după trei decenii de dezvoltare, o nouă generație de mașini de litografie a fost acum expediată marilor producători de cipuri de computer. Folosește lumină ultravioletă extremă (EUV) la o lungime de undă de 13,5 nm pentru a face caracteristici de siliciu până la câțiva nanometri în dimensiune pe cipurile de memorie și procesoarele de mâine.
cu mai mult de 100.000 de componente, un astfel de sistem de litografie EUV este una dintre cele mai complexe mașini construite vreodată. Este pompat de cel mai puternic sistem laser realizat vreodată în producția de serie. În total, cântărește 180 de tone și consumă mai mult de 1 MW energie electrică. Costă 120 de milioane de dolari și este vândut de ani de zile.
turnătoriile mari îl așteaptă de ceva timp. Acum, problemele tehnice majore sunt rezolvate datorită unei alianțe unice între companiile de înaltă tehnologie, inclusiv Trumpf (Ditzingen, Germania), Zeiss (Oberkochen, Germania) și ASML (Veldhoven, Olanda). Merită să aruncăm o privire asupra istoriei acestei capodopere tehnologice și, de asemenea, să ne gândim la ceea ce ar putea urma.
de ce EUV?
ultraviolete Extreme (uneori numite și XUV) denotă raze X moi cu lungimi de undă între 124 și 10 nm sau energii fotonice între 10 eV și 124 eV. Soarele produce EUV; oamenii îl creează prin sincrotroni sau din plasmă.
până în prezent, producătorii de cipuri au folosit lumina ultravioletă (laser) pentru a proiecta modele complexe pe napolitane de siliciu acoperite cu fotorezistent. Într-un proces analog cu dezvoltarea fotografiilor vechi de hârtie, aceste modele sunt dezvoltate și devin structuri de conducere sau izolare într-un singur strat. Acest proces se repetă până când sistemele complexe care formează un circuit integrat, cum ar fi un microprocesor, sunt complete.
dezvoltarea unor astfel de sisteme litografice este determinată de Economie: este nevoie de tot mai multă putere de calcul și capacitate de stocare, în timp ce costurile și consumul de energie trebuie reduse. Această evoluție poate fi descrisă într-o regulă simplă, cunoscută sub numele de legea lui Moore, care spune că numărul tranzistorilor dintr-un circuit integrat dens se dublează la fiecare doi ani.
o limitare majoră vine de la legile opticii. Fizicianul german Ernst Abbe a constatat că rezoluția unui microscop d este (aproximativ) limitată la lungimea de undă a luminii utilizate în iluminare:
unde n este indicele de refracție al mediului dintre lentilă și obiect, iar XV este jumătatea unghiului conului de lumină al obiectivului. Pentru litografie, substituind diafragma numerică(NA) cu n sin (XV) și adăugând un factor k la formulă (deoarece rezoluția litografică poate fi puternic modificată cu trucuri de iluminare), structura minimă fezabilă, sau dimensiunea critică (CD), este:
această formulă, care guvernează toate procesele de imagistică litografică, face evident de ce lungimea de undă este un parametru atât de crucial. Drept urmare, inginerii au căutat surse de lumină cu lungimi de undă din ce în ce mai scurte pentru a produce caracteristici din ce în ce mai mici. Începând cu lămpile UV cu vapori de mercur, s-au mutat la lasere excimer cu o lungime de undă de 193 nm. Industria litografiei a primit o surpriză când Intel a anunțat în mai 2003 că va renunța la laserul excimer de 157 nm ca pas următor și va merge în schimb pentru EUV la o lungime de undă de 13,5 nm. Problemele cu materialele optice au fost văzute ca un obstacol major, iar EUV părea la doar câțiva pași de dezvoltare.
s-a raportat la acel moment că colegul Intel și directorul companiei lithography capital equipment operations, Peter Silverman, a prezentat o foaie de parcurs care arată că EUV va fi implementat pentru nodul de 32 nm în 2009. Acest lucru s-a dovedit a fi mult prea optimist, iar oamenii au trebuit să găsească modalități de a exploata sursele de 193 nm pentru a obține caracteristici din ce în ce mai mici prin tehnici precum litografia prin imersiune și trucuri sofisticate de iluminare.
o sursă de lumină EUV pentru industrie
multe probleme au trebuit rezolvate pentru litografia EUV; în primul rând, era nevoie de o sursă puternică de lumină. La începutul anilor 2000, sursele pe bază de plasmă de descărcare (cum ar fi touted de Xtreme Technologies) au apărut cele mai favorabile, dar înainte de mult timp sursele de plasmă produse cu laser au arătat că acestea sunt cele mai viabile pentru upscaling. Grupurile din Japonia, Europa și SUA au muncit din greu la această abordare.
