فناوری فوتولیتوگرافی ساخت ریزتراشه‌ها در ابعاد نانومتری را فراهم کرد!

به گزارش مجله خبری نگار/آنا؛ فرآیند تولید ریزتراشه‌ها در کارخانه‌های نیمه‌هادی بر پایه یک اصل کلیدی استوار است: کپی‌برداری دقیق از یک الگوی پیچیده بر روی ویفر‌های سیلیکونی. دستگاه‌های فوتولیتوگرافی EUV به عنوان ابزار‌های اصلی این فرآیند عمل می‌کنند. این دستگاه‌ها، که ابعادی نزدیک به یک اتوبوس دارند و در محیط‌های کاملاً ایزوله نگهداری می‌شوند، طرح یک لایه از مدارات میکروچیپ را از یک صفحه به نام ماسک نوری دریافت کرده و آن را با دقتی در مقیاس اتمی بر روی سطح ویفر سیلیکونی پوشیده از ماده‌ای حساس به نور به نام فتورزیست می‌تابانند. این عمل بار‌ها تکرار می‌شود تا سطح ویفر با صد‌ها کپی از طرح تراشه پوشانده شود.

قلب این فناوری، منبع تولید نور فرابنفش شدید با طول موج ۱۳.۵ نانومتر است. دستیابی به چنین طول موج کوتاهی برای حکاکی جزئیاتی به کوچکی ۱۰ نانومتر (معادل عرض ۴۵ اتم سیلیکون) ضروری است. از آنجا که این نور به طور طبیعی روی زمین وجود ندارد، مهندسان روشی منحصر‌به‌فرد را توسعه داده‌اند: در هر ثانیه، ۵۰،۰۰۰ قطره میکروسکوپی قلع مذاب به داخل یک محفظه خلأ شلیک می‌شود. سپس دو پالس لیزر بسیار پرقدرت به هر قطره برخورد می‌کند. پالس اول، قطره را به شکل یک دیسک نازک درمی‌آورد و پالس دوم که بیش از ده برابر قوی‌تر از لیزر‌های برش فولاد است، این دیسک را به پلاسمایی درخشان تبدیل می‌کند. فرآیند سرد شدن این پلاسما، نور EUV مورد نیاز را تولید می‌کند.

چالش بعدی، هدایت این نور است. نور EUV توسط تقریباً تمام مواد، از جمله هوا و شیشه، جذب می‌شود. به همین دلیل، کل مسیر نوری در این دستگاه‌ها در شرایط خلأ کامل قرار دارد و به جای لنز‌های شیشه‌ای، از مجموعه‌ای از آینه‌های فوق‌پیشرفته استفاده می‌شود. این آینه‌ها که بازتابنده‌های براگ نام دارند، از ده‌ها لایه متناوب سیلیکون و مولیبدن تشکیل شده‌اند که ضخامت هر لایه تنها چند نانومتر است. هر آینه قادر است حدود ۷۰ درصد از نور EUV را بازتاب دهد، اما به دلیل وجود بیش از ۱۰ آینه در مسیر، کمتر از ۱۰ درصد از نور اولیه تولیدشده به سطح ویفر می‌رسد. این امر نشان‌دهنده قدرت بسیار بالای منبع نور اولیه است.

مراحل ساخت یک تراشه کامل، فرآیندی تکرارشونده و زمان‌بر است. برای ساخت یک پردازنده گرافیکی مدرن، چرخه تولید شامل پوشش‌دهی ویفر با فتورزیست، قرار گرفتن در معرض نور EUV برای الگودهی، شستشوی بخش‌های نور دیده برای ایجاد یک شابلون، و سپس فرآیند‌هایی مانند حکاکی یا لایه‌نشانی مواد، حدود ۸۰ بار تکرار می‌شود. هر تکرار یک لایه جدید از ترانزیستور‌ها یا سیم‌های اتصال‌دهنده را می‌سازد و تکمیل کل فرآیند برای یک ویفر ممکن است تا چهار ماه به طول انجامد.

دقت مکانیکی در این سیستم‌ها در سطحی بی‌سابقه قرار دارد. استیج‌هایی که ویفر سیلیکونی و ماسک نوری را حمل می‌کنند، بر روی میدان‌های مغناطیسی شناور هستند و با شتابی بیش از ۷ برابر شتاب گرانش حرکت می‌کنند. در عین حال، موقعیت آنها با استفاده از سیستم‌های تداخل‌سنجی لیزری با خطایی کمتر از یک نانومتر کنترل می‌شود. این سطح از دقت برای هم‌ترازی لایه‌های مختلف یک تراشه ضروری است؛ هرگونه انحراف جزئی می‌تواند منجر به از کار افتادن تمام تراشه‌های روی ویفر شود.

این فناوری فقط برای ساخت پیشرفته‌ترین لایه‌های تراشه، یعنی ترانزیستور‌ها و سیم‌های بسیار نازک، به کار می‌رود. برای لایه‌های بالایی که دارای ابعاد بزرگ‌تری هستند، از فناوری قدیمی‌تر و ارزان‌تر به نام فوتولیتوگرافی فرابنفش عمیق استفاده می‌شود. این رویکرد ترکیبی، هزینه‌های تولید را بهینه می‌کند و اکوسیستم پیچیده‌ای از ابزار‌های مختلف را در کارخانه‌های نیمه‌هادی ایجاد کرده است. شرکت ASML به عنوان طراح و سازنده اصلی این سیستم‌های EUV و شرکت Zeiss به عنوان تولیدکننده اپتیک‌های پیچیده آن، نقشی محوری در پیشبرد این فناوری ایفا می‌کنند.