Puslaidininkinių prietaisų pramonė jau ruošia dirvą naujos kartos litografijai. Tačiau ir senoji yra parengusi kelias technologijos gudrybes, kurį laiką padėsiančias žengti koja kojon su progresu

   Puslaidininkinių prietaisų pramonę, kurios apyvarta per metus vertinama 140 mlrd. JAV dolerių, valdo Moore`o dėsnis. Pagal šį kelis dešimtmečius stebėtą empirinį dėsnį, puslaidininkinių lustų planariųjų elementų tankis padvigubėja kas pusantrų metų. Kad šis dėsnis galiotų ir ateityje, visos puslaidininkių technologijos grandys turi tobulėti ir veikti sutartinai. Antai ultravioletinei fotolitografijai talkina eksimeriniai lazeriai, gamintojams padedantys žengti mažesnių matmenų link. Šiais laikais ultravioletinės fotolitografijos priemonėmis galima nesunkiai išryškinti fotorezisto paveikslą, sudarytą iš milijonų šimtų mikronų ilgio ir mažiau nei 0,2 mm pločio linijų.

   Elektronikos vystymosi patirtis sako, kad ryškiausi pasikeitimai įvyks fotolitografijoje. Dabartiniuose žingsniniuose fotolitografijos įrenginiuose naudojama 248 nm bangos ilgio lazerio spinduliuotė. Tačiau prognozuojama, kad iki šio dešimtmečio pabaigos naujausios fotolitografijos priemonės veiks 13,4 nm bangos ilgiu. Ši spausdintinės grandinės paveikslo formavimo technologija buvo pavadinta kietojo ultravioletinio spinduliavimo technologija (extreme-ultraviolet, toliau - EUV). Kaip ir jos pirmtakai, ji naudos ultravioletinį spinduliavimą, tačiau paveikslas bus formuojamas vakuume, o spinduliuotės pluoštui sufokusuoti bus naudojami ne šviesos lūžimo, bet atspindžio optiniai komponentai.

   Kaip pažymėjo Ostino (Teksaso valstija) koncerno International Sematech litografijos padalinio direktorius Tony Yenas, šią technologiją numatoma taikyti 2007 m., bet paties T. Yeno nuomone, ji pasirodys ne anksčiau 2008-2009 m.

   Ne visi tiki, kad EUV technologija (beje, esama nuomonės, kad ji yra labiau rentgeno, o ne ultravioletinio spinduliavimo sritis) iki to laiko bus parengta. Yra ir abejojančių, ar ji išvis reikalinga. Optinės litografijos gynėjų pozicija aiški - jau dabar lustų gamintojai formuoja grandinių paveikslus, kurių linijos siauresnės už eksponavimo bangos ilgį. Šios technologinės gudrybės (subwavelength litography) taikymo ribos gali būti gerokai praplėstos. Antai Leksingtono Masačusetso Technologijos instituto Linkolno laboratorijos darbuotojas Mike`as Fritze`as, naudodamas 248 nm bangos ilgio ultravioletinės spinduliuotės šaltinį, suformavo 9 nm pločio liniją (plačiau: Fazės poslinkio technologija//Ryšių technikos naujienos, 2002, Nr. 1). Palyginimui galima pasakyti, kad naujausių komercinės elektronikos gaminių siauriausių elementų matmuo yra apie 70 nm.

   Pirmąkart paskelbtas 2001 m., M. Fritze`o eksperimentinis rezultatas buvo pasiektas formuojant atskirą liniją. Tačiau M. Fritze`o nuomone, šį dešimtmetį bus parengta technologija, praplėsianti optinės litografijos galimybes.

   Priešingoje kontinento pakrantėje, Los Andželo Kalifornijos universiteto profesorius Elis Yablonovitch`ius nusiteikęs netgi dar optimistiškiau. Paklaustas, kur yra optinės litografijos riba, jis atsakė, kad jos visai nėra. E. Yablonovitch`ius tvirtina, kad žmonės neteisingai interpretuoja Relėjaus kriterijų. Priminsime, kad Relėjaus kriterijus apibrėžia mažiausią tarpą (prošvaisą) tarp dviejų linijų, kuriam esant jas dar galima atskirti vieną nuo kitos. Šis tarpas tiesiog proporcingas bangos ilgiui. Tarpui tarp linijų mažėjant, jos susilieja į vieną. Taigi Relėjaus sąryšis linijų pločio neriboja, o tik paveikslo kontrastingumą - perėjimą nuo tamsios dėmės prie šviesios. "Jei egzistuoja priemonės šiam kontrastingumui didinti, tuomet galima drąsiai žvelgti į ateitį", - tvirtina E. Yablonovich`ius.

