L’ottica di alta qualità per la litografia, di cosa si tratta?

La litografia EUV sembra la scienza fantastica resa realtà: specchi con una levigatezza a livello atomico, luce generata dal plasma di stagno e macchine che costano più di una flotta di jet privati — tutto per incidere caratteristiche di dimensioni nanometriche sul silicio. Eppure, nonostante tutta la sua audacia tecnica, la EUV è ancora un progetto in corso. È lo strumento più avanzato a disposizione per la produzione dei chip — e allo stesso tempo uno dei collegamenti più fragili della catena di approvvigionamento dei semiconduttori.

Con questo intervento tecnico vorrei affrontare questo argomento da una prospettiva che non ho riscontrato altrove, nella speranza che possa illuminare lo stato dell'arte della litografia ad alta risoluzione e toccare il tema del ruolo di ASML.

Cos'è esattamente che fa ASML?

Quando ASML, TRUMPF, e Zeiss aprendo lo spettro dell’ultravioletto estremo (EUV), tutti sono stati probabilmente colpiti da un senso di stupore; se non lo è, lo dovrebbero essere. So che lo sono stato anch’io. Costruire a questa lunghezza d’onda non è solo una questione di trovare la sorgente luminosa. Senza dubbio, il TRUMPF Laser Amplifier è un prodotto straordinario. D’altro canto, lo stesso vale per l’ottica e il lavoro che ASML ha svolto nella parte EUV della sorgente luminosa è un esempio di ingegneria dei sistemi al suo meglio. Non posso fornire una mera ricostruzione di questa storia. Andate a vedere Video di Veritasium Su questo. Il link fa riferimento a un momento specifico della storia, che mi sembra davvero incredibile, ma comunque lo vedo tutto.

Raggiungere il pieno potenziale di performance dell’EUV non è solo una questione di firmare un contratto e installare un nuovo laser. Richiede anche di garantire che qualsiasi fotone riflesso dalla maschera – quando finalmente raggiunge il wafer – debba aver percorso un percorso identico a ogni altro percorso che ha attraversato. potrebbe Sono passati attraverso il sistema ottico. Sì, è un po’ complicato da capire, ma è essenziale: un buon sistema ottico deve consentire a ogni fotone di esprimere la sua natura quantistica, e nella litografia EUV questo deve avvenire con una precisione sub-nanometrica.

È una cosa diversa immergere il dito in un pozzetto d’acqua calma e assistere alle onde sferiche che si propagano in tutte le direzioni; è un’esperienza completamente diversa farlo girare indietro e vedere quelle onde arrivare dall’orizzonte per far saltare una goccia d’acqua verso un unico centro.

Per rendere Zeiss onorevole come merita, immaginate la Terra ricoperta perfettamente da un vasto oceano incontaminato che si estende dal Polo Sud al Polo Nord. Lanciate una piccola pietra nel centro esatto del Polo Sud. Quindi, silenziosamente, spostatevi verso il Polo Nord e aspettate. Nel tempo, le onde si diffondono su tutto il pianeta, convergendo in un unico punto, rilasciando tutta la loro energia in una singola goccia perfetta e lucente. Nel complesso, queste onde modellano e rifiniscono il pianeta fino a farlo esattamente ciò che è destinato a diventare.

Così, la Trumpf e la ASML realizzano questo incredibile laser, e la Zeiss SMT produce specchi asferici che sembrano impossibili da realizzare. Dove finisce la ASML? Penso che per capire meglio la situazione dobbiamo fare un po’ un balzo indietro nel tempo. E so che questo è un argomento un po’ specifico nell’ambito dell’ottica. È molto più ampio.

Un manuale di litografia

Prima di poter apprezzare appieno lo stato della litografia oggi, dobbiamo fare un passo indietro e riflettere su ciò che è stato fatto fino ad oggi. vedete le basi e dove un tempo si usava la litografia.

I sistemi di litografia sono due sistemi di proiezione 4-F sovrapposti: uno proietta la sorgente sulla pupilla del sistema, e l'altro proietta la maschera su qualcosa sensibile alla luce.

Quando aggiungiamo la struttura alla maschera, vedremo invece qualcosa di simile a questo:,

E se questo fosse stato un sistema I-line o KrF in cui si potesse inserire un pezzo di carta senza rovinare tutto, avreste potuto vedere questo nel pupillo,

Prima di andare troppo oltre, diamo semplicemente una definizione di k.₁.

dove H.P. rappresenta la metà dello spazio occupato da una struttura periodica, un reticolo binario, ma per l’obiettivo di questo articolo, rappresenta il limite di risoluzione che possiamo raggiungere. Ogni colore rappresenta un modo di diffrazione.

