Sommige mensen die het proces niet begrijpen, denken misschien dat de productie van chips uitsluitend afhankelijk is van lithografiemachines. Ze denken misschien ten onrechte dat een fabriek alleen een centrale lithografiemachine nodig heeft waar wafers worden geplaatst, en dat de machine licht gebruikt om de chips te "etsen", waardoor de belangrijkste verwerkingsstap wordt voltooid. Sommigen zouden bijvoorbeeld kunnen zeggen dat het kopen van 100 lithografiemachines 100 chipproductielijnen kan creëren, waardoor het proces op deze manier simplistisch wordt begrepen.

In werkelijkheid is het nauwkeuriger om te zeggen dat de transistors op een chip zijn "geëtst". Met behulp van methoden zoals plasmafysica, impact of onderdompeling in chemische oplossingen, worden groeven en sleuven op de wafer gevormd, waardoor uiteindelijk de transistors worden gevormd. Welke delen moeten worden geëtst en welke niet, wordt bepaald door lithografie. Er kan worden gezegd dat voordat er wordt geëtst, lithografie wordt gebruikt om te bepalen waar het etsen moet plaatsvinden, met behulp van een "masker" (een fotomasker). Bovendien is de werkwijze voor het etsen van groeven en sleuven zeer complex, waarbij vaak herhaaldelijk etsen en aanbrengen van verschillende materialen op de wafel nodig is. Na elke stap is reiniging noodzakelijk.

De daadwerkelijke stappen die betrokken zijn bij de verwerking van FAB-wafels zijn uiterst complex en omvatten soms duizenden stappen. Lithografie moet herhaaldelijk worden uitgevoerd, waarvoor vaak meerdere lithografiemachines nodig zijn. Voor een complex geavanceerd chipproductieproces kan een reeks fotomaskers die voor lithografie worden gebruikt, uit tientallen maskers bestaan. Precisielithografiemachines zijn nodig voor kritische stappen, terwijl machines met een lagere precisie kunnen worden gebruikt voor minder veeleisende taken. Nadat de laag transistors op de wafer is voltooid, wordt er bovenop de metalen verbindingslaag voor verbindingen gemaakt. De nauwkeurigheidseisen voor deze laag zijn relatief lager omdat, net als bij het construeren van een gebouw, de verbindingen in meerdere lagen kunnen worden verdeeld met een grotere afstand tussen elke laag.

Vanaf het begin van de wafelverwerking tot aan de levering van individuele matrijzen aan klanten kan het vanwege de vele stappen die daarbij betrokken zijn enkele maanden duren. Machines aan de productielijn produceren niet alleen één type chip, maar verwerken ook andere wafers. Het beheren van de planning en levering van verschillende wafers met verschillende chips aan gespecificeerde machines op bepaalde tijdstippen is een belangrijke kwestie in het FAB-productiestroombeheer. Zelfs als de verwerkingsstroom voor één chip de hoogste prioriteit krijgt, duurt het bij processen met meerdere stappen nog steeds één tot twee maanden om de verwerking van één enkele wafer te voltooien.

Wanneer een klant chipfabricage bij een FAB aanvraagt, is deze niet onmiddellijk beschikbaar. Zelfs als er extra bestellingen worden geplaatst, duurt het nog enkele maanden. Niettemin demonstreert het feit dat we binnen een paar maanden tientallen miljoenen chips kunnen produceren de massaproductiecapaciteit die nodig is om de individuele chipkosten laag te houden. Daarom is de productiecapaciteit van een FAB van cruciaal belang voor de toepassing van de chipindustrie, en zou deze in staat moeten zijn om minstens 10,000 wafers per maand te verwerken.

Bovendien is het niet mogelijk om de verwerking van een wafer met een enkele lithografische handeling te voltooien. Normaal gesproken zijn meerdere belichtingen vereist, waarbij soms getallen met dubbele cijfers worden bereikt. Zelfs als er maar één chipproduct wordt verwerkt en er in een maand slechts 10,000 wafers worden geproduceerd, kan het zijn dat een lithografiemachine tienduizenden keren lithografie moet uitvoeren. FAB-fabrieken draaien continu, zelfs in het weekend, en er moeten productieschema's worden opgesteld. In een maand met 30 dagen moet elke lithografiemachine mogelijk 3,000 keer lithografie uitvoeren, waarbij een gemiddeld tempo van 100 lithografie-acties per uur een gebruikelijk tempo is.

Vanuit industrieel productieperspectief kan een lithografiemachine daarom de lithografie van enkele honderden stempels op een wafer in minder dan een minuut voltooien. De hoeveelheid tijd die wordt toegewezen voor de lithografie van elke dobbelsteen ligt in de orde van 0.1 seconde. Als de werklast niet kan worden afgehandeld, moeten meerdere lithografiemachines tegelijkertijd worden gebruikt.

Je kunt deze video bekijken van de lithografiemachine in actie.

Geavanceerde lithografiemachines werken met zulke hoge snelheden. Er wordt een wafel op het podium geplaatst, die continu beweegt onder controle van een magnetisch levitatiesysteem, waardoor de illusie van constante beweging ontstaat. In werkelijkheid voert het "step-and-scan"-bewerkingen uit, waarbij het podium beweegt volgens een geautomatiseerd programma. Wanneer het stopt, wordt het nauwkeurig uitgelijnd en binnen 0.1 seconde wordt het licht geprojecteerd op het specifieke gebied (of opname) van een dobbelsteen met behulp van het patroon op het fotomasker. Dit snelle belichtingsproces veroorzaakt een fotochemische reactie waarbij de speciale fotoresist erop wordt aangebracht, waardoor het lithografieproces wordt voltooid. De belichting is snel voltooid en het podium beweegt snel naar de volgende positie, alsof het nooit is gestopt. De versnelling tijdens het step-and-scan-proces is aanzienlijk en vereist hoge precisie bij de bewegingsbesturing en positionering van het podium, waardoor dit een van de belangrijkste uitdagingen is bij de productie van lithografiemachines.

De lithografiemachines van ASML worden vaak TWINSCAN-modellen genoemd, en uit de operatievideo's blijkt dat er twee fasen onderdoor bewegen. Dit zijn echter niet twee fasen die tegelijkertijd lithografie uitvoeren, maar eerder één fase die step-and-scan-lithografie uitvoert, terwijl de andere fase "pre-uitlijning" uitvoert. Pre-uitlijning omvat het scannen van de gebieden van honderden of duizenden stempels op een wafer met een meetinstrument om hun opstelling te bepalen en hoeveel nanometer elke stap moet zijn om nauwkeurig uit te lijnen. Deze gegevens worden geregistreerd en zodra het lithografieproces op één platform is voltooid, wordt het vooraf uitgelijnde platform verplaatst en wordt het automatische programma voor step-and-scan-lithografie gestart op basis van de gemeten gegevens.

Wordt vervolgd...