Thread by @jacek_perc

Co ma wspolnego fotolitografia, czcionka szeryfowa i Czeburaszka?
Na to pytanie postaramy sie znalezc odpowiedz w tym odcinku #mikroprzewodniki.
Do napisania tego tekstu zainspirowala mnie NVIDIA, ktora chwalila sie wypuszczeniem nowego produktu cuLitho.

Na poczatku zupelnie nie wiedzialem, co to jest, ani czym to sie je.
Ten watek jest po to, zeby to odczarowac, bo niewykluczone, ze jestescie rownie skonfundowani co ja na poczatku.
Takze, zapnijcie pasy, bo zabieram Was do zaczarowanego swiata computentional litograhpy.

Wczesniej, w tym tygodniu krotko pisalem jak wyglada proces fotolitografii.
Dla przypomnienia proces fotolitografii mozemy podzielic na 2 typy: pozytywowa i negatywowa.
W przypadku pozytywowej naswietlanie emulsji swiatlem UV sprawia, ze emulsja staje sie rozpuszczalna w solverze

W negatywowej jest odwrotnie i to naswietlone fragmenty staja sie odporne. Obecnie w przemysle wykorzystywane sa oba rodzaje, ale to wlasnie pozytywowa daje lepsza rozdzielczosc, wiec to na niej sie skupimy.
Bedzie to skrotowy opis.

No, wiec fotolitografia sluzy odwzorowaniu jakiegos ksztaltu w warstwie materialu.
Powiedzmy, ze osadzilismy sobie dwutlenek krzemu i chcemy zrobic tak, zeby byl on tylko w konkretnych miejscach, zeby sluzyl jako tlenek bramkowy w naszych tranzystorach.

Po procesie osadzania SiO2 znajduje sie na calym waflu krzemowym. Co wiec robimy?
Najpierw polewamy nasz wafalek fotorezystem (NIE FOTOREZYSTOREM), czyli swiatloczulym zwiazkiem organicznym.

Nastepnie umieszczamy go w wirowce, ktora dzieki sile odsrodkowej sprawia, ze fotorezyst jednorodnie pokrywa cala powierzchnie. Wszystkie nierownomiernosci moga spowodowac problemy z procesem.
Wkladamy do pieca, zeby wstepnie utwardzic rezyst, zeby nie rozlewal sie podczas ruchu

Nastepnie wkladamy go do skanera (AMSL i EUV), ktora naswietla rezyst przez specjalna maske. Rezyst jest naswietlany tylko w tych miejscach, gdzie maska jest przezroczysta.
Tam, gdzie w rezyst uderza foton zachodzi reakcja chemiczna, ktora sprawia, ze fotorezyst staje sie slabszy

Nastepnie jeszcze raz do piecyka na PEB (ang. post exposure bake), zeby dokonczyc reakcje chem. zainicijowana przez fotony.
Wkladamy do rozpuszczalnika. Naswietlony rezyst rozpuszcza sie. I mamy odwzorowany ksztalt. Potem jescze raz do piecyka na tzw. Hard Bake.

Stabilizuje to ksztalty, w celu poprawy rozdzielczosci. W tym monencie nasza warstwa SiO2 jest pokryta wzorkami z fotoemulsji. Zeby odwzorowac ksztalty w SiO2, wkladamy wafel do kwasu fluorowodorwego (HF).
To jest tzw. trawienie na mokro. Mozna jeszcze na sucho w plazmie.

Utwardzony rezyst chroni SiO2 przed kwasem. A ten niepokryty zostaje strawiony. Nastepnie usuwamy sam fotorezyst. Voilas. Mamy wzor na SiO2.
I tutaj nasuwa sie pytanie. Czy nasz wzorek na krzemie pokrywa sie z tym co jest na masce fotolitograficznej?
Oczywiscie nie.

Co moglo pojsc nie tak? Duzo rzeczy. Sami widzicie, ze taka fotolitografia to calkiem skomplikowany proces. Nawet w tej uproszczeonej przez mnie wersji.

1) Naswietlanie.
W technologii EUV wykorzystujemy dlugosc fali rowna ~14 nm, ksztalty ktore chcemy odwzorowac sa niewiele wieksze.
Przypomnijmy sobie ze szkoly sredniej co sie dzieje z fala, kiedy napotyka ona obiekt porownywalny do dlugosci jej fali. Zasada Huygensa sie klania.

