eng
Выпуск #3/2018
В. Плебанович, С. Аваков, В. Карлов
Динамичное изменение топологии микросхем – преимущество мультифотонаборного степпера
Динамичное изменение топологии микросхем – преимущество мультифотонаборного степпера
Просмотры: 2075
Мультифотонаборный степпер ЭМ-5784 производства ОАО «КБТЭМ-ОМО» (г. Минск, Республика Беларусь) предлагается использовать для изготовления специальных схем с уникальным кодом.
УДК 621.382.002 | ВАК 05.27.06
DOI: 10.22184/1992-4178.2018.174.3.106.110
УДК 621.382.002 | ВАК 05.27.06
DOI: 10.22184/1992-4178.2018.174.3.106.110
Теги: ic tag lithography multi-phototypesetting stepper topology имс-метка мультифотонаборный степпер топология фотолитография
Среди большого разнообразия микросхем существует определенный класс интегральных микросхем (ИМС), именуемых «метками». Они отличаются от других ИМС тем, что в каждую микросхему записывается уникальный код, который отличает ее от другой микросхемы. Выпускать «метки» традиционным способом нерационально, хотя мало кто из специалистов об этом задумывается. Специалисты ОАО «КБТЭМ-ОМО» предлагают применять для изготовления «метки» с уникальным кодом специальное фотолитографическое оборудование – мультифотонаборный степпер, который позволяет топологическим способом записать уникальный код в «метку» (причем перезапись кода невозможна). Экономические показатели производства схем-меток с применением степпера значительно улучшаются.
И МС-метки бывают контактные (ID) или бесконтактные (RFID). Уникальный код, записанный в микросхемах, позволяет использовать их как электронные ключи, электронные деньги, акцизные марки, метки товара и т. д. Подделать такую «метку» очень трудно. Потребность в «метках» измеряется миллиардами. Но, как известно, в массовом производстве по планарной технологии каждый кристалл микросхемы на пластине мало чем отличается от соседнего, а здесь еще надо записать уникальный код, который содержит 64 ячейки или более. Часть информации в этих ячейках динамично изменяется (уникальный код), а часть является условно постоянной (идентификатор поставщика услуг).[1]
Как это делается сегодня? Конструктор встраивает в ИМС ряд одноразовых блоков (занимающих до 50% общей площади ИМС), которые позволяют записывать такой уникальный код во время функционального тестирования ИМС. Одноразовые блоки – это функциональные узлы ИМС, которые используются только для записи данного уникального кода. Некоторые специалисты считают наличие таких блоков в микросхеме нежелательным, так как их можно применять для несанкционированного перепрограммирования «метки». Поскольку программирование «метки» возможно при повышенных напряжениях (14 В), то и элементная база блоков выбирается соответствующая. Например, если «метка» будет функционировать при напряжениях питания 3…5 В, а блоки, связанные с программированием «метки», работают при напряжениях до 14 В, то это потребует применения как минимум двух наборов транзисторов (низковольтных и высоковольтных). Расширение набора транзисторов приведет к увеличению маршрута изготовления ИМС как минимум на две операции фотолитографии. Более того, высоковольтные транзисторы по сравнению с аналогичными низковольтными занимают большую площадь.
Процесс тестирования микросхем с проведением записи уникального кода очень трудоемкий, состоит из нескольких этапов. Сначала проверяется готовность микросхемы к записи – фактически это тест на функциональный контроль и контроль наиболее важных статических параметров (Icc, Uol, Uoh, Io и др.). На следующем этапе ИМС программируется (т. е. записывается уникальный код) при подаче соответствующих высоких напряжений. На последнем этапе осуществляются полный контроль функционирования ИМС и контроль статических параметров. Пластина диаметром 200 мм тестируется около 36 ч.
Подводя итог, можно сделать следующие выводы:
• используемый маршрут изготовления «меток» избыточный (на две фотолитографии больше);
• до 50% площади кристалла используется нерационально;
• процесс тестирования трудоемкий.
