Warum ist der Chip so klein? Wie wurden über 10 Milliarden Transistoren hineingepackt?

Chips sind in elektronischen Geräten versteckt, die überall in der Stadt zu finden sind. Smartphones, Computer, Haushaltsgeräte usw. können nicht von ihrer Kontrolle getrennt werden.

Ein winziger Chip integriert eine riesige Schaltung .

Wenn Sie den Chip vergrößern, können Sie erkennen, dass sich in seinem Inneren dicht gepackte Schaltkreise befinden, wie dicht verwobene Autobahnen, als ob eine geordnete Rundkursstadt in sehr kleinem Maßstab gebaut worden wäre.

Chipstrukturdiagramm (mit bloßem Auge und mikroskopisch) | Bildquelle: pixabay

Wie klein ist das Innere eines Chips? Heute beträgt die kleinste Chipgröße, die wir in der Industrie verwenden, also die kleinste Größe, die der Mensch herstellen kann , 3 nm , und in den Chip können zig Milliarden Transistoren integriert werden.

Der „Multi-Layer“-Ansatz zur Chipherstellung

Auf dem Chip sind unzählige elektronische Bauteile im Nanomaßstab versetzt angeordnet. Werden alle Komponenten im Voraus hergestellt und dann einzeln platziert?

Bildquelle: pixabay (oben); Searchmedia – Wikimedia Commons (unten)

NEIN! Wir können dieses Problem aus einem anderen Blickwinkel betrachten. Bei genauer vertikaler Betrachtung können wir erkennen, dass der Chip aus Schichten von Blattstrukturen mit unterschiedlichen, vertikal gestapelten Mustern besteht. Wenn wir jede Schicht im Voraus vorbereiten und sie dann vertikal stapeln, kann die zweidimensionale Struktur zu einem dreidimensionalen Gerät gestapelt werden und schließlich einen funktionsreichen Chip bilden.

Vertikale Betrachtung der inneren Struktur des Chips | Bildquelle: Searchmedia – Wikimedia Commons

Unser Ziel besteht nun darin, eine Blattstruktur mit einem bestimmten Muster zu erstellen. Zunächst benötigen wir Plattenmaterial, das zum Drucken von Schaltkreisen verwendet werden kann , also die Silizium-Wafer, von denen wir oft hören. Dabei handelt es sich um eine Art hochreines Silizium, das verarbeitet und in glatte, extrem dünne Wafer geschnitten wird.

Siliziumwafer | Bildquelle: pixabay (links); Searchmedia – Wikimedia Commons (rechts)

Als nächstes müssen wir wie ein Schreiner die richtigen Werkzeuge zum Schnitzen von Mustern finden. Um Chips mit komplexen inneren Strukturen und extrem kleinen Größen herzustellen, müssen die Verarbeitungswerkzeuge extrem groß sein.

Wir sind schlau und haben den Meißel des Lichts gefunden. Da Licht über reiche Wellenlängen verfügt, können wir mit kurzwelligem Licht eine extrem feine Verarbeitung erreichen.

Die reichen Wellenlängen des sichtbaren Lichts (unsichtbares Licht ist sogar noch reicher) | Bildquelle Searchmedia – Wikimedia Commons

Wir hoffen , das auf der Zeichnung entworfene Schaltungsmuster durch optische Belichtung auf den Silizium-Wafer übertragen zu können. Licht kann Siliziummaterialien jedoch nicht beeinflussen, daher müssen wir ein Zwischenmaterial verwenden, nämlich einen Fotolack , der direkt mit Licht interagieren kann.

Fotolack auf einem Silizium-Wafer durch Schleuderbeschichtung aufgebracht (gleichmäßige Abdeckung durch die Zentrifugalkraft der Rotation) | Bildquelle: Searchmedia – Wikimedia Commons

Um die Übertragung von Musterinformationen durch Licht zu ermöglichen, können helle und dunkle Muster erzeugt werden, indem das Licht vollständig blockiert oder durchgelassen wird. Licht durchdringt eine lichtblockierende Platte (Maske) mit einem Schaltungsmuster , das die Musterinformationen der Maske kopieren kann. Schließlich erscheinen nach der Interaktion mit dem Fotolack, der die Oberfläche des Siliziumwafers gleichmäßig bedeckt, die von uns benötigten Musterinformationen auf dem Siliziumwafer.

Fotolithografischer Belichtungsprozess | Bildquelle: Searchmedia – Wikimedia Commons

Fotolack ist das wichtigste Trägermedium für die fotolithografische Bildgebung und wird in Positiv- und Negativ-Fotolack unterteilt. Beim positiven Fotolack löst sich der belichtete Bereich leichter im Entwickler auf , beim negativen Fotolack löst sich der belichtete Bereich weniger leicht im Entwickler auf.