Atspindžio komponentų optika - ar ne per anksti?

   Turint omeny Relėjaus kriterijų, atrodytų, kad vienintelis būdas didinti lusto elementų tankį (mažinti tarpą tarp linijų) - mažinti eksponavimo šviesos bangos ilgį. Šiuo tiesiausiu keliu puslaidininkinių prietaisų technologija iki šiol ir žengė. Plačiai naudojamą 248 nm litografiją (ultravioletinės spinduliuotės šaltinis - KrF lazeris) jau keičia 193 nm litografija (ArF lazeris). Anot T. Yen`o, iki 2005 m. pabaigos bus parengta naujausia 157 nm optinė litografija (F₂ lazeriai). Lęšiai ir kiti optikos elementai, šių bangos ilgių šviesą fokusuojantys į puslaidininkio plokštelę, gaminami iš medžiagų, kurios yra skaidrios šių bangos ilgių spinduliuotei.

   Deja, 157 nm artimiausias kaimynas yra daugiau negu dešimteriopai mažesnio bangos ilgio - 13,4 nm - spinduliuotė. Nuo čia jau prasideda vadinamoji kietosios ultravioletinės spinduliuotės technologija, kuria bus galima atitinkamai sumažinti tarpą tarp paveikslo linijų. Visa bėda, kad šiam bangos ilgiui jau nebus įmanoma naudoti skaidriųjų optikos elementų. Kaip pasakė kompanijos Corning Inc. (Niujorko valstija) rinkodaros vadybininkas Bobas Sellas, teks pereiti nuo šviesos lūžimo prie atspindžio optikos (Corning kompanija puslaidininkinių prietaisų pramonei tiekia optinių medžiagų ruošinius, kurie naudojami fotolitografijos priemonėms gaminti). Iš tikrųjų, tokiam bangos ilgiui nėra skaidri nė viena medžiaga. Šio bangos ilgio spinduliuotę intensyviai sugeria net oras, tad visas technologinis procesas turėtų būti vykdomas tik vakuume.

   Technologai, perėję prie atspindžio optikos komponentų, susidurs su įvairiais keblumais. Iki šiol naudotų optinių medžiagų skaidrumas viršija 99 proc., tad beveik visas šaltinio generuojamas šviesos srautas pasiekia taikinį. Šviesos, o ypač 13,4 nm bangos ilgio, atspindžio koeficientas yra kitoks. Šiuo atveju fotorezistą pasieks tik apie 70 proc. generuojamos šviesos srauto. Atitinkamai padidės eksponavimo trukmė, sumažės įrangos našumas bei atspindžio optikos komponentų eksploatacijos trukmė ir galiausiai pakis spinduliuotės šaltinio - lazerio - kaupinimo sąlygos.

   B. Sellas informavo, kad kompanija Corning puslaidininkių technologijos rinkai jau rengiasi siūlyti būsimosios technologijos medžiagą, pavadinimu ULE. Šiuo metu iš jos gaminami didžiųjų teleskopų atspindžio komponentai. Mikroelektronikos pramonėje ji iki šiol dar nebuvo naudojama, tačiau B. Sellas patikino, kad "viskas bus gerai".

   Tačiau ne visi tiki, kad vakuume naudojama atspindžio optika, veikianti drauge su 13,4 nm spinduliuotės šaltiniu, yra teisinga išeitis. Yra teigiančių, kad galima alternatyva būtų M. Fritze`o technologijos įdirbis, papildytas kontrastingumo didinimo metodu bei difrakcijos poveikio kompensavimu (optical proximity correction).

   Šviesos difrakcijos poveikis kompensuojamas panašiomis į raidžių užkartas detalėmis, kuriomis kaukės papildomos linijų galuose ir kampuose. Gautas fotoreziste išryškintas vaizdas būna artimas suprojektuotam.

