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

Antes de que podamos apreciar plenamente dónde se encuentra la litografía hoy en día, tenemos que tomar un examinar los aspectos básicos y donde solía estar la litografía.

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 representa la mitad del paso de una estructura periódica, una rejilla binaria, pero a efectos de esta charla técnica, representa nuestro límite de resolución. Cada color representa un modo de difracción.

Empezando por la izquierda, si el patrón no sobrepasa el límite de resolución, tendremos lo que podemos llamar una litografía fácil. La mayor parte de la luz difractada por la máscara sigue atravesando la pupila. En el centro, nos acercamos a una litografía no tan fácil. El centro de los órdenes de difracción está justo en el borde de la pupila, eso está bien, pero hemos perdido algo de luz, por lo que nuestra imagen latente está perdiendo agudeza. Esto todavía se imprime sin demasiado dolor. Tendremos que prestar atención a algunos detalles de la máscara. Moviéndose más a la derecha, ahora estamos en la región dolorosa. Esto probablemente todavía se imprime. Tal vez no tan bien con esta iluminación en particular. Tal vez hubiéramos preferido un anillo, o incluso una iluminación más avanzada. Habríamos recuperado parte de las pendientes de la imagen latente. Nos costará controlar la anchura de las líneas. Quizá querríamos añadir líneas de ayuda no resueltas para recuperar algo de tolerancia de enfoque. Tal vez algunas gracias adicionales para que las esquinas sean más nítidas, y así sucesivamente.

¿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, pero se está haciendo duro, y duro en todos los frentes.

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

Un poco de historia

La siguiente tabla es un intento de resumir cómo la industria litográfica pasó de ser pura óptica a cualquier cosa que funcione. Con esto no quiero decir que la óptica no sea superimportante, absolutamente lo es, pero durante casi dos décadas la industria ha estado en la región de lo impresentable, confiando en cualquier cosa que tuviera a mano para poder imprimir más allá del límite de resolución.

La región del dolor de lito desciende hasta k₁ = 1/4. Estrictamente hablando, ni siquiera podemos imprimir ahí, pero es posible acercarse sorprendentemente. Cuando bajamos de 1/4, tenemos que ser creativos. Escudriñar los axiomas de la óptica y ver cuáles se pueden romper mientras podamos salirnos con la nuestra.

¿Dónde estamos?

Hubo un tiempo en que la velocidad de la CPU se basaba en la puerta, y la puerta en la óptica. Ese barco zarpó hace tiempo. Desde entonces, hemos seguido reduciendo los nodos mediante litografía óptica, pero sólo con creatividad. Trucos como el patrón doble (o triple), el uso de interferencias con máscaras de cambio de fase alternas, los modos de vórtice, las líneas de asistencia y otros se han convertido en parte de las herramientas estándar. Algunas de estas ideas se remontan a hace dos décadas, pero con el tiempo se han convertido en elementos esenciales del día a día. Los diseños de las celdas han tenido que adaptarse: en lugar de limitarse a copiar las formas previstas, ahora se retuercen hasta convertirse en pretzels sólo para parecer 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.

Sólo para conectar las noticias recientes, que TSMC no está adoptando EUV de alta AN para su proceso de 14 angstrom. Imagínese tomar una decisión de desarrollo en este espacio de aplicación de productos cada vez más complejo, donde los clientes sopesan una serie de opciones tecnológicas, todas costosas, la mayoría de las cuales son casi imposibles de comprender por una sola persona. No es de extrañar que ASML compre empresas que trabajan en este espacio de aplicación. Comprender ese potencial debe ser un conocimiento crucial a la hora de sopesar futuras opciones de desarrollo.