Micralign - Micralign

В Перкин-Элмер Micralign была семьей элайнеры представлен в 1973 году. Micralign был первым проектором выравниватель, концепция, которая значительно улучшила производство полупроводников. Согласно Центру истории микросхем, он «буквально создал современную индустрию микросхем».[1]

Micraline решила серьезную проблему в начале Интегральная схема (IC), что подавляющее большинство напечатанных микросхем содержало дефекты, делавшие их бесполезными. В среднем примерно 1 из 10 произведенных сложных ИС будет в рабочем состоянии, что дает выход 10%. Micralign улучшил этот показатель до более чем 50%, а во многих приложениях - до 70%. При этом цена микропроцессоры и динамическое ОЗУ количество продуктов упало примерно в 10 раз в период с 1974 по 1978 год, к тому времени Micralign стал практически универсальным на рынке дорогих товаров.

Первоначально предполагая продать около 50 единиц, Perkin-Elmer в конечном итоге продала около 2000 единиц.[а] что сделало их безусловно крупнейшим поставщиком оборудования для производства полупроводников во второй половине 1970-х и начале 1980-х годов. Сформированное в подразделение микролитографии, к 1980 году его доходы были крупнейшими из подразделений Perkin-Elmer и обеспечивали большую часть прибыли компании.

Компания не спешила с ответом на вызов степпер, который заменил проекционные выравниватели в большинстве ролей, начиная с середины 1980-х годов. Их переход в крайний ультрафиолет как ответ не удалось, поскольку технология не была зрелой. Очередная попытка покупки европейской компании по производству степперов не изменила их судьбу. В 1990 году Perkin-Elmer продала подразделение компании Группа Кремниевой Долины, который сегодня является частью АСМЛ Холдинг.

Фон

Интегральные схемы (ИС) производятся в многоэтапном процессе, известном как фотолитография. Процесс начинается с тонких дисков особо чистого кремний выпиливается из кристаллического цилиндра, известного как буль. После первоначальной обработки эти диски известны как вафли. ИС состоит из одного или нескольких слоев линий и областей, нанесенных на поверхность пластины.[3]

Пластины покрыты химическим веществом, известным как фоторезист. Один слой окончательного дизайна чипа напечатан на «маске», похожей на трафарет. Маска накладывается на пластину и ультрафиолетовый (УФ) лампа, обычно ртутная дуговая лампа, светится на маске. В зависимости от процесса, участки фоторезиста, подверженные воздействию света, либо затвердевают, либо смягчаются, а затем более мягкие участки смываются с помощью растворитель. Результат - дублирование рисунка маски на поверхность пластины. Затем для придания узору требуемых электрических свойств используется химическая обработка.[3]

Весь этот процесс повторяется несколько раз, чтобы создать полную конструкцию ИС. На каждом шаге используется разный дизайн маски. Элементы измеряются в микронах, поэтому любой предыдущий уже нанесенный дизайн должен быть точно согласован с новой маской, которая будет применяться. Это назначение выравнивателя, задача, которая изначально выполнялась вручную с помощью микроскоп.[3]

Существует веский экономический аргумент в пользу использования пластин большего размера, поскольку на поверхности может быть сформировано больше отдельных ИС, которые можно изготовить за одну серию операций, тем самым производя больше микросхем за тот же период времени. Однако проблемы с оптикой были серьезной проблемой, фокусировка света по площади при сохранении очень высокой однородности была серьезной проблемой дизайна. К началу 1970-х годов вафли в течение некоторого времени были около 2,5 дюймов в диаметре и постепенно приближались к 3 дюймам, но существующие оптические системы имели проблемы с этим размером. Каждый раз, когда вводился новый размер пластин, оптические системы приходилось заново проектировать.[4]

Контактные выравниватели

В 1960-х годах наиболее распространенным способом удерживания маски во время экспонирования было использование контактного выравнивателя. Как следует из названия, цель этого устройства состояла в том, чтобы точно выровнять маску на каждом этапе формирования рисунка, а после выравнивания удерживать маску непосредственно на поверхности пластины. Причина, по которой маску держали на пластине, заключалась в том, что в масштабе рисуемых линий дифракция Свет по краям линий на маске размыл бы изображение, если бы между маской и пластиной было какое-то расстояние.[5]

Были серьезные проблемы с концепцией контактной маски. Одним из наиболее неприятных моментов было то, что любая пыль, достигшая внутренней части элайнера, прилипала к маске и отображалась так, как если бы она была частью рисунка. Не менее неприятно то, что неотвержденный фоторезист иногда прилипал к маске, а когда его поднимали, он отрывал верхнюю поверхность пластины, разрушая ее и снова добавляя ложные изображения на маску. Любая одна ошибка может не быть проблемой, потому что будут затронуты только ИС в этом месте, но в конечном итоге будет обнаружено достаточно ошибок, чтобы маска больше не использовалась.[6]

Такие места, как TI, покупали маски буквально целыми грузовиками, использовали их шесть-десять раз, а затем складывали на свалку.

