Diese Maschine könnte Moores Gesetz auf Kurs halten

Der nächste Trick zu kleineren Transistoren ist die EUV-Lithographie mit hoher numerischer Apertur

Diese Fotoillustration der EXE:5000, ASMLs extrem-ultravioletter Lithographiemaschine mit hoher numerischer Apertur, zeigt ihre enorme Größe.

Im letzten halben Jahrhundert , wir sind zu dem Schluss gekommen, dass das Mooresche Gesetz – die ungefähr alle zwei Jahre stattfindende Verdoppelung der Anzahl der Transistoren in einer bestimmten Siliziumfläche, die Fortschritte, die das Rechnen vorantreiben – etwas ist, das einfach passiert, als wäre es ein natürlicher, unvermeidlicher Prozess. ähnlich wie Evolution oder Altern. Die Realität sieht natürlich ganz anders aus. Mit dem Mooreschen Gesetz Schritt zu halten erfordert einen nahezu unvorstellbaren Aufwand an Zeit, Energie und menschlichem Einfallsreichtum – Tausende Menschen auf mehreren Kontinenten und endlose Hektar einiger der komplexesten Maschinen der Welt.

Die vielleicht wichtigste dieser Maschinen führt die Photolithographie im extremen Ultraviolett (EUV) durch. Die EUV-Lithographie, das Ergebnis jahrzehntelanger Forschung und Entwicklung, ist heute die treibende Technologie hinter den letzten zwei Generationen hochmoderner Chips, die in den letzten drei Jahren in jedem Top-End-Smartphone, Tablet, Laptop und Server verwendet wurden. Doch das Mooresche Gesetz muss weiter voranschreiten, und die Chiphersteller entwickeln ihre Roadmaps weiter, was bedeutet, dass sie die Gerätegeometrien noch weiter verkleinern müssen.

Bei ASML entwickeln meine Kollegen und ich die nächste Generation der Lithografie. Die sogenannte EUV-Lithographie mit hoher numerischer Apertur erfordert eine umfassende Überarbeitung der internen Optik des Systems. EUV mit hoher NA sollte im Jahr 2025 für den kommerziellen Einsatz bereit sein, und Chiphersteller sind auf seine Fähigkeiten angewiesen, um ihre versprochenen Fortschritte bis zum Ende dieses Jahrzehnts aufrechtzuerhalten

Das Mooresche Gesetz basiert auf der Verbesserung der Auflösung der Fotolithographie, damit Chiphersteller immer feinere Schaltkreise herstellen können. In den letzten 35 Jahren haben Ingenieure eine Reduzierung der Auflösung um zwei Größenordnungen erreicht, indem sie an einer Kombination aus drei Faktoren gearbeitet haben: der Wellenlänge des Lichts; k 1, ein Koeffizient, der prozessbezogene Faktoren zusammenfasst; und numerische Apertur (NA), ein Maß für den Winkelbereich, über den das System Licht emittieren kann.

Quelle: IEEE Spectrum

Die kritische Dimension – also die kleinstmögliche Strukturgröße, die Sie mit einem bestimmten Photolithographie-Belichtungsgerät drucken können – ist proportional zur Wellenlänge des Lichts geteilt durch die numerische Apertur der Optik. Sie können also kleinere kritische Abmessungen erreichen, indem Sie entweder kürzere Lichtwellenlängen oder größere numerische Aperturen oder eine Kombination aus beiden verwenden. Der k 1 -Wert kann beispielsweise durch eine verbesserte Kontrolle des Herstellungsprozesses so weit wie möglich an seine physikalische Untergrenze von 0,25 herangeführt werden.

Im Allgemeinen bestehen die wirtschaftlichsten Möglichkeiten zur Steigerung der Auflösung darin, die numerische Apertur zu erhöhen und die Werkzeug- und Prozesssteuerung zu verbessern, um einen kleineren k1 zu ermöglichen. Erst wenn den Chipherstellern die Möglichkeiten zur weiteren Verbesserung von NA und k1 ausgehen, greifen sie auf eine Reduzierung zurück Wellenlänge der Lichtquelle.

Dennoch musste die Branche diesen Wellenlängenwechsel mehrmals vornehmen. Die historische Entwicklung der Wellenlängen reichte von 365 Nanometern, die mit einer Quecksilberlampe erzeugt wurden, über 248 nm mit einem Krypton-Fluorid-Laser in den späten 1990er Jahren und dann zu 193 nm mit einem Argon-Fluorid-Laser zu Beginn dieser Jahre Jahrhundert. Mit jeder Wellenlängengeneration wurde die numerische Apertur von Lithographiesystemen schrittweise erhöht, bevor die Industrie auf kürzere Wellenlängen umstieg.

