Когда говорят про формирование проводящих линий в полупроводниках, многие сразу думают о переднем крае — 14 нм, 7 нм, 3 нм. Это, конечно, критически важно, но в реальном производстве, особенно на уровне силовой электроники, датчиков или даже некоторых блоков памяти, диапазон от субмикронных размеров до 50 микрон — это целая вселенная. И оборудование для этого диапазона — это не просто ?упрощённые? версии для переднего края. Тут своя специфика, свои подводные камни, и часто именно здесь решается вопрос надёжности и себестоимости конечного изделия. Мой опыт подсказывает, что многие недооценивают сложность перехода, скажем, с формирования линии в 100 нм на линию в 5 мкм на одном и том же техпроцессе — кажется, просто ?масштабируй?, а на деле — совсем другая физика осаждения, травления, совсем другие требования к планарности подложки.
Возьмём, к примеру, оборудование для напыления и травления. Для линий 14 нм — это высокоточные ICP/CCP реакторы с жёстким контролем плазмы, чтобы не повредить тонкие барьеры. Но когда мы говорим про формирование шины питания в 30 мкм из толстого алюминия или меди, ключевым становится не селективность, а покрытие (coverage) на высоких аспектных соотношениях и, что часто важнее, внутренние механические напряжения в плёнке. Осадить 3 микрона меди без образования пустот (voids) — задача нетривиальная. Я видел, как на одной из линий пытались использовать стандартный PVD модуль для тонких плёнок, просто увеличив время. Результат — отстрел плёнки на этапе химико-механической полировки из-за напряжений. Пришлось переходить на оборудование с подогревом подложки и прерывистым осаждением.
А вот с литографией — отдельная история. Для 14 нм, понятно, исключительно EUV или многопроходная ArF-иммерсионная. Но как только переходишь на 1 мкм и выше, в игру вступает i-лайн (365 нм) и даже g-лайн (436 нм) литография. И здесь ловушка в другом: глубина фокуса (DOF) у таких установок больше, что, кажется, упрощает жизнь. Но при формировании толстых резистов для последующего гальванического наращивания меди (например, для тех самых 50 мкм линий) возникают проблемы с профилем стенки. Если угол наклона неверный, при осаждении проводника может произойти замыкание. Часто приходится комбинировать — сначала i-лайн нанести грубый контур, а потом сухим травлением скорректировать профиль. Это не по учебнику, но на практике работает.
Именно в этом контексте мне вспоминается опыт коллег из ООО ?Сычуань Юаньвэй Синьту Полупроводниковые Технологии? (их сайт — ywxtbdt.ru). В их описании упоминается 20-летний опыт основателей, и это как раз та область, где такой опыт бесценен. Они, судя по всему, фокусируются не на гонке за нанометрами, а на практическом инжиниринге для конкретных применений — силовая электроника, датчики, MEMS. Там как раз этот диапазон 0.5 – 50 мкм — рабочий. Их подход, вероятно, строится на глубоком понимании того, как сопрягать разнородные процессы, что часто важнее, чем владение одним суперсовременным инструментом.
Формирование линии — это не только нанести материал, но и убрать лишнее. Для 14 нм линий меди используется метод Damascene: травится диэлектрик, потом заполняется металлом, и потом CMP. Травление диэлектрика должно быть абсолютно анизотропным. Но для формирования, допустим, толстой золотой перемычки в 20 мкм на GaAs-подложке для СВЧ-устройств, подход может быть обратным: осадить золото на всю поверхность, нанести толстый резист, и протравить золото. И вот здесь уже может подойти не только RIE (реактивно-ионное травление), но и ионно-лучевое травление для получения вертикальных стенок, или даже селективное влажное травление, если есть подходящая химия.
Проблема, с которой сталкивался лично — подтравливание (undercut) при влажном травлении толстых металлов. Химия ?съедает? металл не только вглубь, но и под маску. Для широких линий это может быть некритично, но если рядом идут линии в 10 и 50 мкм, скорость травления для них из-за диффузионных ограничений будет разной. Может получиться так, что тонкая линия уже протравлена насквозь, а под толстой линией начался сильный undercut, и она в итоге ?отваливается?. Приходится очень тонко играть на перемешивании раствора, температуре и использовать добавки-ингибиторы.
Современное оборудование часто пытается объединить возможности. Многофункциональные кластерные установки, где можно и PVD, и CVD, и сухое травление. Но для макроскопических линий иногда выгоднее и надёжнее использовать отдельные, ?старые добрые? установки, где каждый процесс стабилен и предсказуем. Надежность часто важнее предельного разрешения.
