Výroba složitých, vysoce výkonných a stále menších polovodičových čipů je z velké části závislá na vysoce přesných a citlivých litografických procesech, které se používají pro tisk složitých vzorů na křemíkové destičky a další substráty používané při výrobě čipů. Pokročilé litografické systémy využívají extrémně přesné a citlivé techniky, které nejen zvyšují výtěžnost procesu, ale také minimalizují odpad a optimalizují efektivitu celé továrny. K dosažení mikronové a nanometrové přesnosti nezbytné pro hromadnou výrobu integrovaných obvodů (IC) se litografické systémy spoléhají na tisíce senzorů pro monitorování a řízení polohy, teploty, energie a pohybu. Celkový výkon systému závisí na přesnosti a spolehlivosti každého jednotlivého senzoru. Pokročilé algoritmy zpracovávají velké objemy dat ze senzorů a koordinují nezbytné akce pomocí tisíců akčních členů.

Analog Devices, Inc. (ADI) využívá svou technologii µModule k poskytování vysoce výkonného miniaturizovaného řešení k získávání analogově-digitálních dat (DAQ) pro monitorování a řízení jednotlivých subsystémů.

Litografie ve výrobě polovodičů

Miniaturizace polovodičů je hnacím motorem výkonu ve smartphonech či superpočítačích. Tento výkon je nutný pro zpracování generativní umělé inteligence (GenAI), kvantových výpočtů, IoT nebo Edge Computing. Pro splnění náročných požadavků na velikost polovodičů s obvody menšími než desetitisícina šířky lidského vlasu jsou vyžadovány pokročilé procesy a inovativní řídicí systémy.

Litografie je základní technologií ve výrobě polovodičů, která umožňuje přesné vzorování prvků na křemíkových a jiných substrátových waferech za účelem vytvoření integrovaného obvodu. Využívá se fotomasky a výkonného, extrémně přesného světelného paprsku k přenosu detailů vzoru čipu na wafer, který je potažen fotorezistním materiálem. Na wafer je pak aplikována chemikálie, aby se naleptaly příslušné obvodové dráhy v substrátu. V procesu vrstvení se používá více fotomasek. Vysoce specializované a extrémně složité systémy pro litografii polovodičů vyrábí velmi malý počet firem, které jsou schopny zvládnout technickou náročnost a financovat nákladný výzkum a vývoj potřebný pro inovace v této oblasti.

ASML je lídrem v oboru a dominuje na trhu pokročilé litografie se svými exkluzivními, špičkovými systémy extrémního ultrafialového záření (EUV), které jsou nezbytné pro výrobu nejpokročilejších čipů. Tyto systémy, které stojí až stovky milionů dolarů, umožňují výrobu čipů s velikostí prvků menší než 2 nm. Dodává také tzv. hluboké ultrafialové (DUV) systémy, které využívají delší vlnové délky vhodné pro nákladově efektivnější výrobu středních a starších vrstev na čipech vyráběných na 14 nm, 28 nm. Další systémy pro výrobu litografických polovodičů vyrábí Canon a Nikon, které se zaměřují na DUV litografii a starší technologie pro výrobu méně pokročilých obvodů používaných v MEMS, výkonových polovodičích a průmyslových aplikacích.

Dosažení vyjimečné přesnosti

Litografické procesy vyžadují velmi vysokou přesnost k dosažení vzorů v mikronovém měřítku. Senzory hrají klíčovou roli v ovládání akčních členů, poskytují zpětnou vazbu v reálném čase, korekci chyb a kompenzaci prostředí:

• Polohové senzory monitorují přesnou polohu waferů, fotomasek a čoček
• Vibrační senzory detekují a kompenzují vibrace, které mohou narušit vyrovnání
• Environmentální senzory monitorují teplotu, vlhkost a kvalitu vzduchu, aby minimalizovaly vliv prostředí na přesnost
• Snímače síly a deformace zajišťují, aby akční členy během vyrovnávání a polohování aplikovaly správné síly

Senzory poskytují základní data v reálném čase pro zpětnou vazbu s uzavřenou smyčkou pro dynamické nastavování příslušných akčních členů. Detekují odchylky v reálném čase, aby zabránily defektům ve vzorovaných waferech a přispívají k dokonalému vyrovnání fotomasky a waferu. To je klíčové pro návrhy vícevrstvých čipů. Jsou také důležité pro minimalizaci zpoždění způsobených nesouosostí.

Interakce senzorů a akčních členů

Litografické systémy DUV a EUV se spoléhají na desítky tisíc senzorů, aby dosáhly požadované přesnosti a spolehlivosti nezbytné pro efektivní výrobu polovodičů s vysokou výtěžností. Vzhledem k tomu, že výrobci zařízení usilují o dosažení pikometrového měřítka pro litografii nové generace, senzory a akční členy se musí ještě více zdokonalit. Bezproblémová interakce a správa těchto komponent jsou základem úspěchu litografických systémů. Interakce mezi senzory a akčními členy v litografických systémech musí být pečlivě zorganizovaná. Složité procesy závisí na mechanismech zpětné vazby v reálném čase, sofistikovaných řídicích algoritmech a bezproblémové integraci napříč složitými subsystémy. Senzory nepřetržitě monitorují polohu, teplotu, tlak či vibrace a jakákoli odchylka od požadovaných hodnot musí být opravena v reálném čase.  Akční členy jsou schopny posunovat wafer o mikro či nano metr a umožňují jemného doladění optického zaostření nebo zarovnání světelného zdroje.

