Führende Chiphersteller, die sich mit Tiefen-Ultraviolett-Fotolithografie befassen

ASML NXE EUV-Scanner: 3300B druckt Chips im Labor des SUNY Polytechnic Institute aus

Selbst nachdem Sie einen Schutzanzug angezogen und die Fab 8-Werkstatt betreten haben, ist die Größe schwer einzuschätzen. Viele Reihen großer Werkzeugmaschinen nehmen den größten Teil der GlobalFoundries im Wert von 12 Milliarden US-Dollar im New Yorker Bundesstaat Albany Forest ein. Karren mit Siliziumsubstraten huschen unter der Decke entlang der oben verlegten Schienen wie kleine Karren auf einer Achterbahn. Wenn Sie Glück haben, fährt einer dieser Wagen neben dem Werkzeug hinunter und bringt den Untergrund zum nächsten Schritt im technologischen Prozess, der drei Monate dauert. Während dieser Zeit verwandelt sich eine Siliziumscheibe von der Größe einer Platte in Chips, die für die Verwendung auf Smartphones, PCs und Servern geeignet sind. Das ist richtig: Wenn Sie am ersten Tag des neuen Jahres mit der Herstellung eines Mikroprozessors beginnen, ist dieser zu Beginn des Frühlings fertig.



Während des Herstellungsprozesses wird das Substrat mehr als 60 Mal mit einer lichtempfindlichen Substanz beschichtet und kriecht in eine Box, die als "lichtisolierter" Scanner "bezeichnet wird. Im Inneren der Fotolithografie passiert das Laserlicht mit der Schablone die Oberfläche und projiziert seine reduzierte Version auf das Substrat, wodurch die Miniaturmerkmale erzeugt werden, die zur Erzeugung von Miniaturtransistoren und -schaltungen in modernen Prozessoren erforderlich sind.

Nur wenige unterscheiden diese lithografischen Maschinen von vielen anderen Werkzeugen in diesem Ozean der Automatisierung. Es gibt keine großen Schilder mit einer blinkenden Aufschrift "Hier ist ein kritischer Schritt!" Laut Tom Caulfield, CEO von Fab 8, ist die Lithografie jedoch „der Puls der gesamten Fabrik“.

Diese Scanner stehen an der Spitze von Moores Gesetz, der periodischen Verdoppelung der Dichte von Transistoren, die über 45 Jahre erstaunlichen technologischen Fortschritts bestimmt hat. Durch jahrzehntelange Durchbrüche, von denen viele mit der Fotolithografie zu tun hatten, konnten Chiphersteller seit Jahrzehnten Chips ständig reduzieren, die Anzahl der Forschungs- und Entwicklungszyklen beruhigen und wirtschaftlich mehr Transistoren in einen Chip packen. Diese Entwicklungen haben uns von Chips mit Tausenden von Transistoren in den 1970er Jahren zu heutigen Milliarden geführt.

Um Fortschritte zu erzielen, können sich GlobalFoundries und andere Hersteller jedoch nicht auf frühere Lithografiedurchbrüche verlassen. Sie bereiten einen neuen Durchbruch vor, der einer der schwierigsten sein kann.

Während seiner gesamten Existenz wurde die Halbleiterlithographie mit elektromagnetischer Strahlung durchgeführt, die mehr oder weniger Licht ähnelt. Bei der neuen Technologie ist die Strahlung jedoch völlig anders. Es wird als extreme ultraviolette Strahlung (EUV) bezeichnet. Im Gegensatz zum UV-Licht moderner Scanner kann sich das EUV jedoch nicht durch die Luft bewegen und nicht mit Linsen oder normalen Spiegeln fokussiert werden.

Es ist auch schwer zu bekommen: Erstens trifft das Laserlicht auf einen schnellen Strom winziger Zinntropfen. Scanner verwenden Licht mit einer Wellenlänge von 13,5 nm, was mehr als zehnmal weniger ist als die heute üblichen Technologien, in der Hoffnung, dass am Ende durch Drucken in einem Durchgang gespart werden kann, was jetzt mehrere erfordert.


