Производство элементной базы современных вычислительных, телекоммуникационных и навигационных систем является основной задачей индустрии микроэлектроники. Создание электронных функциональных узлов, блоков и устройств осуществляется в микроминиатюрном интегральном исполнении. Геометрические размеры требуемых характерных элементов электронных компонентов при этом - порядка нескольких микрометров, несколько сот, десятков и единиц нанометров. 

Такие устройства обычно производят на основе полупроводников и полупроводниковых соединений, а также некоторых диэлектриков, используя фотолитографию, лазерную литографию и электронно-лучевую литографию (ЭЛЛ). Нанолитография – экспонирование сформированным или сфокусированным гауссовым электронным пучком нанометровых размеров – обеспечивает как возможность ведения разработок всех структурных компонент чипа без ограничения в размере характерных элементов, так и серийное производство структурных элементов непосредственно нанометрового размера, от сотен до десятка нанометров.

1.jpg

Наноэлектроника непосредственно занимается задачами разработки и производства интегральных электронных схем с характерными размерами структурных элементов менее 100 нм. Такие технологии применяются для создания вычислительных микропроцессоров, модулей памяти, СВЧ-техники, инфракрасной техники, излучательных приборов и фотоприемников на основе полупроводников, элементов солнечных батарей, силовой электроники. В результате развития транзисторной техники вычислительных процессоров, критический размер кремниевых транзисторов уменьшился с конца 60х годов 20го века к 2011-2012 с 10 мкм до 28-22 нм. Существуют установившиеся стандартные технологии производства в наноэлектронике, прямо связанные с критическим размером ключевых структурных элементов: так называемый, технологический процесс 90 нм, 65 нм, 40-45 нм, 32-28 нм, 22-20 нм, 14-16 нм, 10 нм, 7 нм, 5 нм. В 2014 году определен стандарт в 14 нм, компания Intel начала продажи процессоров, изготовленных по данному техпроцессу в апреле 2015 года. Стандарты относятся к основному потоку производства интегральных схем по КМОП (CMOS – Complementary Metal Oxide Semiconductor) технологии, которая использует полевой транзистор, как основной элемент электронной схемы. 

Критический размер в технологическом процессе определяется половиной шага (т.е. половиной дистанции между структурами в массиве идентичных элементов), что фундаментально определяет быстродействие всего прибора, например, модуля памяти. Альтернативно, критический размер может быть определен для размера затвора полевого транзистора, что также фундаментально влияет на быстродействие микропроцессора, поскольку наименьший размер затвора обеспечивает наименьшую паразитную электрическую емкость и, соответственно, наибольшую скорость переключения. Допуски на размер критических элементов лежат в пределах нанометров. При этом производство чипов проводится на кремниевых пластинах от 100 мм вплоть до 300 мм (и 450 мм) в диаметре.
2.jpg

Крупномасштабное серийное производство такого рода требует выделенной фабрики под каждый техпроцесс. Реализация критических размеров осуществляется проекционной фотолитографией (степпер) с использованием глубокого ультрафиолета (Deep UV с применением эксимерных лазеров и иммерсии). Постройка подобной фабрики оценивается по порядку величины в несколько миллиардов долларов США (например, проект Fab42 по техпроцессу 14 нм оценивается в более, чем $5 млрд.). Разработка технологии и серийное производство в менее крупных масштабах реализуется с применением нанолитографии, и здесь технологии Raith EBPG являются ключевыми, обеспечивая высокую воспроизводимость результатов по пластине вплоть до 200 мм, автоматизацию процесса и скорость, минимальный получаемый размер элемента топологии менее 8 нм, и гибкость экспонирования элементов чипов различных размеров. 

Гибкость ЭЛЛ состоит в том, что дизайн структур, в отличие от фотолитографических методов, реализуется без необходимости изготовления фотошаблонов. Векторные топологии CAD-формата экспонируются напрямую, что дает возможность внести правки в техпроцесс по мере необходимости. Этот подход требуется при разработке технологии и обеспечения быстрого выпуска небольшой серии. Гибкость ЭЛЛ - также в многослойной литографии, точного совмещения по маркерам с более простыми техпроцессами UV-фотолитографии, где при помощи ЭЛЛ создаются только элементы топологии с критическими размерами. В процессе отработки технологии ЭЛЛ позволяет также изготавливать высокоточные фотошаблоны.

анонс.jpg31.jpg

Разработка сверхвысокочастотных интегральных схем для широкополосных систем беспроводной связи, оптоволоконных линий связи, бортовых радаров, высокочувствительных радиометров и т.д. является, на сегодняшний день, крайне актуальной тематикой. 

