شرکت Prinano Technology، یک توسعه‌دهنده ابزارهای نانوایمپرینت مستقر در چین، اولین سیستم لیتوگرافی نانوایمپرینت گام‌به‌گام (step-and-repeat) خود را در سطح نیمه‌هادی به یک مشتری چینی که بر فناوری‌های فرآیند تخصصی تمرکز دارد، تحویل داده است. به جای استفاده از تکنیک‌های لیتوگرافی سنتی مبتنی بر نور، این نوع ابزار ساخت تراشه، طرح تراشه را با یک قالب کوارتزی که طرح مدار روی آن حک شده است، روی ویفر ‘مهر’ می‌کند. 

دستگاه PL-SR-series شرکت Prinano اولین ابزار لیتوگرافی نانوایمپرینت (NIL) است که در چین توسعه یافته و قرار است پس از گذراندن تمام آزمایش‌های لازم در محل مشتری Prinano، برای تولید واقعی تراشه استفاده شود. Prinano دومین شرکتی در جهان است که پس از Canon، یک ابزار لیتوگرافی نانوایمپرینت واقعی را به مشتری تحویل می‌دهد.

ابزار NIL چین به نظر می‌رسد کار می‌کند

ابزار لیتوگرافی نانوایمپرینت گام‌به‌گام PL-SR شرکت Prinano، ویفرها را با فشار فیزیکی یک قالب کوارتزی سخت که با طرح‌های مدار در مقیاس نانو حکاکی شده است، به یک لایه نازک از مقاومت مایع که روی سطح ویفر قرار گرفته، الگوبرداری می‌کند. به جای استفاده از نور و اپتیک‌های پروجکشن مانند فوتولیتوگرافی، PL-SR مستقیماً ویژگی‌های قالب را در مقیاس کامل تکثیر می‌کند. این سیستم مقاومت را با استفاده از یک سیستم جوهرافشان با دقت بالا اعمال می‌کند که حجم قطرات را به صورت پویا برای چگالی‌های مختلف الگو تنظیم می‌کند تا یک لایه باقیمانده نازک و یکنواخت (زیر 10 نانومتر، با کمتر از 2 نانومتر تغییر) را تضمین کند. 

سیستم PL-SR شرکت Prinano ویفرهای 300 میلی‌متری را پردازش می‌کند و قابلیت عرض خط کمتر از 10 نانومتر را به دست می‌آورد. در طول عملیات، سیستم قالب و ویفر را با دقت احتمالی زیر 10 نانومتر تراز می‌کند، بدون خلاء تماس کامل برقرار می‌کند و هر میدان را به صورت متوالی (به همین دلیل به آن سیستم ‘گام‌به‌گام’ می‌گویند) مهر می‌کند و آنها را به هم می‌دوزد تا کل ویفر 300 میلی‌متری را پوشش دهد. 

این دستگاه دارای یک مکانیزم کنترل پروفایل قالب اختصاصی است — یک نوآوری مهم برای NIL — که قول می‌دهد عدم تطابق انحنا بین قالب کوارتزی سخت و ویفر سیلیکونی را جبران کند تا انتقال ویژگی‌ها با نسبت ابعاد بیش از 7:1 بدون هیچ گونه اعوجاجی برای به حداکثر رساندن بازده و کاهش تغییرات عملکرد را امکان‌پذیر سازد. پس از مهر زنی، الگوی مقاومت پخت شده و سپس حکاکی می‌شود تا ساختارهای مدار نهایی را تشکیل دهد.

با نتایج خوب

در حالی که نمی‌توانیم دستگاه لیتوگرافی NIL را مستقیماً با ابزارهای EUV مقایسه کنیم، قابلیت عرض خط آن را می‌توان با وضوح فعال شده توسط اسکنرهای EUV مقایسه کرد. سیستم‌های مدرن EUV با اپتیک 0.33 NA در طول موج 13.5 نانومتر کار می‌کنند و معمولاً حداقل نیم‌گام 13 نانومتر را در یک نوردهی واحد به دست می‌آورند، که برای چاپ حداقل گام فلزی 26 نانومتر با یک الگوسازی نوردهی واحد کافی است. 