Джон Боссунг[6]

В результате подобных проблем маски обычно прослужили всего дюжину раз, прежде чем их пришлось заменить. Для обеспечения необходимого количества масок копии исходной маски многократно распечатывались с использованием обычных галогенид серебра фотография на фотостоке, которая затем использовалась в машине. Термостойкость этих масок во время воздействия яркого света вызвала искажения, которые не вызывали беспокойства в первые дни, но стали проблемой, поскольку размеры элементов продолжали уменьшаться. Это заставило перейти от масок из пленки к маскам из стекла, что еще больше увеличило расходы.[7]

Поскольку любая конкретная пластина может быть повреждена на любом данном этапе маскирования, вероятность того, что любая пластина дойдет до производства без повреждений, зависит от количества этапов.[8] Это ограничивало сложность конструкций ИС, несмотря на то, что дизайнеры могли использовать гораздо больше слоев. Микропроцессоры в частности, это были сложные многослойные конструкции, которые имели чрезвычайно низкий выход: возможно, 1 из 10 рисунков на пластине доставлял рабочий чип.[9]

Микропроектор

Micralign ведет свою историю с контракта 1967 года с ВВС США для выравнивателя с более высоким разрешением. В то время ВВС были одним из крупнейших пользователей ИС, которые использовались во многих их ракетных системах, особенно в ракетных. Ракета Минитмен. Стоимость и особенно время вывода на рынок были серьезной проблемой, в улучшении которой были заинтересованы ВВС.[10]

Использовался второй тип выравнивателя, бесконтактный выравниватель. Как следует из названия, они удерживали маску в непосредственной близости от пластины, а не в прямом контакте. Это увеличило срок службы маски и позволило создать более сложную конструкцию, но имело недостаток, заключающийся в том, что дифракционные эффекты ограничивали ее использование относительно большими элементами по сравнению с контактными выравнивателями. Еще больше раздражал тот факт, что маску нужно было выровнять по трем осям, чтобы сделать ее идеально ровной относительно пластины, что было очень медленным процессом, и маску приходилось удерживать таким образом, чтобы она не провисала.[10]

ВВС много лет работали с Перкин-Элмером над разведывательной оптикой, а Командование материальной частью ВВС в База ВВС Райт-Паттерсон предложил им контракт, чтобы посмотреть, могут ли они улучшить систему маскировки приближения.[10] Результатом стал микропроектор. Ключом к дизайну была система линз с 16 элементами, которая давала чрезвычайно сфокусированный источник света. Полученная в результате система может обеспечивать детали размером 2,5 микрона, или 100 миллионных долей дюйма, что соответствует лучшим контактным выравнивателям.[9]

Хотя система была эффективной и соответствовала целям, поставленным ВВС, она была непрактичной.[11] Благодаря большому количеству линз, разброс была серьезной проблемой, которую они решили, отфильтровав все, кроме единственной полосы ультрафиолета шириной всего 200 ангстрем (линия G), отбрасывая большую часть света, исходящего от лампы мощностью 1000 Вт. Это сделало время экспозиции даже больше, чем у существующих бесконтактных конструкций.[9]

Еще одна серьезная проблема заключалась в том, что фильтры удаляли как видимый, так и ультрафиолетовый свет, из-за чего операторы не могли видеть чипы во время процесса выравнивания. Чтобы решить эту проблему, они добавили усилитель изображения система, которая создавала видимое изображение из УФ-излучения, которое можно было использовать во время выравнивания, но это увеличивало стоимость устройства.[9]

Новая концепция

Гарольд Хемстрит, менеджер тогдашнего электрооптического подразделения, считал, что Перкин-Элмер может улучшить микропроектор. Он призвал Эйба Оффнера, главного дизайнера оптики компании, предложить решение. Оффнер решил исследовать системы, которые фокусировали бы свет с помощью зеркал вместо линз, таким образом избегая проблемы рассеивания. Зеркала страдают еще одной проблемой, аберрация, что затрудняет фокусировку у краев зеркала. В сочетании с желанием перейти на более крупные 3-дюймовые пластины, зеркало было бы трудным решением, несмотря на его преимущества.[9]

