Litografi nedir?

Yarı iletken endüstrisinde litografi hakkında çok fazla açıklama var ve hiçbiri de işin özünü tam olarak anlatmıyor. Dökümhaneleri yöneten üretim düğümleri, entegre edilebilen birim alan başına transistör yoğunluğunun ötesinde çiplerin üretimi için hayati önem taşır.

Tüketim, yapı karmaşıklığı, transistör değiştirme (sırasıyla saat frekansını etkiler) gibi önemli diğer faktörler de kullanılan fotolitografik işleme bağlıdır.

Litografi nedir? & Fotolitografi nedir?

Litografi kelimesi genellikle fotolitografi ile eşanlamlı olarak kullanılır. Ancak, terimlerde küçük farklılıklar vardır:

Litografi: Yunanca litos (taş) ve grafein (yazma) kelimelerinden türemiştir, yani bir taş veya levha üzerine bir çizimin yazılması veya çizilmesi işlemidir. Bu teknik, antik taş oymalarından diğer baskı prosedürlerine vb. kadar çeşitli şekillerde uygulanabilir.
Fotolitografi: Adından da anlaşılacağı gibi, IC’ler ve MEMS oluşturmak için yarı iletken bir yüzey üzerinde ihtiyaç duyulan deseni aktarmak için ışık kullanılarak gerçekleştirilen bir litografi türüdür.

Yarı iletken endüstrisinde litografi

Fotolitografi veya litografi, entegre devrelerin üretiminde kullanılan bir işlemdir. Bu teknik sayesinde bir gratikül veya fotomaske içinde oluşturulan desenler yarı iletken yüzeyine aktarılabilir. Bunun için ışığa duyarlı olan ve ışığa maruz kalan ve maruz kalmayan alanlar arasında özelliklerini değiştiren bir fotorezist de kullanılır. Bu sayede sadece belirli bir alanı etkilemesini istediğiniz diğer işlemler için maske olarak kullanılabilir.

Maskeler genellikle kuvars ve kromdan yapılır, diğerleri safir, cam gibi diğer malzemeleri ve krom dışındaki diğer metalleri kullanır. Cam kısımlar ışığın geçmesine izin veren kısımlar, metal kısımlar ise gölge oluşturacak kısımlardır. Elbette bu maskeler, çiplere işlenecek desenlerden çok daha büyük boyuttadır, ancak çok karmaşık bir optimizasyon sistemi ile küçültülürler.

Litografi işlemi sırasında, genellikle aşağıdakiler gibi bazı temel adımlar gerçekleştirilir:

Reçinenin yüzeye uygulanması. Bu, çubuktaki yüksek RPM’de döndüren bir eğirici veya makine ve sıvı reçineyi çubuk üzerine döken başka bir robotik makine kullanılarak yapılır. Bu, reçinenin tüm yüzeye eşit şekilde uygulanmasını sağlar ve fazlalığı ortadan kaldırır.
Bir sonraki aşama, çubuğu bir fırından geçirerek reçineyi yarı iletken alt tabakaya sabitlemek için hafifçe ısıtmaktır.
Ardından sergi gelir. Bunu yapmak için, maske (transistör kuyuları, kapılar, ara bağlantılar vb. gibi yansıtılacak desenlerle birlikte) ışık kaynağı (lambalar, lazerler, elektron ışınları,…) ve levha arasına yerleştirilir. Işığın geçmesine izin veren şeffaf alanlar reçineyi değiştirirken, gölge alanlar ışığın reçineyle kesişmesini engeller.
Şimdi kimyasal saldırı geliyor, bu adım, maruz kalan veya maruz kalmayan alanın (pozitif veya negatif direnç tipine bağlı olarak) bir asit banyosu vasıtasıyla ortadan kaldırıldığı adımdır.
Ve son olarak, yaratılmak isteneni üretmek için gerekli süreç gelir. Örneğin, fotomaske olmayan alanlarda ara bağlantılar oluşturmak için metal biriktirme, yarı iletkenin (N veya P) dop alanlarına iyon implantasyonu, yalıtkanlar oluşturmak için oksidasyon, FinFET’ler için alt tabakada “hendekler” kazma, vb.
Bundan sonra, çıkarılmayan fotoğraf maskesi çıkarılabilir. Misyonunu çoktan yerine getirmiş ve önceki sürecin gravürün amaçlanmadığı alanları etkilemesini engellemiştir.

Oluşturulması amaçlanan entegre devrenin tüm kalıbı, yani mikromimarinin fiziksel uygulaması tamamlanana kadar bu adımlar tekrar tekrar tekrarlanır. Bazı işlemler, yarı iletken alt tabakadaki transistörlerden, mantık kapıları veya bellek öğeleri oluşturmak için transistörleri birbirine ören ilk ara bağlantı katmanlarına, tüm bu temelleri örecek orta ve üst katmanlara kadar her şeyi oluşturmak için birkaç düzine farklı maskeye ihtiyaç duyar.