Ktora mowi, ze kazdy punkt osrodka do ktorego dotrze czolo fali staje sie zrodlem nowej fali (notabene nie znam w PL nikogo, kto potrafilby wymowic jego nazwisko).
Prowadzi to do dyfrakcji, interferencji i innych zjawisk, ktore sprawiaja, ze wzorek zaczyna nam sie znieksztalcac.

2) Reakcje chemiczne w fotoemulsji.
Tutaj tez moze sie cos zle zadziac, fotoemulsja bedzie niedostatecznie dlugo oswietlona albo za dlugo.
Reakcja z rozpuszczalnikiem moze tez zle przebiec. To wszytsko powoduje, ze wzorek samej emulsji moze tez byc inny niz tego na masce.

3) Reakcje chemiczne trawienia SiO2 w HF.
Podobnie do pkt 2). A to okazuje sie, ze jak mamy jakis ksztalt w SiO2 to rogi trawia sie szybciej niz proste krawedzie.
A to jakies podtrawienia tam gdzie bysmy tego nie chcieli.

O czym to wszystko swiadczy? Miedzy innymi o tym, ze sam proces naswietlania nie wyznacza rozdzielczosci naszego wzorku w krzemie. Trzeba wziac tez pod uwage inne procesy.
Trawienie, wywolywanie itp. Fajnie byloby wiedziec na zas, jak bedzie wygladal nasz koncowy wzor.

I tutaj. Tam, ram , tam, tam. Wchodzi cala na bialo computetional photolitography.
Ktorej zadaniem jest przewidziec jak bedzie wygladal koncy wzorek na podstawie samej maski fotolitograficznej i jak zmienic nasza maske, tak aby uzyskac na koncu ksztalt zblizony do oczekiwanego.

To jest swego rodzaju pogodzenie sie z faktem, ze nie uda nam sie wyeliminowac wszystkich niedoskonalosci procesowych.
Mozemy robic coraz lepsza fotolitografie, wynajydwac jeszcze lepsze emulsje, procesy trawienia itp. Ale po co? Skoro mozemy sie z nimi pogodzic.

Po prostu zmodyfikowac nasz wzorek na masce tak, aby wzorek koncowy po tych wszystkich znieksztalceniach wygladal tak jak chcemy. Ten proces nazywamy OPC (ang. Optical proximity correction).
Widzimy, ze program ktory to przewiduje musi byc bardzo zaawansowany.

Musi brac pod uwage caly system optyczny (soczewka, zrodlo swiatla, itp.) i na podstawie rownan Maxwella przewidziec ksztalt fali juz docierajacej do rezystu.
W przypadku tak energetycznych fotonow (cwiczenie dla chetnych: oblicz energie fotonu, dla dl. fali w EUV - 14 nm)

i takich rozmiarow konieczne jest odejscie od rozumienia swiatla jako fali i liczenie przy pomocy sym. Monte Carlo, jak wyglada dystrybucja przestrzenna fotonow na emulsji (ziarnistosc).
Potem oczywiscie trzeba przesymulowac cala chemie zwiazana z emulsja.

Dynamika polimerow, fotochemia, reakcje dyfuzji. Bardzo skomplikowane. Z trawieniem jest podobnie. Duzo fizyki i klasycznej i kwantowej, statystyka, chemia. To naprawde skomplikowane programy.
Wszystko po to, zeby lepiej przewidziec koncowy ksztalt. Symulacje trwaja dlugo.

U nas mamy specjalna kolejke dla ludzi zajmujacym sie tym. Wrzucaja obliczenia na serwer i przychodza za 3 dni popatrzec co wyszlo.
No i wyjdzie np. to. Okazuje sie , ze np rysujac ksztalty na masce warto dodawac szeryfy. Wtedy nasz koncowy ksztalt bedzie blizszy zamierzonemu.

No i co to ma do NVIDII i tego cuLitho?
Ano przyszla sobie NVIDIA i pomyslala - "Hej strasznie dlugo Wam to zajmuje nerdy. Znacie sie na tej calej fizyce, chemii a nie na algorytmach."

Wzieli sobie te wszystkie rownanka, wszystkie toole i zmodyfikowali tak, zeby szybciej chodzily. Wczesniej to wszystko bylo zoptymalizowane pod CPU.
Przysla NVIDIA i zrobila tak, ze mozna to teraz odpalac na GPU. Ich GPU of course. Cos tam pewnie dodala jeszcze od siebie.

No i teraz bedzie to mozna robic taniej, szybciej i dokladniej. Same plusy.
Na dzisiaj to tyle. E(L)o.