efter tre årtiers udvikling, en ny generation af litografi maskiner er nu blevet sendt til store computer chip beslutningstagere. Det bruger ekstremt ultraviolet (EUV) lys ved en bølgelængde på 13,5 nm for at gøre siliciumfunktioner ned til et par nanometer i størrelse på morgendagens hukommelseschips og processorer.
med mere end 100.000 komponenter er et sådant EUV-litografisystem en af de mest komplekse maskiner, der nogensinde er bygget. Det pumpes af det mest kraftfulde lasersystem, der nogensinde er lavet i serieproduktion. I alt vejer den 180 tons og bruger mere end 1 mv elektrisk strøm. Det koster 120 millioner dollars og er udsolgt i årevis.
de store støberier har ventet på det i nogen tid. Nu løses store tekniske problemer takket være en unik alliance mellem højteknologiske virksomheder, herunder Trumpf (Tyskland), Seiss (Oberkochen, Tyskland) og ASML (Veldhoven, Holland). Det er værd at tage et kig på historien om dette teknologiske mesterværk, og også at tænke på, hvad der kan komme næste gang.
hvorfor EUV?
ekstrem ultraviolet (undertiden også kaldet KSUV) betegner bløde røntgenstråler med bølgelængder mellem 124 og 10 nm eller fotonenergier mellem 10 eV og 124 eV. Solen producerer EUV; mennesker skaber det gennem synkrotroner eller fra plasma.
indtil nu har chipproducenter brugt ultraviolet (laser) lys til at projicere komplekse mønstre på siliciumskiver belagt med fotoresist. I en proces, der er analog med udviklingen af de gamle papirfotos, udvikles disse mønstre og bliver ledende eller isolerende strukturer inden for et lag. Denne proces gentages, indtil de komplekse systemer, der danner et integreret kredsløb, såsom en mikroprocessor, er komplette.
udviklingen af sådanne litografiske systemer er drevet af økonomi: stadig mere computerkraft og lagerkapacitet er nødvendig, mens omkostninger og strømforbrug skal sænkes. Denne udvikling kan beskrives i en simpel regel, kendt som Moores lov, der siger, at antallet af transistorer i et tæt integreret kredsløb fordobles hvert andet år.
en større begrænsning kommer fra optikens love. Den tyske fysiker Ernst Abbe fandt ud af, at opløsningen af et mikroskop d (groft) er begrænset til bølgelængden af det lys, der anvendes i belysning:
hvor n er brydningsindekset for mediet mellem linsen og objektet, og Chr er halvvinklen på målets lyskegle. For litografi, der erstatter numerisk blænde(NA) med n sin (Kurt) og tilføjer en faktor k til formlen (fordi litografisk opløsning kan tilpasses kraftigt med belysningstricks), er den mindste mulige struktur eller kritiske dimension (CD):
denne formel, der styrer alle litografiske billeddannelsesprocesser, gør det klart, hvorfor bølgelængden er en så afgørende parameter. Som et resultat har ingeniører ledt efter lyskilder med stadig kortere bølgelængder for at producere stadig mindre funktioner. Begyndende med UV-kviksølvdamplamper flyttede de til ekscimer-lasere med en bølgelængde på 193 nm. Litografiindustrien modtog en overraskelse, da Intel i maj 2003 meddelte, at den ville droppe 157 nm eksimer laser som et næste trin og i stedet gå til EUV ved en 13,5 nm bølgelængde. Problemer med optiske materialer blev set som den største hindring, og EUV syntes kun et par udviklingstrin væk.
det blev rapporteret på det tidspunkt, at Intel-stipendiat og direktør for virksomhedens litografi kapitaludstyrsoperationer, Peter Silverman, præsenterede en køreplan, der viser EUV, der skal implementeres til 32-nm-noden i 2009. Det viste sig at være alt for optimistisk, og folk måtte finde måder at udnytte 193 nm-kilderne til at opnå stadig mindre funktioner gennem teknikker som nedsænkning litografi og sofistikerede belysningstricks.
en EUV-lyskilde til industrien
mange problemer har måttet løses for EUV-litografi; først og fremmest var der brug for en kraftig lyskilde. I begyndelsen af 2000 ‘ erne syntes udladningsplasmabaserede kilder mest gunstige, men inden længe viste laserproducerede plasmakilder, at de var mest levedygtige til opskalering. Grupper i Japan, Europa og USA arbejdede hårdt på denne tilgang.