Как показывает анализ полученных данных, причиной такого положения дел при производстве «меток» является невозможность в процессе фотолитографии динамично изменять топологию микросхемы (или хотя бы ее части).
Предприятие ОАО «КБТЭМ-ОМО» предлагает два способа динамичного изменения топологии в процессе фотолитографии – безмасковую и мультифотонаборную фотолитографию. Первый способ рассматривался в журнале «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес» № 7 за 2015 год [1], а второму посвящена настоящая статья.
Мультифотонаборный степпер ЭМ‑5784 (рис. 1) производится в ОАО «КБТЭМ-ОМО» (г. Минск, Республика Беларусь).
Основные отличия ЭМ‑5784 от других степперов [2–4]:
• промежуточный шаблон размещается на координатном столе, который может перемещаться по оси Y с высокой точностью относительно пластины;
• прецизионный набор шторок по X, Y позволяет с высокой точностью (2 мкм) выделить нужный фрагмент топологии на промежуточном шаблоне и впечатать его в микросхему;
• источник экспонирования – твердотельный лазер;
• возможность работы с пьезоэлектрическими подложками.
Компоновочное решение установки совмещения и экспонирования ЭМ‑5784 представлено на рис. 2.
Автоматические функции установки:
• загрузка подложек из подающей кассеты, ориентация и перенос на столик экспонирования;
• загрузка промежуточного шаблона (ПШ) из кассеты и базирование;
• фокусировка и выравнивание подложки;
• измерение координат положения знаков совмещения на подложке;
• измерение координат положения знаков совмещения ПШ;
• экспонирование и мультипликация фрагментов изображений ПШ на подложку;
• выгрузка проэкспонированных подложек в приемную кассету.
Интерферометрическая измерительная система позволяет прецизионно перемещать подложку по координатам X, Y, Z в плоскости резкого изображения объектива. Для системы характерно шесть степеней свободы, 12 возможных линейных и угловых измерений. Точность измерения координат составляет 0,6 нм.
Установка может работать в двух режимах совмещения.
Глобальное совмещение по 2, 4, 9, 16 и 25 знакам. По результатам измерений реальных координат знаков совмещения установка рассчитывает коррекцию координат положения экспонируемых модулей и использует их при последующей мультипликации.
Покадровое совмещение. В этом режиме экспонируются все модули, рядом с которыми есть знаки совмещения (последовательно: измерение координат знака совмещения, выход в рассчитанную координату и экспонирование).
Для обеспечения лучшего разрешения установка реализует два режима выравнивания подложки.
Глобальное выравнивание. После загрузки и перемещения центра пластины под ось проекционного объектива обеспечиваются ее фокусирование и выравнивание, затем система выравнивания отключается и в дальнейшем пластина только фокусируется.
Покадровое выравнивание. Выравнивание и фокусировка пластины проводится на каждом экспонируемом кадре.
Оба режима позволяют получать наилучшие результаты в фоторезисте, тестовые отсъемы представлены на рис. 3.
Производственный маршрут изготовления ИМС «Метка» с использованием степпера ЭМ‑5784. В конструкцию ИМС встраивается ПЗУ, которое программируется в процессе производства на фотолитографии «Контакты». ИМС «Метка» изготавливается по типовому маршруту с использованием традиционных установок мультипликации и совмещения. Фотолитография «Контакты» выполняется на степпере ЭМ‑5784. За первый проход в каждый кристалл впечатывается топология «Контактов – const», имеющая неизменную часть. За второй проход впечатывается топология «Контактов‑1», для которой характерны незначительные изменения между соседними кристаллами – например, ячейки старших разрядов изменяются с минимальной частотой и т. д. Все топологии, из которых набрана требуемая топология слоя «Контакты», размещаются на промежуточном шаблоне, внешний его вид представлен на рис. 4.
