Микролайн

Perkin -Elmer Micralign — семейство выравнивателей, представленное в 1973 году. Micralign был первым проекционным выравнивателем, концепция которого значительно улучшила производство полупроводников . По данным Центра истории чипов, он «буквально создал современную индустрию микросхем».

Micralign решил серьезную проблему ранней индустрии интегральных схем (ИС), заключавшуюся в том, что подавляющее большинство напечатанных ИС содержало дефекты, которые делали их бесполезными. В среднем около 1 из 10 произведенных сложных микросхем будет работоспособной, что составляет 10%. Micralign улучшил этот показатель более чем на 50%, а во многих случаях — до 70%. При этом цены на микропроцессоры и продукты с динамической оперативной памятью упали примерно в 10 раз в период с 1974 по 1978 год, и к этому времени Micralign стал практически универсальным на рынке высокого класса.

Первоначально прогнозируя, что будет продано около 50 единиц, Perkin-Elmer в конечном итоге продала около 2000. что сделало их крупнейшим поставщиком оборудования для производства полупроводников во второй половине 1970-х - начале 1980-х годов. Преобразованное в подразделение микролитографии, к 1980 году его доход стал самым большим из подразделений Perkin-Elmer и обеспечивал большую часть прибыли компании.

Компания не спешила реагировать на вызов степперов , которые заменили проекционные выравниватели на большинстве должностей, начиная с середины 1980-х годов. Их переход к крайнему ультрафиолету в качестве ответа потерпел неудачу, поскольку технология была незрелой. Другая попытка купить европейскую компанию по производству шаговых двигателей не изменила их судьбу. В 1990 году Perkin-Elmer продала подразделение компании Silicon Valley Group , которая сегодня является частью ASML Holding .

Фон

Интегральные схемы (ИС) производятся в ходе многоэтапного процесса, известного как фотолитография . Процесс начинается с тонких дисков особо чистого кремния выпиливания из кристаллического цилиндра, известного как буля . После первоначальной обработки эти диски называются пластинами . ИС состоит из одного или нескольких слоев линий и областей, нанесенных на поверхность пластины.

Пластины покрыты химическим веществом, известным как фоторезист . Один слой окончательного дизайна чипа печатается на «маске», похожей на трафарет . Маска помещается на пластину и ультрафиолетовой (УФ) лампой, обычно ртутной дуговой лампой освещается . В зависимости от процесса участки фоторезиста, подвергающиеся воздействию света, либо затвердевают, либо размягчаются, а затем более мягкие участки смываются растворителем . В результате получается дублирование рисунка с маски на поверхность пластины. Затем узор подвергается химической обработке, чтобы придать ему желаемые электрические свойства.

Весь этот процесс повторяется несколько раз для создания полной конструкции микросхемы. На каждом этапе используется разный дизайн на разной маске. Характеристики измеряются в микрометрах, поэтому любой предыдущий уже нанесенный рисунок должен быть точно совмещен с новой маской, которая будет применена. В этом и состоит цель элайнера — задача, которая изначально выполнялась вручную с помощью микроскопа .

Существует веский экономический аргумент в пользу использования пластин большего размера, поскольку на поверхности можно нанести больше отдельных микросхем и произвести их за одну серию операций, тем самым производя больше чипов за тот же период времени. Однако более крупные пластины вызывают серьезные оптические проблемы; сфокусировать свет по площади, сохраняя при этом очень высокую однородность, было серьезной проблемой. К началу 1970-х годов диаметр пластин уже некоторое время составлял около 2,5 дюймов, а затем постепенно приближался к 3 дюймам, но у существующих оптических систем были проблемы с этим размером. Каждый раз, когда появлялся новый размер пластины, оптические системы приходилось перепроектировать с нуля.

Контактные элайнеры

В 1960-е годы наиболее распространенным способом удержания маски во время экспонирования было использование контактного выравнивателя. Как следует из названия, целью этого устройства было точное выравнивание маски между каждым этапом формирования рисунка и после выравнивания удержание маски непосредственно на поверхности пластины. Причиной удерживания маски на пластине было то, что в масштабе рисуемых линий дифракция света по краям линий на маске приводила к размытию изображения, если между маской и пластиной было какое-либо расстояние.

