etter tre tiår med utvikling, har en ny generasjon av litografi maskiner nå blitt sendt til store databrikk beslutningstakere. Den bruker ekstremt ultrafiolett (EUV) lys ved en bølgelengde på 13,5 nm for å lage silisiumfunksjoner ned til noen få nanometer i størrelse på morgendagens minnebrikker og prosessorer.
MED mer enn 100.000 komponenter, er EN SLIK EUV litografi system en av de mest komplekse maskiner noensinne er bygget. Den pumpes av det kraftigste lasersystemet noensinne laget i serieproduksjon. Totalt veier den 180 tonn og bruker mer enn 1 MW elektrisk kraft. Det koster $ 120 millioner og er utsolgt i mange år.
de store støperiene har ventet på det lenge. Nå er store tekniske problemer løst takket være en unik allianse mellom høyteknologiske selskaper, inkludert Trumpf (Ditzingen, Tyskland), Zeiss (Oberkochen, Tyskland) og Asml (Veldhoven, Nederland). Det er verdt å ta en titt på historien til dette teknologiske mesterverket, og også å tenke på hva som kan komme neste.
HVORFOR EUV?
Ekstrem ultrafiolett (NOEN GANGER OGSÅ KALT XUV) betegner myke røntgenstråler med bølgelengder mellom 124 og 10 nm eller fotonenergier mellom 10 eV og 124 eV. Solen produserer EUV; mennesker skaper DET gjennom synkrotroner, eller fra plasma.
frem til nå har chipmakere brukt ultrafiolett (laser) lys til å projisere komplekse mønstre på silisiumskiver belagt med fotoresist. I en prosess som er analog med utviklingen av de gamle papirfotoene, utvikles disse mønstrene og blir ledende eller isolerende strukturer i ett lag. Denne prosessen gjentas til de komplekse systemene som danner en integrert krets som en mikroprosessor er fullført.
utviklingen av slike litografiske systemer er drevet av økonomi: Stadig mer datakraft og lagringskapasitet er nødvendig, mens kostnader og strømforbruk må senkes. Denne utviklingen kan beskrives i en enkel regel, kjent Som Moores lov, som sier at antall transistorer i en tett integrert krets dobler omtrent hvert annet år.
en stor begrensning kommer fra lovene i optikk. Tysk fysiker Ernst Abbe fant at oppløsningen av et mikroskop d er (omtrent) begrenset til bølgelengden λ av lyset som brukes i belysning:
hvor n er brytningsindeksen til mediet mellom linsen og objektet, og α er halvvinkelen til objektivets lyskegle. For litografi, erstatte numerisk blenderåpning (NA) for n sin (α) og legge til en faktor k til formelen (fordi litografisk oppløsning kan være sterkt forskjøvet med belysning triks), minimum mulig struktur, eller kritisk dimensjon (CD), er:
denne formelen, som styrer alle litografiske bildeprosesser, gjør klart hvorfor bølgelengden er en så viktig parameter. Som et resultat har ingeniører latt etter lyskilder med stadig kortere bølgelengder for å produsere stadig mindre funksjoner. Begynner MED UV-kvikksølvdamplamper, flyttet de til excimerlasere med en bølgelengde på 193 nm. Litografi industrien fikk en overraskelse Da Intel kunngjorde I Mai 2003 at Det ville slippe 157 nm excimer laser som et neste skritt, og i stedet gå FOR EUV på en 13,5 nm bølgelengde. Problemer med optiske materialer ble sett på som det største hinderet, OG EUV virket bare noen få utviklingssteg unna.
Det ble rapportert på den tiden At Intel Fellow Og direktør For selskapets litografi capital equipment operations, Peter Silverman, presenterte et veikart som viser EUV som skal distribueres for 32-nm node i 2009. Det viste seg å være altfor optimistisk, og folk måtte finne måter å utnytte 193 nm kilder for å oppnå stadig mindre funksjoner gjennom teknikker som nedsenking litografi og sofistikerte belysning triks.
EN EUV lyskilde for industrien
Mange problemer har måttet løses FOR EUV litografi; først av alt var det nødvendig med en kraftig lyskilde. På begynnelsen av 2000-tallet var utslipp-plasmabaserte kilder (som spioneringen Av Xtreme Technologies) mest gunstige, men før lenge viste laserproduserte plasmakilder at de var mest levedyktige for oppskalering. Grupper I Japan, Europa og USA jobbet hardt med denne tilnærmingen.
