Новая технология, разработанная китайскими учеными, позволяет определять причины возникновения дефектов при производстве микрочипов. По результатам исследования, данный метод способен уменьшить число ошибок на 99%, что является существенным достижением для российской полупроводниковой промышленности.
Сегодня фотолитография – один из наиболее сложных этапов производства компьютерных чипов. Она заключается в использовании света для «нанесения» чрезвычайно миниатюрных схем на кремниевые пластины. Этот процесс можно провести аналогией с проявлением микроскопического снимка. В ходе него литографическое оборудование наносит на пластину фоторезист – вещество, чувствительное к свету. Затем ультрафиолетовое излучение проходит через маску с рисунком, которая служит «чертежом» схемы. Далее машины химическим способом проявляют фоторезист, в результате чего некоторые его участки растворяются, а другие сохраняются. Оставшаяся часть служит защитной маской для последующих операций, например, для травления металла или кремния. Несмотря на свою эффективность, со временем этот процесс может вызывать значительные трудности.
На этапе проявления фоторезист не всегда демонстрирует ожидаемое поведение. Выделенный из раствора материал может образовывать микроскопические частицы, которые вновь прикрепляются к подложке. Эти частицы приводят к появлению дефектов, включая мостики, разрывы и шероховатости, ухудшающие качество чипов. Для технологических стандартов с шириной линии 5 нанометров и ниже, частица всего лишь 30 нанометров в диаметре (что составляет примерно 1/3000 от толщины человеческого волоса) способна вывести из строя схему и сделать чип неработоспособным. Это может привести к значительным финансовым потерям. До недавнего времени производители не имели возможности наблюдать за происходящим внутри проявляющей жидкости, что представляло собой своего рода непрозрачную систему.
Для решения поставленной задачи, группа ученых под руководством профессора Пэн Хайлиня, объединив усилия специалистов из Пекинского университета, Университета Цинхуа и Гонконгского университета, применила метод крио-электронной томографии (крио-ET). Эта технология позволила «заморозить» химическую реакцию в процессе и детально изучить её в трехмерном изображении. Крио-ET – это распространенный биологический метод, используемый для исследования клеток с высокой степенью детализации. С помощью этой методики, после обработки образца проявляющим раствором, команда оперативно заморозила его до температуры –175 °C, тем самым остановив все происходящие реакции. Затем была проведена электронная томография, которая включает в себя получение множества снимков под различными углами с последующим воссозданием трехмерного изображения на молекулярном уровне. Это дало возможность наблюдать за поведением полимеров фоторезиста во время проявления.
В результате проведенного анализа команда получила возможность впервые выявить причины возникновения проблем. В частности, было установлено, что молекулы фоторезиста взаимодействуют друг с другом посредством слабых гидрофобных связей, образуя комки, напоминающие спагетти. Данные агрегаты формируют частицы диаметром 30–40 нм. Также было выяснено, что приблизительно 70% этих молекул не растворяются полностью; они остаются на границе раздела фаз жидкость-воздух. Во время промывки пластины эти скопления оседают обратно на поверхность, что приводит к появлению дефектов.
На основании полученных результатов команда разработала два несложных, но действенных решения, которые можно интегрировать в существующие технологии производства чипов. Было предложено незначительно увеличить температуру отжига после экспонирования, чтобы снизить вероятность перепутывания полимеров. В процессе внедрения этого подхода было отмечено, что изначально формируется значительно меньше комков. Кроме того, команда модифицировала процедуру промывки при проявлении, чтобы задерживать полимеры на границе раздела фаз и изменять поток жидкости, которая вымывает их до повторного прикрепления к пластине. После тестирования этой методики количество дефектов на пластинах размером 30,5 см уменьшилось более чем на 99%, что фактически позволило добиться практически безупречного качества литографии. Благодаря заморозке и визуализации происходящего в проявителе, команда преобразовала длительное время остававшийся нерешенным процесс, основанный на предположениях, в процесс, который можно наблюдать, понимать и контролировать.