三十年の開発の後、新世代のリソグラフィ機が大規模なコンピュータチップメーカーに出荷されました。 それは明日のメモリチップそしてプロセッサで少数のナノメートルにケイ素の特徴を作るのに13.5nmの波長で極度な紫外(EUV)ライトを使用する。
このようなEUVリソグラフィーシステムは、100,000以上の部品を備えており、これまでに構築された最も複雑な機械の一つです。 それは連続生産でなされる最も強力なレーザーシステムによってポンプでくまれる。 合計で、それは180トンの重量を量り、1MW以上の電力を消費する。 それは$120百万を要し、幾年もの間完売します。
大きなファウンドリはかなりの時間のためにそれを待っていました。 現在、Trumpf（ドイツのディツィンゲン）、Zeiss（ドイツのオーバーコッヘン）、ASML（オランダのVeldhoven）などのハイテク企業間のユニークな提携により、主要な技術的問題が解決され この技術的傑作の歴史を見て、次に何が来るのかを考えることは価値があります。
なぜEUV？
極端紫外線（XUVとも呼ばれる）は、波長が124nmから10nmの軟x線、または光子エネルギーが10eVから124eVの軟x線を意味します。 太陽はEUVを生成し、人間はシンクロトロンを介して、またはプラズマからそれを作成します。
これまで、チップメーカーは紫外線（レーザー）光を使用して、フォトレジストでコーティングされたシリコンウェーハに複雑なパターンを投影してきました。 古い紙の写真の開発に類似したプロセスでは、これらのパターンが開発され、一つの層内の構造を導通または単離するようになります。 このプロセスは、マイクロプロセッサなどの集積回路を形成する複雑なシステムが完了するまで繰り返されます。
このようなリソグラフィーシステムの開発は、経済性によって推進されています。 この発展は、密な集積回路内のトランジスタの数が約2年ごとに2倍になるというムーアの法則としてよく知られている簡単なルールで説明できます。
大きな制限は、光学の法則から来ています。 ドイツの物理学者エルンスト-アッベは、顕微鏡dの分解能が（おおよそ）照明に使用される光の波長λに制限されていることを発見しました:
ここで、ｎはレンズと物体との間の媒質の屈折率であり、αは対物レンズの光円錐の半角である。 リソグラフィでは、開口数(NA)をn sin(α)に置き換え、式に係数kを加える(リソグラフィ分解能は照明トリックで強く微調整できるため)、最小実現可能構造、または臨界寸法(CD)は
すべてのリソグラフィ撮像プロセスを支配するこの式は、波長がこのような重要なパラメータである理由を明らかにする。 その結果、エンジニアはずっとずっとより小さい特徴を作り出すためにより短い波長の光源を捜しています。 UV水銀蒸気ランプから始めて、彼らは193nmの波長のエキシマレーザーに移りました。 2003年5月にIntelが次のステップとして157nmエキシマレーザーを廃止し、代わりに13.5nmの波長でEUVに移行すると発表したとき、リソグラフィ業界は驚きを受けました。 光学材料の問題は大きな障害と見なされ、EUVはわずか数歩の開発段階に見えました。
当時、インテル-フェローで同社のリソグラフィ-キャピタル-equipment operationsのディレクターであるPeter Silvermanが、EUVが32nmノードに展開されることを示すロードマップを2009年に提示したことが報告された。 それはあまりにも楽観的であることが判明し、人々は液浸リソグラフィーや洗練された照明トリックなどの技術を通じて、193nmのソースを利用してより小さ
産業用EUV光源
EUVリソグラフィーには多くの問題が解決されなければならなかった; まず第一に、強力な光源が必要でした。 2000年代初頭には、放電プラズマベースのソース（Xtreme Technologiesによって宣伝されたような）が最も有利に見えたが、やがてレーザー生成プラズマソースは、それらがアップスケー 日本、ヨーロッパ、アメリカのグループはこのアプローチに懸命に取り組んだ。