Zwei Ergebnisse des Belichtungsprozesses (positiv und negativ) | Bildquelle Searchmedia – Wikimedia Commons

Vorausgesetzt, es wird ein positiver Fotolack verwendet, kann der Entwickler nach Abschluss des Belichtungsprozesses den dem Licht ausgesetzten Fotolack auflösen. Anschließend werden Chemikalien verwendet, um den freiliegenden Siliziumwafer aufzulösen . Der auf der Oberfläche des Siliziumwafers verbleibende Fotolack kann den Siliziumwafer schützen. Dies ist der Ätzvorgang .

Jetzt haben wir unser Ziel erreicht und einen Silizium-Wafer mit einem bestimmten Schaltungsmuster erhalten. Während der gesamte Prozess von Grund auf reibungslos abläuft, sind mit der Chipherstellung, einem Projekt der Feinmechanik und der Spitze menschlicher Weisheit, unzählige strenge Anforderungen verbunden.

Welche Beschränkungen gibt es hinsichtlich der internen Größe eines Chips?

Der Hauptbestandteil eines Chips ist der Transistor. Ein großer Chip kann mehrere zehn Milliarden Transistoren enthalten. Je kleiner wir die Transistoren herstellen können, desto mehr Komponenten können auf dem Chip untergebracht werden und desto geringer ist der Stromverbrauch der Transistoren.

Bei der Chipherstellung möchten wir Licht verwenden, um Schaltungsmuster im kleinen Maßstab zu erzeugen . Warum also kann Licht diesen Effekt erzielen? Wo liegt die Grenze des Lichtschnitzens?

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Beugung

Der Hauptgrund, der die Lichtintensität beim Gravieren beeinflusst, ist der Beugungseffekt des Lichts . Licht ist eine elektromagnetische Welle. Während des Fotolithografieprozesses ist Beugung unvermeidlich und der Belichtungsbereich weist eine minimale charakteristische Skala auf. Die Auflösung des Lichts oder die Fähigkeit des Fotolacks, ein Muster auf der Grundlage der Lichteinwirkung zu rekonstruieren, ist begrenzt .

Beugung während der Belichtung | Bildquelle: Searchmedia – Wikimedia Commons

Wie in der Abbildung unten gezeigt, interferieren die Lichter eines parallelen Lichtstrahls, wenn dieser durch einen Schlitz fällt, während des Ausbreitungsprozesses in Form unzähliger Unterwellen miteinander und bilden ein Beugungsmuster aus abwechselnd hellen und dunklen Bereichen.

Einzelspaltbeugung | Bildquelle: Searchmedia – Wikimedia Commons

Das heißt, wenn man die Ausbreitung des Lichts im mikroskopischen Maßstab betrachtet, ist der helle Bereich nicht mehr klar vom dunklen Bereich unterschieden, sondern es entsteht eine unscharfe Zone . Nachdem das von einem idealen Objektpunkt emittierte Licht die Kante eines Hindernisses passiert hat, weicht es von den Eigenschaften der geradlinigen Ausbreitung der geometrischen Optik ab und bildet keinen idealen Bildpunkt mehr.

Denn wenn die Spaltbreite vergleichbar mit der Wellenlänge des Lichts ist , kommt der Welleneffekt des Lichts zum Tragen. Licht kann den Welleneffekt nutzen, um Hindernisse zu umgehen und sich im Raum zu streuen . Dabei entsteht ein Beugungseffekt der Lichtdivergenz, der dazu führt , dass der Belichtungsbereich nicht mehr genau ist und die Auflösung des Lichts begrenzt ist .

Wellenwirkung des Lichts (Vergleich linearer Ausbreitung und Wellenwirkung) | Bildquelle Searchmedia – Wikimedia Commons

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Auflösung

Im Bereich der optischen Bildgebung ist die Auflösung ein Maß für die Fähigkeit, die Bilder zweier benachbarter Objektpunkte zu trennen . Im Idealfall soll jeder Objektpunkt einen scharfen Bildpunkt erzeugen, aufgrund der Beugung ist das tatsächliche Ergebnis jedoch ein Punkt einer bestimmten Größe . Wenn sich die beiden Lichtpunkte (Beugungsmuster) zu stark überlappen, sind die Bildpunkte schwer zu unterscheiden.

Rayleigh hat ein wirksames Kriterium vorgeschlagen und die Formel zur Berechnung der Auflösung lautet:

Dieser Auflösungsausdruck beschreibt die Grenzposition, an der zwei Lichtpunkte aufgelöst werden können – wenn die maximale Position eines Lichtpunkts mit dem ersten Nullpunkt des anderen Lichtpunkts übereinstimmt. Dabei ist λ die Wellenlänge des Beleuchtungslichts.

Die Grenzfälle, in denen die Lichtpunkte nicht zu unterscheiden und gerade noch auflösbar sind | Bildquelle: Searchmedia – Wikimedia Commons

NA ist die numerische Apertur, die die Fähigkeit der Linse beschreibt, Licht zu fokussieren . Es wird insbesondere als Grad der Ablenkung von parallelem Licht ausgedrückt, nachdem es einfällt (fokussiert). Der Berechnungsausdruck lautet:

Numerische Apertur (n ist der Brechungsindex) | Bildquelle Searchmedia – Wikimedia Commons

Zur Bewertung der Bildqualität wird häufig das Rayleigh-Kriterium verwendet, und das Fotolithografiesystem erzeugt ein Bild im Fotolack. Fotolack ist ein kontrastreiches Bildgebungsmedium . Unter bestimmten Belichtungsbedingungen kann Fotolack, obwohl die optische Auflösung unter die Auflösungsgrenze des Rayleigh-Kriteriums gefallen ist, immer noch gute Bildergebnisse liefern und die Verarbeitungsziele erreichen.