Endelig Vant Det San Diego-baserte Selskapet Cymer løpet med et system som bruker EN CO2-laser for å skape EUV-stråling fra en 30 µ tinndråpe. Mens de fremmet en ganske ustabil 30 W kilde i 2007, var det 2014 da de først viste hvordan man kommer til 250 W, et tall som ble ansett som gjennombrudd for høyvolumsproduksjon. Kjøre opp effektiviteten AV EUV konverteringsprosessen var et fantastisk stykke anvendt forskning som gjorde EUV litografi levedyktig tross alt. FOR å muliggjøre raskere fremgang (og for å sikre sin eneste leverandør), kjøpte Asml Cymer i 2012.
den endelige løsningen for å lage AKKURAT NOK EUV-stråling for kommersiell levedyktighet er en maskin som imponerer selv erfarne lasereksperter. Den er basert på den kraftigste laseren som noen gang ble bygget i serieproduksjon: en 40 kW CO2 laser. Hele systemet trenger en 1 MW strømforsyning. Da bare den lille brøkdel av 200 W strøm brukes til å behandle waferen, er kjøling et stort problem.
DEN eneste leverandøren av denne teknologien ER TRUMPF I Ditzingen, Tyskland. Trumpf eier Og CTO Peter Leibinger er godt klar over selskapets rolle: «hvis Vi feiler, Vil Moores lov avbryte. Selvfølgelig er verden ikke avhengig AV TRUMPF, men uten TRUMPF kunne chipindustrien ikke gjøre det,» sa han i et intervju i 2017.
Typiske CO2-lasere fra TRUMPF leverer noen kilowatt av kontinuerlig bølge (CW) stråling. Dette er bare riktig for kutting av stål. FOR EUV utviklet TRUMPF en laser som produserer 40 kW pulserende stråling med en repetisjonshastighet på 50 kHz. Laseren, med sine to såmaskiner og fire forsterkningstrinn, er så stor at den må plasseres på en egen etasje under EUV-maskinen.
Peter Leibinger, CTO FOR TRUMPF, viser 40 kW CO2-laseren som pumper EUV-generatoren.TRUMPF
FOR å holde tritt med markedets etterspørsel har TRUMPF investert tungt i en helt ny fabrikk med 10 produksjonsbukter bare for disse laserne. Med 10 uker på å sette dem sammen, har selskapet nå en kapasitet på 50 systemer per år. I skrivende stund var det 44 systemer i feltet med totalt 30 forsendelser forventet i 2019.
Merk-oppløsningen TIL NXE: 3400-systemene er omtrent 13 nm; dette refererer til formel (2) og den faktiske gatehøyde. Dette er svært forskjellig fra «noder» ofte diskutert chip produsenter. Opprinnelig refererte nodene til portlengden til en transistor. Tydeligvis kan dette variere som en funksjon av prosessen og dermed av produsenten. I dag refererer imidlertid noden bare til en bestemt prosess utviklet av en chip maker og samsvarer ikke direkte med oppløsningen til optikken. For eksempel, chip beslutningstakere tout 7 nm eller 3 nm noder refererer til deres proprietære prosesser ved hjelp av lignende EUV maskiner.
Inne I NXE:3400-den fulle optiske lysbanen MED EUV-kilden nederst til høyre og masken øverst.Asml
Samarbeid er nøkkelen
mens mer enn 1000 leverandører er involvert samlet, er kjerneteknologien laget av Trumpf, Zeiss og Asml. DE utviklet ganske ukonvensjonelle samarbeidsformer I EUV-prosjektet. Peter Leibinger fra Trumpf kalte Det et «nesten fusjonert selskap» med en åpen bokpolitikk og en omfattende utveksling av mennesker og kunnskap.
Zeiss SMT har en lang historie med ASML, som selskapet produserte sin første litografi optikk For Philips I 1983; den virksomheten ble skilt ut i 1984 og heter ASML.
