EUV y el estado de la litografía

Litografía óptica de alta gama, en qué consiste

La litografía EUV parece ciencia ficción hecha realidad: espejos con suavidad atómica, luz generada a partir de plasma de estaño y máquinas que cuestan más que una flota de jets privados, todo ello para grabar características nanométricas en el silicio. Sin embargo, a pesar de su audacia técnica, la EUV sigue siendo un trabajo en curso. Es la herramienta más avanzada de que disponemos para fabricar chips, y también uno de los eslabones más frágiles de la cadena de suministro de semiconductores.

Con esta charla técnica, me gustaría cubrir este tema desde una perspectiva que no he visto en otros lugares, con la esperanza de que ilumine el estado de la litografía de gama alta y toque el papel de ASML.

¿Qué hace exactamente ASML?

En ASML, TRUMPFy Zeiss abrió el espectro de la longitud de onda ultravioleta extrema (EUV), probablemente todo el mundo quedó asombrado, y si no, debería estarlo. Sé que a mí me pasó. Construir en esta longitud de onda no es sólo cuestión de encontrar la fuente de luz. Sin duda, el amplificador láser TRUMPF es un producto asombroso. Dicho esto, también lo es la óptica.

Alcanzar todo el potencial de rendimiento de la EUV no es sólo cuestión de firmar un contrato e instalar un nuevo láser. También requiere garantizar que cualquier fotón reflejado por la máscara -cuando finalmente llega a la oblea- debe haber recorrido un camino idéntico en longitud a cualquier otro camino que haya recorrido. podría han pasado por el sistema óptico. Sí, es un poco complicado, pero es esencial: un buen sistema óptico debe permitir que cada fotón exprese su naturaleza cuántica y, en la litografía EUV, esto debe hacerse con una precisión subnanométrica.

Una cosa es sumergir el dedo en un charco de agua tranquila y experimentar las ondas esféricas que se propagan en todas direcciones, y otra completamente distinta hacer retroceder el reloj y ver cómo esas ondas llegan desde el horizonte para hacer saltar una gota de agua en un único centro.

Para dar a Zeiss el reconocimiento que se merece, imagine que la Tierra está perfectamente cubierta por un vasto océano inalterado que se extiende desde el Polo Sur hasta el Polo Norte. Usted lanza una pequeña piedra en el centro exacto del Polo Sur. Luego, en silencio, se desplaza hasta el Polo Norte y espera. Con el tiempo, las ondas recorren el planeta, convergen en un único punto y liberan toda su energía en una gota perfecta y brillante. A la larga, dan forma y pulen el planeta hasta que hace exactamente eso.

Así, Trumpf hace este láser increíble, y Zeiss SMT hace espejos asféricos que parecen imposibles de hacer. ¿Dónde deja eso a ASML? Creo que para entenderlo un poco mejor, tenemos que mirar un poco hacia atrás. Y lo sé, esto se centra un poco en la óptica. Es mucho más.

Manual de litografía

Before we can fully appreciate where lithography is today, we need to take a examinar los aspectos básicos and where lithography used to be.

Los sistemas de litografía son dos sistemas de proyección 4-F superpuestos. Uno que proyecta la fuente sobre la pupila del sistema y otro que proyecta la máscara sobre algo sensible a la luz.

Si añadimos estructura a la máscara, veremos algo como esto,

Y si se hubiera tratado de un sistema I-line o KrF en el que se pudiera meter un trozo de papel sin estropearlo todo, es posible que se hubiera visto esto en la pupila,

Antes de adelantarnos demasiado, definamos k₁.

donde 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.

¿Qué sentido tiene todo esto? Bueno, la cuestión es que cada vez es más difícil imprimir. Hay demasiadas cosas cerca del límite de resolución. O dicho de otra forma, estamos intentando hacer demasiadas cosas a la vez. Todavía estamos por encima de k₁ > 1/4, but it is getting tough, and tough on all fronts.

Fin de la cartilla y veamos lo "fácil" que solía ser la litografía.

Un poco de historia

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.

La región del dolor de lito desciende hasta 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.

¿Dónde estamos?

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 derecha después de pasar por el sistema de proyección.

Es imposible que pueda pintar el cuadro completo, sinceramente no lo tengo. Pero está claro dónde encaja ASML, ellos se encargan de todo lo demás. Máquinas que mueven cientos de obleas por hora, sin sacudir el planeta (volviendo a la analogía de la tierra cubierta de agua), gestionan la temperatura, el vacío, la optimización de la fuente y las extrañas contorsiones de los patrones proyectados que sólo quieren verse bien en un espejo curvo.

En realidad me recuerda un poco a lo que hago a través de Senslogic, llevando al límite lo que puede ser un experto en crossover, organizando lo pequeño para pintar un gran cuadro. Como Gru organizando a sus secuaces para deletrear un gigantesco "FUNCIONA": caótico de cerca, perfecto de lejos.

Hoy en día, la litografía ya no decide la anchura absoluta de la puerta de un transistor: ese testigo se pasó definitivamente con el FinFET. Las nuevas estructuras Gate-All-Around están en manos de ingenieros de procesos y expertos en deposición de capas atómicas. El objetivo de la litografía ha cambiado: ahora se trata de saber cuántos miles de millones de transistores podemos meter en una matriz y con qué ingenio podemos apilarlos y conectarlos.

Por ejemplo, mi AMD Ryzen 7 8700G. Contiene 25.400 millones de transistores en 178 mm². Si echas cuentas, cada transistor tiene unos 84 por 84 nanómetros de oblea para vivir. Imagina hacer todo eso con una óptica con una resolución de entre 13 y 15 nanómetros.

Es casi un acto de fe: encajar una fuente, una compuerta, un drenador, conexiones locales y tal vez una vía o dos en ese pequeño cuadrado e intentar imprimirlo un millón de veces. Pero, como hemos visto, hace tiempo que hemos cruzado la línea en la que la resolución óptica pura era la principal limitación. Hoy en día, se trata de lo que funciona, de cuántas capas de máscara puedes permitirte y de la creatividad con la que puedes doblar las reglas sin romperlas. En mi opinión, ASML se encarga de que todo esto funcione.

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.