Litografia nowej generacji

Litografia nowej generacji lub NGL to termin używany w produkcji układów scalonych do opisania opracowywanych technologii litografii , które mają zastąpić obecne techniki. Termin ten odnosi się do każdej metody litograficznej, która wykorzystuje światło lub wiązkę o krótszej długości fali niż obecny stan techniki, takiej jak litografia rentgenowska , litografia wiązką elektronów , litografia skupionej wiązki jonów i litografia nanoimprintu . Termin ten może być również używany do opisania technik, które pozwalają uzyskać lepszą rozdzielczość z istniejącej długości fali światła.

Wiele technologii określanych kiedyś jako „następna generacja” weszło do produkcji komercyjnej, a fotolitografia plenerowa, ze światłem widzialnym rzucanym przez ręcznie rysowane fotomaski , stopniowo przeszła do litografii zanurzeniowej w głębokim UV z wykorzystaniem optycznej korekcji bliskości , technologii litografii odwróconej , pozaosiowej oświetlenie , maski przesunięcia fazowego , podwójne wzornictwo i wielokrotne wzornictwo . Pod koniec 2010 roku połączenie wielu takich technik było w stanie osiągnąć cechy rzędu 20 nm z laserem ekscymerowym ArF o długości fali 193 nm w procesach 14 nm , 10 nm i 7 nm , choć kosztem dodania przetwarzania kroków, a co za tym idzie kosztów.

Litografia 13,5 nm w ekstremalnym ultrafiolecie (EUV) , od dawna uważana za wiodącego kandydata do litografii nowej generacji, zaczęła wchodzić do masowej produkcji komercyjnej w 2018 r. Od 2021 r. Samsung i TSMC stopniowo wprowadzali litografię EUV na swoje linie produkcyjne, ponieważ stało się to ekonomiczne zastąpienie wielu etapów przetwarzania pojedynczymi etapami EUV. Od początku lat 20. XX wieku wiele technik EUV jest nadal w fazie rozwoju i wiele wyzwań pozostaje do rozwiązania, co stawia litografię EUV jako przechodzącą od „następnej generacji” do „najnowocześniejszego”.

Kandydaci do litografii nowej generacji poza EUV obejmują litografię rentgenowską , litografię wiązką elektronów , litografię zogniskowaną wiązką jonów , litografię nanoimprintu i litografię kwantową . Kilka z tych technologii przeżywało okresy popularności, ale nadal pozostawały w tyle za konkurencją dzięki ciągłym ulepszeniom w fotolitografii. Litografia wiązką elektronów była najbardziej popularna w latach 70. XX wieku, ale została zastąpiona litografią rentgenowską w latach 80. i wczesnych 90., a następnie litografią EUV od połowy lat 90. do połowy 2000 roku. Litografia zogniskowaną wiązką jonów wyrzeźbiła sobie niszę w dziedzinie naprawy defektów. Popularność Nanoimprint rośnie i ma szansę zastąpić EUV jako najpopularniejszy wybór ^{[ potrzebne źródło ]} dla litografii nowej generacji, ze względu na swoją naturalną prostotę i niski koszt eksploatacji, a także sukces w sektorach LED , dysków twardych i mikroprzepływów .

Wzrost i spadek popularności każdego kandydata na NGL w dużej mierze zależał od jego przepustowości oraz kosztów eksploatacji i wdrożenia. Litografia z wiązką elektronów i nanoimprint są ograniczone głównie przez przepustowość, podczas gdy litografia EUV i rentgenowska są ograniczone kosztami wdrożenia i eksploatacji. Projekcja naładowanych cząstek (jonów lub elektronów) przez maski szablonowe była również powszechnie rozważana na początku XXI wieku, ale ostatecznie padła ofiarą zarówno niskiej przepustowości, jak i trudności z implementacją.