На промежуточном шаблоне (ПШ) размерами 127 Ч 127 мм можно разместить N модулей с различными фрагментами топологии. Рядом с каждым фрагментом топологии находится метка (знак) базирования (рис. 5). Это позволяет обеспечить расположение различных фрагментов топологии на подложке с точностью не хуже 50 нм.
Топология знака базирования дает возможность обеспечить большую зону захвата (±0,6 мм) в режиме грубого наведения и малую погрешность считывания координаты при точном базировании. Нелинейность измерения координат ПШ с помощью датчиков базирования, приведенная в плоскость пластины, меньше 5 нм.
Источником экспонирования является твердотельный лазер, благодаря чему установка снабжена высокостабильной световой энергией. К преимуществам данного источника света относятся: большое время наработки на отказ – около 22 тыс. ч (например, у ртутной лампы 1,5 тыс. ч), высокий КПД (1,7%) активной световой энергии (у ртутной лампы 0,5%) и малая потребляемая мощность 1 700 Вт (у ртутной лампы 2 500 Вт).
Установка оптимизирована для работы не только с кремниевыми подложками, но и пьезокерамическими, что позволяет ее применять для изготовления «Меток» с использованием эффектов на поверхностных акустических волнах (ПАВ).
Таким образом, в ОАО «КБТЭМ-ОМО» разработана установка совмещения и экспонирования ЭМ‑5784 с уникальной возможностью динамического изменения топологии ИМС в процессе фотолитографии.
Более подробную информацию об оборудовании можно получить по телефонам +375 17-226-09-82, -392-25-06 или по e-mail: kbtem.omo@gmail.com.
В заключение остается в очередной раз пожелать руководителям предприятий радиоэлектронной промышленности, техническим специалистам, производителям изделий микроэлектроники больше доверять разработчикам оборудования (отечественным, из стран Ближнего зарубежья) и получать оборудование мирового уровня с низкой стоимостью владения. Как показывает опыт, такое оборудование используется на предприятиях, что подтверждается хорошими отзывами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Плебанович В. И. Безмасковая литография – требование сегодняшнего дня // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2015. № 7 (00147). С. 112–118.
2. Плебанович В.И., Воронин С. И., Сятковский Л. Г. Фотолитография. Решение проблемы прецизионного совмещения слоев после эпитаксии // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2012. № 1 (00115). С. 100–102.
3. Плебанович В. И. Создание ЭКБ. Инновационные решения или импортозамещение? // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2015. № 1 (00141). С. 110–118.
4. Плебанович В. И. Двухсторонняя литография – решение проблемы отвода тепла и разводки межсоединений в ИМС // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2015. № 4 (00144). С. 58–62.
И МС-метки бывают контактные (ID) или бесконтактные (RFID). Уникальный код, записанный в микросхемах, позволяет использовать их как электронные ключи, электронные деньги, акцизные марки, метки товара и т. д. Подделать такую «метку» очень трудно. Потребность в «метках» измеряется миллиардами. Но, как известно, в массовом производстве по планарной технологии каждый кристалл микросхемы на пластине мало чем отличается от соседнего, а здесь еще надо записать уникальный код, который содержит 64 ячейки или более. Часть информации в этих ячейках динамично изменяется (уникальный код), а часть является условно постоянной (идентификатор поставщика услуг).[1]
Как это делается сегодня? Конструктор встраивает в ИМС ряд одноразовых блоков (занимающих до 50% общей площади ИМС), которые позволяют записывать такой уникальный код во время функционального тестирования ИМС. Одноразовые блоки – это функциональные узлы ИМС, которые используются только для записи данного уникального кода. Некоторые специалисты считают наличие таких блоков в микросхеме нежелательным, так как их можно применять для несанкционированного перепрограммирования «метки». Поскольку программирование «метки» возможно при повышенных напряжениях (14 В), то и элементная база блоков выбирается соответствующая. Например, если «метка» будет функционировать при напряжениях питания 3…5 В, а блоки, связанные с программированием «метки», работают при напряжениях до 14 В, то это потребует применения как минимум двух наборов транзисторов (низковольтных и высоковольтных). Расширение набора транзисторов приведет к увеличению маршрута изготовления ИМС как минимум на две операции фотолитографии. Более того, высоковольтные транзисторы по сравнению с аналогичными низковольтными занимают большую площадь.