   Kai kada šalutiniai optiniai efektai gali būti ir naudingi. Pvz., šviesos interferencinį vaizdą sudaro šviesūs ir tamsūs ruožai. Pastarieji gali būti panaudoti formuojant paveikslų elementus, kurių matmenys lygūs pusei eksponavimo bangos ilgio. Šia šviesos savybe ir buvo pasinaudota gaminant lustus su mažiausiomis lauko tranzistorių užtūromis.

   Mažiausią paveikslo elementą galima mažinti tolygiai ėsdinant fotorezisto linijas. Šia ir kitomis technologijomis atskiras fotorezisto linijas galima susiaurinti iki labai mažų matmenų - kol nepraras mechaninio atsparumo.

   "Viskas labai gražu, kol vykdai vien tiriamuosius darbus, kol nereikia suformuoti didelio tankio integrinio grandyno", - sako Fritze`as.

   Fritze`o laboratorija, sukūrusi vadinamąsias fazės poslinkio kaukes, buvo pirmoji, kuri fotolitografijai panaudojo šviesos interferencijos efektą. Dabar šia fazės poslinkio technologija puslaidininkių pramonė jau naudojasi, masiškai gamindama naujausius mikroprocesorius. Fazės poslinkio kaukes (ir jų programinę įrangą) suprojektavo San Chosė kompanija Numerial Technologies Inc. (Kalifornijos valstija).

   Taigi, atskiros linijos gali būti suformuotos kaip norima mažos. Padėtis iš esmės keičiasi, jei turime tankų šių linijų raizginį. Tokiu atveju galima taikyti dvigubo fotorezisto eksponavimo metodą. Taikant šį metodą, viena elementų dalis yra vienoje fazės poslinkio kaukėje, kita dalis - kitoje. Tokiu būdu galima pasiekti didesnio paveikslo kontrastingumo ir tuo pačiu sumažinti tarpą tarp elementų.

   "Dvigubo eksponavimo metodas prilygsta bangos ilgio mažinimui du kartus", - sako E. Yablonovitch`ius.

   Ši metodika gali būti išplėsta iki trijų ar daugiau ekspozicijų. Jei dvigubą eksponavimą derinsime su didesnės apertūros kauke, elementų tankį galėsime padidinti netgi daugiau negu du kartus. O vieno sluoksnio elementų tapatinimas yra ne sudėtingesnis už puslaidininkių technologijoje dažnai praktikuojamą kelių paveikslo sluoksnių tapatinimą.

   Kaip pasakė Saniveilo (Kalifornijos valstija) kompanijos JSR Micro technikos vadybininkas Markas Slezakas, pakartotiniai eksponavimai galėtų pakenkti fotorezistui. Juk vieno paveikslo elementai paskirstyti tarp dviejų ar daugiau kaukių. Be to, vienoje kaukėje dažnai būna svarbiausi, bet atskiri elementai, tuo tarpui kita kauke formuojami stambesni, bet tankiau išsidėstę elementai. Fotolitografijos proceso metu abi kaukės sąveikauja su tomis pačiomis priemonėmis ir šviesos šaltiniu. Taigi fotorezistas registruos ne tik abiejų kaukių paveikslo skirtumus, bet ir bet kuriuos skirtumus, susijusius su skirtingų elementų visuma.

   "Skirtingi kaukių ypatumai gali paveikti fotorezistą, pvz., kad ir rūgšties difuzijos šioje medžiagoje savybes, - tvirtina Slezakas. - Tam atvejui svarbu turėti atitinkamų savybių fotorezistą".

   Rūpesčių gali kilti ir dėl rezisto šalinimo metodų. Šie metodai yra cheminiai, nepriklausantys nuo spinduliavimo šaltinio, bet cheminių procesų ir šaltinio sąveika gali būti sudėtinga ir į ją tektų atsižvelgti.

   Numerical Technologies rinkodaros direktoriaus Tracy Weed`o žodžiais, teks derinti fazės poslinkio ir šviesos difrakcijos kompensavimo ypatybes su smulkiausiomis viso gamybos proceso detalėmis.

   "Norint palaikyti gamybos procesą, teks sukurti sudėtingą skirtingų jos grandžių "grįžtamojo ryšio" grandinę", - tvirtina jis.

   Visgi, T. Weed`o nuomone, artimiausiu metu optinė fotolitografija išliks pagrindiniu puslaidininkių technologijos ramsčiu. Jis pastebėjo, kad optinės litografijos "gyvenimą" pailgins nauja cheminio mechaninio poliravimo technologija, kuria bus galima formuoti mažesnio fokusavimo gylio paveikslus.