Одной из ключевых задач создания сверхвысокочастотных (СВЧ) приборов и крайне высокочастотной (КВЧ) электроники является разработка полевых HEMT-транзисторов (High Electron Mobility Transistor - Транзистор с высокой подвижностью электронов), а также PHEMT и MHEMT-транзисторов (с псевдоморфным и метаморфным гетеропереходом, соответственно). Такие транзисторы обеспечивают высокую степень усиления сигнала и низкий шум на больших частотах, что необходимо для любых устройств связи в микроволновом и миллиметровом диапазоне длин волн. Разработка ведется на основе полупроводников типа А3B5 (GaAs, InP) на одноименных подложках и широкозонных полупроводниках GaN/AlGaN на подложках из сапфира и карбида кремния. 

Основным критическим элементом топологии данных транзисторов является, так называемый, Т-образный затвор. Максимальная частота транзистора обратно пропорциональна длине канала затвора. Частоты порядка 100-1000 ГГц достигаются при длине затвора менее 100 нм. На сегодняшний день, технология успешно развивается по пути уменьшения длины затвора до 30 нм и 20 нм. Разработка и реализация подобных топологических элементов ведется при помощи ЭЛЛ с применением точного совмещения с фотолитографией и особенностей технологии экспонирования многослойных резистов. Успешно применяются литографы RAITH 150TWO, VOYAGER и EBPG-серии. Технологии литографов с ускоряющим напряжением 50 кВ (VOYAGER) и 100 кВ (EBPG) представляют особенный интерес, обеспечивая за счет малого рассеяния пучка высокую точность результатов экспонирования при работе с относительно толстым слоем резиста. 

В серийном производстве ЭЛЛ применяется только для изготовления Т-образного затвора по всей подложке, определяя его размер и точность совмещения с остальной топологией транзистора и интегральной схемы. В частности, именно точность совмещения порядка 4-5 нм является на сегодня, ключевым требованием успешного производства функционального микроэлектронного устройства. Опыт применения производительных систем EBPG следующий: производство порядка 1000-2000 подложек GaAs в год (на одну систему) при длине затвора вплоть до 25 нм. 

4.jpg5.jpg

Микроэлектроника – в особенности, радиоэлектронные приборы – не ограничивается исключительно полупроводниковыми устройствами. Для создания устройств мобильной связи, радиочастотных идентификационных меток, линий задержки, фильтров, ПАВ-резонаторов и встречно-штыревых преобразователей генераторов, помимо подложек типа Si3N4/Si, применяют такие диэлектрики как ниобат лития

Встречаются также задачи создания структур на стекле (например, аналоговых устройств кодировки). Несмотря на то, что элементы топологий таких структур могут быть достаточно крупными (более нескольких сот нм), в данных приложениях крайне важна точность взаимного расположения элементов структур и малая шероховатость края. Именно поэтому технология ЭЛЛ представляет интерес. При этом, производительность ЭЛЛ должна быть достаточно высокой для обеспечения приемлемого времени изготовления данных структур. 

В то время как ЭЛЛ на основе сформированного пучка обеспечивает максимальную производительность, Raith VOYAGER и Raith EBPG оказываются наиболее гибкими, экономически выгодными и обеспечивают как необходимую высокую точность, так и достаточную, в большинстве случаев, скорость экспонирования. Задача экспонирования таких топологий связана также с определенными трудностями, поскольку подложка не проводит электрический ток и препятствует стеканию паразитного заряда при экспонировании электронным пучком. К настоящему моменту существуют наработки, в которых используется специальный токопроводящий полимерный слой и резисты высокой чувствительности для обеспечения решения требуемых задач с высоким качеством и эффективностью.

Voyager анонс.jpg6.jpg

Крайне значимой задачей в микро и наноэлектронике является входной контроль качества, контроль безопасности применения электронных компонентов/чипов и сохранение уникальных технологий, например, снятых с производства интегральных схем космических летательных аппаратов. В этих задачах необходимо распознать технологию интегральной схемы/чипа с максимально высоким пространственным разрешением по большой площади с учетом всех элементов топологии как по площади, так и послойно. Результатом такого «распознавания» является топология в векторном формате CAD, «снятая» с исследуемого чипа. 