în cele din urmă, compania din San Diego, Cymer, a câștigat cursa cu un sistem care utilizează un laser CO2 pentru a crea radiații EUV dintr-o picătură de staniu de 30 de metri cubi. În timp ce au promovat o sursă destul de instabilă de 30 W în 2007, a fost 2014 când au arătat pentru prima dată cum să ajungă la 250 W, un număr care a fost considerat un progres pentru producția de volum mare. Creșterea eficienței procesului de conversie EUV a fost o piesă minunată de cercetare aplicată care a făcut litografia EUV viabilă până la urmă. Pentru a permite un progres mai rapid (și pentru a-și asigura unicul furnizor), ASML a achiziționat Cymer în 2012.
soluția eventuală pentru a face suficientă radiație EUV pentru viabilitatea comercială este o mașină care impresionează chiar și experții experimentați în laser. Se bazează pe cel mai puternic laser care a fost construit vreodată în producția de serie: un laser CO2 de 40 kW. Întregul sistem are nevoie de o sursă de alimentare de 1 MW. Deoarece numai fracțiunea mică de 200 W de putere este utilizată pentru prelucrarea plăcii, răcirea este o problemă majoră.
singurul furnizor al acestei tehnologii este TRUMPF din Ditzingen, Germania. Proprietarul și CTO-ul Trumpf, Peter Leibinger, este conștient de rolul companiei sale: „dacă eșuăm, legea lui Moore va înceta. Desigur, lumea nu depinde de TRUMPF, dar fără TRUMPF, industria cipurilor nu ar putea face acest lucru”, a spus el într-un interviu din 2017.
laserele tipice cu CO2 de la TRUMPF furnizează câțiva kilowați de radiații cu unde continue (CW). Acest lucru este potrivit pentru tăierea oțelului. Pentru EUV, TRUMPF a dezvoltat un laser care produce 40 kW de radiații pulsate la o rată de repetare de 50 kHz. Laserul, cu cele două semănătoare și cele patru etape de amplificare, este atât de mare încât trebuie așezat pe un etaj separat sub mașina EUV.
Peter Leibinger, CTO al TRUMPF, arată laserul CO2 de 40 kW care pompează generatorul EUV.TRUMPF
pentru a ține pasul cu cererea pieței, TRUMPF a investit masiv într-o fabrică complet nouă, cu 10 spații de producție doar pentru aceste lasere. Cu 10 săptămâni pentru a le pune împreună, compania are acum o capacitate de 50 de sisteme pe an. La momentul scrierii, 44 de sisteme erau pe teren, cu un total de 30 de expedieri așteptate în 2019.
notă-rezoluția sistemelor NXE: 3400 este de aproximativ 13 nm; aceasta se referă la formula (2) și pasul efectiv al porții. Acest lucru este foarte diferit de „nodurile” discutate adesea producătorii de cipuri. Inițial, nodurile se refereau la lungimea porții unui tranzistor. Evident, acest lucru poate diferi în funcție de proces și, prin urmare, de producător. Astăzi, însă, nodul se referă doar la un anumit proces dezvoltat de un producător de cipuri și nu corespunde direct rezoluției opticii. De exemplu, producătorii de cipuri au noduri de 7 nm sau 3 nm care se referă la procesele lor proprietare folosind mașini EUV similare.
Inside NXE:3400-calea completă a luminii optice cu sursa EUV în partea dreaptă jos și masca în partea de sus.ASML
cooperarea este cheia
în timp ce peste 1000 de furnizori sunt implicați în general, tehnologia de bază este realizată de Trumpf, Zeiss și ASML. Ei au dezvoltat forme destul de neconvenționale de cooperare în cadrul proiectului EUV. Peter Leibinger de la Trumpf a numit-o „companie practic fuzionată” cu o politică de carte deschisă și un schimb extins de oameni și know-how.
Zeiss SMT are o lungă istorie cu ASML, deoarece compania a produs prima sa optică litografică pentru Philips în 1983; această afacere a fost desprinsă în 1984 și numită ASML.
împreună, Zeiss și ASML au cucerit piața sistemelor de litografie cu mult înainte de EUV. În 2010, aveau deja o cotă de piață de aproximativ 75% pentru sistemele de litografie. Până în prezent, aceștia sunt singurii furnizori de sisteme EUV de calitate industrială. Pentru a încuraja relația, ASML a cumpărat o participație de 24,9% la Zeiss SMT pentru aproximativ un miliard de euro în noiembrie 2016. În plus, ASML a promis să sprijine eforturile Zeiss SMT R & D timp de șase ani cu 220 de milioane de euro plus un sprijin pentru investiții de 540 de milioane de euro.