Были серьезные проблемы с концепцией контактной маски. Одним из наиболее раздражающих было то, что любая пыль, попавшая внутрь каппы, могла прилипнуть к маске и отобразиться на последующих пластинах, как если бы она была частью рисунка. Не менее раздражало то, что неотвержденный фоторезист прилипал к маске, а когда маску поднимали, он отрывал верхнюю поверхность от пластины, разрушая эту пластину и снова добавляя на маску ложные изображения. Любая одна ошибка может не быть проблемой, поскольку будут затронуты только микросхемы в этом месте, но в конечном итоге будет обнаружено достаточно ошибок, и маска перестанет быть полезной.

Такие места, как TI, покупали маски буквально целыми грузовиками, использовали их от шести до десяти раз, а затем выбрасывали на свалку.

Джон Боссунг

Из-за подобных проблем маски обычно прослужили всего дюжину раз, прежде чем их приходилось заменять. Для поставки необходимого количества масок копии оригинальной маски неоднократно печатались с помощью обычной галогенсеребряной фотографии на фотоматериале, который затем использовался в машине. Термическая стабильность этих масок при воздействии яркого света вызывала искажения, которые не вызывали беспокойства в первые дни, но стали проблемой, поскольку размеры элементов продолжали уменьшаться. Это вынудило перейти от пленки к стеклянным маскам, что еще больше увеличило затраты.

Поскольку любая конкретная пластина могла быть повреждена на любом этапе маскировки, вероятность того, что какая-либо пластина дойдет до производства без повреждений, зависела от количества этапов. Это ограничивало сложность конструкции ИС, несмотря на то, что разработчики могли использовать гораздо больше слоев. Микропроцессоры , в частности, представляли собой сложные многослойные конструкции с чрезвычайно низкой производительностью: примерно 1 из 10 шаблонов на пластине обеспечивал рабочий чип.

Микропроектор

История Micralign берет свое начало с контракта 1967 года с ВВС США на поставку выравнивателя с более высоким разрешением. В то время ВВС были одними из крупнейших пользователей микросхем, которые использовались во многих их ракетных системах, особенно в ракете «Минитмен» . Стоимость и особенно время вывода на рынок были серьезной проблемой, в решении которой ВВС были заинтересованы.

Использовался второй тип элайнеров — бесконтактные элайнеры. Как следует из названия, они удерживали маску в непосредственной близости от пластины, а не в прямом контакте. Это продлило срок службы маски и позволило создать более сложную конструкцию, но имело тот недостаток, что эффекты дифракции ограничивали ее использование относительно крупными элементами по сравнению с контактными выравнивателями. Еще больше раздражало то, что маску нужно было выравнивать по трем осям, чтобы она была идеально плоской относительно пластины, что было очень медленным процессом, и маску приходилось удерживать таким образом, чтобы она не провисала.

ВВС много лет работали с компанией Perkin-Elmer над разведывательной оптикой, и командование материально-технической базы ВВС на базе ВВС Райт-Паттерсон предложило им контракт, чтобы посмотреть, смогут ли они улучшить систему бесконтактной маскировки. Результатом стал Микропроектор. Ключом к дизайну стала система линз из 16 элементов, создающая чрезвычайно сфокусированный источник света. Полученная система могла бы создавать элементы размером 2,5 мкм , 100 миллионные дюйма, что соответствует лучшим выравнивателям контактов.

Хотя система была эффективной и отвечала целям, поставленным ВВС, она не была практичной. При большом количестве линз дисперсия была серьезной проблемой, которую они решили, отфильтровав все, кроме одной полосы УФ-излучения шириной всего 200 ангстрем (линия G), отбрасывая большую часть света, исходящего от линз мощностью 1000 Вт. лампа. Это сделало время экспозиции даже дольше, чем у существующих бесконтактных конструкций.

Еще одна существенная проблема заключалась в том, что фильтры удаляли как видимый свет, так и ультрафиолет, из-за чего операторы не могли видеть чипы во время процесса выравнивания. Чтобы решить эту проблему, они добавили систему усилителя изображения , которая создавала видимое изображение из УФ-излучения, которое можно было использовать во время выравнивания, но это увеличило стоимость устройства.

Новая концепция

Гарольд Хемстрит, менеджер тогдашнего электрооптического подразделения, считал, что компания Perkin-Elmer могла бы улучшить микропроектор. Он обратился к Эйбу Оффнеру, главному оптическому дизайнеру компании, с просьбой найти решение. Оффнер решил изучить системы, которые фокусировали бы свет с помощью зеркал вместо линз, избегая таким образом проблемы дисперсии. Зеркала страдают еще одной проблемой — аберрацией , из-за которой трудно сфокусироваться вблизи краев зеркала. В сочетании с желанием перейти на более крупные 3-дюймовые пластины зеркало будет трудным решением, несмотря на его преимущества.