最後に、サンディエゴに拠点を置く会社Cymerは、30μ mの錫液滴からEUV放射を生成するためにCO2レーザーを使用するシステムでレースに優勝しました。 彼らは2007年にかなり不安定な30Wのソースを宣伝しましたが、2014年に最初に250Wに到達する方法を示したのは250wでした。 EUV変換プロセスの効率を高めることは、結局のところEUVリソグラフィーを実行可能にした応用研究の素晴らしい作品でした。 より迅速な進歩を可能にするために（そして唯一のサプライヤーを確保するために）、ASMLは2012年にCymerを購入しました。
商業的な実行可能性のために十分なEUV放射を作るための最終的な解決策は、熟練したレーザー専門家でさえも感動する機械です。 それは連続生産で造られた最も強力なレーザーに基づいている:40のkWの二酸化炭素レーザー。 システム全体には1MWの電源が必要です。 ウェーハの処理には200Wのわずかな電力しか使用されないため、冷却が大きな問題です。
この技術の唯一のサプライヤーはドイツのディツィンゲンにあるTRUMPFです。 TrumpfのオーナーでCTOのPeter Leibingerは、彼の会社の役割を十分に認識しています：「私たちが失敗した場合、ムーアの法則は中止されます。 もちろん、世界はTRUMPFに依存していませんが、TRUMPFがなければ、チップ業界はそれを行うことができませんでした」と彼は2017年のインタビューで述べました。
TRUMPFの典型的なCO2レーザーは、いくつかのキロワットの連続波（CW）放射を提供します。 これは鋼鉄を切るためにちょうどいいです。 EUVのために、TRUMPFは50のkHzの繰返し率で脈打った放射の40のkWを作り出すレーザーを開発した。 レーザーは、2つの種取り機および4つの拡大の段階が付いている、EUV機械の下の別の床に置かれなければならないほど大きい。
TRUMPFのCTOであるPeter Leibinger氏は、EUV発電機をポンプで送る40kWのCO2レーザーを示している。TRUMPF
市場の需要に対応するために、TRUMPFはこれらのレーザー用の10個の生産ベイを備えた全く新しい工場に多額の投資を行っています。 それらをまとめるために10週間で、同社は現在、年間50のシステムの容量を持っています。 執筆時点では、44のシステムが現場にあり、合計30の出荷が2019年に予想されていました。
注—NXE:3400系の分解能は約13nmであり、これは式(2)と実際のゲートピッチを指します。 これは、多くの場合、チップメーカーを議論した”ノード”とは非常に異なっています。 もともと、ノードはトランジスタのゲート長を参照していました。 明らかに、これはプロセスの関数として、したがって製造業者の関数として異なる可能性がある。 しかし、今日では、ノードはチップメーカーによって開発された特定のプロセスのみを指し、光学系の解像度に直接対応していません。 例えば、チップメーカーは、同様のEUVマシンを使用して独自のプロセスを参照して7nmまたは3nmノードを宣伝します。
:3400-右下にEUVソースと上部にマスクを持つ完全な光学光路。ASML
協力が鍵
全体的に1000以上のサプライヤーが関与していますが、コア技術はTrumpf、Zeiss、ASMLによって作られています。 彼らはEUVプロジェクトではなく型破りな形の協力を開発しました。 TrumpfのPeter Leibingerは、オープンブックの方針と人とノウハウの広範な交流を持つ「事実上合併した会社」と呼んだ。
Zeiss SMTは、1983年にフィリップスのための最初のリソグラフィ光学系を生産したため、ASMLとの長い歴史を持っています; この事業は1984年に分社化され、ASMLと命名されました。
ZeissとASMLは、euvよりもはるかに前にリソグラフィーシステムの市場を征服しました。 2010年には、すでにリソグラフィーシステムの市場シェアは約75%を占めていました。 これまでのところ、彼らは業界グレードのEUVシステムの唯一のプロバイダです。 この関係を促進するために、ASMLは2016年11月にZeiss SMTの24.9％の株式を約10億ユーロで購入しました。 さらに、ASMLは、Zeiss SMTのR&Dの取り組みを6年間支援することを約束し、2億2000万ユーロと一部の投資支援5億4000万ユーロで支援することを約束した。