Сканирование чипов, таким образом, обеспечивает, как возможность досконально проанализировать структуру чипа, так и возможность изготовления точного аналога, так и изготовление модифицированного аналога. Топологические размеры существующих чипов таковы, что подобную информацию можно получить исключительно высокоточным растровым (сканирующим) электронно-лучевым прибором, в котором достигается высокое пространственное разрешение электронно-лучевого изображения, отсутствие дисторсий и неравномерностей по полю сканирования, а также точная сшивка полей сканирования. Такими характеристиками обладает уникальный прибор Raith CHIPSCANNER 150TWO и Raith CHIPSCANNER 100 Plus, в которых помимо необходимых указанных аппаратных свойств реализовано профессиональное ПО преобразования данных растрового изображения в GDSII и другие CAD-форматы, коррекции, фильтры и прочее необходимое обеспечение процесса сканирования чипов. 

Raith CHIPSCANNER зарекомендовал себя как стандарт сканирования чипов в современной сфере микро/наноэлектроники и применяется основными производителями - лидерами рынка. Система целенаправленно создана для данных приложений и, по словам экспертов, не имеет аналогов со сколько-либо схожим качеством. Как показал недавний эксперимент одной из компаний коммерческой сферы сканирования чипов, CHIPSCANNER 150TWO способен успешно распознавать чипы, созданные по техпроцессу 22 нм. При этом Raith CHIPSCANNER может также быть использован и для литографии на пластинах вплоть до 150 мм диаметром, что интересно в рамках воспроизведения сканированных чипов, обеспечивая полный замкнутый цикл обратного инжиниринга. 


7.jpg8.jpg


Лаборатория ЭЛЛ


Результаты проектов с минимальными временными затратами обеспечиваются стабильностью и воспроизводимостью технологии подготовки образцов и конечных устройств. Эффективная отработка технологии, в свою очередь, достигается за счет воспроизводимости процесса ЭЛЛ и стабильности на этапах обработки образцов. 

Воспроизводимость в ЭЛЛ реализуется “выделенным” специализированным литографом, который отличается от стандартного электронного микроскопа, прежде всего, максимально стабилизированной электронно-оптической колонной с выровненной разверткой, стабилизированной быстрой электроникой, интегрированным предметным столом с прецизионным контролем лазерным интерферометром и интегрированным программным обеспечением. 
Обработка образцов до и после ЭЛЛ также существенно влияет на конечный результат. Необходимое для этого техническое оснащение лаборатории, в данном контексте, уместно размещать в связанном с системой ЭЛЛ комплексе чистых помещений. 

Пример рекомендуемого оборудования:

1) Химический вытяжной шкаф / Ламинарный бокс
1.1. для нанесения, сушки и проявки резиста. (ламинарный бокс). Под химию: PMMA (анизол) и другие резисты, проявители, изопропанол, ацетон, деионизированная вода и пр.- 1-2 единицы
1.2. для подготовки - чистки, промывки - подложек/пластин. (ламинарный бокс). Под химию: ацетон, изопропанол, метанол, деионизированная вода – 1-2 единицы
1.3. для постобработки (вытяжной шкаф), под химию (щелочи и кислоты) – 1-2 единицы.
2) Центрифуга для нанесения резиста (расположение - шкафы 1.1) – 1-2 комплекта
3) Температурная камера для сушки/задубливания резиста с поддержанием стабильной температуры до 160 (250) град Цельсия (расположение - шкафы 1.1) – 1-2 комплекта
4) Установка для проявки резиста при стабилизированной температуре (температура от -20 до +200 град Цельсия).
5) Печка для дегидратации подложек
6) Скрайбер. Рекомендуется также отдельный вытяжной шкаф (приток снизу, вытяжка сверху)
7) Ультразвуковая ванна для очистки подложек в ацетоне
8) Система плазменного травления (кислородная плазма)
9) Оптический прямой микроскоп - контроль качества
10) Оптический прямой микроскоп с возможностью измерения толщин пленок
11) Оптический стереомикроскоп
12) Стилусный профилометр
13) Система плазмохимического травления полупроводников RIE/ICP (например, хлор-содержащая плазма)
14) Система плазмохимического травления диэлектрических покрытий RIE (например, фтор-содержащая плазма, аргон-содержащая плазма)
15) Система PECVD нанесения диэлектрических покрытий
16) Вакуумный напылитель/электронно-лучевой испаритель
17) Система для бондинга
18) Термоавтоэмиссионный растровый электронный микроскоп – контроль качества
(Либо двухлучевая рабочая станция FIB-SEM)
19) Отдельный вытяжной шкаф для хранения реагентов (резисты, проявители и т.д.)
20) Холодильник для хранения реагентов – 1-2 комплекта
21) Система травления в плавиковой кислоте
22) Комплект лабораторной мебели
23) Сушильный шкаф для пробирок
24) Азотный шкаф для хранения образцов/подложек
 

Теги