Решение Оффнера состояло в том, чтобы использовать только небольшую часть системы зеркал для отображения маски, ту часть, где была гарантирована правильная фокусировка. Это было тонкое кольцо, проходящее примерно на полпути от центра главного зеркала. Это означало, что только эта полоска изображения маски была правильно сфокусирована. Это можно было бы использовать, если бы результирующий свет был увеличен до размера маски, но Род Скотт предложил вместо этого использовать его, сканируя полоску света через маску.[12]

Для сканирования требуется, чтобы свет падал 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 будет отображать только небольшую часть за раз. Однако, поскольку зеркало было ахроматическим, можно было использовать весь выход лампы, а не только небольшое окно частот. В конце концов, два эффекта уравновешивали друг друга, и время визуализации новой системы было таким же хорошим, как и у контактных систем.[9]

Джон Боссунг построил систему проверки концепции, которая копирует маску на слайд фотографии. Это выиграло еще один контракт на 100 000 долларов от ВВС на производство рабочего образца.[13]

Практичный дизайн

100000 долларов было бы недостаточно для внедрения такой системы в промышленное производство, поэтому Хемстрит пришлось убедить руководство финансировать разработку. В то время другое подразделение запрашивало средства на разработку лазерной высокой печати, высокоскоростной системы печати валюты, и Hemstreet был вынужден утверждать, что они должны получить финансирование вместо этого проекта.[14] Когда совет директоров Спросив о потенциальном рынке, он предположил, что компания могла бы продать 50 таких систем, над чем посмеялись, поскольку никто не мог вообразить потребность в 50 таких машинах.[15] Тем не менее Hemstreet удалось добиться одобрения проекта.[16]

В мае 1971 года была сформирована производственная группа во главе с инженером-механиком Джером Бакли и инженером-оптиком Дэйвом Маркл. Первоначальный дизайн Оффнера требовал, чтобы маска и пластина сканировались по горизонтали точно таким же движением, как и маска, проходящая через активную область зеркальной системы. Это оказалось фантастически сложно оформить с необходимой точностью.[13] Они разработали новую компоновку, в которой и маска, и пластина удерживались на противоположных концах С-образного держателя под прямым углом к ​​главному зеркалу. Новые зеркала отражали свет под прямым углом, поэтому вертикальное движение держателя преобразовывалось в горизонтальное сканирование по основному зеркалу, а призма крыши перевернул окончательное изображение так, чтобы маска и пластина не создавали зеркальных отображений. Сделав С-образный держатель достаточно большим, вращение узла привело к получению факсимиле горизонтального сканирования, которое было более чем достаточно точным для желаемого разрешения. А изгиб подшипника был использован для обеспечения сверхплавного вращательного движения. Перкин-Элмер хвастался, что в механизм можно бросить горсть песка, и он все равно будет работать безупречно.[17] Нет данных о том, что сканер когда-либо выходил из строя.[18]

Основное механическое проектирование было завершено к ноябрю 1971 года. Следующим шагом была разработка лампы, которая могла бы эффективно освещать изогнутую часть зеркала. Они позвонили Рэю Пакету в Advanced Radiation Corporation, и, поработав над ней около двух часов, он изготовил образец изогнутой лампы. Затем Оффнер разработал новый коллиматор который работал с изогнутой формой. Поскольку использовался почти весь свет лампы, сканирование занимало от 10 до 12 секунд, что является значительным улучшением по сравнению со старыми системами. Следующая проблема заключалась в том, как выровнять маску, поскольку система фокусировала только УФ-свет. Эта проблема была решена путем добавления диэлектрического покрытия, которое отражало УФ, но не видимый свет. Во время процесса юстировки использовалась отдельная лампа, свет проходил через оптику в микроскоп, который оператор использовал для юстировки маски.[17]

Выпуск продукта был намечен на лето 1973 года. В рамках предпродажных мероприятий компания выпустила серию пластин для Инструменты Техаса, которые затем использовали как свои «золотые облатки», чтобы показать потенциальным клиентам. Показали вафли Raytheon кто их отверг, National Semiconductor кто был впечатлен, и Fairchild Semiconductor кто произвел электронный микроскоп изображения вафель, которые показали, что у них «ужасные края». К тому времени, когда они вернулись в штаб-квартиру компании в Норкроссе, Raytheon указал, что проблема могла быть не в самом элайнере, а в слоях фоторезиста. Они отправили одного из своих опытных операторов в Perkin-Elmer и начали разбираться с практическими проблемами изготовления, с которыми компании раньше не приходилось сталкиваться.[6]