acești bani erau foarte necesari, deoarece Zeiss investea foarte mult în EUV. Compania a ridicat hale pentru producție și Metrologie lângă Oberkochen, Germania; în prezent, finalizează pregătirea pentru următoarea generație de optică EUV cu NA mai mare—o altă investiție de 700 de milioane de euro. Aceasta include camere cu vid înalt de dimensiunea unui camion pentru Metrologia sistemelor optice. Suprafețele oglinzilor testate în aceste camere au o toleranță maximă de 0,5 nm, astfel încât utilizează cea mai precisă tehnologie de aliniere și Metrologie construită vreodată în industrie.
asamblarea finală a unui instrument de 180 tone
Zeiss SMT are o instalație gigantică de înaltă tehnologie, dar este depășită ca mărime de halele de producție de la instalațiile Veldhoven ale ASML. Dacă mergeți acolo în cantină, s-ar putea să vă simțiți ca într-un campus din California. Mulți tineri din toate națiunile se adună și își sorb latte-urile. Acest mediu ar putea reflecta faptul că ASML a trebuit să angajeze rapid personal nou pentru a ține pasul cu creșterea lor rapidă. În 2018, personalul lor a crescut cu 21%, angajând acum peste 800 de doctoranzi și peste 7500 de ingineri într-o forță de muncă totală de 23.000.
clădirile din spatele cafenelei cuprind cea mai mare instalație de cameră curată pe care am văzut-o vreodată. În cinci pe cinci săli, mașinile steppers EUV sunt finalizate. Modelul actual de top, NXE: 3400b, cântărește 180 de tone și are nevoie de 20 de camioane sau trei Boeing 747 complet încărcate pentru expediere. Prețul este de 120 de milioane de dolari. Poate procesa 125 de napolitane pe oră cu o rezoluție de până la 13 nm.
în a doua jumătate a anului 2019, a fost anunțată expedierea unui NXE:3400c actualizat. Acesta va avea elemente optice cu transmisie mai mare, un vas modular pentru o funcționare semnificativ mai rapidă și un dispozitiv de manipulare mai rapidă a reticulelor și a plachetelor pentru a susține productivitatea crescută. Aceste dispozitive ating 170 de napolitane pe oră.
angajații ASML lucrează la asamblarea finală a unui NXE:3400b fără panourile sale.ASML
ce vine după EUV?
răspunsul este—EUV. Până în prezent, optica EUV a atins un NA de 0, 33. Următoarea generație (ASML a anunțat mașina ca NXE Next) va avea o NA de 0,55, permițând o rezoluție mai mică de 8 nm. Acesta cuprinde o optică mai mare, ceea ce explică eforturile mari și sporite la ZEISS SMT. Zeiss a început deja producția în acest an.
ca urmare a acestor eforturi combinate, este clar că tehnologia este condusă la limitele sale fizice, permițând specificații care până acum nu erau imaginabile. De exemplu, plachetele din interiorul sistemului de litografie sunt ținute pe plăci speciale de sticlă (așa-numitele cleme de napolitane). Se mișcă la accelerații de până la 3G, menținând placa în poziție cu precizie până la un nanometru. În același timp, Placheta este iluminată de lumina EUV la o sarcină termică de 30 kW/m2 fără a-și pierde locația exactă.
deși o serie de probleme tehnice sunt încă în discuție, piața pare foarte încrezătoare că litografia EUV va oferi un beneficiu substanțial pentru industria semiconductorilor în viitorul apropiat.
ce vine după high-NA EUV? Până în prezent, nu pare să existe încă un răspuns serios. Pe de o parte, mai multe grupuri de cercetare se pregătesc pentru lungimi de undă mai scurte. Două instituții ale Societății Germane Fraunhofer au finalizat un proiect de cercetare „dincolo de EUV” în 2016. Au lucrat la acoperiri reflectorizante (la IOF) și surse de plasmă (la ILT) pentru o lungime de undă de 6,7 nm. Un grup elvețian a rezumat cercetările fotoreziste în 2015. Metode Alternative de nanopatterning, cum ar fi ștanțarea sau litografia cu fascicul e, evoluează. O” foaie de parcurs de modelare ” în 2017 a fost o încercare de a discuta despre dezvoltarea lor ulterioară.
dar dacă privim această dezvoltare de la distanță, se pare că complexitatea tehnologiei litografice a atins maximul său viabil. Ceea ce ASML și aliații săi construiesc în prezent în catedralele lor de înaltă tehnologie prezintă cele mai mari și mai avansate sisteme tehnologice ale timpului nostru. Deși aceasta este o dovadă uimitoare a măiestriei științifice și inginerești, aceasta lasă impresia că progrese substanțiale suplimentare vor necesita o abordare complet diferită pentru a satisface cerințele sporite de stocare și prelucrare a datelor.