Carl Zeiss S-Planar 25mm 1:1,6 e maschere per microchips

Rari prototipi di Carl Zeiss S-Planar 25mm 1:1,6 per maschere di microchips: inizia l’avventura Zeiss in questo campo.

Un cordiale saluto a tutti i followers di NOCSENSEI; in questo breve contributo voglio mostrarvi due prototipi relativi ad uno dei primissimi obiettivi creati dalla Carl Zeiss di Oberkochen per le apparecchiature destinate alla realizzazione dei microchips; infatti questi ultimi prevedono un complesso pattern di piste e linee che fin dalle versioni più arcaiche misuravano un micron o poco più, richiedendo quindi una risoluzione effettiva di svariate centinaia di linee al millimetro per risolvere tutti i dettagli della maschera, proiettata dall’obiettivo sullo speciale materiale sensibile applicato al wafer di silicio che avrebbe dato vita al microchip.

Questo tipo di operazioni avveniva per steps successivi: per prima cosa veniva creato un modello del microchip in grande scala, poi si effettuavano una serie di riduzioni primarie con eccellenti ma convenzionali obiettivi da riproduzione fino ad ottenere un modello intermedio con una scala da 5 a 20 volte superiore a quella finale del microchip; in questa fase i dettagli presenti sulla sagoma intermedia sono già così piccoli che per renderli ben visibili è stata necessaria una risoluzione di 100 – 150 l/mm, al limite di quanto consentito dalle ottiche repro convenzionali; a questo punto è necessario effettuare una riduzione finale di 5x, 10x oppure 20x per riprodurre la maschera del microchip con tutte le sue piste a dimensione reale sul wafer definitivo, impressionando un particolare layer sensibile alla luce; ovviamente questa ulteriore miniaturizzazione comporta un proporzionale aumento del potere risolvente dell’obiettivo di riduzione finale, arrivando a valori talmente elevati che nessuna ottica convenzionale può garantirli, e questa circostanza indusse i principali costruttori di obiettivi a concepire ottiche destinate a questa specifica necessità.

Gli obiettivi descritti in questa sede, in realtà due varianti dello stesso modello, furono fra i primi modelli creati da Zeiss e vennero presentati nel 1970; questo S-Planar 25mm 1:1,6 inquadrava una maschera intermedia del microchip da 57 x 57mm ad una distanza di 315mm (con 3mm di tolleranza) e la riduceva in scala di 10 unità, proiettandola con un fascio telecentrico sul wafer definitivo, impressionando il pattern di un microchip da 5,7 x 5,7mm; questa operazione rimpiccioliva di 10 volte tutte le piste della maschera intermedia da 57 x 57mm e richiedeva quindi una risolvenza 10 volte superiore a quella necessaria a produrre il modello fotografato; siccome in questo caso erano già presenti oltre 100 pattern per millimetro, sul modello finale da 5,7 x 5,7mm ne sono previsti oltre 1.000, quindi l’obiettivo di riduzione deve risolvere oltre 1.000 l/mm per svolgere il suo compito!

Si tratta di valori stratosferici e quasi incredibili, considerando che un eccellente obiettivo da ripresa, in analoghe condizioni di contrasto, fatica ad arrivare a 100 l/mm; simili risultati furono ottenuti non soltanto con uno schema detto “unstressed”, dove i valori rifrattivi sono distribuiti su un maggiore numero di lenti (in questo caso 9, quando nei Gauss luminosi di questo tipo se ne usano di solito 7), ma soprattutto ottimizzando l’obiettivo su parametri di ripresa fissi e rigidamente predefiniti: la distanza di ripresa era di 315mm con appena 3mm di tolleranza e anche la luce utilizzata per la ripresa non prevede il comune spettro visibile ma una singola banda, molto selettiva: esistono infatti tre varianti del Carl Zeiss S-Planar 25mm 1:1,6 per microlitografia, ciascuna ottimizzata su una singola frequenza dello spettro a 546nm, 436nm e 405nm e la tolleranza ammessa in sede di ripresa è estremamente ridotta, rispettivamente 15, 10 ed 8 nanometri; infine, il grande potere risolutivo è consentito anche dalla favorevole sinergia di altissima correzione da ottica diffraction-limited, alta luminosità 1:1,6 e luce di lavoro con lunghezza d’onda corta; infatti, ottemperando alla regola generale della diffrazione, in presenza di un sistema ottico teoricamente perfetto la risolvenza massima aumenta incrementando l’apertura di lavoro e riducendo la lunghezza d’onda della luce; nel caso del Carl Zeiss S-Planar 25mm 1:1,6 che sfrutta la frequenza più corta di 4.050nm, il potere risolutivo teorico sarebbe addirittura superiore a 1.500 l/mm, poi leggermente ridotto dalla coniugata immagine ravvicinata e altre variabili non considerate dal calcolo teorico ma sempre elevatissimo e sufficiente a svolgere il compito previsto.

Nel 1970, quando il calcolo ottico e il disegno meccanico dell’S-Planar 25mm 1:1,6 furono completati, vennero realizzati 2 prototipi da esposizione del modello per 436nm e 2 prototipi di quello da 405nm; tali obiettivi prevedevano la classica matricola prototipica Zeiss nel lotto di numerazione 2.5xx.xxx e, specificamente, gli esemplari da 436nm ricevettero le matricole 2.589.535 e 2.589.536 mentre i più sofisticati esemplari da 405nm furono numerati 2.592.427 e 2.592.428; inoltre, essendo pezzi da esposizione che teoricamente potevano finire in mostra anche in paesi del Patto di Varsavia dove la Carl Zeiss non era autorizzata ad esibire i suoi brand names convenzionali, questi 4 esemplari furono completati con diciture “universali”, utilizzabili da ambo i lati della Cortina di Ferro, e la denominazione risulta essere Oberkochen Opton S-Pla nel modello da 436nm ed Oberkochen Opton S-Pl (notare la differenza) in quello da 405nm; per una fortunata circostanza io sono in possesso del primo dei due esemplari della versione da 405nm e il caro amico Milos Paul Mladek di Vienna del primo dei due obiettivi da 436nm, quindi posso mostrarvi entrambe le versioni di questi rari prototipi; curiosamente, non c’è alcuna informazione a riguardo del terzo tipo previsto, il modello per 546nm a lunghezza d’onda maggiore, né sono indicati lotti di produzione negli archivi Zeiss: è possibile che fosse stato previsto e poi, a causa della sua risoluzione inferiore rispetto alle versioni per luce ultravioletta a lunghezza d’onda più corta illustrate in foto, non fosse idoneo alle esigenze di un mercato in continua evoluzione ed affamato di chips sempre più piccoli e complicati che richiedevano risoluzioni molto elevate, e forse è stato derubricato dai piani di produzione.

Un abbraccio a tutti – Marco chiude.

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