Direktritning har anor - Alla mikrolitografiska metoder har börjat som direktritare. Och alla har misslyckats - ingen har slagit igenom på bred front, konstaterar Torbjörn Sandström. - Alla nuvarande direktskrivningsprojekt satsar på elektronstrålelitografi, som har begränsningen att det bara finns en enda stråle som inte kan moduleras tillräckligt snabbt. Det blir bara en pixel i taget. - Det pågår utveckling av multistrålesystem, men ännu har ingen visat något som fungerar, säger han. Micronics idé bygger på massiv parallellism. Med åtta miljoner mikrospeglar kan man göra lika många pixlar per laserpuls. Idag jobbar man med excimerlaserns standardpulser på 20 ns, och 1 000 pulser per sekund, men tanken är att på sikt fyrdubbla frekvensen och sålunda komma upp till 4 000 pulser per sekund. IBM är troligen det företag som har mest erfarenhet av elektronstrålelitografi för direktskrivning. Man använde metoden till kretsar för stordatorer fram till ungefär år 2000, men hade kvalitetsproblem. I slutet av 1980-talet sålde Micronics konkurrent Etec ett antal elektronstrålebaserade direktritare till det europeiska asicfoundriet ES2, för användning i små volymer av asicar. Man hade dock inte räknat med att FPGA-tekniken skulle dominera denna marknad, så affärsidén höll inte. Alltjämt görs elektronstråleritare av några företag. Canon och Etec har även projekt kring ritare med flera strålar. Men dessa maskiner siktar in sig på att överbrygga gapet mellan vanligt ljus och extrem-UV-litografi, för halvledargeometrier på 65 eller 40 nm. Micronics maskin siktar på hela skalan, från dagens 130 nm ner till 40 nm.

- Det här är det häftigaste tekniska projektet sedan månlandaren, säger Torbjörn Sandström, forskningschef på Micronic och hjärnan bakom de flesta koncept som ligger till grund för företagets produkter.

Micronic har gett sig i kast med inget mindre än att få bort en av halvledarvärldens största stötestenar - de skenande kostnaderna för de masker som krävs i de litografiska processerna. Lösningen är radikal - ta helt enkelt bort maskerna och låt en maskin rita mönstret direkt på kiselskivan.

- Detta är precis vad marknaden frågar efter. De stora halvledarföretagen har haft budgetar för detta i flera år, men det har inte funnits någon tillräckligt bra utrustning att köpa, säger Torbjörn Sandström.

- Vår direktritare ska bli en systerprodukt till en stepper (litografimaskin). Tanken är att båda maskinerna ska ge samma mönster, men med olika metoder.

Ett maskset kan kosta 6-10 miljoner kronor, se artikel, och består av 30-40 masker. De dyraste kan kosta en halv miljon per styck.

Alla masker lämpar sig inte för direktritning. De översta lagren är minst komplicerade, och här är maskerna inte lika dyra. Foundries vill däremot gärna kunna direktrita de första lagren, för att kunna komma igång med produktionen samma dag man får ordern. Och asictillverkarna vill kunna ändra metallagren snabbt och billigt.

Inte lika snabb
En nackdel med direktritning är att den svårligen kan bli lika snabb som vanlig litografi för massproduktion. Micronics direktritare är tänkt att bli ett kostnadseffektivt alternativ för prototyper och kritiska lager vid måttliga volymer.

Direktritaren ska klara 2-5 kiselskivor (wafers) per timme, vilket i sig är klart imponerande. Varje kiselskiva är 300 mm i diameter och maskinen ska successivt förfinas för att klara geometrier på i förstone 130 nm, därefter 90 nm och vidare till 65 och 40 nm.

- Vi tror att tekniken fungerar lika långt ner i geometristorlekar som EUV-litografi, säger Sandström.

På frågan när hela härligheten ska vara klar dröjer han lite, och säger sedan "2-3 år". Först måste ett antal nyckelkomponenter utvecklas vidare.

En sådan är den mikromekaniska matris av minimala speglar (SLM, spatial light modulator) som utgör hjärtat i Micronics nylanserade maskritare Sigma. SLM-kretsen innehåller idag en miljon speglar - för direktritaren krävs åtta miljoner. Varje spegel styrs individuellt och genom att reflektera respektive styra bort ljuset avgörs hur varje pixel ser ut, i upp till 64 gråskalenyanser. Speglarna vickas som mest 62 nm, med en precision på 1 nm, och kalibreras analogt i realtid.

En annan nyckelkomponent är datalänken som förser SLM-kretsarna med data. För direktritning krävs en datahastighet på 2 Tbit/s, ett mått i samma storleksordning som en optisk atlantlänk.

- Datakanalen är nog den svåraste begränsningen. Vi har börjat samarbeta med Shaofang Gongs och Christer Svenssons grupper på universitetet i Linköping för att nå målen, säger Leif Odselius, teknisk specialist i företagsledningen.

En inte fullt så svår begränsning är att maskinen måste klara minst två kiselskivor i timmen. Det är inget kommerisellt krav, utan ett tekniskt. De fotoresister som används har egenskaper som förändras med tiden, och går det långsammare kan man inte använda industrins standarder här.

Sedan tillkommer naturligtvis en rad praktiska saker, som att hålla maskinen tillräckligt ren.

- Enskilda gasmolekyler kan vara ett hot. Aminer stör resistprocessen och kolväten kan störa optiken. Renheten måste vara på miljarddelsnivå (ppb) säger Tomas Utterbäck som ansvarar för maskinens mekaniska uppbyggnad.

Fast med Sigma 7300 har man lyckats lösa alla problem. Ta bara en sådan sak som linsen som förminskar ljuset från SLM-kretsen 200 gånger. Den väger 7 kg, och måste manövreras 25 um upp och ned med en precision på 25 nm.

Hela optiken från 7300-maskinen är tänkt att återanvändas i direktritaren. Tanken är att först göra en pilotanläggning på samma plattform som 7300. Sedan, när tekniken visat sig fungera, ska man bygga in den i en stepperplattform. Till det krävs troligen en partner, och här pågår diskussioner med en handfull företag.

Läs även Allt färre startar asicprojekt


Adam Edström