Micralign 100

Первая продажа того, что теперь было известно как Micralign 100, была сделана в 1974 году компании Texas Instruments, которая заплатила за устройство 98000 долларов, что эквивалентно 508 053 ​​долларам в 2019 году, что примерно в три раза больше, чем у существующих элайнеров высокого класса.[19] Продажи в Intel и Raytheon последовал. Intel держала свою систему в секрете и смогла представить новые продукты, в частности устройства памяти, по ценам, которых никто не мог коснуться. Секрет наконец просочился, когда несколько сотрудников Intel покинули компанию.[20]

Предложение для первых клиентов было простым; они могли использовать свои существующие стеклянные мастер-маски или «сетки» без необходимости печатать рабочие маски вообще. Маски рассчитаны на 100 000 использований вместо 10. К следующему году компания была полностью укомплектована производством и имела годичный портфель заказов. К 1976 году они продавали 30 штук в месяц.[21] Единственная проблема, обнаруженная во время первоначального использования, заключалась в том, что более длительное воздействие приводило к новым проблемам с тепловым расширением, которые были решены путем перехода от обычных натриево-известковое стекло к боросиликатное стекло для масок.[22][b]

Реальным преимуществом было не снижение стоимости масок, а повышение урожайности. В отчете от 1975 г. сторонней исследовательской фирмы были описаны впечатляющие преимущества; поскольку проблемы с контактом с грязью и эмульсией налипания были устранены, урожайность значительно улучшилась. Для простых однослойных ИС, таких как 7400-серии, выход 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 дает 30% результатов при использовании контактной печати, Micralign - 65%.[6]

Микропроцессоры стали по-настоящему полезными только после появления Micralign.[23] В Intel 8088 на старых системах доходность составляла около 20%, а на Micralign - до 60%.[24] Другие микропроцессоры с самого начала были разработаны специально для производства на Micralign. В Motorola 6800 был произведен с использованием контактных выравнивателей и продан за 295 долларов в шт. Чак Педдл выяснилось, что клиенты не станут покупать его по такой цене, и разработали недорогую замену. Когда руководство Motorola отказалось финансировать разработку, он ушел и переехал в MOS Technologies. Их MOS 6502 был разработан специально для Micralign, с сочетанием высокой производительности и меньшего набора функций, что позволило им достичь своей проектной стоимости в 5 долларов за единицу. Они представили 6502 только через год после 6800, продав его за 25 долларов в одиночном разряде, а также продавая 6502 и БУНТ к Atari на общую сумму 12 долларов за пару.[25]

Более поздние поколения

В линейку были внесены несколько улучшений для адаптации к изменениям на рынке ИС. Одним из первых, на Model 110, был добавлен автоматический загрузчик пластин, который позволил операторам быстро замаскировать множество пластин подряд.

Модель 111 была моделью с одной пластиной, пришедшей на смену 100, и могла быть адаптирована для использования с пластинами размером 2, 2,5 или 3 дюйма, а также опционально 4x4, 3,5x3,5 или 3x3-дюймовыми масками. Модель 120 была 111 с автоматической загрузкой пластин. Модель 130 работала со 100-миллиметровыми пластинами и масками 5x5 дюймов в одной системе пластин, а модель 140 добавляла загрузку пластин к 130.[26] Любую существующую модель можно адаптировать к пластинам и маскам других размеров или добавить загрузку пластин с помощью комплектов для преобразования.[27]

Micralign второго поколения был представлен в 1979 году. Он предлагал более высокое разрешение и возможность работы с более крупными пластинами, но также стоил гораздо дороже - 250 000 долларов, что эквивалентно 880 674 долларам в 2019 году. Эта более высокая цена была компенсирована его способностью печатать больше микросхем за один пластина, из-за меньших размеров элемента.[28] Модель 500 1981 года увеличила пропускную способность до 100 пластин в час, что компенсировало ее цену в 675 000 долларов, что эквивалентно 1898 252 долларам в 2019 году за счет увеличения пропускной способности.[28]

К началу 1980-х годов Perkin-Elmer твердо контролировала большую часть рынка элайнеров, несмотря на согласованные усилия многих компаний по выходу на рынок. В период с 1976 по 1980 год общий объем продаж компании утроился до 966 миллионов долларов, что эквивалентно 2997 долларам в 2019 году, из которых 104 миллиона долларов приходятся на Подразделение микролитографии, что делает его крупнейшим подразделением компании и, безусловно, самым прибыльным.[28]

