טכנולוגיות: ליתוגרפיה באור אולטרה סגול קיצוני - EUV

ליתוגרפיה היא התהליך בו מיצרים שבבי סיליקון. מקור השם הוא בתהליך הדפסה עתיק, בו השתמשו בחומצות כדי לחרוט תמונות על לוח אבן. ביצור שבבים התמונה נחרטת על פרוסת סיליקון טהור והאיכול הכימי יכול להתבצע על ידי יונים אנרגטיים בתנורי וואקום משוכללים, אבל העיקרון הבסיסי דומה: צריך לכסות את החלקים שאינם מיועדים לאיכול כימי במסכת הגנה לפני שחושפים את הפרוסה להתקפה יונית

ליתוגרפיה היא התהליך בו מיצרים שבבי סיליקון. מקור השם הוא בתהליך הדפסה עתיק, בו השתמשו בחומצות כדי לחרוט תמונות על לוח אבן. ביצור שבבים התמונה נחרטת על פרוסת סיליקון טהור והאיכול הכימי יכול להתבצע על ידי יונים אנרגטיים בתנורי וואקום משוכללים, אבל העיקרון הבסיסי דומה: צריך לכסות את החלקים שאינם מיועדים לאיכול כימי במסכת הגנה לפני שחושפים את הפרוסה להתקפה יונית.

 

לצלם באבחנה משתבחת

 

המסכה עשויה מפולימר (חומר פלסטי) רגיש לאור, עליו אפשר לצלם את תמונת המעגל הרצוי, לפתח את הצילום ולסלק את ההגנה מאזורים שצריכים להיחשף. כדי להקטין את ממדי הטרנזיסטורים, המוליכים, המבודדים ושאר חלקי המעגל המודפס, צריך לצלם באבחנה הולכת ומשתבחת.

 

חוקי הפיזיקה (התאבכות גלים) קובעים יחס מסוים בין האבחנה המרבית לבין אורך הגל של האור בו משתמשים לצורך הצילום והם משאירים מעט מקום לשיפור האבחנה אם לא מקצרים את אורך הגל בהתאם. נכון להיום מקור האור במפעלי השבבים החדישים הוא לייזר אולטרה-סגול עם אורך גל של 248 ננו-מטר. עם המקור הזה אפשר ליצר שבבים בהם רוחב המוליכים הדקים ביותר מגיע ל-130 ננו-מטר (0.13 מיקרון).

 

להקטין את האלמנטים

 

במהלך השנה תכניס אינטל ליצור סדרתי מערכות ליתוגרפיה המשתמשות באור שאורך הגל שלו הוא רק 193 ננו-מטר, וכך היא תוכל להקטין את הרוחב המינימלי של אלמנטים על השבב ל-90 ננו-מטר. בשלב הבא, שאמור להתרחש בסביבות 2005-2007, יכנסו ליצור מערכות ליתוגרפיה באור קצר-גל עוד יותר, רק 157 ננו-מטר. המהנדסים יודעים כי במערכות אלה הם יוכלו להקטין את האלמנטים לרוחב של 65 ננו-מטר, אולי גם 45 ננו-מטר.

 

בנקודה זו נעצרת ההתפתחות "הליניארית" שראינו בשנים האחרונות, משום שהמהנדסים לא מכירים אף לייזר עם אורך גל קצר יותר. יתר על כן, גם אין חומרים שקופים המתאימים ליצר מהם עדשות ורכיבים אופטיים אחרים הדרושים לצילום הליתוגרפי. אור בעל אורך גל של 157 ננו-מטר הוא כבר "UV עמוק" ורק גביש של Calcium Fluoride מסוגל להעביר אותו. וגם "החלון" הזה נסגר כאשר יורדים באורך הגל עמוק יותר לכיוון האולטרה-סגול הקיצוני.

 

דינמיקה של אלקטרונים חופשיים

 

כדי ליצר אור אולטרה-סגול "קיצוני", עם אורך-גל הרבה יותר קצר, צריך לזנוח את הטכניקה המקובלת ולהתחיל בדינמיקה של אלקטרונים "חופשיים". לא כאן המקום לפתח את כל התיאוריה הפיזיקלית ודי אם נציין כי במעבר אור אולטרה-סגול דרך ענן של הגז Xenon נפרדים חלק מהאלקטרונים מהאטומים שלהם (הגז "מתיונן"), מואצים בעוצמה רבה בשדה החשמלי ומתנגשים ביונים של הגז תוך פליטה של אור אולטרה-סגול "קיצוני".

 

אם מסתכלים על התהליך כאילו הוא מתרחש ב"קופסה שחורה", אזי מצד אחד נכנסת קרן לייזר ב-157 ננו-מטר ומהצד השני יוצאת קרן אחרת עם אורך גל של 13 ננו-מטר בלבד. הטריק הזה פותח את הדרך לשיפור האבחנה הצילומית בפקטור של 157:13, כלומר בערך פי 12! מבחינת "חוק מור" הידוע, מדובר בתוספת של שישה דורות לתהליך המיניאטוריזציה, תוספת שמספיקה להארכת תוקף החוק ב-10 שנים בקרוב עד לסביבות 2015-2020.

 

תיאוריה וציפיות

 

אורך הגל אינו המשתתף היחיד במשוואת המיניאטוריזציה של מעגלים חשמליים המודפסים על שבבי סיליקון ולכן אל תצפו מהדור הראשון של מערכות ליתוגרפיה ב-EUV ליצר שבבים עם מוליכים ברוחב 7-9 ננו-מטר, כפי שאומרת התיאוריה. צריך לפתח את כל שאר מרכיבי הטכנולוגיה במקביל ובמיוחד להתגבר על הבעיות הנובעות מכך, שאנו מגיעים כבר לשכבות בידוד בעובי של אטומים בודדים ולכן לכל התופעות המוזרות שמתרחשות בממדים "קוואנטיים".

 

בשנת 2009, כאשר טכנולוגית EUV אמורה להיכנס ליצור שוטף, הכוונה היא להתחיל עם ליתוגרפיה שמרנית יחסית ברוחב 32 ננו-מטר. אם נשתמש בשבב של איתניום-2 (Madison) כאמת מידה להשפעה של ליתוגרפיה משופרת על המוצר הסופי, נוכל לסכם את היתרונות של EUV במספרים הבאים:

 

המספרים

 

שיפור אבחנת היצור של Madison מ-130 ננו-מטר ל-32 ננו-מטר תקטין את השבב לאחד-חלקי-16 מגודלו הנוכחי (מבערך 20x20 מ"מ ל-5x5 מ"מ), תגדיל את מהירותו פי 4 (ל-6 גיגהבייט ומעלה) ותקטין את צריכת ההספק שלו מ-130 ל-30 וואט. במילים אחרות, תוכלו לקבל מחשב כף-יד מבוסס Madison שחזק יותר מכל מחשב נוכחי עם 4 מעבדים.

 

לחילופין, אם תמשיכו להשתמש בשבב גדול כל-כך ותפתרו את בעיות החימום בדרכים אחרות, אזי ליתוגרפיה של 32 ננו-מטר תאפשר יצור מעבדים עם 6-8 מיליארד טרנזיסטורים! עם תקציב כזה של טרנזיסטורים המעצבים יכולים לתכנן לשים עליו יותר מ-100 מגהבייט של מטמון - או לבנות מערך שריגי הכולל 100 מעבדי פנטיום-4 על שבב יחיד.