Процесс тестирования микросхем с проведением записи уникального кода очень трудоемкий, состоит из нескольких этапов. Сначала проверяется готовность микросхемы к записи – фактически это тест на функциональный контроль и контроль наиболее важных статических параметров (Icc, Uol, Uoh, Io и др.). На следующем этапе ИМС программируется (т. е. записывается уникальный код) при подаче соответствующих высоких напряжений. На последнем этапе осуществляются полный контроль функционирования ИМС и контроль статических параметров. Пластина диаметром 200 мм тестируется около 36 ч.
Подводя итог, можно сделать следующие выводы:
• используемый маршрут изготовления «меток» избыточный (на две фотолитографии больше);
• до 50% площади кристалла используется нерационально;
• процесс тестирования трудоемкий.
Как показывает анализ полученных данных, причиной такого положения дел при производстве «меток» является невозможность в процессе фотолитографии динамично изменять топологию микросхемы (или хотя бы ее части).
Предприятие ОАО «КБТЭМ-ОМО» предлагает два способа динамичного изменения топологии в процессе фотолитографии – безмасковую и мультифотонаборную фотолитографию. Первый способ рассматривался в журнале «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес» № 7 за 2015 год [1], а второму посвящена настоящая статья.
Мультифотонаборный степпер ЭМ‑5784 (рис. 1) производится в ОАО «КБТЭМ-ОМО» (г. Минск, Республика Беларусь).
Основные отличия ЭМ‑5784 от других степперов [2–4]:
• промежуточный шаблон размещается на координатном столе, который может перемещаться по оси Y с высокой точностью относительно пластины;
• прецизионный набор шторок по X, Y позволяет с высокой точностью (2 мкм) выделить нужный фрагмент топологии на промежуточном шаблоне и впечатать его в микросхему;
• источник экспонирования – твердотельный лазер;
• возможность работы с пьезоэлектрическими подложками.
Компоновочное решение установки совмещения и экспонирования ЭМ‑5784 представлено на рис. 2.
Автоматические функции установки:
• загрузка подложек из подающей кассеты, ориентация и перенос на столик экспонирования;
• загрузка промежуточного шаблона (ПШ) из кассеты и базирование;
• фокусировка и выравнивание подложки;
• измерение координат положения знаков совмещения на подложке;
• измерение координат положения знаков совмещения ПШ;
• экспонирование и мультипликация фрагментов изображений ПШ на подложку;
• выгрузка проэкспонированных подложек в приемную кассету.
Интерферометрическая измерительная система позволяет прецизионно перемещать подложку по координатам X, Y, Z в плоскости резкого изображения объектива. Для системы характерно шесть степеней свободы, 12 возможных линейных и угловых измерений. Точность измерения координат составляет 0,6 нм.
Установка может работать в двух режимах совмещения.
Глобальное совмещение по 2, 4, 9, 16 и 25 знакам. По результатам измерений реальных координат знаков совмещения установка рассчитывает коррекцию координат положения экспонируемых модулей и использует их при последующей мультипликации.
Покадровое совмещение. В этом режиме экспонируются все модули, рядом с которыми есть знаки совмещения (последовательно: измерение координат знака совмещения, выход в рассчитанную координату и экспонирование).
Для обеспечения лучшего разрешения установка реализует два режима выравнивания подложки.