Решение Оффнера заключалось в том, чтобы использовать только небольшую часть зеркальной системы для изображения маски, ту часть, где фокус был гарантированно правильным. Это было вдоль тонкого кольца, идущего примерно на полпути от центра главного зеркала. Это означало, что только этот участок изображения маски был правильно сфокусирован. Это можно было бы использовать, если бы полученный свет был увеличен до размера маски, но Род Скотт предложил вместо этого использовать его путем сканирования полосы света по маске.

Для сканирования требуется, чтобы свет светил на фоторезист в течение того же времени, что и на всю пластину в контактном выравнивателе, поэтому это означало, что сканер будет работать намного медленнее, поскольку он отображает только небольшую часть за раз. Однако, поскольку зеркало было ахроматическим, можно было использовать всю мощность лампы, а не только небольшое окно частот. В конце концов, эти два эффекта компенсировали друг друга, и время визуализации новой системы было таким же хорошим, как и у контактных систем.

Джон Боссунг создал экспериментальную систему, которая копировала маску на фотографический слайд. Это позволило выиграть еще один контракт на 100 000 долларов от ВВС на создание рабочего образца.

Практичный дизайн

100 000 долларов было недостаточно для запуска такой системы в коммерческое производство, поэтому Хемстриту пришлось убеждать руководство профинансировать разработку. В то время другое подразделение просило средства на разработку лазерной высокой печати, системы высокоскоростной печати денег, и Хемстриту пришлось утверждать, что финансировать следует именно их, а не этот проект. Когда совет директоров спросил о потенциальном рынке, он предположил, что компания могла бы продать 50 систем, но это вызвало смех, поскольку никто не мог себе представить потребность в 50 таких машинах. Тем не менее, Хемстриту удалось добиться одобрения проекта.

В мае 1971 года была сформирована производственная группа, которую возглавили Джере Бакли, конструктор-механик, и Дэйв Маркл, инженер-оптик. Первоначальная конструкция Оффнера требовала, чтобы маска и пластина сканировались по горизонтали точно так же, как маска проходила над активной областью зеркальной системы. Организовать это с необходимой точностью оказалось фантастически сложно. Они разработали новую компоновку, в которой маска и пластина удерживались на противоположных концах C-образного держателя под прямым углом к ​​главному зеркалу. Новые зеркала отражали свет под прямым углом, поэтому вертикальное движение держателя преобразовывалось в горизонтальное сканирование главного зеркала, а потолочная призма переворачивала окончательное изображение, так что маска и пластина не создавали зеркальных изображений. Сделав С-образный держатель достаточно большим, вращение узла позволило получить факсимиле горизонтального сканирования, которое было более чем достаточно точным для желаемого разрешения. . изгибный подшипник Для обеспечения сверхплавного вращательного движения использовался Перкин-Элмер хвастался, что можно бросить в механизм пригоршню песка, и он все равно будет работать идеально. Нет никаких записей о выходе сканера из строя.

Базовый механический проект был завершен к ноябрю 1971 года. Следующим шагом было создание лампы, которая могла бы эффективно освещать изогнутую часть зеркала. Они позвонили Рэю Пакетту в Advanced Radiation Corporation , и, поработав над ним около двух часов, он изготовил образец изогнутой лампы. Затем Оффнер разработал новый коллиматор , который имел изогнутую форму. Поскольку почти весь свет лампы был использован, сканирование заняло 10–12 секунд, что является значительным улучшением по сравнению со старыми системами. Следующая проблема заключалась в том, как выровнять маску, поскольку система фокусировала только ультрафиолетовый свет. Проблема была решена путем добавления диэлектрического покрытия, отражающего УФ-излучение, но не видимого света. В процессе выравнивания использовалась отдельная лампа, свет которой проходил через оптику к микроскопу, который оператор использовал для выравнивания маски.

Выпуск продукта должен был состояться летом 1973 года. В рамках предварительных продаж компания выпустила серию пластин для Texas Instruments , которые затем использовали в качестве «золотых пластин» для демонстрации потенциальным клиентам. Они показали пластины компании Raytheon , которая их отвергла, компании National Semiconductor , которая была впечатлена, и компании Fairchild Semiconductor , которая сделала с помощью электронного микроскопа снимки пластин , которые показали, что у них «ужасные края». К тому времени, когда они вернулись в штаб-квартиру компании в Норкроссе, компания Raytheon указала, что проблема может быть не в самом выравнивателе, а в слоях фоторезиста. Они отправили в Перкин-Элмер одного из своих опытных операторов и начали решать практические проблемы производства, с которыми компании раньше не приходилось сталкиваться.