endelig vandt det San Diego-baserede firma Cymer løbet med et system, der bruger en CO2-laser til at skabe EUV-stråling fra en 30 liter dråbe tin. Mens de promoverede en temmelig ustabil kilde på 30 V i 2007, var det 2014, da de først viste, hvordan man kom til 250 V, et tal, der blev betragtet som gennembrudet for produktion i høj volumen. At øge effektiviteten af EUV-konverteringsprocessen var et vidunderligt stykke anvendt forskning, der trods alt gjorde EUV-litografi levedygtig. For at muliggøre hurtigere fremskridt (og for at sikre sin eneste leverandør) købte ASML Cymer i 2012.
den endelige løsning til fremstilling af lige nok EUV-stråling til kommerciel levedygtighed er en maskine, der imponerer selv erfarne lasereksperter. Det er baseret på den mest kraftfulde laser, der nogensinde blev bygget i serieproduktion: en 40 kV CO2-laser. Hele systemet har brug for en 1 MVSTRØMFORSYNING. Da kun den lille brøkdel af 200 volt strøm bruges til behandling af skiven, er køling et stort problem.
den eneste leverandør af denne teknologi er TRUMPF i Tyskland. Trumpf ejer og CTO Peter Leibinger er godt klar over hans virksomheds rolle: “hvis vi fejler, vil Moores lov ophøre. Selvfølgelig er verden ikke afhængig af TRUMPF, men uden TRUMPF kunne chipindustrien ikke gøre det,” sagde han i en samtale i 2017.
typiske CO2-lasere fra TRUMPF leverer nogle kilovatts af kontinuerlig bølge (CV) stråling. Dette er bare rigtigt til skæring af stål. For EUV udviklede TRUMPF en laser, der producerer 40 KVS pulserende stråling med en gentagelseshastighed på 50 KHS. Laseren, med sine to såmaskiner og fire forstærkningstrin, er så stor, at den skal placeres på en separat etage under EUV-maskinen.
Peter Leibinger, CTO for TRUMPF, viser den 40 kV CO2-laser, der pumper EUV-generatoren.TRUMPF
for at holde trit med markedets efterspørgsel har TRUMPF investeret kraftigt i en helt ny fabrik med 10 produktionsbåse kun til disse lasere. Med 10 uger til at sammensætte dem har virksomheden nu en kapacitet på 50 systemer om året. I skrivende stund var der 44 systemer i marken med i alt 30 forsendelser forventet i 2019.
Bemærk-opløsningen af 3400-systemerne er omkring 13 nm; dette refererer til Formel (2) og den faktiske porthøjde. Dette er meget forskelligt fra de” noder”, der ofte diskuteres chipproducenterne. Oprindeligt henviste knudepunkterne til portlængden af en transistor. Det kan naturligvis afvige som en funktion af processen og dermed af producenten. I dag henviser noden imidlertid kun til en bestemt proces udviklet af en chipproducent og svarer ikke direkte til opløsningen af optikken. For eksempel chipproducenter tout 7 nm eller 3 nm noder, der henviser til deres proprietære processer ved hjælp af lignende EUV-maskiner.
inde i:3400 – den fulde optiske lyssti med EUV-kilden nederst til højre og masken øverst.ASML
samarbejde er nøglen
mens mere end 1000 leverandører er involveret generelt, er kerneteknologien lavet af Trumpf, Seiss og ASML. De udviklede temmelig ukonventionelle former for samarbejde i EUV-projektet. Peter Leibinger fra Trumpf kaldte det et” næsten fusioneret selskab ” med en åben bogpolitik og en omfattende udveksling af mennesker og viden.
SMT har en lang historie med ASML, da virksomheden producerede sin første litografioptik til Philips i 1983; denne forretning blev udskilt i 1984 og navngivet ASML.
tilsammen erobrede ess og ASML markedet for litografisystemer længe før EUV. I 2010 havde de allerede omkring 75% markedsandel for litografisystemer. Indtil videre er de de eneste udbydere af EUV-systemer i industriel kvalitet. For at fremme forholdet købte ASML en andel på 24,9% i SMT for omkring en milliard euro i November 2016. Derudover lovede ASML at støtte SMTS R & d-indsats i seks år med 220 millioner euro plus en vis investeringsstøtte på 540 millioner Euro.