EUVL-Scanner. Anstelle von Linsen wird ein Satz Spiegel verwendet.

Die Entwicklung von EUV-Systemen, die hell genug und zuverlässig sind und fast 24 Stunden am Tag und 365 Tage im Jahr im Werk arbeiten, erwies sich aus technischer Sicht als unglaublich schwierig. EUV war viele Jahre lang skeptisch und entsprach oft nicht den Erwartungen.

Aber jetzt verändert es tatsächlich die Branche. Die Helligkeit der Quelle, die von der niederländischen Firma ASML Holding hergestellt wird, ist für den kommerziellen Gebrauch nahezu ausreichend. ASML liefert EUV-Scanner, die 2018 für die Massenproduktion modernster Mikroprozessoren und Speicher bereit sein werden. Fortgeschrittene Chiphersteller arbeiten hart daran, diese Maschinen in ihre Produktlinien zu integrieren.

Es steht viel auf dem Spiel. Moores Gesetz steht vor ernsthaften Schwierigkeiten, und niemand weiß, wie sich die Halbleiterindustrie, die im vergangenen Jahr 330 Milliarden US-Dollar verdient hat, in den nächsten fünf bis zehn Jahren verhalten wird oder wie sie aussehen wird, wenn Moores Gesetz endet. Ein Einkommensrückgang kann unvermeidlich sein. Wenn die Verfolgung des Gesetzes es beispielsweise ermöglicht, einen Gewinnrückgang von 15% zu vermeiden, bedeutet dies, dass die Branche einen Gewinn einbehalten hat, der doppelt so hoch ist wie das Einkommen der gesamten US-Glücksspielbranche.

Das Detail der Technologie hängt von mehreren Faktoren ab. Eine der wichtigsten Möglichkeiten, um Verbesserungen zu erzielen, besteht darin, die Wellenlänge des verwendeten Lichts zu verkürzen. Seit Jahrzehnten tun dies Lithographen, indem sie ihre Maschinen vom blauen Teil des sichtbaren Spektrums auf kürzere ultraviolette Wellen verlagern.


Links ist moderne Technologie bei 193 nm bei Verwendung von Multippatterning, rechts das Versprechen der EUV-Technologie. Die Linien in Mikrofotografien haben eine Mindestbreite von 24 nm.

In den späten 1980er Jahren begann die Halbleiterindustrie, von Quecksilberlampen zu Lasern überzugehen und die Wellenlänge von 365 nm auf 248 nm zu reduzieren. Einige Forscher hatten bereits einen größeren Sprung in die Röntgenregion geplant. Hiroo Kinoshita, der 1986 für NTT in Japan arbeitete, gab die Ergebnisse seiner Idee mit 11-nm-Strahlung bekannt. Andere Mitarbeiter der AT & T Bell Laboratories und des Lawrence Livermore State Laboratory arbeiteten ebenfalls unabhängig an der Technologie. 1989 trafen sich einige Forscher auf einer Konferenz und tauschten ihr Wissen aus. In den folgenden Jahren investierten Akteure aus Industrie und Regierung in die Studie.

ASML mit mehreren Partnern begann Ende der neunziger Jahre mit der Arbeit an EUVL. Dann wurde Anton van Dijsseldonk [Anton van Dijsseldonk], der in der niederländischen Stadt Veldhoven aufgewachsen ist, in der sich der Hauptsitz von ASML befindet, der erste Mitarbeiter des Unternehmens, das an dem Projekt arbeitete. "Sie sagten das Ende von Moores Gesetz voraus", erinnert er sich, und die Halbleiterindustrie suchte nach Wegen, um die Erhöhung der Arbeitserlaubnis im Werk nicht zu stoppen. Die Chiphersteller versuchten auch, die Schichtung zu verbessern - die Möglichkeit, das Substrat wiederholt in den Scanner zu legen und einen neuen Satz Masken genau an der richtigen Stelle zu drucken. "Die Menschen suchten damals nach Alternativen", sagt van Dijsseldonk, "und EUV war exotisch [Technologie]."

