L'EUV et l'état de la lithographie

Lithographie optique haut de gamme : de quoi s'agit-il ?

La lithographie EUV ressemble à de la science-fiction devenue réalité : des miroirs lisses comme des atomes, une lumière générée par un plasma d'étain et des machines plus coûteuses qu'une flotte de jets privés, tout cela pour graver sur du silicium des éléments d'une largeur de l'ordre du nanomètre. Et pourtant, malgré toute son audace technique, l'EUV n'est pas encore tout à fait au point. C'est l'outil le plus avancé dont nous disposons pour la fabrication de puces, mais aussi l'un des maillons les plus fragiles de la chaîne d'approvisionnement des semi-conducteurs.

Avec ce discours technique, j'aimerais aborder ce sujet d'un point de vue que je n'ai pas vu ailleurs, en espérant qu'il éclairera l'état de la lithographie haut de gamme et qu'il abordera le rôle d'ASML.

Que fait ASML exactement ?

Quand ASML, TRUMPFet Zeiss En ouvrant le spectre des longueurs d'onde de l'ultraviolet extrême (EUV), tout le monde a probablement été frappé de stupeur, et si ce n'est pas le cas, cela devrait être le cas. Je sais que je l'ai été. Pour construire à cette longueur d'onde, il ne suffit pas de trouver la source lumineuse. Il ne fait aucun doute que l'amplificateur laser TRUMPF est un produit extraordinaire. Cela dit, l'optique l'est tout autant.

Pour atteindre le plein potentiel de performance de l'EUV, il ne suffit pas de signer un contrat et d'installer un nouveau laser. Il faut également s'assurer que tout photon réfléchi par le masque - lorsqu'il atteint finalement la plaquette - doit avoir parcouru un chemin identique à tous les autres chemins qu'il a empruntés. pourrait ont traversé le système optique. Un bon système optique doit permettre à chaque photon d'exprimer sa nature quantique, et en lithographie EUV, cela doit se faire avec une précision inférieure au nanomètre.

C'est une chose de plonger son doigt dans une piscine d'eau calme et de voir les ondes sphériques se propager dans toutes les directions, c'est une chose complètement différente de faire reculer l'horloge et de voir ces ondes arriver de l'horizon pour faire sauter une goutte d'eau en un seul point.

Pour féliciter Zeiss comme il se doit, imaginez la Terre parfaitement recouverte d'un vaste océan intact s'étendant du pôle Sud au pôle Nord. Vous jetez une petite pierre au centre exact du pôle Sud. Puis, tranquillement, vous vous déplacez vers le pôle Nord et vous attendez. Au fil du temps, les ondulations parcourent la planète, convergent en un seul point et libèrent toute leur énergie en une gouttelette parfaite et scintillante. Dans l'ensemble, elles façonnent et polissent la planète jusqu'à ce qu'elle fasse exactement cela.

Ainsi, Trumpf produit un laser extraordinaire et Zeiss SMT fabrique des miroirs asphériques qui semblent impossibles à réaliser. Qu'en est-il d'ASML ? Je pense que pour y voir plus clair, il faut revenir un peu en arrière. Je sais que l'on se concentre un peu sur l'optique. C'est bien plus que cela.

Un abécédaire de la lithographie

Before we can fully appreciate where lithography is today, we need to take a examiner les principes de base and where lithography used to be.

Les systèmes de lithographie sont deux systèmes de projection 4-F superposés. L'un projette la source sur la pupille du système, l'autre projette le masque sur un objet sensible à la lumière.

Lorsque nous ajoutons une structure au masque, nous obtenons quelque chose comme ceci,

Et s'il s'était agi d'un système I-line ou KrF où l'on pouvait coller un morceau de papier sans tout gâcher, on aurait pu voir cela dans l'élève,

Avant d'aller trop vite en besogne, définissons simplement k₁.

où 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.

Quel est le but de tout cela ? Eh bien, le problème est qu'il devient difficile d'imprimer. Il y a trop de choses proches de la limite de résolution. En d'autres termes, nous essayons d'en faire trop à la fois. Nous sommes toujours au-dessus de k₁ > 1/4, but it is getting tough, and tough on all fronts.

Fin de l'abécédaire et regardons comment la lithographie était "facile" autrefois.

Un peu d'histoire

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 région où la lithographie est douloureuse va jusqu'à 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.

Où en sommes-nous ?

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 droit après avoir traversé le système de projection.

Il n'y a aucune chance que je puisse brosser un tableau complet - honnêtement, je ne le connais pas. Mais il est clair qu'ASML s'occupe de tout le reste. Des machines qui déplacent des centaines de wafers à l'heure, sans faire trembler la planète (revenons à l'analogie de la terre recouverte d'eau), gèrent la température, le vide, l'optimisation des sources et les étranges contorsions des motifs projetés qui ne demandent qu'à être bien vus dans un miroir incurvé.

En fait, cela me rappelle un peu ce que je fais à travers Senslogic, repoussant les limites de ce que peut être un expert en crossover, arrangeant le petit pour peindre une grande image. Comme Gru arrangeant ses Minions pour épeler un gigantesque "IT WORKS" - chaotique de près, parfait de loin.

Aujourd'hui, ce n'est plus la lithographie qui décide de la largeur absolue de la grille d'un transistor - ce relais a été définitivement passé avec le FinFET. Les nouvelles structures Gate-All-Around sont entre les mains des ingénieurs de processus et des experts en dépôt de couches atomiques. L'objectif de la lithographie a changé : il s'agit maintenant de savoir combien de milliards de transistors nous pouvons faire tenir sur une puce, et avec quelle intelligence nous pouvons les empiler et les connecter.

Prenez mon AMD Ryzen 7 8700G. Il contient 25,4 milliards de transistors sur 178 mm². Si vous faites le calcul, chaque transistor dispose d'une surface de 84 nanomètres sur 84 nanomètres. Imaginez que vous fassiez tout cela en utilisant des optiques d'une résolution d'environ 13 à 15 nanomètres.

C'est presque un acte de foi que d'insérer une source, une grille, un drain, des connexions locales et peut-être un ou deux via dans ce minuscule carré et d'essayer de l'imprimer, un million de fois. Mais comme nous l'avons vu, nous avons depuis longtemps franchi la ligne où la résolution optique pure était la principale contrainte. Aujourd'hui, il s'agit de savoir ce qui fonctionne, combien de couches de masque vous pouvez vous permettre et avec quelle créativité vous pouvez contourner les règles sans les enfreindre. C'est à ASML qu'il revient de s'assurer que tout cela fonctionne.

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.