อิเล็กตรอนบีมลิโทกราฟีซิสเทม
ผู้บุกเบิกในยุค Ultra LSI
ส่วนประกอบของวงจรเซมิคอนดักเตอร์ที่เรียกว่า LSI (วงจรรวมขนาดใหญ่) ถูกประกอบขึ้นในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เราใช้ในชีวิตประจำวัน เช่น โทรศัพท์มือถือ คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล คอนโซลเกม กล้องดิจิทัล อุปกรณ์เสียง โทรทัศน์ และอื่นๆ LSI รุ่นล่าสุดมีทรานซิสเตอร์มากกว่าพันล้านตัว ระบบลิโธกราฟีลำแสงอิเล็กตรอน (ต่อไปนี้จะเรียกว่า ระบบลิโธกราฟี EB) เป็นเครื่องมือที่มีบทบาทสำคัญในการผลิตและวิจัยและพัฒนาอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์เหล่านี้
LSI-ไม้กายสิทธิ์แห่งอิเล็กทรอนิกส์
ในปี 1945 คอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์เครื่องแรกของโลกที่เรียกว่า "ENIAC" (Electronic Numerical Integrator and Computer) ได้ถูกพัฒนาขึ้น โดยใช้หลอดสุญญากาศประมาณ 18,000 หลอด และเมื่อวางหลอดสุญญากาศทั้งหมดให้แบนราบ หลอดสุญญากาศนั้นก็มีขนาดใหญ่ถึง 100 เสื่อทาทามิเลยทีเดียว หนักมากถึง 30 ตันเลยทีเดียว แต่ในปัจจุบัน ด้วยการปรากฏตัวของ LSI คอมพิวเตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงกว่า "ENIAC" ถึง 1 เท่าก็มีขนาดเล็กลงจนสามารถพกพาไปไหนมาไหนได้สะดวก LSI นี้มีลักษณะคล้าย "ไม้กายสิทธิ์" ที่เป็นก้อนพลาสติกสีดำขนาดใหญ่เท่าชิ้นคาราเมล มีขาจำนวนมากเหมือนตะขาบ ภายในมีแผ่นโลหะบางขนาด 2 ถึง XNUMX เซนติเมตร (แผ่นเหล่านี้เรียกว่าชิป ซึ่งเป็นสิ่งที่ทำให้แผ่นโลหะนี้เหมือนไม้กายสิทธิ์) บนชิปมีรูปแบบวงจรที่ละเอียดมากซึ่งได้รับการออกแบบตามฟังก์ชัน LSI และรูปแบบวงจรที่ละเอียดมากนี้ถูกวาดขึ้นโดยระบบการพิมพ์หินของ EB
ชิป LSI ผลิตขึ้นมาอย่างไร?
รูปแบบ LSI ที่ออกแบบมาเพื่อจุดประสงค์ดังกล่าวจะถูกฉายแสงอิเล็กตรอนไปยังพื้นผิวควอตซ์ (ส่วนใหญ่มีขนาด 152 มม. x 152 มม.) ที่มีฟิล์มโครเมียมเคลือบด้วยสารต้านทาน และรูปแบบสารต้านทานจะถูกสร้างขึ้นในกระบวนการพัฒนา การกัดจะดำเนินการโดยใช้รูปแบบสารต้านทานนี้เป็นฟิล์มป้องกันเพื่อสร้างฟิล์มป้องกันแสงของโครเมียม แผ่นต้นแบบที่ได้เรียกว่าโฟโตมาสก์ (เทียบเท่ากับฟิล์มถ่ายภาพ) ในปัจจุบัน โฟโตมาสก์กระแสหลักคือโฟโตมาสก์ที่ขยายใหญ่ขึ้นซึ่งมีขนาดใหญ่กว่ารูปแบบจริงบนชิป LSI ถึง XNUMX ถึง XNUMX เท่า โฟโตมาสก์ที่ขยายใหญ่ขึ้นนี้มักเรียกว่าเรติเคิล
รูปแบบเรติเคิลจะถูกเขียนลงบนเวเฟอร์โดยใช้เครื่องมือถ่ายโอนแสงที่เรียกว่าสเต็ปเปอร์หรือสแกนเนอร์ ซึ่งเป็นหลักการเดียวกันกับที่ใช้ในการพิมพ์ภาพถ่าย โดยเรติเคิลจะสัมพันธ์กับฟิล์มภาพถ่าย และเวเฟอร์จะสัมพันธ์กับกระดาษภาพถ่าย ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างเรติเคิลและฟิล์มก็คือ รูปแบบวงจรบนรูปแบบเรติเคิลจะละเอียดกว่าบนฟิล์มมาก LSI ที่ล้ำหน้าที่สุด เช่น DRAM (องค์ประกอบหน่วยความจำ) และ MPU (องค์ประกอบเลขคณิต) มีรูปแบบที่ละเอียดมาก โดยมีความกว้างของเส้นวงจรแคบถึง 45 นาโนเมตรบนเวเฟอร์
