három évtizedes fejlesztés után a litográfiai gépek új generációját szállították a nagy számítógépes chipgyártókhoz. Extrém ultraibolya (EUV) fényt használ 13,5 nm hullámhosszon, hogy a szilícium jellemzői néhány nanométerre csökkenjenek a holnap memóriachipjein és processzorain.
több mint 100 000 alkatrésszel egy ilyen EUV litográfiai rendszer az egyik legösszetettebb gép, amelyet valaha építettek. A sorozatgyártásban valaha gyártott legerősebb lézerrendszer pumpálja. Összesen súlya 180 tonna, és több mint 1 MW villamos energiát fogyaszt. 120 millió dollárba kerül, és évek óta elkelt.
a nagy öntödék már jó ideje várják. A legfontosabb technikai problémák megoldódtak a csúcstechnológiai vállalatok, köztük a Trumpf (Ditzingen, Németország), a Zeiss (Oberkochen, Németország) és az ASML (Veldhoven, Hollandia) egyedülálló Szövetségének köszönhetően. Érdemes megnézni ennek a technológiai remekműnek a történetét, valamint gondolkodni arról, hogy mi következhet.
miért EUV?
extrém ultraibolya (néha XUV-nek is nevezik) a 124 és 10 nm közötti hullámhosszúságú lágy röntgensugarakat vagy a 10 és 124 eV közötti fotonenergiákat jelöli. A nap EUV-t termel; az emberek szinkrotronokon keresztül vagy plazmából hozzák létre.
eddig a forgácsgyártók ultraibolya (lézer) fényt használtak összetett minták kivetítésére a fotoreziszttel bevont Szilícium ostyákra. A régi papírfotók kifejlesztéséhez hasonló folyamat során ezek a minták egy rétegen belül vezető vagy izoláló struktúrákká válnak. Ezt a folyamatot addig ismételjük, amíg az integrált áramkört, például mikroprocesszort alkotó komplex rendszerek befejeződnek.
az ilyen litográfiai rendszerek fejlesztését a gazdaságosság vezérli: egyre nagyobb számítási teljesítményre és tárolókapacitásra van szükség, miközben csökkenteni kell a költségeket és az energiafogyasztást. Ez a fejlemény egy egyszerű szabályban írható le, jól ismert Moore-törvény, amely szerint a sűrű integrált áramkörben lévő tranzisztorok száma körülbelül kétévente megduplázódik.
a fő korlátozás az optika törvényeiből származik. Ernst Abbe német fizikus megállapította, hogy a D mikroszkóp felbontása (nagyjából) a megvilágításhoz használt fény hullámhosszára korlátozódik:
ahol n a lencse és a tárgy közötti közeg törésmutatója, míg az objektív fénykúpjának félszöge, míg az objektív fénykúpjának a törésmutatója. A litográfia esetében, amikor a numerikus apertúrát (na) helyettesítjük n sin-rel(6602>), és hozzáadunk egy K faktort a képlethez (mivel a litográfiai felbontás erősen módosítható megvilágítási trükkökkel), a minimális megvalósítható szerkezet vagy kritikus dimenzió (CD) a következő:
ez a képlet, amely az összes litográfiai képalkotási folyamatot szabályozza, nyilvánvalóvá teszi, hogy a hullámhossz miért olyan fontos paraméter. Ennek eredményeként a mérnökök egyre rövidebb hullámhosszúságú fényforrásokat kerestek, hogy egyre kisebb funkciókat hozzanak létre. Az UV higanygőz lámpákkal kezdve 193 nm hullámhosszú excimer lézerekre költöztek. A litográfiai ipar meglepetést kapott, amikor az Intel 2003 májusában bejelentette, hogy Következő lépésként eldobja a 157 nm-es excimer lézert, ehelyett 13,5 nm-es hullámhosszon megy az EUV-hez. Az optikai anyagokkal kapcsolatos problémákat tekintették a fő akadálynak,az EUV pedig csak néhány fejlesztési lépésre tűnt.
akkor jelentették, hogy az Intel munkatársa és a vállalat lithography capital equipment operations igazgatója, Peter Silverman bemutatott egy ütemtervet, amely bemutatja az EUV-t a 32 nm-es csomópontra 2009-ben. Ez túlságosan optimistának bizonyult, és az embereknek meg kellett találniuk a 193 nm-es források kiaknázásának módját, hogy egyre kisebb funkciókat érjenek el olyan technikákkal, mint az immerziós litográfia és a kifinomult megvilágítási trükkök.
