Nano-spaudimo litografija – ateities mikroschemų gamybos būdas?

JAV Nacionalinė Technologijų ir Standartų Asociacija (angl. NIST – National Institute of Standarts and Technology ) prieš kelias dienas pranešė ketinanti galutinai aprobuoti šviesiai jautrių medžiagų graviravimo procesą. Tai reiškia, jog šis litografijos būdas taps standartu šalia kitų, labiau įsisenėjusių metodų. Maža to ši institucija paskelbė dirbanti ties visiškai naujos technologijos, elektronikos litografijos būdu. Bet apie viską iš pradžių.

Tikriausiai mažai kas esate girdėję žodį litografija. Plačiąja prasme – tai spausdinimo ant glotnaus paviršiaus būdas, kuomet norimas vaizdas iš pradžių yra suformuojamas (išraižomas ar išgraviruojamas) ant visiškai lygios plokštės, vėliau ją pavilgius rašale ir didele jėga prispaudus ją prie popieriaus gaunamas atspausdintas vaizdas. Norint išgauti sudėtingesnės struktūros spaudinius, tam tikros štampo paviršiaus dalys yra padengiamos guma, vilgomos riebalais ar aliejais taip atskiriant hidrofobines (vietas kurios priima rašalą) bei hidrofilines (vietos kurios „atmeta“ rašalą ir tampa fonu) ploto dalis. Litografijos pradžioje, lygaus paviršiaus plokštės buvo gaminamos iš tašyto akmens, o vaizdas atspaudžiamas ant įklijinio popieriaus ar kalkinio akmens. Šį spausdinimo būdą dar 1796-aisias metais išrado vokietis Aloyzas Senefelderis (Alois Senefelder).

Štai taip atrodo litografijos būdu spausdintas vaizdas ant tašyto akmens

Tačiau litografija – tai technologija pritaikoma ne tik spaustuvėse, bet ir aukštųjų technologijų pramonėje, konkrečiau – elektronikos industrijoje. Kalbant apie pastarąjį, sparčiai besiplečiantį pasaulinio ūkio segmentą, litografija įgauna milžiniško dydžio vertę, kadangi be šio spausdinimo būdo negalėtų būti pagaminta jokia mikroschema. Taip yra, todėl, kad ant puslaidininkinio kristalo paviršiaus esantys integriniai grandynai yra formuojami fotolitografijos metodu (litografijos atšaka spausdinimui naudojanti fotoelementus bei šviesą). Bėgant laikui bei tobulinant aprašytą litografijos techniką bei išrandant naujas gamybos technologijas, integriniai grandynai buvo apjungti su tranzistoriais taip sukuriant vienalytę struktūrą – lustą. Mechaniškai, fotolitografijos eiga gaminant lustus yra itin sudėtingas ir daug techninės įrangos bei galimybių reikalaujantis procesas sudarytas iš kelių fazių. Pirmame etape puslaidininkinė plokštelė po oksidavimo padengiama fotorezistu (fotojautriu sluoksniu), ant jo uždedamas fotošablonas (stiklo plokštelė, iš apačios padengta metalo sluoksniu, kuriame reikiamose vietose išėsdintos ar išraižytos angos). Taip paruošta plokštelė iš viršaus apšviečiama ultravioletiniais spinduliais (eksponuojama). Apšviestas fotorezistas tampa atsparus ėsdinantiems tirpikliams, o neapšviestas yra pašalinamas ryškinimo metu, ir tose vietose matyti dioksido plėvelė. Po to plėvelė veikiama tirpikliu, ėsdinančiu SiO2, bet neveikiančiu apšviesto fotorezisto. Nepadengtose fotorezisto vietose oksido plėvelė nuėsdinama, ir okside gaunami „langai“. Kitu tirpikliu pašalinamas fotorezistas, ir plokštelės paviršiuje lieka silicio oksido plėvelė, labai tiksliai pakartojanti fotošablono piešinį. Fotolitografijos būdu galima gauti struktūrinį piešinį, sudarytą iš 2 μm dydžio elementų. Norint sumažinti elementų matmenis ir padidinti montažo tankį, taikoma elektronolitografija, kurioje vietoj šviesos leidžiamas elektronų srautas. Elektronikos litografijos pažangą atspindi naujausi centrinių procesorių modeliai iš visiems gerai žinomų gamintojų Intel, AMD ar IBM savyje talpinantys šimtus milijonų tranzistorių, kurie yra išsidėstę vos kelių kvadratinių centimetrų plote.

