Alcune persone che non capiscono il processo potrebbero pensare che la produzione di chip si basi esclusivamente su macchine litografiche. Potrebbero erroneamente credere che una fabbrica abbia bisogno solo di una macchina litografica centrale in cui vengono posizionati i wafer e che la macchina utilizzi la luce per "incidere" i chip, completando così la fase di lavorazione principale. Ad esempio, alcuni potrebbero dire che l’acquisto di 100 macchine litografiche può creare 100 linee di produzione di chip, intendendo semplicisticamente il processo in questo modo.

In realtà è più esatto dire che i transistor su un chip sono "incisi". Utilizzando metodi come l'impatto della fisica del plasma o l'immersione in soluzioni chimiche, sul wafer si formano scanalature e trincee, che alla fine modellano i transistor. Tuttavia, quali parti devono essere incise e quali no è guidato dalla litografia. Si può dire che prima di effettuare qualsiasi incisione, si utilizza la litografia per determinare dove deve avvenire l'incisione, utilizzando una "maschera" (una fotomaschera). Inoltre, il metodo di incisione di scanalature e trincee è estremamente complesso e spesso richiede ripetuti attacchi e deposizioni di vari materiali sul wafer. Dopo ogni passaggio è necessaria la pulizia.

I passaggi effettivi coinvolti nella lavorazione dei wafer FAB sono estremamente complessi, a volte ammontano a migliaia di passaggi. La litografia deve essere eseguita ripetutamente, spesso richiedendo più macchine litografiche. Per un processo complesso e avanzato di produzione di chip, un set di fotomaschere utilizzate per la litografia può essere costituito da dozzine di maschere. Per le fasi critiche sono necessarie macchine litografiche di precisione, mentre per compiti meno impegnativi possono essere utilizzate macchine con precisione inferiore. Dopo aver completato lo strato di transistor sul wafer, sulla parte superiore viene creato lo strato metallico di interconnessione per le connessioni. I requisiti di precisione per questo livello sono relativamente inferiori perché, proprio come nella costruzione di un edificio, le interconnessioni possono essere divise in più livelli con una spaziatura più ampia tra ciascuno di essi.

Dall'inizio della lavorazione dei wafer fino alla consegna dei singoli stampi ai clienti, a causa delle numerose fasi coinvolte, possono trascorrere diversi mesi. Le macchine sulla linea di produzione non producono solo un tipo di chip, ma lavorano anche altri wafer. Gestire la pianificazione e la consegna di wafer diversi di chip diversi a macchine specifiche in orari prestabiliti è una questione importante nella gestione del flusso di produzione FAB. Anche se viene data la massima priorità al flusso di lavorazione di un chip, per i processi con più fasi sono comunque necessari da uno a due mesi per completare la lavorazione di un singolo wafer.

Quando un cliente richiede la fabbricazione di chip da un FAB, questa non è immediatamente disponibile. Anche se verranno effettuati ulteriori ordini, ci vorranno comunque diversi mesi. Tuttavia, essere in grado di produrre decine di milioni di chip in pochi mesi dimostra la capacità di produzione di massa necessaria per mantenere bassi i costi dei singoli chip. Pertanto, la capacità produttiva di un FAB è fondamentale per l’applicazione dell’industria dei chip e dovrebbe essere in grado di gestire almeno 10,000 wafer al mese.

Inoltre non è possibile completare la lavorazione di un wafer con una sola azione di litografia. In genere sono necessarie esposizioni multiple, che talvolta raggiungono numeri a due cifre. Pertanto, anche se viene elaborato un solo prodotto chip e vengono prodotti solo 10,000 wafer in un mese, una macchina di litografia potrebbe dover eseguire la litografia decine di migliaia di volte. Le fabbriche FAB operano ininterrottamente, anche nei fine settimana, ed è necessario concordare orari per la produzione. In un mese di 30 giorni, ciascuna macchina di litografia potrebbe dover eseguire la litografia 3,000 volte, con una velocità media di 100 azioni di litografia all'ora che rappresenta un ritmo comune.

Pertanto, dal punto di vista della produzione industriale, una macchina per la litografia può completare la litografia di diverse centinaia di matrici su un wafer in meno di un minuto. La quantità di tempo assegnata per la litografia di ciascuna matrice è dell'ordine di 0.1 secondi. Se il carico di lavoro non può essere gestito, è necessario utilizzare più macchine litografiche contemporaneamente.

Puoi guardare questo video della macchina litografica in azione.

Le macchine litografiche avanzate funzionano a velocità così elevate. Sul palco è posto un wafer che si muove continuamente sotto il controllo di un sistema di levitazione magnetica, dando l'illusione di un movimento costante. In realtà si tratta di operazioni "step-and-scan", in cui il palco si muove secondo un programma automatizzato. Quando si ferma, è allineato con precisione ed entro 0.1 secondi la luce viene proiettata su un'area specifica (o inquadratura) di un dado utilizzando il motivo sulla fotomaschera. Questo rapido processo di esposizione innesca una reazione fotochimica con lo speciale fotoresist applicato sulla parte superiore, completando il processo di litografia. L'esposizione viene completata rapidamente e il palco si sposta rapidamente alla posizione successiva, apparendo come se non si fosse mai fermato. L'accelerazione durante il processo step-and-scan è significativa e richiede un'elevata precisione nel controllo del movimento e nel posizionamento del palco, rendendola una delle sfide principali nella produzione di macchine litografiche.

Le macchine per litografia ASML vengono spesso chiamate modelli TWINSCAN e, dai video operativi, sembra che al di sotto si muovano due fasi. Tuttavia, non si tratta di due fasi che eseguono la litografia simultaneamente, ma piuttosto di una fase che esegue la litografia step-and-scan mentre l'altra fase esegue il "pre-allineamento". Il pre-allineamento prevede la scansione delle aree di centinaia o migliaia di matrici su un wafer con uno strumento di misurazione per determinare la loro disposizione e quanti nanometri dovrebbe essere ogni passaggio per allinearsi con precisione. Questi dati vengono registrati e, una volta terminato il processo di litografia su una fase, la fase preallineata viene spostata e il programma automatico per la litografia step-and-scan viene avviato in base ai dati misurati.

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