Sammen, Zeiss og ASML erobret markedet for litografi systemer godt før EUV. I 2010 hadde de allerede ca 75% markedsandel for litografi systemer. Så langt, de er de eneste leverandørene AV industri-grade EUV systemer. FOR å fremme forholdet kjøpte ASML en 24,9% eierandel I Zeiss SMT for omtrent en milliard Euro i November 2016. I tillegg lovet Asml å støtte Zeiss SMTS R&d innsats i seks år med 220 millioner Euro pluss noen investeringer støtte på 540 millioner Euro.
disse pengene var mye nødvendig, Da Zeiss investerte tungt I EUV. Selskapet reiste haller for produksjon og metrologi nær Oberkochen, Tyskland; for tiden fullfører det forberedelsene til neste generasjon EUV-optikk med høyere NA – en annen investering på 700 millioner Euro. Dette inkluderer høyvakuumkamre på størrelse med en lastebil for metrologi av de optiske systemene. Speilflatene som testes i disse kamrene har en maksimal toleranse på 0,5 nm, så de bruker den mest presise justerings-og metrologiteknologien som noensinne er bygget i industrien.
sluttmontering av et 180 tonns verktøy
Zeiss SMT har et gigantisk høyteknologisk anlegg, men det er toppet i størrelse av produksjonshallene På Veldhoven-anleggene I ASML. Hvis du går dit inn i kafeteriaen, kan du føle at du er på en campus i California. Mange unge mennesker i alle nasjoner samles rundt og nippe til sine lattes. Dette miljøet kan gjenspeile det faktum AT ASML har måttet raskt ansette nye medarbeidere for å holde tritt med sin raske vekst. I 2018 økte staben med 21%, nå sysselsetter mer enn 800 Doktorgrader og mer enn 7500 ingeniører i en total arbeidsstyrke på 23 000.
bygningene bak kantina utgjør det største renromsanlegget jeg noensinne har sett. I fem av fem haller er EUV-steppermaskinene ferdigstilt. DEN nåværende toppmodellen, NXE: 3400B, veier 180 tonn og trenger 20 lastebiler Eller tre fullastede Boeing 747s for forsendelse. Prislappen er $120 millioner. Den kan behandle 125 wafers per time med en oppløsning ned til 13 nm.
i andre halvdel av 2019 ble forsendelsen av en oppgradert NXE:3400C annonsert. Det vil inneholde høyere overføring optiske elementer, en modulær fartøy for betydelig raskere service, og en raskere retikkel og wafer handler for å støtte økt produktivitet. Disse enhetene oppnår 170 wafers per time gjennomstrømning.
asml-ansatte jobber med sluttmontering av EN NXE: 3400B uten paneler.ASML
Hva kommer ETTER EUV?
svaret er—EUV. SÅ langt HAR EUV optics nådd EN NA på 0.33. Den neste generasjonen (asml annonserte maskinen SOM NXE Next) vil HA EN NA på 0,55, slik at en oppløsning på mindre enn 8 nm. Den består av større optikk, noe SOM forklarer DEN store og økte innsatsen HOS ZEISS SMT. Zeiss har allerede startet produksjonen i år.
som et resultat av denne kombinerte innsatsen er det klart at teknologien drives til sine fysiske grenser, slik at spesifikasjoner som hittil ikke var tenkelige. For eksempel er wafers inne i litografisystemet holder på spesielle glassplater(såkalte wafer klemmer). De beveger seg ved akselerasjoner opp til 3g, og holder waferen på plass med presisjon ned til et nanometer. Samtidig er waferen opplyst AV EUV-lys ved en varmelast på 30 kW / m2 uten å miste sin presise plassering.
selv om en rekke tekniske problemer er fortsatt under diskusjon, synes markedet veldig trygg PÅ AT EUV litografi vil gi en betydelig fordel for halvlederindustrien i overskuelig fremtid.
Hva kommer etter high-NA EUV? Så langt synes det ikke å være noe seriøst svar ennå. På den ene siden forbereder flere forskningsgrupper seg på kortere bølgelengder. To institusjoner i det tyske Fraunhofer-Samfunnet fullførte et forskningsprosjekt om «Beyond EUV» i 2016. De jobbet med reflekterende belegg (ved IOF) og plasmakilder (VED ELT) for en bølgelengde på 6,7 nm. En Sveitsisk gruppe oppsummerte fotoresistforskning i 2015. Alternative metoder for nanopatterning som stempling eller e-beam litografi utvikler seg. En «mønster veikart» i 2017 var et forsøk på å diskutere deres videre utvikling.
men hvis vi ser på denne utviklingen fra en avstand, ser det ut til at kompleksiteten til litografisk teknologi har nådd sitt levedyktige maksimum. Hva ASML og dets allierte for tiden bygger i sine høyteknologiske katedraler, viser de største og mest avanserte teknologiske systemene i vår tid. Selv om dette er fantastisk bevis på vitenskapelig og teknisk mestring, etterlater det inntrykk av at ytterligere betydelige fremskritt vil kreve en helt annen tilnærming for å tilfredsstille økte krav til datalagring og behandling.