efter tre decennier av utveckling har en ny generation av litografimaskiner nu skickats till stora datorchipstillverkare. Den använder extremt ultraviolett (EUV) ljus vid en våglängd av 13.5 nm för att göra kiselfunktioner ner till några nanometer i storlek på morgondagens minneskretsar och processorer.
med mer än 100 000 komponenter är ett sådant EUV-litografisystem en av de mest komplexa maskinerna som någonsin byggts. Det pumpas av det kraftfullaste lasersystemet som någonsin gjorts i serieproduktion. Totalt väger den 180 ton och förbrukar mer än 1 MW elkraft. Det kostar 120 miljoner dollar och är slutsålt i flera år.
de stora gjuterierna har väntat på det ganska länge. Nu löses stora tekniska problem tack vare en unik allians mellan högteknologiska företag inklusive Trumpf (Ditzingen, Tyskland), Zeiss (Oberkochen, Tyskland) och ASML (Veldhoven, Nederländerna). Det är värt att ta en titt på historien om detta tekniska mästerverk, och också att tänka på vad som kan komma nästa.
varför EUV?
Extrem ultraviolett (ibland även kallad XUV) betecknar mjuka röntgenstrålar med våglängder mellan 124 och 10 nm eller fotonenergier mellan 10 eV och 124 ev. Solen producerar EUV; människor skapar det genom synkrotroner eller från plasma.
hittills har chiptillverkare använt ultraviolett (laser) ljus för att projicera komplexa mönster på kiselskivor belagda med fotoresist. I en process som är analog med utvecklingen av de gamla pappersfoton utvecklas dessa mönster och blir ledande eller isolerande strukturer inom ett lager. Denna process upprepas tills de komplexa systemen som bildar en integrerad krets, såsom en mikroprocessor, är fullständiga.
utvecklingen av sådana litografiska system drivs av ekonomi: allt mer datorkraft och lagringskapacitet behövs medan kostnader och strömförbrukning måste sänkas. Denna utveckling kan beskrivas i en enkel regel, känd som Moores lag, som säger att antalet transistorer i en tät integrerad krets fördubblas ungefär vartannat år.
en stor begränsning kommer från optikens lagar. Den tyska fysikern Ernst Abbe fann att upplösningen av ett mikroskop d är (ungefär) begränsat till våglängden av det ljus som används i belysning:
där n är brytningsindexet för mediet mellan linsen och objektet och XVIII är halvvinkeln för objektets ljuskägla. För litografi, som ersätter numerisk bländare (NA) för n sin(Kubi) och lägger till en faktor k till formeln (eftersom litografisk upplösning kan vara starkt tweaked med belysningstrick), är den minsta möjliga strukturen eller kritiska dimensionen (CD):
denna formel, som styr alla litografiska avbildningsprocesser, uppenbarar varför våglängden är en så viktig parameter. Som ett resultat har ingenjörer letat efter ljuskällor med allt kortare våglängder för att producera allt mindre funktioner. Från och med UV-kvicksilverånglampor flyttade de till excimerlasrar med en våglängd på 193 nm. Litografiindustrin fick en överraskning när Intel meddelade i maj 2003 att det skulle släppa 157 nm excimerlaser som nästa steg och istället gå för EUV vid en 13.5 nm våglängd. Problem med optiska material sågs som det största hindret, och EUV verkade bara några utvecklingssteg bort.
det rapporterades vid den tiden att Intel Fellow och chef för företagets litografi capital equipment operations, Peter Silverman, presenterade en färdplan som visar att EUV ska distribueras för 32-nm-noden 2009. Det visade sig vara alltför optimistiskt, och människor var tvungna att hitta sätt att utnyttja 193 nm-källorna för att uppnå allt mindre funktioner genom tekniker som nedsänkningslitografi och sofistikerade belysningstrick.
en EUV-ljuskälla för industrin
många problem måste lösas för EUV-litografi; först och främst behövdes en kraftfull ljuskälla. I början av 2000-talet verkade urladdningsplasmabaserade källor (som tippad av Xtreme Technologies) mest gynnsamma, men innan länge visade laserproducerade plasmakällor att de var mest livskraftiga för uppskalning. Grupper i Japan, Europa och USA arbetade hårt med detta tillvägagångssätt.
