kolmen vuosikymmenen kehitystyön jälkeen uuden sukupolven litografialaitteita on nyt toimitettu suurille tietokonesirujen valmistajille. Se käyttää äärimmäistä ultraviolettivaloa (EUV), jonka aallonpituus on 13,5 nm, tehdäkseen piistä muutaman nanometrin kokoisia ominaisuuksia huomisen muistipiireissä ja prosessoreissa.
tällainen EUV-litografiajärjestelmä, jossa on yli 100 000 komponenttia, on yksi monimutkaisimmista koskaan rakennetuista koneista. Se pumpataan tehokkaimmalla sarjatuotannossa koskaan tehdyllä laserjärjestelmällä. Se painaa yhteensä 180 tonnia ja kuluttaa yli 1 MW sähkötehoa. Se maksaa 120 miljoonaa dollaria ja on myyty loppuun vuosia.
Isot valimot ovat odottaneet sitä jo jonkin aikaa. Nyt suuret tekniset ongelmat on ratkaistu korkean teknologian yritysten, kuten Trumpfin (Ditzingen, Saksa), Zeissin (Oberkochen, Saksa) ja ASML: n (Veldhoven, Alankomaat), ainutlaatuisen yhteistyön ansiosta. Kannattaa kurkistaa tämän teknologisen mestariteoksen historiaan ja myös miettiä, mitä voisi tulla seuraavaksi.
miksi EUV?
Äärimmäinen ultravioletti (joskus myös XUV) tarkoittaa pehmeitä röntgensäteitä, joiden aallonpituudet ovat 124-10 nm tai fotonienergioita 10-124 eV. Aurinko tuottaa EUV: tä; ihmiset luovat sitä synkrotronien eli plasmasta.
tähän asti sirujen valmistajat ovat käyttäneet ultraviolettivaloa (laser) projisoidakseen monimutkaisia kuvioita fotoresistillä päällystetyille piikiekoille. Vanhojen paperikuvien kehitystä vastaavassa prosessissa nämä kuviot kehittyvät ja niistä tulee johtavia tai eristäviä rakenteita yhden kerroksen sisällä. Tätä prosessia toistetaan, kunnes mikroprosessorin kaltaisen integroidun piirin muodostavat monimutkaiset järjestelmät ovat valmiit.
tällaisten litografiajärjestelmien kehityksen taustalla on taloudellisuus: tarvitaan yhä enemmän laskentatehoa ja tallennuskapasiteettia, samalla kun kustannuksia ja virrankulutusta on laskettava. Tätä kehitystä voidaan kuvata yksinkertaisella säännöllä, joka tunnetaan hyvin Mooren lakina, jonka mukaan transistorien määrä tiheässä integroidussa piirissä kaksinkertaistuu noin kahden vuoden välein.
merkittävä rajoitus tulee Optiikan laeista. Saksalainen fyysikko Ernst Abbe havaitsi, että mikroskoopin d resoluutio rajoittuu (karkeasti) valaistuksessa käytettävän valon aallonpituuteen λ:
missä n on objektiivin ja kohteen välisen väliaineen taitekerroin ja α on kohteen valon kartion puolikulma. Litografiassa numeerisen aukon (NA) korvaaminen n Sinillä(α) ja kertoimen k lisääminen kaavaan (koska litografian erottelukykyä voidaan voimakkaasti säätää valaistustempuilla) pienin mahdollinen rakenne tai kriittinen ulottuvuus (CD) on:
tämä kaava, joka hallitsee kaikkia litografisia kuvantamisprosesseja, osoittaa selvästi, miksi aallonpituus on niin ratkaiseva parametri. Tämän seurauksena insinöörit ovat etsineet yhä lyhyemmillä aallonpituuksilla varustettuja valonlähteitä tuottaakseen yhä pienempiä ominaisuuksia. UV-elohopeahöyrylampuista alkaen ne siirtyivät eksimeerilasereihin, joiden aallonpituus oli 193 nm. Litografiateollisuus sai yllätyksen, kun Intel ilmoitti toukokuussa 2003 pudottavansa 157 nm: n excimer-laserin seuraavana askeleena ja siirtyvänsä sen sijaan EUV: lle 13,5 nm: n aallonpituudella. Optisten materiaalien ongelmat nähtiin suurena esteenä, ja EUV näytti olevan vain muutaman kehitysaskeleen päässä.