ASML-Forscher waren jedoch von Anfang an davon überzeugt, dass sie die Technologie zum Laufen bringen könnten - und dass dies die rentabelste Methode für Hersteller wäre. Weniger als 10 Jahre später hatte das Unternehmen bereits beschlossen, Demonstrationsscanner zu bauen, mit denen andere Forscher die Technologie testen konnten.

Auf dem Weg von Ingenieuren, die versuchen, mit Röntgenstrahlung durch Masken zu scheinen, steht die Physik auf. Bei 13,5 nm wird Licht von vielen Materialien absorbiert. Sogar die Luft ist „komplett schwarz“ und absorbiert die gesamte Strahlung, wie van Dijsseldonk sagt. So erkannten er und seine Kollegen fast sofort, dass der Scanner nur im Vakuum arbeiten konnte und jedes Substrat durch eine Luftschleuse hinein- und herauskommen sollte.

Es gibt auch das Problem der Strahlungsablenkung. Da EUV von Glas absorbiert wird, musste die Linse zugunsten von Spiegeln aufgegeben werden. Und nicht einfache - die erste polierte Oberfläche, die auftauchte, hätte nicht das notwendige Reflexionsvermögen. Sie mussten Bragg-Reflektoren verwenden - Mehrschichtspiegel, die mehrere Reflexionen in einem stark genug sammeln.




Der Scanner ist für den Versand an den Kunden vorbereitet. Das Auto ist in neun Teile zerlegt.

Heute bestehen Spiegel in EUV-Maschinen aus 40 Paaren alternierenden Siliziums und Molybdäns, und jede Schicht ist nur wenige Nanometer dick. Zeiss, das Unternehmen, das die Spiegel entwickelt hat, stellt sie mit hoher Präzision her. Aber am Ende, wie van Dijsseldonk sagt, "wenn Sie diese Aufgabe unrealistisch gut bewältigen, erhalten Sie einen Spiegel mit 70% Reflexionsvermögen." Dies bedeutet, dass jedes Systemspiegelpaar die Strahlung um die Hälfte abschwächt. Der Scanner benötigt möglicherweise auch ein Dutzend Spiegel, um das Licht von der Quelle zur Maske, die selbst auch ein Spiegel ist, und dann zum Substrat umzuleiten. Nach dem Passieren des Pfades vom Anfangslicht können nur noch 2% übrig bleiben.

Je weniger Licht einfällt, desto länger muss das Substrat im Scanner verbleiben. In der Fabrik ist Zeit = Geld. Für den kommerziellen Einsatz muss die Technologie in Bezug auf die Kosten mit den vorhandenen Lithografiemethoden konkurrieren. Reflexionsverluste müssen durch die hohe Helligkeit der Lichtquelle ausgeglichen werden. Und es stellte sich als sehr schwierig heraus.

Bisher haben Forscher alles entwickelt, was Röntgenstrahlen emittieren kann, einschließlich Laser und Teilchenbeschleuniger. Die als Ergebnis gewählte Methode, die es ermöglichte, auf wirtschaftlichste Weise eine ausreichende Helligkeit zu erreichen, beinhaltet jedoch die Verwendung von Plasma. Wenn Sie das gewünschte Material einem ausreichend starken Laser oder elektrischen Strom aussetzen, können Sie die Elektronen von den Atomen trennen. Das resultierende Plasma emittiert EUV und die erhitzte Substanz kühlt ab.

Bei Verwendung von Plasma, bei dem das Licht der Quelle in den Scanner eintritt, beträgt die Leistung 250 Watt. Mit dieser Lichtmenge kann die Maschine etwa 125 Substrate pro Stunde verarbeiten. Diese Zahl liegt auf dem Niveau der gewünschten Menge für die Massenproduktion und ist weniger als die Hälfte im Vergleich zu modernen Maschinen, die mit 193 nm arbeiten.

