Manche Leute, die den Prozess nicht verstehen, denken vielleicht, dass die Chipherstellung ausschließlich auf Lithografiemaschinen beruht. Sie glauben möglicherweise fälschlicherweise, dass eine Fabrik nur eine zentrale Lithografiemaschine benötigt, in der die Wafer platziert werden, und dass die Maschine Licht verwendet, um die Chips zu „ätzen“, wodurch der Hauptverarbeitungsschritt abgeschlossen wird. Manche könnten beispielsweise sagen, dass durch den Kauf von 100 Lithografiemaschinen 100 Chip-Produktionslinien entstehen könnten, und den Prozess auf diese Weise vereinfacht verstehen.

Tatsächlich ist es zutreffender zu sagen, dass die Transistoren auf einem Chip „geätzt“ sind. Mithilfe von Methoden wie plasmaphysikalischem Aufprall oder Eintauchen in chemische Lösungen werden Rillen und Gräben auf dem Wafer gebildet, die schließlich die Transistoren formen. Welche Teile jedoch geätzt werden müssen und welche nicht, richtet sich nach der Lithographie. Man kann sagen, dass vor dem Ätzen mithilfe der Lithographie mithilfe einer „Maske“ (einer Fotomaske) bestimmt wird, wo das Ätzen erfolgen soll. Darüber hinaus ist das Verfahren zum Ätzen von Rillen und Gräben sehr komplex und erfordert oft wiederholtes Ätzen und Abscheiden verschiedener Materialien auf dem Wafer. Nach jedem Schritt ist eine Reinigung erforderlich.

Die eigentlichen Schritte bei der FAB-Waferverarbeitung sind äußerst komplex und umfassen manchmal Tausende von Schritten. Die Lithographie muss wiederholt durchgeführt werden und erfordert oft mehrere Lithographiemaschinen. Für einen komplexen, fortschrittlichen Chip-Herstellungsprozess kann ein Satz von Fotomasken, die für die Lithographie verwendet werden, aus Dutzenden von Masken bestehen. Für kritische Schritte sind Präzisionslithografiemaschinen erforderlich, während für weniger anspruchsvolle Aufgaben Maschinen mit geringerer Präzision eingesetzt werden können. Nach Fertigstellung der Transistorschicht auf dem Wafer wird oben die Metallverbindungsschicht für die Verbindungen erstellt. Die Präzisionsanforderungen für diese Schicht sind vergleichsweise geringer, da die Verbindungen genau wie beim Bau eines Gebäudes in mehrere Schichten mit größeren Abständen zwischen den einzelnen Schichten unterteilt werden können.

Vom Beginn der Waferbearbeitung bis zur Auslieferung der einzelnen Dies an den Kunden kann es aufgrund der zahlreichen Schritte mehrere Monate dauern. Maschinen am Fließband produzieren nicht nur einen Chiptyp, sondern verarbeiten auch andere Wafer. Die Planung und Lieferung verschiedener Wafer unterschiedlicher Chips an bestimmte Maschinen zu festgelegten Zeiten ist ein wichtiges Thema im FAB-Produktionsflussmanagement. Auch wenn der Verarbeitungsablauf für einen Chip oberste Priorität hat, dauert es bei Prozessen mit mehreren Schritten immer noch ein bis zwei Monate, bis die Verarbeitung eines einzelnen Wafers abgeschlossen ist.

Wenn ein Kunde die Chipfertigung bei einer FAB anfordert, ist diese nicht sofort verfügbar. Selbst wenn weitere Bestellungen aufgegeben werden, wird es noch mehrere Monate dauern. Dennoch zeigt die Fähigkeit, innerhalb weniger Monate zig Millionen Chips zu produzieren, die erforderliche Massenproduktionskapazität, um die Kosten für einzelne Chips niedrig zu halten. Daher ist die Produktionskapazität einer FAB von entscheidender Bedeutung für die Anwendung in der Chipindustrie und sie sollte in der Lage sein, mindestens 10,000 Wafer pro Monat zu verarbeiten.

