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

Before we can fully appreciate where lithography is today, we need to take a Blick auf die Grundlagen and where lithography used to be.

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 represents half of the pitch of a periodic structure, a binary grating, but for the purpose of this tech-talk, it represents our resolution limit. Each color represents one diffraction mode.

Starting from the left, if the pattern is not pushing resolution limit, we will have what we can call easy lithography. Most of the light diffracted by the mask is still going through the pupil. In the middle, we are approaching not so easy lithography. The center of the diffraction orders is just at the pupil’s edge, that’s nice, but we have lost some light, so our latent image is losing acuity. This still prints without too much pain. We’ll need to pay some attention to some mask details. Moving further to the right, we are now in the painful region. This probably still prints. Maybe not so well with this particular illumination. Maybe we would have preferred an annulus, or maybe even more advanced illumination. We would have regained back some of the slopes in the latent image. We will struggle with controlling line widths. Maybe we would like to add non-resolved assist lines to get back some focus tolerance. Maybe some additional serifs to make corners sharper, and so on, so on.

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, but it is getting tough, and tough on all fronts.

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

Eine kleine Geschichte

The table below is an attempt to summarize how the lithography industry went from being pure optics to anything that works. By this I don’t mean that optics is not super important, it absolutely is, but for almost two decades the industry has been in the unprintable region, relying on anything it could get its hands on in order to print beyond the resolution limit.

Die Region des Lithoschmerzes geht bis zu k₁ = 1/4. Strictly speaking, we cannot even print there, but it is possible to come surprisingly close. When we go below 1/4, we have to get creative. Scrutinize the axioms of optics and see which ones can be broken while we still can get away with it.

Wo stehen wir also?

There was a time when CPU speed was all about the gate, and the gate was all about optics. That ship sailed some time ago. Since then, we’ve kept shrinking nodes using optical lithography — but only by getting creative. Tricks like double (or triple) patterning, using interference with alternating phase-shift masks, vortex modes, assist lines, and more became part of the standard toolkit. Some of these ideas go back two decades, but they’ve become everyday essentials over time. Cell layouts had to adapt, instead of simply copying their intended shapes, they now twist themselves into pretzels just to look 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.

Just to connect the recent news, that TSMC is not adopting high-NA EUV for their 14 angstrom process. Imagine making development decision in this increasingly complex product application space, where customers balance a number of technology options, all costly, most of which are nearly impossible to grasp by any single individual. No wonder, ASML buys companies working in the application space. Understanding that potential must be crucial knowledge when weighing future development options.