Aber viele Jahre zuvor waren die Fortschritte langsam, und eine Erhöhung der Lichthelligkeit erreichte nicht die vorhergesagten. Bis 2011, fünf Jahre nach den ersten Testscannern von ASML, konnte einer der führenden Lichtquellenentwickler, Cymer, eine Quelle erstellen, die kontinuierlich 11 Watt liefert. „Wir haben die mit dieser Aufgabe verbundenen Herausforderungen unterschätzt“, sagte Hans Meiling, Marketing Manager bei ASML. Infolgedessen kaufte ASML Cymer 2013 für 3,1 Milliarden Euro.

Mit dem Laser wird die EUV-Cymer-Quelle erstellt. 50.000 mikroskopisch kleine Tropfen hochreines Zinn pro Sekunde strömen durch die Vakuumkammer, und jeder von ihnen wird durch das Licht eines Kohlendioxidlasers beleuchtet, der mehrere Verstärker durchlaufen hat, die ursprünglich für das Metallschneiden ausgelegt waren. Wenn ein Laserpuls auf einen Tropfen trifft, erwärmt er sich auf einen Plasmazustand und emittiert EUV. Der Sammelspiegel reflektiert das Licht und sendet es an den Scanner. Damit sich die Zinnreste nicht auf dem Spiegel ansammeln, wird es ständig mit Wasserstoff gespült.

„Als ich zum ersten Mal davon hörte, entschied ich, dass es irgendwie verrückt war“, gibt Alberto Pirati zu, der sich 2013 der Entwicklung von EUV angeschlossen hat. Aber nach und nach erreichte das Team das fast Unmögliche. Einer der Durchbrüche war auf die von Cymer vor der Akquisition erforschte Technologie zurückzuführen. Sie fanden heraus, dass, wenn ein vorläufiger Impuls vor dem Hauptlaser gegeben wurde, jeder Tropfen Zinn zu einer Scheibe abgeflacht wurde und somit die Oberfläche für die Wechselwirkung mit dem Hauptlaserimpuls zunahm. Diese Technologie erhöhte die Umwandlungsausbeute von Plasma zu EUV von 1% auf 5%. Dank ihrer und anderer Optimierungen gab das Unternehmen zu Beginn des Jahres die Erreichung einer Leistung von 200 Watt bekannt. Ein anderer Lichtquellenentwickler, Gigaphoton, berichtete ebenfalls über große Fortschritte. Die lang erwartete Quelle von 250 Watt ist gleich um die Ecke.Für echte Tests der Technologie auf ihre Bereitschaft zur Massenproduktion werden sie in den Kundenlabors von ASML durchgeführt.

Niemand zweifelt daran, dass EUV-Maschinen detailgetreu sind. Auf einer Konferenz über Halbleiter finden Sie sicherlich eine Präsentation mit Mikrofotografien von Masken, die mit EUV erstellt wurden, und einem Vergleich mit verschwommenen Masken, die mit vorhandenen Methoden erhalten wurden.

Die Frage ist, welche Rolle EUV in der Massenproduktion spielen wird - und wann. Die Kosten für den Wechsel sind niedrig. Der Preis für eine neue Einheit von ASML übersteigt 100 Millionen Euro, was doppelt so teuer ist wie ein Scanner bei 193 nm. Es kann mit der Größe des Busses mithalten und erfordert für die Lieferung mehrere Flüge der 747 .. Es kann ungefähr 1,5 MW verbrauchen, was viel mehr als eine 193-nm-Maschine ist.


Zinn-Tropfen-Entwicklung. Der erste Puls flacht ab, der zweite verwandelt sich in ein Plasma.

Ein einfacher Vergleich der Spezifikationen spiegelt jedoch nicht die gesamten Produktionskosten wider. Heutige 193-nm-Lithografiesysteme können Chips mit Abmessungen von wenigen Bruchteilen dieser Wellenlänge erzeugen. Möglich wurde dies durch zwei Durchbrüche. Die erste ist die Immersionslithographie , bei der Wasser zwischen dem Siliziumsubstrat und der Projektionsoptik platziert wird. Das zweite ist MultipatterningAufteilen des Prozesses zum Erstellen einer Ebene in mehrere Schritte. Um beispielsweise mehrere eng beieinander liegende Löcher zu erzeugen, kann das Substrat zuerst durch einen Scanner getrieben werden, der die Hälfte der Löcher erzeugt, und dann ein zweites Mal, um die zweite Hälfte mit einer leichten Verschiebung zu erzeugen. Da die Position des Substrats mit hoher Genauigkeit bestimmt wird, können Ingenieure Eigenschaften erstellen, die in einem einzigen Durchgang unmöglich sind. Und je mehr Schritte verwendet werden, desto kleiner sind die Details. Jeder Schritt verkompliziert und erhöht jedoch die Kosten des Produktionsprozesses.