Глобальное выравнивание. После загрузки и перемещения центра пластины под ось проекционного объектива обеспечиваются ее фокусирование и выравнивание, затем система выравнивания отключается и в дальнейшем пластина только фокусируется.
Покадровое выравнивание. Выравнивание и фокусировка пластины проводится на каждом экспонируемом кадре.
Оба режима позволяют получать наилучшие результаты в фоторезисте, тестовые отсъемы представлены на рис. 3.
Производственный маршрут изготовления ИМС «Метка» с использованием степпера ЭМ‑5784. В конструкцию ИМС встраивается ПЗУ, которое программируется в процессе производства на фотолитографии «Контакты». ИМС «Метка» изготавливается по типовому маршруту с использованием традиционных установок мультипликации и совмещения. Фотолитография «Контакты» выполняется на степпере ЭМ‑5784. За первый проход в каждый кристалл впечатывается топология «Контактов – const», имеющая неизменную часть. За второй проход впечатывается топология «Контактов‑1», для которой характерны незначительные изменения между соседними кристаллами – например, ячейки старших разрядов изменяются с минимальной частотой и т. д. Все топологии, из которых набрана требуемая топология слоя «Контакты», размещаются на промежуточном шаблоне, внешний его вид представлен на рис. 4.
На промежуточном шаблоне (ПШ) размерами 127 Ч 127 мм можно разместить N модулей с различными фрагментами топологии. Рядом с каждым фрагментом топологии находится метка (знак) базирования (рис. 5). Это позволяет обеспечить расположение различных фрагментов топологии на подложке с точностью не хуже 50 нм.
Топология знака базирования дает возможность обеспечить большую зону захвата (±0,6 мм) в режиме грубого наведения и малую погрешность считывания координаты при точном базировании. Нелинейность измерения координат ПШ с помощью датчиков базирования, приведенная в плоскость пластины, меньше 5 нм.
Источником экспонирования является твердотельный лазер, благодаря чему установка снабжена высокостабильной световой энергией. К преимуществам данного источника света относятся: большое время наработки на отказ – около 22 тыс. ч (например, у ртутной лампы 1,5 тыс. ч), высокий КПД (1,7%) активной световой энергии (у ртутной лампы 0,5%) и малая потребляемая мощность 1 700 Вт (у ртутной лампы 2 500 Вт).
Установка оптимизирована для работы не только с кремниевыми подложками, но и пьезокерамическими, что позволяет ее применять для изготовления «Меток» с использованием эффектов на поверхностных акустических волнах (ПАВ).
Таким образом, в ОАО «КБТЭМ-ОМО» разработана установка совмещения и экспонирования ЭМ‑5784 с уникальной возможностью динамического изменения топологии ИМС в процессе фотолитографии.
Более подробную информацию об оборудовании можно получить по телефонам +375 17-226-09-82, -392-25-06 или по e-mail: kbtem.omo@gmail.com.
В заключение остается в очередной раз пожелать руководителям предприятий радиоэлектронной промышленности, техническим специалистам, производителям изделий микроэлектроники больше доверять разработчикам оборудования (отечественным, из стран Ближнего зарубежья) и получать оборудование мирового уровня с низкой стоимостью владения. Как показывает опыт, такое оборудование используется на предприятиях, что подтверждается хорошими отзывами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Плебанович В. И. Безмасковая литография – требование сегодняшнего дня // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2015. № 7 (00147). С. 112–118.
2. Плебанович В.И., Воронин С. И., Сятковский Л. Г. Фотолитография. Решение проблемы прецизионного совмещения слоев после эпитаксии // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2012. № 1 (00115). С. 100–102.
3. Плебанович В. И. Создание ЭКБ. Инновационные решения или импортозамещение? // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2015. № 1 (00141). С. 110–118.
4. Плебанович В. И. Двухсторонняя литография – решение проблемы отвода тепла и разводки межсоединений в ИМС // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2015. № 4 (00144). С. 58–62.
Отзывы читателей
