EUV und der Stand der Lithografie

Optische High-End-Lithografie, worum geht es?

Die EUV-Lithografie wirkt wie real gewordene Science-Fiction: Spiegel mit atomarer Glätte, Licht, das aus Zinnplasma erzeugt wird, und Maschinen, die mehr kosten als eine Flotte von Privatjets - all das, um nanometergroße Strukturen auf Silizium zu ätzen. Doch trotz all seiner technischen Kühnheit ist EUV immer noch ein unfertiges Verfahren. Es ist das fortschrittlichste Werkzeug, das wir für die Chipherstellung haben - und auch eines der anfälligsten Glieder in der Halbleiterlieferkette.

Mit diesem Tech-Talk möchte ich dieses Thema aus einer Perspektive behandeln, die ich sonst nirgendwo gesehen habe, in der Hoffnung, dass es den Stand der High-End-Lithografie beleuchtet und die Rolle von ASML berührt.

Was macht ASML also genau?

Wenn ASML, TRUMPFund Zeiss das Spektrum der extrem ultravioletten Wellenlänge (EUV) eröffnete, war wahrscheinlich jeder von uns von Ehrfurcht ergriffen, und wenn nicht, dann sollten sie es sein. Ich weiß, dass ich es war. Um bei dieser Wellenlänge zu bauen, muss man nicht nur eine Lichtquelle finden. Zweifellos ist der TRUMPF Laserverstärker ein erstaunliches Produkt. Aber das gilt auch für die Optik.

Um das volle Leistungspotenzial von EUV auszuschöpfen, reicht es nicht aus, einen Vertrag zu unterzeichnen und einen neuen Laser zu installieren. Es muss auch sichergestellt werden, dass jedes von der Maske reflektierte Photon - wenn es schließlich den Wafer erreicht - einen Weg zurückgelegt hat, der genauso lang ist wie jeder andere Weg, den es könnte die das optische System durchlaufen haben. Ja, das ist etwas verwirrend, aber es ist wichtig: Ein gutes optisches System muss es jedem Photon ermöglichen, seine Quantennatur zum Ausdruck zu bringen, und in der EUV-Lithografie muss dies mit Sub-Nanometer-Präzision geschehen.

Es ist eine Sache, den Finger in ein Becken mit ruhigem Wasser zu tauchen und die kugelförmigen Wellen zu erleben, die sich in alle Richtungen ausbreiten. Es ist etwas ganz anderes, die Uhr rückwärts laufen zu lassen und zu sehen, wie diese Wellen vom Horizont hereinkommen, um einen Wassertropfen in einem einzigen Zentrum springen zu lassen.

Um Zeiss die verdiente Anerkennung zukommen zu lassen, stellen Sie sich die Erde vor, die perfekt mit einem riesigen, ungestörten Ozean bedeckt ist, der sich vom Südpol bis zum Nordpol erstreckt. Sie werfen einen kleinen Stein genau in die Mitte des Südpols. Dann gehst du leise zum Nordpol und wartest. Mit der Zeit wandern die Wellen über den Planeten und laufen an einem einzigen Punkt zusammen, wo sie ihre gesamte Energie in einem einzigen perfekten, glitzernden Tröpfchen freisetzen. Im Großen und Ganzen formen und polieren sie den Planeten, bis er genau das tut.

Trumpf macht also diesen erstaunlichen Laser, und Zeiss SMT macht asphärische Spiegel, die unmöglich zu machen scheinen. Was bedeutet das für ASML? Ich denke, um das besser zu verstehen, müssen wir ein wenig zurückblicken. Ich weiß, dass wir uns hier ein wenig auf die Optik konzentrieren. Es geht um so viel mehr.

Eine Lithografie-Fibel

Bevor wir uns ein Bild davon machen können, wo die Lithografie heute steht, brauchen wir eine Blick auf die Grundlagen und wo sie früher war.

Lithografiesysteme sind zwei sich überlappende 4-F-Projektionssysteme. Eines projiziert die Quelle auf die Systempupille, das andere projiziert die Maske auf etwas Lichtempfindliches.

Wenn wir der Maske eine Struktur hinzufügen, sehen wir stattdessen etwas wie dieses,

Und wenn es sich um ein I-Line- oder KrF-System gehandelt hätte, bei dem man ein Stück Papier einkleben konnte, ohne alles zu ruinieren, hätte man das vielleicht bei den Schülern gesehen,

Bevor wir zu weit vorpreschen, sollten wir k definieren₁.

wobei H.P stellt die Hälfte der Teilung einer periodischen Struktur, eines binären Gitters, dar, aber in einem lockeren Sinn stellt es unsere Auflösungsgrenze dar. Jede Farbe steht für einen Beugungsmodus.

Von links beginnend, wenn das Muster nicht an die Auflösungsgrenze stößt, haben wir etwas, das wir als einfache Lithografie bezeichnen können. In der Mitte nähern wir uns der nicht so einfachen Lithografie. Das Zentrum der Beugungsordnung liegt genau am Rand der Pupille, das ist schön, aber wir haben etwas Licht verloren, so dass unser latentes Bild an Schärfe verliert. Trotzdem lässt sich das Bild problemlos drucken. Wenn wir uns weiter nach rechts bewegen, befinden wir uns jetzt in der schmerzhaften Region. Dieses Bild wird wahrscheinlich immer noch gedruckt. Vielleicht nicht so gut mit dieser speziellen Beleuchtung. Vielleicht wäre uns ein Ring lieber gewesen. Dann hätten wir einige der Steigungen im latenten Bild zurückgewonnen. Die Kontrolle der Linienbreiten wird schwierig sein. Vielleicht würden wir gerne nicht aufgelöste Hilfslinien hinzufügen, um die Schärfentoleranz wiederherzustellen. Vielleicht einige zusätzliche Serifen, um die Ecken schärfer zu machen, und so weiter und so fort.