Выход с рынка

В то время как Perkin-Elmer представлял Micralign, несколько других компаний работали над различными решениями той же основной проблемы - сфокусировать свет на постоянно растущих пластинах. GCA, ранее Геофизическая корпорация Америки, работал над концепцией, которая фокусировалась только на небольшой части пластины за раз, увеличивая изображение маски примерно в 10: 1, чтобы она могла пропускать больше света через гораздо большую маску и компенсировать факт что он использовал только одну полосу УФ-света. IBM купил одну примерно в то же время, когда Micralign вышел на рынок, но отказался от системы и пришел к выводу, что она никогда не сможет работать.[29]

К 1981 году GCA решила проблемы в шаговой системе. В течение этого периода индустрия микросхем постоянно переходила на более плотные элементы и более сложные конструкции. У Micralign не хватало разрешения, в то время как дополнительное увеличение в системе GCA позволило ему работать с более мелкими элементами. Примерно с той же скоростью, с какой Micralign прекратил продажи контактных принтеров, шаговый двигатель GCA прекратил продажи Micralign. Perkin-Elmer просто не слушала своих клиентов, которые требовали более высокого разрешения, и игнорировала исследования и разработки новых систем.[30]

Вместо степперов модель 600 сделала ставку на крайний ультрафиолет (EUV) как решение проблемы разрешения. IBM использовала их для запуска серии микросхем памяти, но ни у кого не было эффективного фоторезиста, работающего в EUV, и несколько других клиентов приобрели систему.[31] Степперы были намного медленнее, чем Micralign, и были намного дороже, поэтому продажи начинались очень медленно,[28] но к середине 1980-х степпер быстро завоевал рынок.[32]

Стремясь остаться на рынке, в 1984 году Perkin-Elmer приобрела компанию Censor, занимающуюся шаговыми двигателями. Лихтенштейн. Продукт так и не добился значительных успехов на рынке, и, несмотря на банкротство GCA в 1987 году, Perkin-Elmer решила отказаться от подразделения микролитографии и вывести его на рынок в апреле 1989 года вместе с их электронно-лучевая литография (EBL) подразделение. Работа EBL быстро разошлась, но отдел выравнивания остался. В 1990 году он был приобретен Группа Кремниевой Долины (SVGL) в многосторонней сделке с участием IBM, участие которой было при посредничестве Nikon.[33] SVGL был куплен АСМЛ Холдинг в 2001.[34]

Примечания

  1. ^ Некоторые источники заявляют о 3000.[2]
  2. ^ С тех пор производство чипов перешло на чистое кварцевое стекло из-за лучшего пропускания УФ-излучения.[22]

Рекомендации

Цитаты

  1. ^ Уорд, Пол (4 июля 2009 г.). "Perkin Elmer - система выравнивания проекционной маски Micralign". Центр истории чипов.
  2. ^ Маркл 2007, 10:20.
  3. ^ а б c Введение 2012.
  4. ^ PE 1978, п. 2.
  5. ^ Клеланд, Эндрю (2013). Основы наномеханики: от теории твердого тела до приложений для устройств. Springer. п. 352. ISBN  9783662052877.
  6. ^ а б c d Бербанк 1999, п. 50.
  7. ^ Занзал 2018, п. 9.
  8. ^ Занзал 2018, п. 10-11.
  9. ^ а б c d е ж Бербанк 1999, п. 46.
  10. ^ а б c Маркл 2007, 2:00.
  11. ^ Маркл 2007, 2:45.
  12. ^ Маркл 2007, 5:20.
  13. ^ а б Бербанк 1999, п. 48.
  14. ^ Маркл 2007, 8:45.
  15. ^ Маркл 2007, 9:20.
  16. ^ Маркл 2007, 9:40.
  17. ^ а б Бербанк 1999, п. 49.
  18. ^ Маркл 2007, 17:30.
  19. ^ Пиз и Чоу 2008, п. 251.
  20. ^ Маркл 2007, 21:00.
  21. ^ Маркл 2007, 10:00.
  22. ^ а б Занзал 2018, п. 11.
  23. ^ Маркл 2007, 12:00.
  24. ^ Бербанк 1999 С. 50-51.
  25. ^ Вразнос 2014, 58:30.
  26. ^ PE 1978, п. 5.
  27. ^ PE 1978, п. 6.
  28. ^ а б c d Нью-Йорк Таймс 1981, п. 31.
  29. ^ Маркл 2007, 22:00.
  30. ^ Маркл 2007, 22:15.
  31. ^ Маркл 2007, 23:00.
  32. ^ Маркл 2007, 25:30.
  33. ^ Марков 1990, п. 7.
  34. ^ «Акционеры Silicon Valley Group, Inc. одобряют слияние с ASM Lithography Holding NV». 7 февраля 2001 г.

Библиография