tuolloin kerrottiin, että Intel Fellow ja yhtiön litografia capital equipment-toimintojen johtaja Peter Silverman esittivät etenemissuunnitelman, jonka mukaan EUV otetaan käyttöön 32 nm: n solmussa vuonna 2009. Tämä osoittautui aivan liian optimistiseksi, ja ihmisten oli löydettävä tapoja hyödyntää 193 nm: n lähteitä saavuttaakseen yhä pienempiä ominaisuuksia immersion litografian ja hienostuneiden valaistustemppujen kaltaisten tekniikoiden avulla.
teollisuuden EUV-valonlähde
EUV-litografiassa on jouduttu ratkaisemaan monia ongelmia; ensinnäkin tarvittiin voimakas valonlähde. 2000-luvun alussa purkausplasmapohjaiset lähteet (kuten Xtreme Technologiesin mainostamat) vaikuttivat suotuisimmilta, mutta ennen pitkää laserilla tuotetut plasmalähteet osoittivat, että ne olivat kannattavimpia yläviistoon. Ryhmät Japanissa, Euroopassa ja Yhdysvalloissa tekivät kovasti työtä tämän lähestymistavan hyväksi.
lopulta San Diegossa toimiva yritys Cymer voitti kilpailun järjestelmällä, joka käyttää CO2-laseria luodakseen EUV-säteilyä 30 µm: n tinapisarasta. Vaikka he mainostivat melko epävakaata 30 W: n lähdettä vuonna 2007, se oli 2014, kun he näyttivät ensimmäisen kerran, miten päästä 250 W: hen, numeroa, jota pidettiin suuren volyymin tuotannon läpimurtona. EUV-muunnosprosessin tehostaminen oli hieno soveltava tutkimus, joka teki EUV-litografiasta loppujen lopuksi elinkelpoisen. Nopeamman kehityksen mahdollistamiseksi (ja ainoan toimittajansa turvaamiseksi) ASML osti Cymerin vuonna 2012.
lopullinen ratkaisu tuottaa juuri tarpeeksi EUV-säteilyä kaupallisen kannattavuuden kannalta on kone, joka tekee vaikutuksen jopa kokeneisiin laserasiantuntijoihin. Se perustuu kaikkien aikojen tehokkaimpaan sarjatuotannossa olleeseen laseriin: 40 kW: n CO2-laseriin. Koko järjestelmä tarvitsee 1 MW: n virtalähteen. Koska kiekkojen käsittelyyn käytetään vain pieni osa 200 W tehosta, jäähdytys on tärkeä asia.
tämän teknologian ainoa toimittaja on TRUMPF Ditzingenissä Saksassa. Trumpfin omistaja ja teknologiajohtaja Peter Leibinger on hyvin tietoinen yrityksensä roolista: ”jos epäonnistumme, Mooren laki lakkaa. Maailma ei tietenkään ole riippuvainen TRUMPFISTA, mutta ilman TRUMPFIA siruteollisuus ei pystyisi siihen”, hän sanoi haastattelussa vuonna 2017.
Trumpf: n tyypilliset CO2-laserit tuottavat joitakin kilowatteja jatkuvaa CW-säteilyä. Tämä sopii juuri teräksen leikkaamiseen. EUV: lle TRUMPF kehitti laserin, joka tuottaa 40 kW: n pulssisäteilyä 50 kHz: n toistotahdilla. Laser, jossa on kaksi kylväjää ja neljä vahvistusvaihetta, on niin suuri, että se on sijoitettava erilliseen kerrokseen EUV-koneen alapuolelle.