Jetzt verwendet GlobalFoundries dreifache Muster, um 14-nm-Chips herzustellen, und die fortschrittlichsten werden in Fab 8 erstellt. Dies bedeutet, dass der Chip für besonders wichtige Schichten zwei zusätzliche Durchgänge durch den Scanner und alle anderen Werkzeuge, die die Schichten erstellen, ausführen muss. Das Unternehmen erwartet eine Umstellung auf vierfache Muster mit Details bei 7 nm - sagt George Gomba, Projektmanager für Technologiebewertung.

Bisher erwartet GlobalFoundries, die Technologie bis 2018 bei 7 nm ohne Verwendung von EUV einzuführen, aber wenn letzteres zur Bereitschaft kommt, wird es sie nicht ablehnen. Die Schlüsselfrage ist, wann die Kosten für EUV mindestens Multippatterning entsprechen. Die Antwort ist schwierig, da die Antwort von mehreren unbekannten Faktoren abhängt, einschließlich der Helligkeit der EUV-Quellen und der Möglichkeit eines kontinuierlichen Betriebs der gesamten auf EUV basierenden Technologie.


Schematische Darstellung der Lichtquelle

Aber nicht nur GlobalFoundries und IBM investieren in EUV. Im Jahr 2012 haben Intel, Samsung und der taiwanesische Hersteller Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) investierte insgesamt 1,38 Mrd. EUR in Lithografieforschung der neuen Generation, die bei ASML durchgeführt wurde (gleichzeitig sammelte das Unternehmen 3,85 EUR durch Aktien). Laut Meiling beschäftigt das Unternehmen rund 4.000 Mitarbeiter, ohne Forscher, die für große Chiphersteller und Forschungsinstitute arbeiten, die unabhängig an der Technologie arbeiten.

All diese Investitionen erfolgen nicht nur, weil die EUV-Technologie kompliziert ist, sondern auch, weil die Hersteller verstehen, dass sie ohne sie bald nicht mehr weitermachen können. Anthony Yen, der die Entwicklung der EUV-Lithographie bei TSMC leitet, spricht direkt davon, dass EUV für die Implementierung von Moore von entscheidender Bedeutung ist: „Es ist zu 100% kritisch. Sehr, sehr kritisch. “ TSMC-Experten werden EUV ab 2020 einsetzen, wenn das Unternehmen mit der Produktion von Chips mit 5-nm-Technologie beginnen wird.

Es gibt immer noch technologische Schwierigkeiten. Im Vordergrund steht der Schutz der Maske, der Oberfläche der Schablone, die auf das Substrat gedruckt wird. Dies wirft erneut die Frage nach dem Reflexionsvermögen auf.

In einer Maschine mit 193-nm-Technologie wird die Maske durch eine Folie namens Pelicula (pelicula (spanisch) - Folie) geschützt, die in Form einer Verpackung ein kurzes Stück davon gespannt ist. Mit der aktuellen Technologie kann ein für das Auge unsichtbarer Staubfleck, der auf eine Schablone fällt, Hunderte von Transistoren zerstören. Wenn es jedoch auf das Häutchen fällt, ist es unscharf und behindert nicht die Erzeugung eines Musters auf dem Substrat.

Diese Pellikel sind jedoch bei 13,5 nm für Licht nicht transparent. ASML wollte filmfreie Scanner bauen, aber die Hersteller werden durch die Nachteile dieses Ansatzes aufgehalten. „Wenn ein Partikel auf die Maske gelangt“, sagt Yen, „werden alle Substrate beschädigt. Im Allgemeinen können Sie bei null Ausgabe bleiben. " Monate der Arbeit und Zehntausende von Dollar wurden verschwendet.