   Cheminis mechaninis poliravimas yra svarbi priemonė Relėjaus apribojimui įveikti. Be bangos ilgio, mažiausią dviejų linijų prošvaisą apibrėžia ir pluošto skaitinė apertūra. Standartiniame fotolitografijos procese spinduliuotės pluoštas sklinda ore arba inertinėse dujose. Jei šviesos sklidimo aplinką pakeistume reikiamų savybių skysčiu, pluošto skaitinė apertūra ir paveikslo kontrastingumas padidėtų, o prošvaisą būtų galima sumažinti. Galima pastebėti, kad ši technologinė "gudrybė" jau daug metų naudojama optinėje mikroskopijoje.

   Tiesa, didinant skaitinę apertūrą, į "matematinį" tašką traukiasi ir fokusuojamas pluoštas, todėl sugriežtėja planariškumo sąlygos, o tokios naujovės kaip cheminis mechaninis poliravimas tampa labai aktualios.

   Spinduliuotės pluošto kelyje esantis skystis gamintojams, be abejo, sukels papildomų rūpesčių. "Dėl skysčių gali atsirasti srovės bei sūkuriai ir su jais susiję šviesos iškraipymai, tačiau tai yra neabejotinai geriau už keblumus, dirbant su daugiasluoksnėmis atspindžio kaukėmis, kurios turėtų būti itin plokščios ir vienalytės", - sako T. Weedas.

   Atsakymas į klausimą, kur yra optinės litografijos riba, glaudžiai susijęs su ekonominiais vertinimo svertais. Naujos technologijos šalininkų ir priešininkų argumentai bei kontrargumentai sukasi apie pinigus: kas pigiau - daugiapakopis eksponavimas dabartiniais šviesos šaltiniais ar naujų šviesos šaltinų ir reikiamų infrastruktūrų kūrimas.

   Daugiapakopis eksponavimas reiškia, kad bus daugiau kaukių. Beje, kaukių padaugės tik svarbiausiems sluoksniams, bet tai vis tiek apsunkins visą gamybos procesą, nes jų gali padaugėti keturgubai ir dar daugiau. Kiekvienai kaukei reikės atskiro eksponavimo ir atskiros kelionės po litografijos priemones. Akivaizdu, kad dėl to sumažės darbo našumas ir galiausiai padidės produkcijos savikaina.

O vis dėlto - kaip bus?

   "Pirmiausia, vienos rūšies lustams turėsite kelias kaukes, kurios yra labai brangios, - sako T. Yenas. - Dirbdami keliomis kaukėmis, sumažinsite darbo našumą ir gaminio išeigą. Dėl to gali smarkiai padidėti savikaina".

   Aišku ir tai, kad visiškai naujo spinduliuotės šaltinio bei infrastruktūros kūrimas irgi nepigus. Reikės ir suprojektuoti bei pasigaminti optikos komponentus bei modifikuoti fotorezistą. Dar reikės įvertinti, kaip naujas fotorezistas reaguos į patį procesą ir ar bus suderinamas su nauju spinduliuotės šaltiniu.

   E. Yablonovitch`ius šmaikštauja: "Jei bangos ilgį sumažinsite per pusę, ar manote, kad savikaina padidės dvigubai? Ne, ji gali padidėti daug daugiau negu dvigubai".

   Puslaidininkinių prietaisų pramonė kol kas dar neapsisprendė - per anksti. Tuo tarpu nuo "konvejerių" jau nuimti naujausi mikroprocesoriai, kurių mažiausias elementas yra 95 nm. O juk šie komerciniai produktai pagaminti 248 nm fotolitografijos priemonėmis. Tai reiškia, kad kitokių priemonių dar nėra arba jomis naudotis per brangu. O jei taip, tai ir EUV technologija gali būti parengta vėliau, negu numatoma.

   "Naujų technologijų kūrimas gali per brangiai kainuoti, - perspėja B. Sellas. - Įtariu, kad puslaidininkių pramonės darbuotojai intensyviai dirba, siekdami išnaudoti visas dabartinės technologijos galimybes. Todėl mes tikime, kad 248 nm fotolitografija tarnaus ir ateityje. Prisiminkime, kaip prieš 5-6 metus niekas netikėjo, kad 248 nm fotolitografija sugebės tokius dalykus".