برای دستیابی به وضوح‌های زیر 10 نانومتر (به عنوان مثال، چاپ ویژگی‌های فناوری فرآیند کلاس 3 نانومتر در 21 نانومتر – 24 نانومتر)، ابزارهای EUV نیازمند مراحل الگوسازی متعدد هستند، که به این ترتیب هزینه و پیچیدگی را افزایش می‌دهند. تکثیر تک‌مرحله‌ای خطوط زیر 10 نانومتر NIL به طور بالقوه ساده‌تر از الگوسازی چندگانه EUV برای همان اندازه است، اما تنها در صورتی که قالب کوارتزی با دقت مطابق ساخته شود و نقص‌ها در سطح پایین نگه داشته شوند. 

در مورد ضخامت لایه باقیمانده کمتر از 10 نانومتر با کمتر از 2 نانومتر تغییر، اسکنرهای لیتوگرافی EUV (EUVL) به معنای سیستم‌های لیتوگرافی نانوایمپرینت، ‘لایه باقیمانده’ ایجاد نمی‌کنند، اما مقایسه این ابعاد با یکنواختی ابعاد بحرانی (CDU) EUV منطقی است. ابزارهای مدرن EUVL به CDUهایی در محدوده 1 نانومتر – 2 نانومتر در سراسر ویفر دست می‌یابند، بنابراین از این نظر، سیستم‌های NIL و EUVL مشابه هستند. 

Prinano عملکرد همپوشانی ابزارهای NIL خود را فاش نمی‌کند، اما وایت‌پیپر آن در مورد این ابزار می‌گوید که ‘صنعت’ دقت همپوشانی ‘زیر 10 نانومتر، و حتی نزدیک شدن به سطح 1 نانومتر’ را در آینده ‘نیاز دارد’. جدیدترین ASML Twinscan NXE:3800E می‌تواند عملکرد همپوشانی را در محدوده 1.5 نانومتر – 2.0 نانومتر برای تولید انبوه، بسته به شرایط فرآیند، به دست آورد. با توجه به اینکه Prinano دقت همپوشانی خود را مستقیماً فاش نمی‌کند، تنها می‌توانیم حدس بزنیم که هدف آن در حال حاضر بین 1 نانومتر و 10 نانومتر است.

اما نه برای تولید انبوه

اما وضوح رقابتی تنها یک بخش از معادله است. یک نکته که باید در نظر داشت این است که مهر زنی گام‌به‌گام NIL ذاتاً کندتر از لیتوگرافی پروجکشن EUV یا DUV است زیرا هر میدان ویفر باید به صورت فیزیکی تماس داده شود، مهر شود، پخت شود و جدا شود قبل از اینکه به میدان بعدی منتقل شود. این چرخه مکانیکی نرخ ویفر در ساعت را برای ویژگی‌های ظریف به ده‌ها محدود می‌کند، در حالی که ابزارهای مدرن EUV می‌توانند حدود 200 ویفر در ساعت را پردازش کنند. سرعت کندتر باعث می‌شود NIL برای تولید انبوه، منطق پیشرفته یا حافظه، حتی اگر وضوح آن رقابتی باشد، کمتر مناسب باشد.

و نه برای منطق (حداقل در حال حاضر)

Prinano می‌گوید که اعتبارسنجی اولیه PL-SR برای کاربردها در تراشه‌های حافظه، نمایشگرهای کوچک مبتنی بر سیلیکون، فوتونیک سیلیکونی و بسته‌بندی پیشرفته تکمیل شده است. با این حال، به نظر نمی‌رسد PL-SR در حال حاضر برای تولید منطق استفاده شود. این شرکت دلایل این امر را فاش نمی‌کند، اما با توجه به اینکه کاربردهایی را ذکر می‌کند که عمدتاً از ساختارهای منظم و مدارهای پیچیده که برای CPU یا GPU رایج نیستند، استفاده می‌کنند، به نظر می‌رسد محدودیت‌های فنی برای این کار وجود دارد.

NIL برای چاپ ویژگی‌های IC به تماس فیزیکی با ویفر پوشش داده شده با مقاومت با استفاده از قالب متکی است. این بدان معناست که هر ذره یا آلودگی سطحی می‌تواند به قالب آسیب برساند و باعث از دست دادن بازده شود. با تراشه‌هایی که دارای تعداد زیادی ساختار منظم هستند، می‌توان افزونگی را بدون افزایش قابل توجه هزینه‌ها پیاده‌سازی کرد، اما انجام این کار با منطق پیچیده بسیار دشوارتر است، بنابراین هر نقص می‌تواند یک عامل از بین برنده بازده باشد. در واقع، ماهیت تماسی NIL دستیابی به نرخ‌های نقص فوق‌العاده پایین را به طور مداوم دشوارتر می‌کند.