Bu bölümü bitirmeden önce fotolitografide kullanılan aydınlatma teknolojilerinden de bahsetmek istiyorum. Işık kaynakları, görünür ışıktan, bazı renkli ışıklara, UV’ye ve hatta diğer düşük dalga boyundaki radyasyona kadar elektromanyetik ışının dalga boyunu belirledikleri için düğüm için değişir ve düğüm için önemlidir. Şu anda iki ana teknoloji kullanılmaktadır:

DUV (Deep UltraViolet): Derin UV kullanan bu teknik, 248 ile 193 nm arasında ışık dalga boylarına sahiptir ve 50 nm’ye kadar ayrıntılara izin verir. Bu boyutu küçültmek için teknik, 193 nm ışık ve farklı sıvılar, OPC, PSM, vb. içinde daldırma litografisi kullanılarak geliştirilebilir. Bazı yeni DUV uygulamaları, 157nm’ye ulaşmayı başardı ve 32nm’den daha az ayrıntı oluşturabildi.
EUV (Extreme UltraViolet): Nanolitografi olarak bilinen, daha da düşük çözünürlükleri kullanabilen daha gelişmiş bir teknik içinde yer alır. NGL gibi teknikleri kullanarak 13,5 nm mertebesinde çok kısa dalga boyları elde etmek için UV radyasyonunu aşırı derecede almaya dayanır. EUV şu anda diğerleri arasında bellek yongaları, CPU’lar, GPU’ların üretimi için kullanılmaktadır.
NGL (Next Gen Lithography): Yeni nesil litografi, ışık yerine elektron ışınları (eBeam), iyon litografisi, X-ışınları vb. kullanan diğer bazı nanolitografi prosedürlerini kapsar. Onlar sayesinde EUV bile geliştirilebilir.

İşlem ne kadar düşükse, cihaz üretimi için çözünürlüğün o kadar yüksek olduğunu ve bunun da daha küçük bileşenlere dönüşeceğini unutmayın. Örneğin, 7nm’lik bir düğüm, transistörün 7nm olduğu anlamına gelmez, ancak bu boyutların ayrıntıları oluşturulabilir.

Bir çipin litografisinin önemi

Düğümleri küçültmek ve gitgide daha az nanometrelik bileşenler oluşturmak için neden bu kadar çok para yatırasınız ki? Belki de bazılarının sorduğu bir sorudur. Ve cevap, çiplerin giderek küçülmesi değil (aslında, gelişmiş çiplerde eğilim tam tersi gibi görünüyor, birim alanda büyüyorlar), tamamen farklı. Litografinin iyileştirilmesi gerekiyor, çünkü bu tür kritik faktörler ona bağlı:

Boyut-karmaşıklık: Bir transistörün tüm parçaları eşit olarak küçültülürse, söz konusu transistörün elektriksel özellikleri değişmez, ancak birim alan başına daha fazla transistör oluşturulabilir, bu da daha karmaşık yongaların daha iyi performansla üretilebileceği anlamına gelir. Örneğin, daha fazla yürütme birimi, daha büyük bellek boyutu, daha fazla işlev vb.
Kapasitans anahtarlama: Daha küçük transistörlerin ayrıca daha düşük kapasitansları vardır, bu da onların bir durumdan diğerine daha hızlı geçiş yapmalarına olanak tanır ve bu da saat frekansını artırma olasılığına yol açar.
Kapasitans-tüketimi: Öte yandan, daha düşük kapasitans da daha az güçle değişebilir, bu da daha enerji verimli çiplere dönüşür. Kısacası dinamik güç, yani statik olmayan güç, transistörler boşta değilken yapılan tüketim daha düşük olacaktır.
Yüzey maliyetleri: daha küçük talaşlar ayrıca daha düşük üretim maliyetleri ve gofret başına daha iyi verim anlamına gelir. Litografi düğümü veya işlemi ne kadar azaltılırsa, aynı tasarım o kadar az yüzey kaplar ve böylece her bir gofret için daha fazla üretilebilir.

Ne yazık ki, transistörlerin boyutunu giderek daha fazla küçültmenin dezavantajları da var:

Kusur-verim: ne kadar küçükse, üretim süreçlerini bu küçük ölçekte kontrol etmek o kadar zor olacaktır, dolayısıyla kusurlar artar. Bu nedenle binning, maksimum hız ile etiketlenemeyen bazılarının veya sahip olduğu tüm özelliklerin verimi fazla etkilemeyecek şekilde kullanılmasına izin verir. Bu sorunları hafifletmek için chiplet gibi teknikler de oluşturulmuştur.
Sızıntı: Transistörler ne kadar küçükse, o kadar fazla sızıntı olur. Yani, transistörden geçen ve kapalıyken boşa harcanan daha fazla akım olur. Bu nedenle dinamik güç azalırken, bu etkiyi hafifletmek için bir şeyler yapılmazsa statik güç artar. Bunu çözmek için, diğerleri arasında SOI, yeni malzemeler, yeni yapılar gibi bazı teknikler geliştirilmiştir.