Darüber hinaus ist es nicht möglich, die Bearbeitung eines Wafers mit einem einzigen Lithographievorgang abzuschließen. Typischerweise sind Mehrfachbelichtungen erforderlich, die manchmal zweistellige Zahlen erreichen. Selbst wenn also nur ein Chipprodukt verarbeitet wird und nur 10,000 Wafer pro Monat hergestellt werden, muss eine Lithografiemaschine möglicherweise Zehntausende Male Lithografie durchführen. FAB-Fabriken sind kontinuierlich in Betrieb, auch am Wochenende, und für die Produktion müssen Zeitpläne vereinbart werden. In einem Monat mit 30 Tagen muss jede Lithografiemaschine möglicherweise 3,000 Lithografievorgänge durchführen, wobei eine durchschnittliche Rate von 100 Lithografievorgängen pro Stunde üblich ist.

Aus Sicht der industriellen Produktion kann eine Lithographiemaschine daher die Lithographie von mehreren hundert Chips auf einem Wafer in weniger als einer Minute abschließen. Die für die Lithographie jedes Chips aufgewendete Zeit liegt in der Größenordnung von 0.1 Sekunden. Wenn die Arbeitslast nicht bewältigt werden kann, müssen mehrere Lithographiemaschinen gleichzeitig verwendet werden.

In diesem Video können Sie sich die Lithographiemaschine in Aktion ansehen.

Fortschrittliche Lithografiemaschinen arbeiten mit so hohen Geschwindigkeiten. Auf der Bühne wird ein Wafer platziert, der sich unter der Kontrolle eines Magnetschwebesystems kontinuierlich bewegt, wodurch die Illusion einer ständigen Bewegung entsteht. In Wirklichkeit handelt es sich um „Step-and-Scan“-Vorgänge, bei denen sich die Bühne nach einem automatisierten Programm bewegt. Wenn es anhält, wird es präzise ausgerichtet und innerhalb von 0.1 Sekunden wird das Licht anhand des Musters auf der Fotomaske auf den spezifischen Bereich (oder die Aufnahme) eines Chips projiziert. Dieser schnelle Belichtungsprozess löst eine fotochemische Reaktion mit dem darauf aufgetragenen speziellen Fotolack aus und vervollständigt den Lithographieprozess. Die Belichtung ist schnell abgeschlossen und der Tisch bewegt sich schnell in die nächste Position, als ob er nie angehalten hätte. Die Beschleunigung während des Step-and-Scan-Prozesses ist erheblich und erfordert eine hohe Präzision bei der Bewegungssteuerung und Positionierung des Tisches, was ihn zu einer der zentralen Herausforderungen bei der Herstellung von Lithografiemaschinen macht.

Die Lithografiemaschinen von ASML werden oft als TWINSCAN-Modelle bezeichnet, und aus den Betriebsvideos geht hervor, dass sich darunter zwei Bühnen bewegen. Hierbei handelt es sich jedoch nicht um zwei Stufen, in denen die Lithographie gleichzeitig durchgeführt wird, sondern vielmehr darum, dass eine Stufe die Step-and-Scan-Lithographie durchführt, während die andere Stufe die „Vorausrichtung“ durchführt. Bei der Vorausrichtung werden die Bereiche von Hunderten oder Tausenden Chips auf einem Wafer mit einem Messwerkzeug gescannt, um deren Anordnung zu bestimmen und zu ermitteln, wie viele Nanometer jeder Schritt für eine präzise Ausrichtung betragen sollte. Diese Daten werden aufgezeichnet, und sobald der Lithographieprozess auf einem Tisch abgeschlossen ist, wird der vorausgerichtete Tisch bewegt und das automatische Programm für die Step-and-Scan-Lithographie wird entsprechend den gemessenen Daten gestartet.

Fortsetzung folgt...