ความแม่นยำที่จำเป็นสำหรับความกว้างเส้น 45 นาโนเมตรนี้สามารถสร้างรูปแบบบนวัสดุสี่เหลี่ยมจัตุรัสขนาด 152 มม. x 152 มม. ที่มีความกว้างเส้นประมาณ 0.2 ม. (4 เท่าของ 50 นาโนเมตร) โดยมีความคลาดเคลื่อนของมิติและตำแหน่งประมาณ 2 ถึง 5 นาโนเมตร หลังจากการถอดรหัสรูปแบบแล้ว เวเฟอร์จะถูกพัฒนา แกะสลักโดยใช้สารต้านทานเป็นฟิล์มป้องกัน ประมวลผลสำหรับการแพร่กระจาย และขึ้นรูปฟิล์มโลหะ เป็นต้น
กระบวนการกัดจากการถอดรหัสรูปแบบจะทำซ้ำหลายครั้งเพื่อสร้างชิป LSI ที่เป็นเป้าหมาย ชิป LSI จะถูกตัดเป็นชิปแต่ละชิ้นด้วยลำแสงเลเซอร์และประกอบเข้าด้วยกันในบรรจุภัณฑ์ เวเฟอร์เป็นผลึกซิลิกอนเดี่ยวที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 200 มม. หรือ 300 มม. ในที่สุด จากเวเฟอร์เดี่ยวนี้ ชิป LSI จำนวนหลายร้อยชิ้นจะถูกสร้างขึ้น
ในทางกลับกัน สารกึ่งตัวนำแบบผสม เช่น สารกึ่งตัวนำความถี่สูงที่ใช้ในเครื่องขยายสัญญาณเครื่องส่ง/เครื่องรับของโทรศัพท์มือถือ และสารกึ่งตัวนำออปติกที่ควบคุมเลเซอร์แหล่งกำเนิดแสงของการสื่อสารด้วยแสง มีเส้นวงจรที่บางมาก 0.1 ม. หรือต่ำกว่า และสำหรับกระบวนการนี้เท่านั้น ระบบลิโธกราฟี EB ยังใช้ในการวาดลวดลายโดยตรงบนเวเฟอร์โดยไม่ต้องใช้เรติเคิลอีกด้วย
ปากกาลำแสงอิเล็กตรอนที่เคลื่อนย้ายได้อิสระ
โครงสร้างระบบการพิมพ์หิน EB
รูปแสดงการกำหนดค่าทั่วไปของระบบลำแสงจุด ลำแสงอิเล็กตรอนถูกปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดลำแสงอิเล็กตรอน ซึ่งรวมเข้าด้วยกันโดยเลนส์อิเล็กตรอนบนวัสดุเพื่อสร้างจุดเล็กๆ อีกด้านหนึ่ง ข้อมูลรูปแบบที่จะวาดนั้นจะถูกเก็บไว้ในฮาร์ดดิสก์ที่จัดมาให้พร้อมกับคอมพิวเตอร์ที่ใช้ควบคุมเครื่องมือ จากนั้นข้อมูลนี้จะถูกส่งจากฮาร์ดดิสก์ไปยังระบบควบคุมการปิดและระบบควบคุมการเบี่ยงเบนลำแสงผ่านระบบประมวลผลข้อมูลความเร็วสูง ลำแสงจะเปิดและปิดในวงจรการปิดเพื่อวาดรูปแบบ และเบี่ยงเบนไปยังตำแหน่งที่กำหนดด้วยการเคลื่อนที่ของวงจรตัวเบี่ยงเบน รูปแบบจะถูกวาดตามที่ออกแบบไว้ โดยใช้การเคลื่อนที่ของลำแสงอิเล็กตรอนและเวทีร่วมกัน เพื่อควบคุมการเคลื่อนที่ของเวทีอย่างแม่นยำ จึงใช้ระบบอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์เลเซอร์ ระบบลำแสงจุดดังกล่าวใช้สำหรับการวิจัยและพัฒนาอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์รุ่นต่อไปโดยใช้การพิมพ์หินลำแสงอิเล็กตรอนโดยตรง และสำหรับการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ความถี่สูงและอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ออปติก ในทางกลับกัน ระบบลำแสงที่มีรูปร่างแปรผันใช้สำหรับการผลิตเรติเคิล ระบบนี้ใช้แนวคิดในการเปลี่ยนรูปร่างลำแสงจากจุดเป็นสี่เหลี่ยมผืนผ้า และได้พัฒนาก้าวหน้าไปอย่างมากในการพิมพ์หินความเร็วสูง ในวิธีนี้ ลวดลายการพิมพ์หินจะถูกแบ่งออกเป็นสี่เหลี่ยมผืนผ้า จากนั้นจึงพิมพ์หินโดยใช้ลำแสงอิเล็กตรอนรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่มีขนาดแปรผัน เหมือนกับการประทับตรา ระบบนี้ใช้เป็นประจำทุกวันในสถานที่ผลิตเป็นอุปกรณ์หลักสำหรับการพิมพ์หินเรติเคิล