TRUMPF: n teknologiajohtaja Peter Leibinger näyttää 40 kW: n CO2-laseria, joka pumppaa EUV-generaattoria.TRUMPF
pysyäkseen markkinoiden kysynnän tasalla TRUMPF on investoinut voimakkaasti kokonaan uuteen tehtaaseen, jossa on 10 tuotantolaituria juuri näitä lasereita varten. Kun aikaa on 10 viikkoa, yhtiön kapasiteetti on nyt 50 järjestelmää vuodessa. Kirjoitushetkellä kentällä oli 44 järjestelmää, ja vuonna 2019 odotetaan yhteensä 30 lähetystä.
huomaa—NXE:3400-systeemien resoluutio on noin 13 nm; tämä viittaa formula_2: een ja todelliseen porttiväliin. Tämä on hyvin erilainen kuin” solmut ” usein keskusteltu siru valmistajat. Alun perin solmut viittasivat transistorin portin pituuteen. On selvää, että tämä voi vaihdella prosessin ja siten valmistajan funktiona. Nykyään solmu viittaa kuitenkin vain tiettyyn siruvalmistajan kehittämään prosessiin eikä vastaa suoraan Optiikan resoluutiota. Esimerkiksi sirunvalmistajat tekevät 7 nm: n tai 3 nm: n solmuja, jotka viittaavat niiden omiin prosesseihin käyttäen samanlaisia EUV-koneita.
Inside NXE:3400 – täydellinen optinen valopolku, jossa EUV-lähde oikeassa alareunassa ja maski ylhäällä.ASML
yhteistyö on avain
kun kaikkiaan mukana on yli 1000 toimittajaa, ydinteknologiaa valmistavat Trumpf, Zeiss ja ASML. He kehittivät EUV-hankkeessa varsin epätavanomaisia yhteistyömuotoja. Trumpf: n Peter Leibinger kutsui sitä ”lähes yhdistyneeksi yhtiöksi”, jolla on avoimen kirjan politiikka ja laaja ihmisten ja osaamisen vaihto.
Zeiss SMT: llä on pitkä historia ASML: n kanssa, sillä yhtiö valmisti ensimmäisen litografioptiikkansa Philipsille vuonna 1983; yritys lakkautettiin vuonna 1984 ja nimettiin ASML: ksi.
yhdessä Zeiss ja ASML valloittivat litografiajärjestelmien markkinat jo hyvissä ajoin ennen EUV: ta. Vuonna 2010 niillä oli jo noin 75 prosentin markkinaosuus litografiajärjestelmissä. Toistaiseksi ne ovat ainoita TEOLLISUUSKELPOISTEN EUV-järjestelmien tarjoajia. Suhteiden edistämiseksi ASML osti 24,9 prosentin osuuden Zeiss SMT: stä noin miljardilla eurolla marraskuussa 2016. Lisäksi ASML lupasi tukea Zeiss SMT: n R&D-pyrkimyksiä kuuden vuoden ajan 220 miljoonalla eurolla sekä joitakin investointitukia 540 miljoonalla eurolla.
tuo raha tuli kipeästi tarpeeseen, sillä Zeiss investoi voimakkaasti EUV: iin. Yhtiö pystytti halleja valmistus—ja metrologian lähellä Oberkochen, Saksa; tällä hetkellä se on valmistelemassa seuraavan sukupolven EUV optiikka korkeampi NA-toinen 700 miljoonan euron investointi. Tähän kuuluvat kuorma-auton kokoiset suurtyhjiökammiot optisten järjestelmien metrologiaa varten. Näissä kammioissa testattavien peilipintojen maksimitoleranssi on 0,5 nm, joten niissä käytetään tarkinta koskaan teollisuudessa rakennettua linjaus-ja metrologiateknologiaa.
180 tonnin työkalun lopullinen kokoonpano
Zeiss SMT: llä on jättimäinen korkean teknologian laitos, mutta sen koko on ASML: n Veldhovenin tuotantohallien yläpuolella. Jos menet sinne ruokalaan, saatat tuntea olevasi kampuksella Kaliforniassa. Monet nuoret kaikista kansoista kerääntyvät siemailemaan lattejaan. Tämä ympäristö saattaa kuvastaa sitä, että ASML on joutunut nopeasti palkkaamaan uutta henkilökuntaa pysyäkseen nopean kasvunsa tahdissa. Vuonna 2018 heidän henkilöstönsä kasvoi 21%, työllistäen nyt yli 800 tohtoria ja yli 7500 insinööriä yhteensä 23 000 työntekijällä.