Fofolitografijos laboratorijoje – konvejeris naudojantis 365 mm ilgio ultravioletinę šviesą

Atrodytų tokia didelė pažanga neturi ribų ir jau neužilgo turėtume džiaugtis dar didesnį kiekį tranzistorių savyje talpinančiais lustais, tačiau taip toli gražu nėra. Dėl mažėjančio techninio gamybos proceso, visiškai išnaudojamų silicio izoliacinių savybių bei tankesnio tranzistorių išsidėstymo vienas kito atžvilgiu, litografija pradeda artėti prie savo fizinių galimybių ribų, o tuo tarpu lustų gamintojai horizonte įžvelgia silicio kaip elektronikos pagrindo eros pabaigą. Siekiant atitolinti tai ir dar labiau sumažinti tranzistorių dydį, jų gamyboje buvo pradėti naudoti aukštą dielektriko konstantą turintys tranzistoriai (pirmoji tai Penryn šeimos procesoriuose įgyvendino Intel kompanija), kurie kitaip negu įprasti, vietoje silicio dioksido, pertvarai virš silicio pamato, naudoja hafnio metalą. Tačiau net ir šios technologijos tranzistorių galimybės greitai senka. Anglies nanovamzdelių panaudojimas, kaip alternatyvaus sprendimas variniams takeliams esantiems integrinėse schemose pakeisti taip pat galėtų pasitarnauti „mažėjimo varžybose“ bei suteikti kitų pliusų, tačiau tai nepadidintų silicio izoliacinių savybių ar nepaspartintų litografijos tobulėjimo.

Scheminis aukštą dielektriko konstantą turinčio tranzistoriaus vaizdas

JAV Nacionalinė Technologijų ir Standartų Asociacija (toliau NTSA) kurį laiką dirba ties nauja litografijos forma – nano-spaudimo litografija (angl. Nanoimprint lithography (NIL)). Kitaip negu įprastinis metodas, naujasis litografijos būdas nenaudoja fotonų srauto (šviesos) ar elektronų spinduliuotės silicio tranzistoriams izoliacinėje medžiagoje formuoti. Vietoje to yra sukuriamas lakštas kuriame jau yra suformuoti struktūriniai raštai bei tranzistoriai, kurie spaudimo būdu yra perkeliami ant izoliatoriaus. Pastaroji medžiaga yra taip pat labai svarbi ir turi būti užtektinai tampri, kad priimtų nano-lygio įspaudus, tačiau kartu ir labai tvirta, kad palaikytų reikiamas įspaudų formas. Dauguma nano-spaudimo izoliacinių medžiagų yra fiziškai sutvirtinama naudojant karštį ar ultravioletinę spinduliuotę.

NTSA savo darbuose kaip izoliacinę medžiagą naudoja organinį-silikatinį stiklą (toliau OSS). Pradinėje formoje ši medžiaga yra skystos formos, vėliau pasitelkiant karštį, skystis sukietinamas ir virsta stiklu. OSS yra geresnės kokybės izoliacinis sprendimas, kadangi jo paviršius yra padengtas nano dydžio medžiagos dalelių poromis, kurių struktūrinis išsidėstymas ir lemia „anti-elektriškas“ savybes. Viena iš pagrindinių priežasčių kodėl OSS nėra naudojamas šiuolaikinėje integrinių grandynų gamyboje yra ta, kad fotorezistinis „graviravimo“ būdas gali pakenkti organinio-silikatinio stiklo izoliacinėms savybėms, kai tuo tarpu nano-spaudimo procesas – ne tik, kad nekenkia, bet ir pagerina OSS savybes. Normaliomis sąlygomis OSS paviršius yra padengtos didesnio ir mažesnio dydžio nanoporomis. Mažesnės – teigiamai veikia izoliacines savybes, didesnės – atvirkščiai, mažina jas. Nano-spaudimo metu paviršiuje yra sunaikinamos didesnio dydžio poros, taip sukuriant didinant mažesniųjų kiekį. Maža to, proceso metu stiklas yra savaiminiu būdu padengiamas didelio tankio sluoksniu, kuris saugo nuo galimos išorinės interferencijos.

Taigi JAV Nacionalinės Technologijų ir Standartų Asociacijos vykdomas tiriamasis darbas atrodo daug žadantis ir ateityje lustų gamintojams turėtų suteikti daugiau galimybių bei naudos. Mažesnės trukmės bei pažangesnis gamybinis procesas, tobulesnės medžiagos bei naujos kartos gamybos technika leis racionaliau paskirstyti įmonės lėšas, kelti vartotojų poreikių kartelę bei produktyviau plėtoti elektronikos industriją.