Při polohování waferu sledují senzory pohyby s přesností menší než nanometr. Akční členy jako jsou lineární motory nebo piezoelektrické prvky, dynamicky upravují polohu podložky, aby bylo zajištěno přesné zarovnání s fotomaskou. Optické senzory zarovnání monitorují dráhu světla a akční členy upravují zrcadla nebo čočky, aby zajistily přesnost zaostření vzoru.

Centralizované ovládání

Centralizované řídicí jednotky monitorují a zpracovávají data z tisíců senzorů a posílají příkazy akčním členům. Tyto systémy využívají vysokorychlostní procesory a sofistikované algoritmy pro správu interakcí a zajišťují synchronizaci mezi více subsystémy. Dosažení přesnosti na úrovni nanometrů vyžaduje minimální zpoždění ve zpracování dat. Senzory a akční členy jsou připojeny pomocí vysokorychlostních komunikačních protokolů s nízkou latencí jako je například EtherCAT, Ethernet nebo proprietární rozhraní. Tyto sítě usnadňují rychlou výměnu dat a koordinaci mezi jednotlivými komponenty. Kolísání naměřených hodnot nebo výkonu akčního členu je kompenzováno pomocí adaptivních řídicích algoritmů. Algoritmy strojového učení analyzují historická data a předpovídají potenciální odchylky nebo opotřebení jednotlivých součástí systému. To umožňuje prediktivní údržbu a optimalizovaný výkon jednotlivých pohonů.

Interferometry měří polohu waferu s přesností na nanometr, zatímco akční členy dynamicky upravují polohu podložky na základě zpětné vazby od senzorů vyrovnání a vibrací. Optické senzory monitorují zaostření a intenzitu světla a piezoelektrické ovladače nastavují čočky nebo zrcadla tak, aby udržely zaostření pro přesnou projekci návrhu obvodů na wafer. Kamery nebo optické senzory se používají také k detekci nežádoucích částic nebo nepravidelnosti waferu, který se následně vyřadí nebo se zahájí automatické čisticí postupy.

Spolehlivost signálního řetězce

V každém systému výroby litografických polovodičů záleží na přesnosti a spolehlivosti každého senzoru. ADAQ7768-1 (obrázek 1) je DAQ systém založený na technologii µModule, který je navržen tak, aby zjednodušil a zvýšil výkon přesných měřicích a řídicích systémů. SiP µModule obsahuje také zesílení s vysokou vstupní impedancí, antialiasing, úpravu signálu, analogově-digitální (A/D) konverzi a konfigurovatelné digitální filtrační bloky.

Obrázek 1: Systém sběru dat ADI ADAQ7768-1 µModule. (Zdroj obrázku: Analog Devices, Inc.)

Integrací pasivních součástek jako jsou rezistory a kondenzátory a aktivních součástek jako jsou operační zesilovače, referenční napětí, LDO regulátory a A/D převodníky do μModule se dosáhne kompletního signálového řetězce v jednom pouzdře. Díky tomu všechny součástky uvnitř pouzdra reagují stejně na změny teploty a napájení. Tím je zajištěn přesný a zároveň výkonný signálový řetězec pro senzory tlaku, teploty či vibrací. ADAQ7768-1 obsahuje několik komponent v µModulu, jak je znázorněno na blokovém schématu na obrázku 2. Mezi komponenty patří 24bitový přesný analogově-digitální převodník (ADC), komponenty pro úpravu signálu jako jsou zesilovače a filtry, a řídicí či referenční obvody.

Obrázek 2: Blokové schéma ADAQ7768-1 µModulu. (Zdroj obrázku: Analog Devices, Inc.)

24bitový ADC převodník umožňuje přesná měření citlivých veličin jako jsou vibrace waferů, teplotní změny v optických sestavách či měření polohy waferů s přesností na nanometry. K analogovému AFE ADAQ7768-1, který obsahuje jak aktivní tak pasivní komponenty, lze připojit několik senzorů tlaku, teploty či vibrací. Šum napájecího zdroje může přímo ovlivnit přesnost a spolehlivost měření, ale ADAQ7768-1 byl navržen tak, aby pracoval s jediným napájecím zdrojem. Díky tomu se zjednodušuje návrh systému a minimalizuje se počet externích obvodů pro správu napájení. Konstrukce napájení minimalizuje zvlnění a šum napájecího zdroje. To je zásadní pro udržení vysoké přesnosti integrovaného nízkošumového 24bitového ADC a celého řetězce pro úpravu signálu.

Vstupní napětí ADAQ7768-1 se může pohybovat mezi 5,1 V a 5,5 V. Modul obsahuje interní LDO regulátor, který zajišťuje čisté a stabilní napájení různých úrovní potřebných pro vnitřní subsystémy. ADAQ7768-1 snižuje složitost návrhu tím, že není nutné přidávat a kalibrovat jednotlivé komponenty signálového řetězce, a to pomáhá zrychlit vytvoření prototypu a následného testování. K dispozici je vývojová deska EVAL-ADAQ7768-1 (obrázek 3) pro základní seznámení se s ADAQ77681.

Obrázek 3: Vývojová deska pro testování a seznámení se s ADAQ7768-1. (Zdroj obrázku: Analog Devices, Inc.)

Závěr

Pokročilé litografické systémy využívají tisíce senzorů k ovládání akčních členů a poskytují zpětnou vazbu v reálném čase. µModul ADAQ7768-1 nabízí kompletní signálový řetězec a jeho kompaktní rozměry a snadné použití z něj činí cenným komponentem pro vývoj litografického zařízení nové generace.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com