ZeissがEUVに多額の投資をしていたため、その資金は大いに必要でした。 同社は、ドイツのOberkochenの近くに製造と計測のためのホールを建てました;現在、それはより高いNAとEUV光学系の次世代の準備を完了しています—別の700百万ユーロ これは光学系の度量衡学のためのトラックのサイズ高真空の部屋を含んでいる。 これらの部屋でテストされるミラーの表面に0.5nmの最高の許容がある、従って企業で造られる最も精密な直線および度量衡学の技術を使用する。
180トンの工具の最終組立
ツァイスSMTは巨大なハイテク施設を持っていますが、ASMLのVeldhoven施設の製造ホールによってサイズが突破されています。 カフェテリアに行くと、カリフォルニアのキャンパスにいるように感じるかもしれません。 すべての国の多くの若者が集まり、彼らのラテを飲みます。 このような環境は、ASMLが急速に成長に追いつくために新しいスタッフを急速に雇う必要があったという事実を反映している可能性があります。 2018年にはスタッフが21％増加し、現在では800人以上の博士号と7500人以上のエンジニアを雇用し、総労働力は23,000人に達しています。
カフェテリアの背後にある建物は、私が今まで見た中で最大のクリーンルーム施設を構成しています。 5つのホールでは、EUVステッパーマシンが完成します。 現在のトップモデル、NXE:3400Bは、180トンの重量を量り、出荷のために20台のトラックまたは3台の完全にロードされたボーイング747sを必要とします。 値札は$120百万です。 それは13nmに決断の1時間あたりの125のウエファーを処理できる。
2019年下半期に、アップグレードされたNXE:3400Cの出荷が発表されました。 それは高められた生産性を支えるためにかなりより速い修理可能のための高伝達光学要素、モジュラー容器、およびより速いレチクルおよびウエファー これらの装置は時間の効率ごとの170のウエファーを達成する。
ASMLの従業員は、パネルなしでNXE:3400Bの最終組立に取り組んでいます。ASML
EUVの後に何が来るのですか？
答えは—EUVです。 これまでのところ、EUVの光学は0.33のNAに達しました。 次世代（ASMLはnxe Nextとしてマシンを発表しました）は0.55のNAを持ち、8nm未満の分解能を可能にします。 それはZEISS SMTで大きく、高められた努力を説明するより大きい光学から成っている。 Zeissはすでに今年から生産を開始しています。
これらの努力の結果、技術は物理的な限界に追いやられ、これまで想像できなかった仕様を可能にしていることは明らかです。 例えば、リソグラフィーシステム内のウェーハは、特殊なガラス板（いわゆるウェーハクランプ）上に保持されている。 これらは最大3gの加速度で移動し、ウェーハをナノメートルまでの精度で所定の位置に保ちます。 同時に、ウエファーは30のkW/m2の熱負荷のEUVライトによって精密な位置を失わないで照らされる。
多くの技術的な問題がまだ議論されているが、市場はEUVリソグラフィーが近い将来の半導体産業にとって大きな利益をもたらすと非常に確信しているようである。
ハイナEUVの後には何が来るのでしょうか？ これまでのところ、深刻な答えはまだないようです。 一方で、いくつかの研究グループは、より短い波長のために準備しています。 ドイツのフラウンホーファー協会の二つの機関は、2016年に”EUVを超えて”に関する研究プロジェクトを完了しました。 彼らは6.7nmの波長のための反射コーティング（IOFで）および血しょう源（ILTで）に取り組んだ。 スイスのグループは、2015年にフォトレジストの研究をまとめました。 スタンピングや電子ビームリソグラフィーなどのナノパッタニングの代替方法が進化している。 2017年の”パターニングロードマップ”は、さらなる発展を議論する試みであった。
しかし、この開発を遠くから見ると、リソグラフィ技術の複雑さは実行可能な最大に達しているようです。 ASMLとその同盟国は現在、彼らのハイテク大聖堂で構築するものは、私たちの時間の最大かつ最も先進的な技術システムを紹介しています。 これは科学的および工学的な習得の驚くべき証拠であるが、それ以上の実質的な進歩は高められたデータ記憶および処理の条件を満たすために全く別のアプローチを要求するという印象を残す。