но дорогостоящих методов фотолитографии, за счет компаний, которые первыми инвестировали в NGL. Хотя это выровняло бы условия конкуренции, это настолько существенно меняет отраслевой ландшафт, что ведущие полупроводниковые компании, вероятно, не захотят этого допустить. Следующий пример прояснит ситуацию. Предположим, компания А производит компоненты с нормой 28 нм, а компания B – с нормой 7 нм, расширяя возможности фотолитографии за счет использования двойного рисунка. Если бы NGL была внедрена для 5-нм техпроцесса, обе компании выиграли бы, но компания А, в настоящее время производящая с нормой 28 нм, выиграла бы больше, поскольку смогла бы сразу использовать NGL для производства компонентов с нормами от 22 нм до 7 нм (пропуская все упомянутые методы многократного рисунка), в то время как компания B выиграла бы только начиная с 5-нм техпроцесса, уже потратив значительные средства на расширение фотолитографии с 22 нм до 7 нм. Разрыв между компанией B, клиенты которой ожидают от нее продвижения передовых технологий, и компанией А, клиенты которой не ожидают столь же агрессивной дорожной карты, будет продолжать увеличиваться по мере задержки внедрения NGL и дальнейшего развития фотолитографии с растущими затратами, что делает внедрение NGL все менее стратегически привлекательным для компании B. С внедрением NGL клиенты также смогут требовать снижения цен на продукцию, изготовленную по передовым технологиям. Это становится особенно очевидным, если учитывать, что каждая техника повышения разрешения, применяемая к фотолитографии, обычно увеличивает ее возможности лишь на одно-два поколения. По этой причине наблюдение о том, что "оптическая литография будет жить вечно", вероятно, окажется верным, поскольку компании, первыми внедряющие передовые технологии, никогда не смогут воспользоваться преимуществами высокомасштабируемых литографических технологий в конкурентной среде. Поэтому существует значительное давление для скорейшего внедрения NGL, но в конечном итоге NGL может быть реализована в виде фотолитографии с более эффективными методами многократного рисунка, такими как направленная самосборка или агрессивное уменьшение разреза.

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.