EUV fényforrás az ipar számára
sok problémát kellett megoldani az EUV litográfiához; először is erős fényforrásra volt szükség. A 2000-es évek elején a kisülési plazma alapú források (mint például az Xtreme Technologies) a legkedvezőbbnek tűntek, de mielőtt a lézerrel előállított plazmaforrások megmutatták, hogy a leginkább életképesek a felskálázáshoz. Japán, Európa és az USA csoportjai keményen dolgoztak ezen a megközelítésen.
végül a San Diegó-i székhelyű Cymer cég nyerte meg a versenyt egy olyan rendszerrel, amely CO2 lézert használ EUV sugárzás létrehozására egy 30 MHz-es óncseppből. Míg egy meglehetősen instabil 30 W-os forrást népszerűsítettek 2007-ben, 2014 volt az, amikor először megmutatták, hogyan lehet elérni a 250 W-ot, ezt a számot a nagy volumenű termelés áttörésének tekintették. Az EUV átalakítási folyamat hatékonyságának növelése csodálatos alkalmazott kutatás volt, amely végül is életképessé tette az EUV litográfiát. A gyorsabb fejlődés érdekében (és az egyetlen beszállító biztosítása érdekében) az ASML 2012-ben megvásárolta a Cymer-t.
a kereskedelmi életképességhez elegendő EUV-sugárzás előállításának végső megoldása egy olyan gép, amely még a tapasztalt lézerszakértőket is lenyűgözi. A sorozatgyártásban valaha épített legerősebb lézerre épül: egy 40 kW-os CO2-lézerre. Az egész rendszernek 1 MW tápegységre van szüksége. Mivel az ostya feldolgozásához csak a 200 W-os teljesítmény apró hányadát használják fel, a hűtés fontos kérdés.
ennek a technológiának az egyedüli szállítója a TRUMPF Ditzingenben, Németországban. A Trumpf tulajdonosa és vezérigazgatója, Peter Leibinger tisztában van a vállalat szerepével: “ha kudarcot vallunk, Moore törvénye megszűnik. Természetesen a világ nem függ a TRUMPF-tól, de a TRUMPF nélkül a chipipar nem tudná megtenni” – mondta egy 2017-es interjúban.
a TRUMPF tipikus CO2 lézerei néhány kilowatt folytonos hullámú (CW) sugárzást bocsátanak ki. Ez csak az acél vágásához megfelelő. Az EUV számára a TRUMPF kifejlesztett egy lézert, amely 40 kW impulzusos sugárzást produkál 50 kHz ismétlési sebességgel. A két magvetővel és négy erősítési fokozattal rendelkező lézer olyan nagy, hogy külön emeleten kell elhelyezni az EUV gép alatt.
Peter Leibinger, a TRUMPF műszaki vezetője bemutatja a 40 kW-os CO2 lézert, amely az EUV generátort pumpálja.TRUMPF
annak érdekében, hogy lépést tartson a piaci kereslettel, a TRUMPF jelentős összegeket fektetett be egy teljesen új gyárba, amely 10 gyártórekesszel rendelkezik csak ezekhez a lézerekhez. 10 héttel az összeállításukhoz a vállalat évente 50 rendszer kapacitással rendelkezik. Az írás idején 44 rendszer volt a terepen, összesen 30 szállítás várható 2019-ben.
Megjegyzés—Az NXE:3400 rendszerek felbontása körülbelül 13 nm; ez a (2) képletre és a tényleges kapumagasságra vonatkozik. Ez nagyon különbözik a” csomópontok ” gyakran tárgyalt a chip gyártók. Eredetileg a csomópontok a tranzisztor kapuhosszára vonatkoztak. Nyilvánvaló, hogy ez eltérhet a folyamat, tehát a gyártó függvényében. Ma azonban a csomópont csak egy chipgyártó által kifejlesztett bizonyos folyamatra utal, és nem felel meg közvetlenül az optika felbontásának. Például a chipgyártók 7 nm-es vagy 3 nm-es csomópontokat mutatnak be, utalva saját szabadalmaztatott folyamataikra, hasonló EUV-gépeket használva.
belső NXE:3400-a teljes optikai fényút az EUV forrással a jobb alsó sarokban, a maszkkal a tetején.ASML
az együttműködés a kulcs
míg összességében több mint 1000 beszállító vesz részt benne, az alapvető technológiát a Trumpf, a Zeiss és az ASML gyártja. Az EUV projektben meglehetősen szokatlan együttműködési formákat fejlesztettek ki. Peter Leibinger a Trumpf-tól “gyakorlatilag egyesített vállalatnak” nevezte, nyitott könyv politikával, széles körű ember-és know-how cserével.
a Zeiss SMT hosszú múltra tekint vissza az ASML-ben, mivel a vállalat 1983-ban gyártotta első litográfiai optikáját a Philips számára; ezt az üzletet 1984-ben leállították és ASML-nek nevezték el.
a Zeiss és az ASML együtt jóval az EUV előtt meghódította a litográfiai rendszerek piacát. 2010-ben már mintegy 75% – os piaci részesedéssel rendelkeztek a litográfiai rendszerek terén. Eddig ők az egyetlen ipari minőségű EUV-rendszerek szállítói. A kapcsolat előmozdítása érdekében az ASML 24,9% – os részesedést vásárolt a Zeiss SMT-ben nagyjából egymilliárd euróért 2016 novemberében. Ezenkívül az ASML megígérte, hogy hat éven át támogatja a Zeiss SMT R&D erőfeszítéseit 220 millió euróval, valamint néhány 540 millió eurós beruházási Támogatással.