Kwestie NGL

Hipotetyczny przypadek NGL @ 5 nm
Węzeł	Wiodący producent chipów	Opóźniony producent chipów
Węzeł	Wiodący producent chipów	Bez zmiany	Z NGL
180nm	KrF	KrF	-
130 nm	KrF	KrF
90nm	ArF	ArF
65nm	ArF	ArF
45/40nm	zanurzenie ArF	zanurzenie ArF
32/28 nm	zanurzenie ArF	zanurzenie ArF
22/20 nm	Zanurzenie ArF, podwójne wzornictwo	?	Pominięto koszty wielowzorcowania
16/14 nm	Zanurzenie ArF, podwójne wzornictwo
10nm	Zanurzenie ArF, SADF/potrójne wzornictwo
7nm	Zanurzenie ArF, SADF/SAQP
5nm	SAQP + dodatkowa litografia		NGL
Trudność w rozszerzeniu litografii optycznej była głównym atutem NGL. Jednak wiodący producent chipów odniósłby znacznie mniejsze korzyści niż producent chipów opóźniony, ze względu na ogromne dodatkowe inwestycje w rozszerzenie litografii optycznej do jej obecnego stanu. W tym hipotetycznym przypadku wprowadzenie NGL pozwoliłoby niektórym producentom chipów pominąć kilka generacji litografii.
Tabela oparta na pliku:Node_progress.png (2016, User:Guiding Light) (CCA-SA-3.0 unported)

Zagadnienia podstawowe

Niezależnie od tego, czy stosuje się NGL, czy fotolitografię, wytrawianie polimeru (rezystu) jest ostatnim krokiem. Ostatecznie jakość (chropowatość), a także rozdzielczość tego wytrawiania polimerów ogranicza naturalną rozdzielczość techniki litograficznej. Litografia nowej generacji również generalnie wykorzystuje promieniowanie jonizujące , co prowadzi do powstawania elektronów wtórnych , które mogą skutecznie ograniczać rozdzielczość do > 20 nm. Badania wykazały również, że aby NGL osiągnął cele LER (chropowatość krawędzi linii), należy znaleźć sposoby kontrolowania zmiennych, takich jak rozmiar polimeru, kontrast obrazu i odporność na kontrast.

Kwestie rynkowe

Wspomniana wyżej rywalizacja między NGL a powtarzającym się rozszerzeniem fotolitografii, w której ta druga konsekwentnie wygrywa, może mieć charakter bardziej strategiczny niż techniczny. Gdyby wysoce skalowalna technologia NGL stała się łatwo dostępna, późni użytkownicy najnowocześniejszej technologii mieliby natychmiast możliwość przeskoczenia obecnego zastosowania zaawansowanych, ale kosztownych technik fotolitografii kosztem wczesnych użytkowników najnowocześniejszej technologii, którzy były kluczowymi inwestorami w NGL. Chociaż wyrównałoby to szanse, jest na tyle destrukcyjne dla krajobrazu branżowego, że wiodące firmy półprzewodnikowe prawdopodobnie nie chciałyby, aby tak się stało.

Poniższy przykład wyjaśni sprawę. Załóżmy, że firma A produkuje do 28 nm, podczas gdy firma B do 7 nm, rozszerzając swoje możliwości fotolitografii poprzez wdrożenie podwójnego wzornictwa. Gdyby NGL zostało wdrożone dla węzła 5 nm, obie firmy odniosłyby korzyści, ale firma A obecnie produkująca w węźle 28 nm odniosłaby znacznie większe korzyści, ponieważ natychmiast byłaby w stanie wykorzystać NGL do produkcji we wszystkich regułach projektowych od 22 nm w dół do 7 nm (pomijając wszystkie wspomniane wielokrotne wzory), podczas gdy firma B odniosłaby korzyści dopiero od węzła 5 nm, wydając już dużo na rozszerzenie fotolitografii z procesu 22 nm do 7 nm. Przepaść między firmą B, której klienci oczekują, że stanie się liderem, a firmą A, której klienci nie oczekują równie agresywnej mapy drogowej, będzie nadal się powiększać, ponieważ NGL jest opóźniany, a fotolitografia jest rozszerzana coraz większymi kosztami, co sprawia, że wdrażanie NGL jest coraz mniej atrakcyjne strategicznie dla firmy B. Dzięki wdrażaniu NGL klienci będą mogli również żądać niższych cen na produkty wykonane w zaawansowanych generacjach.

