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

Avant de pouvoir apprécier pleinement la situation de la lithographie aujourd'hui, il convient de prendre un peu de recul. examiner les principes de base et où se trouvait la lithographie.

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 représente la moitié du pas d'une structure périodique, un réseau binaire, mais pour les besoins de ce discours technique, il représente notre limite de résolution. Chaque couleur représente un mode de diffraction.

En partant de la gauche, si le motif ne dépasse pas la limite de résolution, nous aurons ce que l'on peut appeler une lithographie facile. La majeure partie de la lumière diffractée par le masque passe encore à travers la pupille. Au milieu, nous nous approchons d'une lithographie moins facile. Le centre des ordres de diffraction est juste au bord de la pupille, c'est bien, mais nous avons perdu de la lumière, donc notre image latente perd de l'acuité. Cela s'imprime quand même sans trop de problème. Nous devrons prêter attention à certains détails du masque. En nous déplaçant davantage vers la droite, nous nous trouvons maintenant dans la région douloureuse. Cette image s'imprime probablement encore. Peut-être moins bien avec cet éclairage particulier. Nous aurions peut-être préféré un anneau, voire un éclairage plus avancé. Nous aurions retrouvé une partie des pentes de l'image latente. Nous aurons du mal à contrôler la largeur des lignes. Nous aimerions peut-être ajouter des lignes d'assistance non résolues pour retrouver une certaine tolérance de mise au point. Peut-être quelques empattements supplémentaires pour rendre les coins plus nets, et ainsi de suite.

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, mais la situation devient difficile, et ce sur tous les fronts.

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

Un peu d'histoire

Le tableau ci-dessous tente de résumer comment l'industrie de la lithographie est passée de l'optique pure à tout ce qui fonctionne. Je ne veux pas dire par là que l'optique n'est pas très importante, elle l'est absolument, mais pendant près de deux décennies, l'industrie s'est trouvée dans la zone non imprimable, s'appuyant sur tout ce qui lui tombait sous la main pour imprimer au-delà de la limite de résolution.

La région où la lithographie est douloureuse va jusqu'à k₁ = 1/4. À proprement parler, nous ne pouvons même pas imprimer ce chiffre, mais il est possible de s'en approcher de manière surprenante. Lorsque nous descendons en dessous de 1/4, nous devons faire preuve de créativité. Examinez les axiomes de l'optique et voyez quels sont ceux qui peuvent être enfreints tant qu'il est encore possible de le faire.

Où en sommes-nous ?

Il fut un temps où la vitesse de l'unité centrale était une question de porte, et où la porte était une question d'optique. Cette époque est révolue depuis un certain temps. Depuis lors, nous avons continué à réduire les nœuds en utilisant la lithographie optique, mais seulement en faisant preuve de créativité. Des astuces telles que le double (ou triple) modelage, l'utilisation de l'interférence avec des masques à déphasage alternatif, les modes vortex, les lignes d'assistance, et bien d'autres encore, ont été intégrées à la boîte à outils standard. Certaines de ces idées remontent à vingt ans, mais elles sont devenues des éléments essentiels de la vie quotidienne au fil du temps. L'agencement des cellules a dû s'adapter : au lieu de simplement copier les formes prévues, elles se tordent en bretzels juste pour avoir l'air d'une cellule. 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.

Pour faire le lien avec la récente nouvelle selon laquelle TSMC n'adoptera pas l'EUV à haute teneur en azote pour son processus de 14 angströms, je dirais qu'il s'agit d'une décision de développement. Imaginez une décision de développement dans cet espace d'application de produits de plus en plus complexe, où les clients mettent en balance un certain nombre d'options technologiques, toutes coûteuses, dont la plupart sont pratiquement impossibles à appréhender par un seul individu. Il n'est pas étonnant qu'ASML achète des entreprises travaillant dans ce domaine d'application. Comprendre ce potentiel doit être une connaissance cruciale lorsqu'il s'agit de peser les options de développement futur.