Worum geht es bei all dem? Nun, der Punkt ist, dass es schwierig wird, zu drucken. Es gibt zu viel Material nahe der Auflösungsgrenze. Oder anders ausgedrückt: Wir versuchen, zu viel auf einmal zu machen. Wir sind immer noch über k₁ > 1/4, aber es wird schwierig.

Ende der Fibel, und schauen wir uns an, wie "einfach" die Lithografie früher war.

Eine kleine Geschichte

Die nachstehende Tabelle ist ein Versuch, zusammenzufassen, wie die Lithografieindustrie von der reinen Optik zu etwas anderem wurde. Damit will ich nicht sagen, dass die Optik nicht superwichtig ist, das ist sie durchaus, aber seit fast zwei Jahrzehnten befindet sich die Branche im Bereich des Undruckbaren und verlässt sich auf alles, was sie in die Finger bekommt, um über die Auflösungsgrenze hinaus zu drucken.

Die Region des Lithoschmerzes geht bis zu k₁ = 1/4. Streng genommen können wir nicht einmal dort drucken, aber es ist möglich, erstaunlich nahe heranzukommen. Wenn wir unter 1/4 gehen, müssen wir kreativ werden. Überprüfen Sie die Axiome der Optik und sehen Sie, welche gebrochen werden können, ohne dass wir damit durchkommen.

Wo stehen wir also?

Es gab eine Zeit, in der es bei der CPU-Geschwindigkeit vor allem um das Tor ging und beim Tor nur die Optik eine Rolle spielte. Dieses Schiff ist schon lange abgefahren. Seitdem haben wir die Knoten mithilfe der optischen Lithografie immer weiter verkleinert - aber nur, indem wir kreativ wurden. Tricks wie die doppelte (oder dreifache) Strukturierung, die Verwendung von Interferenz mit alternierenden Phasenverschiebungsmasken, Wirbelmodi, Hilfslinien und vieles mehr wurden Teil des Instrumentariums. Einige dieser Ideen reichen zwei Jahrzehnte zurück, aber sie sind im Laufe der Zeit zu alltäglichen Grundlagen geworden. Die Zellenlayouts mussten sich anpassen: Anstatt einfach die beabsichtigten Formen zu kopieren, verdrehen sie sich jetzt zu Brezeln, nur um so auszusehen. rechts nachdem sie das Projektionssystem durchlaufen haben.

Ich habe keine Chance, ein vollständiges Bild zu zeichnen - ich habe es ehrlich gesagt nicht. Aber es ist klar, wo ASML passt, sie kümmern sich um alles andere. Maschinen, die Hunderte von Wafern pro Stunde bewegen, ohne den Planeten zu erschüttern (um auf die Analogie zur wasserbedeckten Erde zurückzukommen), die Temperatur, das Vakuum, die Quellenoptimierung und die seltsamen Verrenkungen der projizierten Muster, die in einem gekrümmten Spiegel einfach nur gut aussehen wollen, verwalten.

Es erinnert mich ein wenig an was ich tue durch Senslogic, die die Grenzen dessen, was ein Crossover-Experte sein kann, ausreizt und das Kleine zu einem großen Bild arrangiert. Wie Gru, der seine Schergen so arrangiert, dass sie ein riesiges "IT WORKS" ergeben - chaotisch aus der Nähe, perfekt aus der Ferne.

Heute entscheidet nicht mehr die Lithografie über die absolute Breite eines Transistor-Gates - dieser Staffelstab wurde mit dem FinFET endgültig weitergegeben. Die neuen Gate-All-Around-Strukturen liegen in den Händen von Prozessingenieuren und Experten für Atomlagenabscheidung. Der Schwerpunkt der Lithografie hat sich verlagert: Es geht jetzt darum, wie viele Milliarden Transistoren wir auf einen Chip quetschen können und wie geschickt wir sie stapeln und verbinden können.

Nehmen Sie meinen AMD Ryzen 7 8700G. Er verfügt über 25,4 Milliarden Transistoren auf 178 mm². Wenn Sie nachrechnen, hat jeder Transistor eine Fläche von etwa 84 mal 84 Nanometern auf dem Wafer zur Verfügung. Stellen Sie sich vor, dass Sie all das mit einer Optik mit einer Auflösung von etwa 13-15 Nanometern erreichen.

Es ist fast schon ein Vertrauensvorschuss, Source, Gate, Drain, lokale Verbindungen und vielleicht ein oder zwei Durchkontaktierungen in dieses winzige Quadrat zu packen und zu versuchen, es zu drucken - und das eine Million Mal. Aber wie wir gesehen haben, haben wir schon lange die Grenze überschritten, bei der die rein optische Auflösung die wichtigste Einschränkung war. Heute geht es darum, was funktioniert, wie viele Maskenschichten man sich leisten kann und wie kreativ man die Regeln biegen kann, ohne sie zu brechen. Ich glaube, dass ASML die Aufgabe hat, dafür zu sorgen, dass dies alles funktioniert.

Um eine Verbindung zu den jüngsten Nachrichten zu schaffen, dass TSMC keine High-NA EUV für seinen 14 Angström-Prozess einführt. Stellen Sie sich vor, Sie müssten Entwicklungsentscheidungen in diesem immer komplexer werdenden Produktanwendungsbereich treffen, in dem Kunden eine Reihe von Technologieoptionen abwägen, die alle kostspielig und hochtechnologisch sind. Kein Wunder, dass ASML Unternehmen kauft, die näher an der Anwendung ihrer Produkte sind. Das Verstehen dieses Potenzials muss ein entscheidendes Wissen sein, wenn es um zukünftige Entwicklungsoptionen geht.