Als beispielsweise die Verwendung von 193 nm zu Ende ging, wurde ein neuartiger Ansatz zur Erhöhung der NA eingeführt: Immersionslithographie. Durch die Platzierung von Wasser zwischen der Unterseite der Linse und dem Wafer konnte die NA deutlich von 0,93 auf 1,35 vergrößert werden. Seit ihrer Einführung im Jahr 2006 war die 193-nm-Immersionslithographie das Arbeitspferd der Branche für bahnbrechende Lithographie

Die Auflösung der Fotolithografie hat sich in den letzten vier Jahrzehnten um etwa das 10.000-fache verbessert. Dies ist teilweise auf die Verwendung immer kleinerer Lichtwellenlängen zurückzuführen, erforderte aber auch eine größere numerische Apertur und verbesserte Verarbeitungstechniken.Quelle: ASML

Da jedoch die Notwendigkeit, Strukturen mit einer Größe von weniger als 30 nm zu drucken, zunahm und die NA der 193-nm-Lithographie ausgeschöpft war, wurde es immer schwieriger, mit dem Mooreschen Gesetz Schritt zu halten. Um Strukturen zu erzeugen, die kleiner als 30 nm sind, müssen entweder mehrere Muster verwendet werden, um eine einzelne Schicht von Chipmerkmalen zu erzeugen – eine technologisch und wirtschaftlich aufwändige Technik – oder die Wellenlänge muss erneut geändert werden. Es dauerte mehr als 20 Jahre und einen beispiellosen Entwicklungsaufwand, um die nächste neue Wellenlänge online zu bringen: 13,5-nm-EUV.

EUV erfordert eine völlig neue Art der Lichterzeugung. Es handelt sich um einen bemerkenswert komplexen Prozess, bei dem geschmolzene Zinntröpfchen mitten im Flug mit einem leistungsstarken CO2-Laser getroffen werden. Der Laser verdampft das Zinn zu einem Plasma und emittiert ein Spektrum photonischer Energie. Aus diesem Spektrum gewinnt die EUV-Optik die erforderliche Wellenlänge von 13,5 nm und leitet sie durch eine Reihe von Spiegeln, bevor sie von einer strukturierten Maske reflektiert wird, um dieses Muster auf den Wafer zu projizieren. Und das alles muss im Reinstvakuum erfolgen, denn die Wellenlänge von 13,5 nm wird von der Luft absorbiert. (In früheren Generationen der Photolithographie wurde Licht durch die Maske geleitet, um ein Muster auf den Wafer zu projizieren. EUV wird jedoch so schnell absorbiert, dass die Maske und andere Optiken stattdessen reflektierend sein müssen.)

In einer Vakuumkammer wird EUV-Licht [lila] von mehreren Spiegeln reflektiert, bevor es von der Fotomaske [oben in der Mitte] reflektiert wird. Von dort setzt das Licht seine Reise fort, bis es auf den Wafer [unten in der Mitte] projiziert wird und das Muster der Fotomaske trägt. Die Abbildung zeigt das heutige kommerzielle System mit einer numerischen Apertur von 0,33. Die Optik zukünftiger Systeme mit einer NA von 0,55 wird anders sein.Quelle: ASML

Die Umstellung von 193-Nanometer-Licht auf EUV trug teilweise dazu bei, die kritische Dimension zu verringern. Ein Prozess namens „Design for Manufacturing“, bei dem die Designregeln von Schaltungsblöcken so festgelegt werden, dass die Grenzen der Fotolithografie ausgenutzt werden, hat viel zur Reduzierung von k 1 beigetragen. Jetzt ist es an der Zeit, die numerische Apertur erneut zu erhöhen, von derzeit 0,33 auf 0,55.

Die Erhöhung der NA von heute 0,33 auf den Zielwert von 0,55 zieht unweigerlich eine Kaskade weiterer Anpassungen nach sich. Projektionssysteme wie die EUV-Lithographie haben eine NA am Wafer und auch an der Maske. Wenn Sie die NA am Wafer erhöhen, erhöht sich auch die NA an der Maske. Folglich werden an der Maske die ein- und ausgehenden Lichtkegel größer und müssen voneinander abgewinkelt werden, um Überlappungen zu vermeiden. Überlappende Lichtkegel erzeugen ein asymmetrisches Beugungsmuster, was zu unangenehmen Abbildungseffekten führt.