erre a pénzre nagy szükség volt, mivel a Zeiss jelentős összegeket fektetett be az EUV-be. A vállalat gyártási és méréstechnikai csarnokokat épített a németországi Oberkochen közelében; jelenleg az EUV optika következő generációjának előkészítését fejezi be magasabb NA-val-további 700 millió eurós beruházással. Ez magában foglalja a nagy vákuumkamrákat, amelyek egy teherautó méretűek az optikai rendszerek méréséhez. Az ezekben a kamrákban tesztelt tükörfelületek maximális tűrése 0,5 nm, így az iparban valaha épített legpontosabb illesztési és metrológiai technológiát alkalmazzák.
egy 180 tonnás szerszám végső összeszerelése
a Zeiss SMT egy óriási high-tech berendezéssel rendelkezik, de méretét tekintve az ASML Veldhoven létesítményeinek gyártócsarnokai teszik teljessé. Ha oda megy a kávézóba, úgy érezheti, mintha egy Kaliforniai Egyetemen lenne. Sok fiatal minden nemzetből összegyűlik és kortyolgatja a lattét. Ez a környezet tükrözheti azt a tényt, hogy az ASML-nek gyorsan új alkalmazottakat kellett felvennie, hogy lépést tartson gyors növekedésükkel. 2018-ban munkatársaik 21% – kal növekedtek, jelenleg több mint 800 PhD-t és több mint 7500 mérnököt foglalkoztatnak, összesen 23 000 munkaerővel.
a kávézó mögötti épületek alkotják a legnagyobb tisztatéri létesítményt, amit valaha láttam. Öt-öt csarnokban elkészülnek az EUV léptetőgépek. A jelenlegi csúcsmodell, az NXE: 3400b súlya 180 tonna, és 20 teherautóra vagy három teljesen megrakott Boeing 747-re van szüksége a szállításhoz. Az árcédula 120 millió dollár. Óránként 125 ostyát képes feldolgozni 13 nm-es felbontással.
2019 második felében bejelentették a továbbfejlesztett NXE:3400c szállítását. Nagyobb átviteli optikai elemekkel, moduláris edényrel rendelkezik a lényegesen gyorsabb szervizelhetőség érdekében, valamint gyorsabb retikulum-és ostya-kezelővel a nagyobb termelékenység támogatása érdekében. Ezek az eszközök óránként 170 ostyát érnek el.
az ASML munkatársai az NXE:3400b panelek nélküli végső összeszerelésén dolgoznak.ASML
mi jön az EUV után?
a válasz—EUV. Eddig az EUV optika elérte a 0,33 NA értéket. A következő generáció (az ASML NXE Next néven jelentette be a gépet) NA értéke 0,55 lesz, ami 8 nm-nél kisebb felbontást tesz lehetővé. Nagyobb optikát tartalmaz, ami megmagyarázza a ZEISS SMT nagy és fokozott erőfeszítéseit. A Zeiss már ebben az évben megkezdte a gyártást.
ezen együttes erőfeszítések eredményeként egyértelmű, hogy a technológia fizikai korlátai felé halad, lehetővé téve az eddig el nem képzelhető specifikációkat. Például a litográfiai rendszer belsejében lévő ostyák speciális üveglapokon (úgynevezett ostya bilincsek) vannak. 3G-ig gyorsulással mozognak, az ostyát nanométerig pontosan a helyén tartva. Ugyanakkor az ostyát EUV fény világítja meg 30 kW/m2 hőterhelés mellett anélkül, hogy elveszítené pontos helyét.
bár számos technikai probléma még mindig vita tárgyát képezi, a piac nagyon magabiztosnak tűnik abban, hogy az EUV litográfia belátható időn belül jelentős előnyt kínál a félvezető ipar számára.
mi jön a magas NA EUV után? Eddig úgy tűnik, hogy még nincs komoly válasz. Egyrészt több kutatócsoport készül rövidebb hullámhosszokra. A német Fraunhofer Társaság két intézménye 2016-ban befejezte a “Beyond EUV” kutatási projektet. Fényvisszaverő bevonatokon (at IOF) és plazmaforrásokon (at ILT) dolgoztak 6,7 nm hullámhosszon. Egy svájci csoport összefoglalta a fotorezista kutatásokat 2015-ben. A nanopatterning alternatív módszerei, például a bélyegzés vagy az e-sugár litográfia fejlődnek. A 2017-es” mintázási ütemterv ” kísérlet volt a további fejlődésük megvitatására.
de ha távolról nézzük ezt a fejlődést, úgy tűnik, hogy a litográfiai technológia összetettsége elérte életképes maximumát. Amit az ASML és szövetségesei jelenleg építenek csúcstechnológiájú katedrálisaikban, az korunk legnagyobb és legfejlettebb technológiai rendszereit mutatja be. Bár ez a tudományos és mérnöki ismeretek lenyűgöző bizonyítéka, azt a benyomást kelti, hogy a további jelentős előrelépés teljesen más megközelítést igényel a megnövekedett adattárolási és feldolgozási követelmények kielégítése érdekében.