Daher untersucht ASML das Problem der Herstellung von Pellikeln, die EUV-Strahlung standhalten können. Und es muss transparent sein, was noch schwieriger ist. Da EUV-Masken nicht transparent, sondern reflektierend sind, muss das Licht zweimal durch das Häutchen gehen - nach innen und außen.

Es gibt andere Schwierigkeiten, die potenzielle Kunden zu überwinden erwarten. Beispielsweise müssen Sie die Möglichkeit finden, Masken ohne Fehler herzustellen sowie zu überprüfen, ob Masken fehlerfrei sind. Oder ein Fotolack - eine lichtempfindliche Schicht, die das Substrat bedeckt und das Muster von der Schablone kopiert.

Moderne chemisch verbesserte Widerstände bestehen aus Polymerketten von Molekülen, die die Wirkung einfallender Photonen vervielfachen. Diese Materialien absorbieren EUV jedoch nicht gut, wie Andrew Grenville, CEO des EUV Resist-Startups Inpria, erklärt. Darüber hinaus ist das aufgenommene Bild leicht verschwommen, da die Lichtverstärkungsreaktion das Material durchdringt. Um klare Konturen zu erzeugen, werden „kleinere und stabilere Komponenten benötigt“, sagt Grenville. Inpria arbeitet an einem Resist aus kleinen Zinnoxidkomponenten, die EUV fünfmal besser absorbieren und Muster ohne Verstärkung erzeugen.

Werden die Ingenieure es schaffen, das Gesetz von Moore vorübergehend oder für immer einzuhalten? Der Lithografie-Experte Chris Mack bezweifelt, dass alle Puzzleteile bis 2018 zusammengesetzt werden können. Die Planung der Produktion von Chips der nächsten Generation dauert mehrere Jahre. Ein Gelübde abzulegen, die EUV-Technologie in den nächsten Jahren einzusetzen, sei sehr riskant.

Mack, ein bekannter EUV-Skeptiker, der einst die Technologie seines Sportwagens Lotus Elise versagt hat, gibt zu, dass es einen Hoffnungsschimmer gibt. Die Hersteller versuchen, die Kontrolle über die Miniaturisierung und die Produktionskosten zu behalten. Die Intervalle zwischen erfolgreichen Chipgenerationen verlängern sich und die Größe der Chips wird nicht so aggressiv wie zuvor reduziert. Diese Probleme können den Weg für die EUV-Technologie ebnen, sagt er: "Es besteht die reale Möglichkeit, dass diese Verlangsamung des Gesetzes von Moore EUV genügend Zeit lässt."

Genug Zeit, bevor die Wertsteigerung das Mooresche Gesetz hemmt. EUVs können einen Zustand erreichen, in dem sie in der Produktion eingesetzt werden können, was die Kosten senkt, sagt Mack. Zu diesem Zeitpunkt könnten die Gesamtkosten der nächsten Generation von Chips jedoch zu hoch sein, und die Erhöhung der Rechengeschwindigkeit könnte nicht ausreichen, um die Hersteller zu interessieren. Mack sagt, dass sich die Produktion alter Chips um längere Zeit verzögert: "Ich denke, dass der Markt in viele Unternehmen aufgeteilt wird, die in sehr unterschiedlichen Bereichen tätig sind."

Wie in der Vergangenheit wird das Schicksal von Moores Gesetz nicht nur von der Fähigkeit abhängen, in kleinem Maßstab zu drucken, sondern auch davon, wie sehr Physiker und Ingenieure die resultierenden Transistoren und Schaltungen verbessern werden. Selbst eine Folge einer großen Anzahl von Plasmablitzen auf der Basis von Zinntropfen wird kein Licht darauf werfen, wann das größte technologische Championrennen der Menschheit enden wird. Es kann aber auch unseren zukünftigen Weg beleuchten.

Source: https://habr.com/ru/post/de398967/