slutligen vann Det San Diego-baserade företaget Cymer loppet med ett system som använder en CO2-laser för att skapa EUV-strålning från en droppe tenn på 30 kg. Medan de främjade en ganska instabil 30 W-källa 2007 var det 2014 när de först visade hur man kom till 250 W, ETT nummer som betraktades som genombrottet för högvolymproduktion. Att driva upp effektiviteten i EUV-omvandlingsprocessen var en underbar bit tillämpad forskning som trots allt gjorde EUV-litografi livskraftig. För att möjliggöra snabbare framsteg (och för att säkra sin enda leverantör) köpte ASML Cymer 2012.
den slutliga lösningen för att göra tillräckligt med EUV-strålning för kommersiell lönsamhet är en maskin som imponerar även erfarna laserexperter. Den är baserad på den mest kraftfulla lasern som någonsin byggdes i serieproduktion: en 40 kW CO2-laser. Hela systemet behöver en 1 MW strömförsörjning. Eftersom endast den lilla fraktionen av 200 W effekt används för bearbetning av skivan är kylning en viktig fråga.
den enda leverantören av denna teknik är TRUMPF i Ditzingen, Tyskland. Trumpf-ägaren och CTO Peter Leibinger är väl medvetna om sitt företags roll: ”om vi misslyckas kommer Moores lag att upphöra. Naturligtvis är världen inte beroende av TRUMPF, men utan TRUMPF kunde chipindustrin inte göra det,” sa han i en intervju i 2017.
typiska CO2-lasrar från TRUMPF levererar några kilowatt kontinuerlig våg (CW) strålning. Detta är precis rätt för skärning av stål. För EUV utvecklade TRUMPF en laser som producerar 40 kW pulserad strålning med en repetitionshastighet på 50 kHz. Lasern, med sina två såmaskiner och fyra förstärkningssteg, är så stor att den måste placeras på ett separat golv under EUV-maskinen.
Peter Leibinger, CTO för TRUMPF, visar 40 kW CO2-lasern som pumpar EUV-generatorn.TRUMPF
för att hålla jämna steg med efterfrågan på marknaden har TRUMPF investerat kraftigt i en helt ny fabrik med 10 produktionsfack bara för dessa lasrar. Med 10 veckor att sätta ihop dem har företaget nu en kapacitet på 50 system per år. I skrivande stund var 44 system i fältet med totalt 30 leveranser förväntade under 2019.
Obs—upplösningen av NXE:3400-systemen är cirka 13 nm; detta hänvisar till Formel (2) och den faktiska grindhöjden. Detta skiljer sig mycket från de ”noder” som ofta diskuteras chiptillverkarna. Ursprungligen hänvisade noderna till grindlängden på en transistor. Självklart kan detta skilja sig som en funktion av processen och därmed av tillverkaren. Idag hänvisar noden endast till en viss process som utvecklats av en chiptillverkare och motsvarar inte direkt optikens upplösning. Till exempel, chip beslutsfattare tout 7 nm eller 3 nm noder som hänvisar till deras egna processer med liknande EUV maskiner.
inuti NXE:3400 – den fulla optiska ljusbanan med EUV-källan längst ner till höger och masken högst upp.ASML
samarbete är nyckeln
medan mer än 1000 leverantörer är involverade totalt sett är kärntekniken Tillverkad av Trumpf, Zeiss och ASML. De utvecklade ganska okonventionella former av samarbete i EUV-projektet. Peter Leibinger från Trumpf kallade det ett ”praktiskt taget sammanslaget företag” med en öppen bokpolicy och ett omfattande utbyte av människor och knowhow.
Zeiss SMT har en lång historia med ASML, eftersom företaget producerade sin första litografioptik för Philips 1983; den verksamheten knoppades av 1984 och fick namnet ASML.
tillsammans erövrade Zeiss och ASML marknaden för litografisystem långt före EUV. Under 2010 hade de redan cirka 75% marknadsandel för litografisystem. Hittills är de de enda leverantörerna av EUV-system av industrikvalitet. För att främja relationen köpte ASML en andel på 24,9% i Zeiss SMT för ungefär en miljard euro i November 2016. Dessutom lovade ASML att stödja Zeiss SMT: s r&d-ansträngningar i sex år med 220 miljoner euro plus lite investeringsstöd på 540 miljoner euro.
