Félvezetőipari áttörés: 25 nanométeres csíkszélesség érhető el egy új eljárással
A Massachussetts Institute of Technology (MIT) kutatói jelentős áttörést értek el a félvezetők gyártásához használt litográfia területén: egy új eljárás a segítségével 25 nanométeres csíkszélességet értek el. Összehasonlításképp: a jelenleg tömegtermelésben használt legmodernebb eljárás 45 nanométeres csíkszélességet alkalmaz.
Pásztázósugaras interferencia litográfia
A litográfia a chipgyártás azon lépése, amikor egy maszk segítségével a struktúrákat a szilíciumszeletre vetítik, később ezt a mintát maratják ki, amiből létrejönnek az áramkörök. Az MIT-n kifejlesztett eljárás a holografikus interferencia litográfia (IL) továbbfejlesztésével, még pontosabbá tételével jött létre. A technológia lényege, hogy egy nagysebességű elektronika által kontrollált 100 MHz-es hanghullámokat használnak a lézersugár diffrakciójához és fáziseltolásához, ezáltal az eddigieknél nagyobb pontosságot elérve. Az eljárás neve pásztázósugaras interferencia litográfia (scanning-beam interference lithography, SBIL).
A holografikus interferencia litográfia már egy ideje létező eljárás, az SBIL segítségével azonban az MIT kutatói lehetővé tettén annak precíz használatát nagy felületeken is, mint amilyenek a chipgyártáshoz használt szilíciumszeletek. Mark Schattenburg, az eljárást feltaláló MIT asztrofizikai és űrkutatási intézetének professzora szerint az SBIL technológiával már nem a litográfia pontossága lesz a csíkszélesség csökkenésének első számú gátja, hanem az anyagtudomány, például a szilíciumszelet nanoléptékű érdessége. Azonban már látszanak olyan megoldások, amelyek segítségével ezeken a problémákon is úrrá lehet lenni -- vélekedik Schattenburg. "Az eredmények azt igazolják, hogy az optikai litográfiával továbbra is csökkenthető a csíkszélesség. Egyetlen legyőzhetetlen akadályt sem látunk egyelőre."
A litográfiai (levilágító) berendezések relatív lassú fejlődése jelentősen hátráltatja a csíkszélesség csökkentését, a chipgyártóknak különféle trükköket kell használnia annak érdekében, hogy a kisebb csíkszélességű lapkákhoz továbbra is fel tudják használni már meglévő, méregdrága berendezéseket. Jelenleg iparágszerte a 193 nanométeres hullámhosszúságú fénnyel működő készülékek terjedtek el, ezek azonban csak rendkívüli nehézségek mellett használhatók a 65 nanométeresnél kisebb csíkszélességű chipek létrehozására.
Útkeresés
A probléma enyhítésére számos megoldás alakult ki az iparban. Az Intel a 45 nanométeres alkatrészek előállításához továbbra is száraz litográfiát használ, azonban ún. "double patterning" módszerrel, ami azt jelenti, hogy lényegében kétszer világítják le ugyanazt a mintát, egymást kiegészítő maszkokkal. Az eljárás hátránya, hogy a gyártási eljárásben ez a lépés a korábbinál több időt igényel, vagyis a gyártósor kapacitása csökken, cserébe viszont a korábban milliárd dolláros nagyságrendű befektetéssel megvásárolt levilágítók továbbra is használatban maradhatnak.
A rivális AMD az IBM-mel közösen kifejlesztett 65 nanométeres eljárásban már immerziós litográfiát alkalmaz, ennek lényege, hogy a szilíciumlemezen egy folyadékréteg -- jelenleg nagy tisztaságú víz -- segít a fénysugár fókuszálásában és a minták rajzolásában. Az IBM véleménye szerint az eljárás mint a 45 nanométeres, mind a 32 nanométeres csíkszélességű chipek sorozatgyártásában felhasználható lesz. Az Intel várhatóan a 32 nanométere eljárásánál fogja bevezetni az immerziós litográfiát, de csak a kritikus rétegeknél.
Egy harmadik, iparágszerte régóta várt eljárás az EUVL, vagyis extrém ultraibolya litográfia, ennek alkalmazásához azonban speciális, 10-70 nanométer hullámhosszúságú fény kibocsátására alkalmas fényforrásra, valamint az ilyen hullámhosszúságú fény visszaverésére alkalmas, 40 réteg szilíciumot és molibdént tartalmazó tükrökre van szükség. Az EUVL használata nem csak ezért költséges, hanem azért is, mert a levilágítás csak vákuumban történhet, mivel bármilyen apró porszemcse megzavarja a folyamatot -- az EUVL berendezések ára a kezdetekben darabonként akár tízmillió dollár fölött is lehet. Az extrém ultraibolya litográfia a 21. század egyik nagy ígérete, de elképesztő költségei miatt tömegtermelésben még sehol sem alkalmazzák. Az MIT-n most bemutatott fejlesztésekhez hasonló eljárások egyre távolabbra tolják az EUVL-alapú tömeggyártást.
Maradhatnak a drága berendezések
A MIT-n kifejlesztett eljárás nem csak azért lehet vonzó, mert segítségével tovább csökkenthető a csíkszélesség, hanem azért is, mert gyakorlatilag a jelenleg is használt száraz litográfiás eljárás továbbfejlesztése, azaz a bevezetéséhez nincs szükség teljes technológiaváltásra, például vegyileg módosított rezisztre, immerziós levilágításra, vagy egyéb drága trükkökre. Az új felfedezés nem csak a chipgyártásban lenne hasznosítható egyébként, hanem más területeken is, például napelemek gyártásánál, illetve a nanotechnológia számos területén, ahol a nanoszkopikus minták tömeges előállításához szükséges technológia lehetetlenné tette a laboratóriumi körülmények között működő eljárások piacra vitelét.
A chipeken a rajzolat kialakítása egyébként nem csak levilágítással történhet, egy évvel ezelőtt a HP Labs publikálta egy új eljárás részleteit, amely nyomtatást használt a struktúrák létrehozására. A sablont belepréselik a szubsztrát tetejére feszített vékony polimkerrétegbe, amely aztán az alatta levő szilíciumlemezen létrehozza a vájatokat, ezeket aztán fémmel töltik fel, így hozzák létre a vezetékeket. A HP laboratóriumi körülmények között 15 nanométeres csíkszélességű rajzolatot is létre tudott hozni. Egy hagyományos maszkigazítót a HP szerint 10 perc alatt át lehet alakítani úgy, hogy fogadja a nyomtatásos litográfiai modult, így a chipgyártóknak az új eljárás bevezetéséhez nem kell új berendezéseket vásárolniuk.