Staje się to bardziej jasne, gdy weźmie się pod uwagę, że każda technika zwiększania rozdzielczości zastosowana w fotolitografii generalnie rozszerza możliwości tylko o jedną lub dwie generacje. Z tego powodu obserwacja, że „litografia optyczna będzie żyła wiecznie” prawdopodobnie się utrzyma, ponieważ pierwsi użytkownicy najnowocześniejszej technologii nigdy nie odniosą korzyści z wysoce skalowalnych technologii litografii w konkurencyjnym środowisku.

Istnieje zatem duża presja, aby jak najszybciej wdrożyć NGL, ale ostatecznie NGL można zrealizować w formie fotolitografii z bardziej wydajnym wielokrotnym wzornictwem , takim jak ukierunkowane samoorganizowanie lub agresywna redukcja cięcia.

Tabela podsumowań

Technika	Rozdzielczość pojedynczej ekspozycji	Maks. wysokość defektu maski	Maks. rozmiar wady maski	Wydajność	Kwestie
193 nm 1,35 NA (prąd)	40 nm	34 nm	80 nm	130 WPH	zanurzenie w wodzie
193 nm 1,7 NA	30 nm	34 nm	60 nm	rozwój się zatrzymał	potrzebne materiały toksyczne o wysokim indeksie ( zaporowe )
157 nm 1,7 NA	25 nm	24 nm	50 nm	rozwój się zatrzymał	brak materiałów; CaF ₂ wymagany do zastąpienia topionej krzemionki ( zaporowa )
13,5 nm 0,25 NA (EUVL)	~ 30 nm (elektrony wtórne)	0,4 nm ( zaporowe )	40 nm	4 WPH ( zaporowe )	jonizacja; odgłos strzału; wydajność; wady maski
Druk zbliżeniowy rentgenowski	~ 30 nm (elektrony wtórne)	> 100 nm	zależy od luki sąsiedztwa; pasuje do maski ( zaporowe )	porównywalny z optycznym	membrana maski ( zaporowa ); źródło ( prawdopodobnie zaporowe )
Nanodruk	Nie dotyczy (dopasowuje szablon)	pozostała grubość warstwy	0 nm ( zaporowe )	>1 W/godz	defekty pęcherzyków ( prawdopodobnie zaporowe ); wzorcowa litografia szablonowa ( zaporowa , jeśli wiązka elektronów); inspekcja szablonu głównego
Wiązka elektronów	~ 30 nm (elektrony wtórne)	Nie dotyczy	Nie dotyczy	pojedyncza wiązka zbyt wolno ; wymagane wiele wiązek	ładowanie; odgłos strzału; oddziaływania między równoległymi elektronami
Wiele wiązek elektronów	~ 30 nm (elektrony wtórne)	Nie dotyczy	Nie dotyczy	Celem było 10 WPH	ładowanie; odgłos strzału; oddziaływania między równoległymi elektronami; szycie
Projekcja naładowanych cząstek	~ 30 nm (elektrony wtórne)	zależne od przypadku dla membrany rozpraszającej; Nie dotyczy szablonu	zależne od przypadku dla membrany rozpraszającej; Nie dotyczy szablonu	kompromis z prądem ekspozycji, tj. rozdzielczość ( zaporowa )	ładowanie; zanieczyszczenie otworów szablonu; w przypadku wysp wymagana jest podwójna ekspozycja szablonu; membrana maski ( zaporowa )

Złożoność rozwoju litografii nowej generacji zawsze pobudzała poszukiwanie sposobów rozszerzenia wykorzystania obecnych materiałów litograficznych, źródeł światła i narzędzi. Obecnie rozważa się NGL z wieloma wiązkami elektronów ze względu na możliwe uniknięcie zbyt niskiej przepustowości zapisu bezpośredniego, nie tylko w przypadku płytek, ale także masek.

Zobacz też