de pengarna behövdes mycket, eftersom Zeiss investerade kraftigt i EUV. Företaget uppförde hallar för tillverkning och metrologi nära Oberkochen, Tyskland; för närvarande slutförs förberedelserna för nästa generation EUV—optik med högre na-ytterligare 700 miljoner euroinvesteringar. Detta inkluderar högvakuumkammare storleken på en lastbil för metrologi av de optiska systemen. Spegelytorna som testas i dessa kamrar har en maximal tolerans på 0,5 nm, så de använder den mest exakta inriktnings-och metrologitekniken som någonsin byggts i industrin.
slutmontering av ett 180 ton verktyg
Zeiss SMT har en jätte högteknologisk anläggning, men den toppas i storlek av tillverkningshallarna vid Veldhoven-anläggningarna i ASML. Om du åker dit till cafeterian kan du känna att du är på ett campus i Kalifornien. Många ungdomar i alla nationer samlas runt och smuttar på sina lattes. Denna miljö kan återspegla det faktum att ASML snabbt måste anställa ny personal för att hålla jämna steg med sin snabba tillväxt. År 2018 ökade deras personal med 21%, nu sysselsätter mer än 800 doktorer och mer än 7500 ingenjörer i en total personalstyrka på 23 000.
byggnaderna bakom cafeterian utgör den största renrumsanläggningen jag någonsin har sett. I fem av fem hallar är EUV steppers-maskinerna färdiga. Den nuvarande toppmodellen, NXE: 3400b, väger 180 ton och behöver 20 lastbilar eller tre fullastade Boeing 747 för leverans. Prislappen är 120 miljoner dollar. Den kan bearbeta 125 skivor per timme med en upplösning ner till 13 nm.
under andra halvåret 2019 tillkännagavs sändningen av en uppgraderad NXE:3400c. Det kommer att innehålla optiska element med högre överföring, ett modulärt kärl för betydligt snabbare service och en snabbare reticle och waferhanterare för att stödja ökad produktivitet. Dessa enheter uppnår 170 skivor per timme genomströmning.
ASML-anställda arbetar med slutmontering av en NXE:3400B utan dess paneler.ASML
vad kommer efter EUV?
svaret är-EUV. Hittills har EUV-optik nått en NA på 0, 33. Nästa generation (ASML tillkännagav maskinen som NXE Next) kommer att ha en NA på 0.55, vilket möjliggör en upplösning på mindre än 8 nm. Den består av större optik, vilket förklarar de stora och ökade insatserna på ZEISS SMT. Zeiss har redan startat produktionen i år.
som ett resultat av dessa kombinerade ansträngningar är det uppenbart att tekniken drivs till sina fysiska gränser, vilket möjliggör specifikationer som hittills inte var tänkbara. Till exempel håller skivorna inuti litografisystemet på speciella glasplattor (så kallade skivklämmor). De rör sig vid accelerationer upp till 3G och håller skivan på plats med precision ner till en nanometer. Samtidigt belyses skivan av EUV-ljus vid en värmebelastning på 30 kW/m2 utan att förlora sin exakta plats.
även om ett antal tekniska problem fortfarande diskuteras, verkar marknaden mycket säker på att EUV-litografi kommer att erbjuda en betydande fördel för halvledarindustrin under överskådlig framtid.
vad kommer efter hög-NA EUV? Hittills verkar det inte finnas något seriöst svar än. Å ena sidan förbereder flera forskargrupper sig för kortare våglängder. Två institutioner i det tyska Fraunhofer-samhället slutförde ett forskningsprojekt om” Beyond EUV ” 2016. De arbetade på reflekterande beläggningar (vid IOF) och plasmakällor (vid ILT) för en 6,7 nm våglängd. En schweizisk grupp sammanfattade fotoresistisk forskning 2015. Alternativa metoder för nanopatterning såsom stämpling eller e-beam litografi utvecklas. En ”patterning roadmap” 2017 var ett försök att diskutera deras fortsatta utveckling.
men om vi tittar på denna utveckling på avstånd verkar det som om komplexiteten hos litografisk teknik har nått sitt livskraftiga maximum. Vad ASML och dess allierade bygger för närvarande i sina högteknologiska katedraler visar de största och mest avancerade tekniska systemen i vår tid. Även om detta är fantastiska bevis på vetenskaplig och teknisk behärskning, lämnar det intrycket att ytterligare betydande framsteg kommer att kräva ett helt annat tillvägagångssätt för att tillgodose ökade datalagrings-och bearbetningskrav.