ruokalan takana olevat rakennukset käsittävät suurimman koskaan näkemäni puhdastilarakennuksen. VIISINKERTAISESSA hallissa valmistuvat EUV-stepperit-koneet. Nykyinen huippumalli NXE: 3400b painaa 180 tonnia ja tarvitsee lähetykseen 20 rekkaa tai kolme täyteen lastattua Boeing 747-konetta. Hintalappu on 120 miljoonaa dollaria. Se pystyy käsittelemään 125 kiekkoa tunnissa 13 nm: n resoluutiolla.
vuoden 2019 jälkipuoliskolla ilmoitettiin päivitetyn NXE:3400c: n toimituksesta. Siinä on korkeampivaihteiset optiset elementit, modulaarinen alus, joka mahdollistaa huomattavasti nopeamman huollettavuuden, sekä nopeampi uudelleenlapun ja kiekkojen käsittelijä, joka tukee lisääntynyttä tuottavuutta. Näillä laitteilla saavutetaan 170 kiekkoa tunnissa.
ASML:n työntekijät työskentelevät NXE: 3400B: n lopullisessa kokoonpanossa ilman sen paneeleita.ASML
mitä tulee EUV: n jälkeen?
vastaus on-EUV. Tähän mennessä EUV-optiikka on saavuttanut NA: n arvon 0,33. Seuraavan sukupolven (ASML ilmoitti koneen olevan NXE Next) NA on 0,55, mikä mahdollistaa alle 8 nm: n resoluution. Se koostuu suuremmasta optiikasta, mikä selittää Zeiss SMT: n suuret ja lisääntyneet ponnistelut. Zeiss on aloittanut tuotannon jo tänä vuonna.
näiden yhteisponnistelujen tuloksena on selvää, että teknologia on ajautunut fyysisiin rajoihinsa, mikä mahdollistaa sellaiset eritelmät, joita tähän asti ei ole voitu kuvitellakaan. Esimerkiksi litografiajärjestelmän sisällä olevat kiekot ovat kiinni erityisissä lasilevyissä(ns. Ne liikkuvat jopa 3G: n kiihtyvyyksissä ja pitävät kiekkojen paikallaan nanometrin tarkkuudella. Samalla kiekkoa valaisee EUV-valo lämpökuormalla 30 kW / m2 menettämättä tarkkaa sijaintiaan.
vaikka useista teknisistä ongelmista keskustellaan edelleen, markkinat vaikuttavat hyvin luottavaisilta sen suhteen, että EUV-litografiasta on merkittävää hyötyä puolijohdeteollisuudelle lähitulevaisuudessa.
mitä tulee high-NA Euvin jälkeen? Toistaiseksi vakavasti otettavaa vastausta ei tunnu vielä löytyvän. Toisaalta useat tutkimusryhmät valmistautuvat lyhyempiin aallonpituuksiin. Kaksi saksalaisen Fraunhofer-seuran laitosta sai päätökseen tutkimushankkeen ”Beyond EUV” vuonna 2016. He työskentelivät heijastavilla pinnoitteilla (IOF: ssä) ja plasmalähteillä (ill: ssä) 6,7 nm: n aallonpituudella. Sveitsiläinen ryhmä teki vuonna 2015 yhteenvedon fotoresistisistä tutkimuksista. Vaihtoehtoiset nanopatterointimenetelmät, kuten leimaus tai e-beam litografia, kehittyvät. ”Patterning roadmap” vuonna 2017 oli yritys keskustella niiden jatkokehityksestä.
mutta jos tätä kehitystä tarkastellaan kaukaa, näyttää siltä, että litografiatekniikan monimutkaisuus on saavuttanut elinkelpoisen maksiminsa. Se, mitä ASML ja sen liittolaiset tällä hetkellä rakentavat korkean teknologian katedraaleissaan, esittelee aikamme suurimpia ja edistyneimpiä teknologisia järjestelmiä. Vaikka tämä on upea todiste tieteellisestä ja teknisestä mestaruudesta, se jättää vaikutelman, että merkittävä edistyminen edellyttää täysin erilaista lähestymistapaa lisääntyneiden Tietojen tallennus-ja käsittelyvaatimusten täyttämiseksi.