disse penge var meget nødvendige, da Seiss investerede stærkt i EUV. Virksomheden rejste haller til fremstilling og metrologi nær Oberkochen, Tyskland; i øjeblikket afslutter det forberedelsen til den næste generation af EUV—optik med højere NA-yderligere 700 millioner euroinvesteringer. Dette omfatter højvakuumkamre på størrelse med en lastbil til metrologi af de optiske systemer. Spejlfladerne, der testes i disse kamre, har en maksimal tolerance på 0,5 nm, så de bruger den mest præcise justerings-og metrologiteknologi, der nogensinde er bygget i industrien.
endelig samling af et 180 ton værktøj
Seiss SMT har et kæmpe højteknologisk anlæg, men det er toppet i størrelse af produktionshallerne på Veldhoven-faciliteterne i ASML. Hvis du går der ind i cafeteriet, kan du føle, at du er på en campus i Californien. Mange unge mennesker fra alle nationer samles rundt og nipper til deres lattes. Dette miljø afspejler muligvis det faktum, at ASML hurtigt har været nødt til at ansætte nyt personale for at holde trit med deres hurtige vækst. I 2018 voksede deres personale med 21% og beskæftiger nu mere end 800 ph.D. ‘ er og mere end 7500 ingeniører i en samlet arbejdsstyrke på 23.000.
bygningerne bag cafeteriet udgør det største renrumsfacilitet, jeg nogensinde har set. I fem til fem haller er EUV steppers-maskinerne færdige. Den nuværende topmodel, 3400B, vejer 180 tons og har brug for 20 lastbiler eller tre fuldt lastede Boeing 747 ‘ er til forsendelse. Prislappen er $ 120 millioner. Det kan behandle 125 skiver i timen med en opløsning ned til 13 nm.
i anden halvdel af 2019 blev forsendelsen af en opgraderet NC:3400c annonceret. Det vil indeholde optiske elementer med højere transmission, et modulopbygget fartøj til betydeligt hurtigere brugbarhed og en hurtigere reticle-og skivehåndterer for at understøtte øget produktivitet. Disse enheder opnår 170 skiver pr.
ASML medarbejdere arbejder på den endelige samling af en NC:3400b uden sine paneler.ASML
Hvad kommer efter EUV?
svaret er—EUV. Indtil videre har EUV-optik nået en NA på 0, 33. Den næste generation (ASML annoncerede maskinen som næste) vil have en NA på 0,55, hvilket muliggør en opløsning på mindre end 8 nm. Det omfatter større optik, hvilket forklarer den store og øgede indsats hos SMT. Jørgen er allerede i gang med produktionen i år.
som et resultat af denne kombinerede indsats er det klart, at teknologien drives til dens fysiske grænser, hvilket muliggør specifikationer, der hidtil ikke var tænkelige. For eksempel er vaflerne inde i litografisystemet hold på specielle glasplader (såkaldte vafleklemmer). De bevæger sig ved accelerationer op til 3G og holder skiven på plads med præcision ned til et nanometer. Samtidig lyser skiven af EUV-lys ved en varmebelastning på 30 kV/m2 uden at miste sin nøjagtige placering.
selv om en række tekniske problemer stadig er under drøftelse, synes markedet meget overbevist om, at EUV-litografi vil give en betydelig fordel for halvlederindustrien i en overskuelig fremtid.
Hvad kommer efter high-NA EUV? Indtil videre ser det ud til, at der endnu ikke er noget seriøst svar. På den ene side forbereder flere forskningsgrupper sig på kortere bølgelængder. To institutioner i det tyske Fraunhofer Society afsluttede et forskningsprojekt om” Beyond EUV ” i 2016. De arbejdede på reflekterende belægninger (ved IOF) og plasmakilder (ved ILT) for en bølgelængde på 6,7 nm. En svensk gruppe opsummerede fotoresistforskning i 2015. Alternative metoder til nanopattering såsom stempling eller e-beam litografi udvikler sig. En” patterning roadmap ” i 2017 var et forsøg på at diskutere deres videre udvikling.
men hvis vi ser på denne udvikling på afstand, ser det ud til, at kompleksiteten af litografisk teknologi har nået sit levedygtige maksimum. Hvad ASML og dets allierede i øjeblikket bygger i deres højteknologiske Katedraler viser de største og mest avancerede teknologiske systemer i vores tid. Selvom dette er forbløffende bevis for videnskabelig og teknisk mestring, efterlader det indtryk af, at yderligere betydelige fremskridt vil kræve en helt anden tilgang til at imødekomme øgede krav til datalagring og behandling.