Здесь тоже дихотомия. Для 14 нм линий используется SEM, AFM, рентгеновская рефлектометрия для измерения толщины и CD-SEM для контроля критических размеров. Всё дорого и сложно. Для линии в 50 мкм, казалось бы, хватит оптического микроскопа. Ан нет. Как измерить реальную высоту этой линии? Если это гальванически нарощенная медь, её профиль может быть не прямоугольным, а в виде ?седла? или с выпуклой верхней гранью. Оптический профилометр (профилометр на основе интерферометрии) здесь незаменим. Но и у него есть нюансы — отражение от блестящей металлической поверхности может сбивать алгоритмы. Часто приходится наносить тонкий слой матирующего покрытия для измерений, что не всегда допустимо.
Ещё один момент — контроль адгезии. Толстая плёнка создаёт большое механическое напряжение. Стандартный тест на скатч-адгезию (scratch test) или даже отрыв скотча (tape test) для линий в 50 мкм может давать ложноположительные или ложноотрицательные результаты. Мы однажды столкнулись с ситуацией, когда линия проходила тест на отрыв, но откалывалась при термоциклировании из-за несовпадения ТКЛР с подложкой. Пришлось разрабатывать нестандартный цикл испытаний на изгиб подложки.
В передовых техпроцессах 14 нм — это медь с барьерными слоями (Ta/TaN) и кобальтовые затворы. Но в диапазоне до 50 мкм палитра шире. Это может быть и алюминий с кремнием (для лучшей адгезии и стойкости к электромиграции в силовых ключах), и золото для коррозионной стойкости и низкого контактного сопротивления, и даже серебро или палладий в некоторых специализированных датчиках. Каждый материал требует своей камеры осаждения, своей химии травления.
Например, травление золота — головная боль. Сухим способом (в хлорной плазме) он травится, но оборудование потом нужно долго чистить, а хлор агрессивен. Чаще используют цианидные растворы (влажное травление), что требует серьёзных мер безопасности и систем очистки стоков. Это пример того, как выбор материала проводящей линии диктует требования ко всему участку фабрики, а не только к одному модулю оборудования.
Компании, которые, как ООО ?Сычуань Юаньвэй Синьту?, работают в этой нише, должны разбираться не в одном-двух, а в десятке таких материаловедческих нюансов. Их ценность — в способности подобрать или адаптировать оборудование именно под материал и конечную задачу, а не продать ?стандартное? решение. На их сайте ywxtbdt.ru указано, что компания основана ведущими экспертами. В этом сегменте именно экспертиза, а не просто наличие новейшего железа, является ключевым активом. Они наверняка сталкивались с необходимостью модифицировать стандартные рецепты травления алюминия для толстых плёнок, чтобы уменьшить образование ?чёрного кремния? на кромках.
Сейчас тренд — гетерогенная интеграция. На одной подложке могут соседствовать элементы с размерами 100 нм (логика) и линии питания в 30 мкм (силовые выводы). Это ставит перед оборудованием уникальные задачи. Нужны процессы, которые не повредят тонкие структуры при формировании толстых. Возможно, это будет последовательность: сначала сделать всю наноразмерную часть, защитить её стеками пассивации, а потом уже, возможно на другом, более ?грубом? оборудовании, формировать макроскопические шины и контактные площадки.
Оборудование будущего для этого широкого диапазона, на мой взгляд, — это не универсальный монстр, а гибкие кластеры с изолированными камерами для ?грязных? (толстых) и ?чистых? (тонких) процессов, связанные умной системой транспортировки и контроля. Или же это возврат к более модульному подходу, где каждый технологический шаг оптимизирован до идеала для своей узкой задачи, а интегратор (такая компания, как упомянутая выше) собирает из этих модулей работающую технологическую цепочку.
В итоге, тема оборудования для формирования проводящих линий от 14 нм до 50 мкм — это история о практическом инжиниринге, компромиссах и глубоком понимании физики процессов на всех масштабах. Это та область, где опыт, подобный 20-летнему опыту основателей ООО ?Сычуань Юаньвэй Синьту Полупроводниковые Технологии, стоит дороже любого самого современного, но узкоспециализированного аппарата. Потому что здесь нужно видеть не просто линию на чертеже, а всю цепочку: от выбора материала и метода осаждения — через все этапы литографии и травления — до контроля и испытаний на надёжность в реальных условиях эксплуатации.