Микролайн 100

Первая продажа того, что теперь известно как Micralign 100, произошла в 1974 году компании Texas Instruments, которая заплатила за машину 98 000 долларов, что эквивалентно 605 457 долларам в 2023 году, что примерно в три раза больше, чем у существующих высококачественных контактных выравнивателей. Затем последовали продажи Intel и Raytheon . Intel держала свою систему в секрете и могла предлагать новые продукты, в частности устройства памяти, по ценам, которые никто другой не мог предложить. Секрет наконец раскрылся, когда несколько сотрудников Intel покинули компанию.

Реклама для первых клиентов была простой; они могли использовать существующие стеклянные мастер-маски или «сетки» без необходимости печатать рабочие маски вообще. Маски рассчитаны на 100 000 использований вместо 10. К следующему году компания вышла на полную мощность производства и имела годичный портфель заказов. К 1976 году они продавали 30 штук в месяц. Единственная проблема, обнаруженная во время первоначального использования, заключалась в том, что более длительное воздействие привело к новым проблемам с тепловым расширением, которые были решены путем перехода от обычного известково-натриевого стекла к боросиликатному стеклу для масок.

Реальным преимуществом было не снижение стоимости масок, а повышение производительности. В отчете 1975 года сторонней исследовательской фирмы были обозначены впечатляющие преимущества; поскольку были устранены проблемы контакта с грязью и прилипающей эмульсией, урожайность значительно возросла. Для простых однослойных микросхем, таких как серия 7400 , доход увеличился с 75 процентов при контактной печати до 90 процентов при использовании Micralign. Результаты были более впечатляющими для более крупных чипов; Типичный чип калькулятора с четырьмя функциями дал 30 процентов результата при использовании контактной печати, Micralign — 65 процентов.

Микропроцессоры стали по-настоящему полезны только после появления Micralign. Intel 8088 имел доходность около 20% на старых системах, а на Micralign этот показатель увеличился до 60%. Другие микропроцессоры с самого начала разрабатывались специально для производства на Micralign. Motorola 6800 производился с использованием выравнивателей контактов и продавался по цене 295 долларов за штуку. Чак Педдл обнаружил, что покупатели не станут покупать его по такой цене, и разработал недорогую замену. Когда руководство Motorola отказалось финансировать разработку, он ушел и перешел в MOS Technology . Их MOS 6502 был разработан специально для Micralign и сочетает в себе высокую производительность и меньший набор функций, что позволяет им достичь проектной стоимости в 5 долларов за единицу. Они представили 6502 всего через год после 6800, продав его по 25 долларов за штуку, а последующие 6507 со своей RIOT микросхемой поддержки продали Atari по общей цене 12 долларов за пару.

Более поздние поколения

В линейку было внесено несколько усовершенствований, позволяющих адаптироваться к изменениям на рынке микросхем. Одним из первых, на модели 110, был добавлен автоматический загрузчик пластин, который позволял операторам быстро маскировать множество пластин подряд.

Модель 111 представляла собой модель с одной пластиной, которая заменила модель 100 и могла быть адаптирована для использования с пластинами размером 2, 2,5 или 3 дюйма, а также, опционально, масками 4 × 4, 3,5 × 3,5 или 3 × 3 дюйма. . Модель 120 представляла собой модель 111 с автоматической загрузкой пластин. Модель 130 работала с пластинами диаметром 100 мм и масками размером 5×5 дюймов в одной системе пластин, а модель 140 добавляла загрузку пластин к модели 130. Любую существующую модель можно адаптировать к другим размерам пластин и масок или добавить загрузку пластин с помощью комплектов для переоборудования.

Micralign второго поколения был представлен в 1979 году. Он предлагал более высокое разрешение и возможность работать с пластинами большего размера, но при этом стоил гораздо дороже — 250 000 долларов, что эквивалентно 1 049 519 долларам в 2023 году. Эта более высокая цена компенсировалась способностью печатать больше чипов за единицу. пластина из-за меньших размеров элементов. Модель 500 1981 года увеличила пропускную способность до 100 пластин в час, компенсируя свою цену в 675 000 долларов, что эквивалентно 2 262 189 долларам в 2023 году, за счет повышения пропускной способности.

К началу 1980-х годов Perkin-Elmer твердо контролировала большую часть рынка выравнивающих устройств, несмотря на согласованные усилия многих компаний выйти на этот рынок. В период с 1976 по 1980 год общий объем продаж компании утроился и составил 966 миллионов долларов, что эквивалентно 3 572 171 244 долларам в 2023 году, из которых 104 миллиона долларов пришлось на подразделение микролитографии, что сделало его крупнейшим подразделением компании и, безусловно, самым прибыльным.