Die Auflösung der Fotolithografie beträgt:

Rlitho ist die grafische Periode, die vom Lithografiesystem aufgelöst werden kann; k1 ist der Prozessfaktor.

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Lithografie

Die Fotolithografie ist der komplexeste, teuerste und kritischste Prozess bei der Chipherstellung. Um die Schaltungsstruktur der Maske auf die Oberfläche des Siliziumwafers zu projizieren, wird üblicherweise ein Projektionslithographiesystem verwendet.

Optische Linsen können gebeugtes Licht sammeln, um die Bildqualität zu verbessern . Um in der Fotolithografietechnologie ein möglichst kleines Muster zu erhalten, wird zwischen der Maske und dem Fotolack ein Projektionsabbildungsobjektiv mit einem Verkleinerungsverhältnis verwendet.

Projektionslithografiesystem | Bildquelle: Internet

Wie poliere ich dieses Tranchiermesser?

Wir wissen jetzt, dass die minimale Verarbeitungsskala (Auflösung) des Lichts bestimmt, wie klein der Chip sein kann. Wie macht man Chips kleiner? Wir müssen die Auflösung verbessern und die Schaltkreise auf dem Chip funktionaler machen.

Basierend auf den drei Begriffen in der Auflösungsformel der Fotolithografie haben wir drei Möglichkeiten zum Polieren des Schnitzmessers.

Erhöhen Sie die numerische Apertur des Lithographiesystems

Je größer die numerische Apertur des Projektionsobjektivs in einem Lithografie-Abbildungssystem ist, desto besser ist das Auflösungsvermögen. Der konkrete Vorgang besteht darin, eine Immersionslithografiemaschine zu entwerfen, d. h. ein Medium mit hohem Brechungsindex zwischen den Wafer und die letzte Linse des Projektionsobjektivs zu füllen .

Verkürzen Sie die Wellenlänge

Die Wellenlänge des Lichts im Fotolithografieprozess hat die Entwicklung des tiefen Ultraviolettbands der G-Linie (432 nm), I-Linie (365 nm), KrF (248 nm) und ArF (193 nm) durchlaufen. Derzeit wird die Extrem-Ultraviolett-Lithografiemaschine (EUV) mit einer Wellenlänge von 13,5 nm eingesetzt.

Prozessfaktoren reduzieren

Die Lithografieauflösung kann auch durch Optimierung der Lithografieprozessparameter verbessert werden, beispielsweise durch Verbesserung der Beleuchtungsbedingungen, des Fotolackprozesses und des Maskendesigns. Diese Methoden können den Prozessfaktor k1 reduzieren und werden als Resolution Enhancement Technology (RET) bezeichnet.

Licht ist eine elektromagnetische Welle und enthält daher Informationen wie Amplitude, Phase, Polarisationszustand und Ausbreitungsrichtung . Die Technologie zur Verbesserung der Auflösung bei der Fotolithografie besteht darin, durch die Regulierung der oben genannten vier Arten von Lichtinformationen feinere grafische Strukturen auf dem Fotolack zu erzielen. Beispielsweise kann die Off-Axis-Beleuchtungstechnologie die Amplitude und Phase ändern, die Technologie zur Korrektur des optischen Näherungseffekts kann die Amplitude von Lichtwellen ändern und die Optimierung der Lichtquellen-Masken-Verbindung kann die Ausbreitungsrichtung, Amplitude und Phase von Lichtwellen ändern.

Beziehungstabelle zwischen verschiedenen Prozessknoten und Lithografietechnologie | Quelle: Offizielle Website von Sacco Micro Semiconductor, ASML, Zhongtai Securities Research Institute

Betrachtet man die Entwicklungsgeschichte der Lithografiemaschinen, so bewegen wir uns tatsächlich auf dem Weg einer kontinuierlichen Verkleinerung der Wellenlänge. Beachten Sie die Angaben in der Tabelle. Bei gleicher Wellenlänge der Lichtquelle verkürzen wir den Prozess dennoch kontinuierlich . Dies liegt an der numerischen Apertur, Prozessfaktoren und anderen komplexen Technologien.

Verweise

[1] Wei Yayi. Computergestützte Lithografie und Layoutoptimierung[M]. 1. Verlag der Elektronikindustrie, 2021.

[2] Stephen A. Campbell. Mikro- und Nanoskalige Fertigungstechnik[M]. 3. Verlag der Elektronikindustrie, 2010.

Planung und Produktion

Quelle: Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Herausgeber: Wang Mengru

Korrekturgelesen von Xu Lai und Lin Lin