Aber es gibt eine Grenze für diesen Blickwinkel. Da die für die EUV-Lithographie benötigten reflektierenden Masken tatsächlich aus mehreren Materialschichten bestehen, kann ab einem bestimmten Reflexionswinkel nicht sichergestellt werden, dass eine ordnungsgemäße Reflexion erzielt wird. EUV-Masken haben einen maximalen Reflexionswinkel von 11 Grad. Es gibt auch andere Herausforderungen, aber der Reflexionswinkel ist der größte.

Wenn das EUV-Licht in einem zu steilen Winkel auf die Fotomaske trifft, wird es nicht richtig reflektiert.Quelle: ASML

Der Reflexionswinkel an der Maske im heutigen EUV ist am Limit [links] Eine Vergrößerung der numerischen Apertur des EUV würde zu einem zu großen Reflexionswinkel führen [Mitte]. EUV mit hoher NA verwendet daher anamorphotische Optiken, die eine Vergrößerung des Winkels nur in eine Richtung ermöglichen [rechts]. Das Feld, das auf diese Weise abgebildet werden kann, ist halb so groß, daher muss das Muster auf der Maske in eine Richtung verzerrt sein, aber das reicht aus, um den Durchsatz durch die Maschine aufrechtzuerhalten.Quelle: ASML

Die einzige Möglichkeit, diese Herausforderung zu meistern, besteht darin, eine Qualität namens Verkleinerung zu steigern. Verkleinerung ist genau das, wonach es sich anhört – das reflektierte Muster von der Maske zu nehmen und es zu verkleinern. Um das Reflexionswinkelproblem zu kompensieren, mussten meine Kollegen und ich die Verkleinerung auf das Achtfache verdoppeln. Dadurch wird der abgebildete Teil der Maske auf dem Wafer deutlich kleiner. Dieses kleinere Bildfeld bedeutet, dass die Erstellung des vollständigen Chipmusters länger dauert. Tatsächlich würde diese Anforderung den Durchsatz unseres High-NA-Scanners auf unter 100 Wafer pro Stunde reduzieren – ein Produktivitätsniveau, das die Chipherstellung unwirtschaftlich machen würde.

Glücklicherweise haben wir festgestellt, dass die Verkleinerung nur in einer Richtung erhöht werden muss – der Richtung, in der die größten Reflexionswinkel auftreten. Die Verkleinerung in die andere Richtung kann unverändert bleiben. Dies führt zu einer akzeptablen Feldgröße auf dem Wafer – etwa halb so groß wie in heutigen EUV-Systemen oder 26 x 16,5 Millimeter statt 26 x 33 mm. Diese Art der richtungsabhängigen oder anamorphen Verkleinerung bildet die Grundlage unseres High-NA-Systems. Der Optikhersteller Carl Zeiss hat einen gewaltigen Aufwand betrieben, um eine anamorphotische Linse mit den für unsere neue Maschine erforderlichen Spezifikationen zu entwerfen und herzustellen.

Um die gleichen Produktivitätsniveaus mit dem Feld halber Größe zu gewährleisten, mussten wir die Retikel- und Wafer-Stufen des Systems – die Plattformen, die die Maske bzw. den Wafer halten – neu entwickeln und sie während des Scanvorgangs synchron zueinander bewegen. Die Neugestaltung führte zu nanometergenauen Tischen mit einer um den Faktor vier verbesserten Beschleunigung.

Das erste EUV-System mit hoher NA, das ASML EXE:5000, wird in einem neuen Labor installiert, das wir Anfang 2024 gemeinsam mit der in Belgien ansässigen Nanoelektronik-Forschungseinrichtung Imec eröffnen. Dieses Labor wird es Kunden, Maskenherstellern, Fotolacklieferanten und andere, um die Infrastruktur zu entwickeln, die erforderlich ist, um EUV mit hohem NA-Wert Wirklichkeit werden zu lassen.

Und es ist wichtig, dass wir es in die Tat umsetzen, denn EUV mit hoher NA ist eine entscheidende Komponente, um das Mooresche Gesetz am Leben zu erhalten. Das Erreichen von 0,55 NA wird jedoch nicht der letzte Schritt sein. Von da an werden ASML, Zeiss und das gesamte Halbleiter-Ökosystem noch weiter in Richtung Technologien vordringen, die besser, schneller und innovativer sind, und zwar auf eine Weise, die wir uns noch kaum vorstellen können.