Выход с рынка

Пока Perkin-Elmer представляла Micralign, несколько других компаний работали над различными решениями одной и той же основной проблемы фокусировки света на постоянно растущих пластинах. GCA, бывшая Американская геофизическая корпорация , работала над концепцией, которая фокусировалась только на небольшой части пластины за раз, увеличивая изображение маски примерно в 10 к 1, чтобы она могла излучать больше света через гораздо большую поверхность. маску и компенсировать тот факт, что в ней использовался только один диапазон УФ-излучения. IBM приобрела одну систему примерно в то же время, когда на рынке появился Micralign, но отказалась от этой системы и пришла к выводу, что она никогда не сможет работать.

К 1981 году компания GCA решила проблемы шаговой системы. В течение этого периода индустрия микросхем постоянно переходила к более плотным функциям и более сложным конструкциям. У Micralign не хватало разрешения, а дополнительное увеличение в системе GCA позволяло ей работать с более мелкими объектами. Примерно с той же скоростью, с которой Micralign прекратил продажи контактных принтеров, шаговый двигатель GCA прекратил продажи Micralign. Компания Perkin-Elmer просто не прислушалась к своим клиентам, которые требовали более высокого разрешения, и проигнорировала исследования и разработки новых систем.

Вместо степперов Модель 600 сделала ставку на Deep UV (примечание: исправление ошибки в интервью «EUV») (DUV) как решение проблемы разрешения. IBM использовала их для запуска серии чипов памяти, но ни у кого больше не было эффективного фоторезиста, который работал бы в DUV, и лишь немногие клиенты купили систему. Степперы были намного медленнее, чем Miralign, и намного дороже, поэтому продажи стартовали очень медленно. но к середине 1980-х годов степперы быстро завоевали рынок.

Стремясь удержаться на рынке, в 1984 году Perkin-Elmer приобрела компанию Censor, компанию по производству шаговых двигателей из Лихтенштейна . Этот продукт так и не получил широкого распространения на рынке, и, несмотря на банкротство GCA в 1987 году, Perkin-Elmer решила отказаться от подразделения микролитографии и выпустить его на рынок в апреле 1989 года вместе со своей электронно-лучевой литографией (EBL). разделение. Работа EBL была быстро продана, но подразделение по выравниванию задержалось. В 1990 году она была приобретена группой Silicon Valley (SVGL) в рамках многосторонней сделки с участием IBM, при посредничестве которой выступила Nikon . SVGL была приобретена ASML Holding в 2001 году.

Ссылки

Библиография

• «Введение в фотолитографию» (PDF) . Среднезападный региональный центр нанотехнологического образования. 29 августа 2012 г.
• Системы выравнивания проекционной маски Micralign (Технический отчет). Перкин-Элмер. Сентябрь 1978 года.
• «Canon – Бесконтактный выравниватель PLA 501F/FA» . История чипа .
• Занзал, Эндрю (2018). «Введение в печать масок» . В Ризви, Сайед (ред.). Справочник по технологии изготовления фотошаблонов . ЦРК Пресс. стр. 3–16. ISBN  9781420028782 .
• Бербанк, Дэниел (осень 1999 г.). «Почти невозможно создать микрочип» (PDF) . Изобретения и технологии . стр. 44–51.
• Пиз, Р. Фабиан; Чоу, Стивен (февраль 2008 г.). «Литография и другие методы создания рисунков для электроники будущего». Труды IEEE . 96 (2): 248–270. дои : 10.1109/JPROC.2007.911853 . S2CID   207020180 .
• «Большой рост компании Perkin-Elmer начался с небольшого исследовательского контракта» . Нью-Йорк Таймс . 18 июля 1981 г. с. 31.
• Маркофф, Джон (16 мая 1990 г.). «Подразделение Perkin останется в собственности США» . Нью-Йорк Таймс . п. 7.
• Маркл, Дэйв (16 июня 2007 г.). «The Projection Aligner: это [так в оригинале] разработка компании Perkin Elmer в 1970-х годах» (интервью). Беседовал Дэн Хатчесон.
• «Перкин-Элмер – Микролайн 600» . Январь 1986 года.
• Педдл, Чак (12 июня 2014 г.). «Устная история Чака Педдла» (интервью). Беседовали Дуг Фэйрберн и Стивен Даймонд.