Partendo da sinistra, se il pattern non supera i limiti di risoluzione, avremo quello che possiamo definire una litografia facile. La maggior parte della luce diffusa dalla maschera continua a passare attraverso l’apertura oculare. Al centro, ci avviciniamo a una litografia non così facile. Il centro degli ordini di diffrazione si trova proprio al bordo dell’apertura oculare, che è bello, ma abbiamo perso una parte della luce, quindi il nostro disegno latente perde di nitidezza. Questo stampa ancora senza troppi problemi. Dovremo prestare attenzione a alcuni dettagli della maschera. Spostandoci più a destra, siamo ora nella zona più dolorosa. Probabilmente questo stampa ancora. Forse non così bene con questa particolare illuminazione. Forse avremmo preferito un anello, o addirittura un’illuminazione più avanzata. Avremmo recuperato parte delle sfumature nell’immagine latente. Affronteremo difficoltà nel controllare le larghezze delle linee. Forse vorremmo aggiungere linee assistenti non risolte per recuperare una certa tolleranza di messa a fuoco. Forse qualche serifaggio aggiuntivo per rendere gli angoli più vivi e così via, così via.

Qual è il punto di tutto questo? Beh, il punto è che diventa difficile stampare. Ci sono troppe cose vicino al limite di risoluzione. O detto in un altro modo, stiamo cercando di fare troppo in una sola volta. Siamo ancora al di sopra di k₁ > 1/4, ma sta diventando difficile, e difficile su tutti i fronti.

Fine del Primer e vediamo come una volta la litografia era molto semplice.

Un po' di storia

La tabella riportata di seguito è un tentativo di riassumere come l’industria della litografia sia passata da una pura attività di ottica a qualcosa che funzioni davvero. Per questo non intendo dire che l’ottica non sia davvero importante, è assolutamente così, ma per quasi due decenni l’industria si è trovata in una situazione in cui non era possibile stampare oltre i limiti di risoluzione, affidandosi a tutto ciò che riusciva a reperire.

La regione del dolore litico scende fino a k₁ = 1/4. In senso stretto, non possiamo nemmeno stampare lì, ma è possibile avvicinarsi sorprendentemente a questo risultato. Quando scendiamo sotto il 1/4, dobbiamo essere creativi. Esaminiamo gli assiomi dell’ottica e vediamo quali possono essere infranti mentre possiamo ancora farcela.

Allora dove siamo?

C’era un tempo in cui la velocità della CPU dipendeva esclusivamente dal gate, e il gate era tutto incentrato sull’ottica. Quell’epoca è ormai passata. Da allora, abbiamo continuato a ridurre le dimensioni dei nodi utilizzando la litografia ottica — ma solo attraverso l’utilizzo della creatività. Trucchi come la duplicazione (o la triplicazione) dei pattern, l’interferenza con maschere a fase alternata, i vortex modes, le assist line e altro sono diventati parte dello standard. Alcune di queste idee risalgono a due decenni fa, ma nel tempo sono diventate elementi fondamentali della pratica quotidiana. Le configurazioni delle celle hanno dovuto adattarsi, anziché semplicemente copiare le forme previste; ora si piegano a forma di pretzel solo per apparire giusto dopo aver attraversato il sistema di proiezione.

Non ho la possibilità di dipingere l’intero quadro — sinceramente non ce l’ho. Ma è chiaro dove si inserisce ASML: si occupano di tutto il resto. Macchine che spostano centinaia di wafer all’ora, senza far tremare il pianeta (tornando all’analogia con la terra coperta d’acqua), gestiscono la temperatura, il vuoto, l’ottimizzazione delle sorgenti e le strane contorture dei pattern proiettati che vogliono solo apparire belli in uno specchio curvato.

In effetti mi ricorda un po' ciò che faccio Attraverso Senslogic, spingendo oltre i limiti dell’esperienza di un esperto di crossover, organizzando il piccolo per dipingere un grande quadro. Come Gru che ordina i suoi Minions per scrivere un gigantesco “IT WORKS” — caotico da vicino, perfetto da lontano.

Oggi, la litografia non determina più la larghezza assoluta del gate del transistor: quel bastone è stato finalmente passato al FinFET. Le nuove strutture Gate-All-Around sono nelle mani degli ingegneri di processo e degli esperti di deposizione atomica di strati. L’attenzione della litografia si è spostata: ora si tratta di calcolare quanti miliardi di transistor possiamo racchiudere su una matrice e come possiamo impilare e collegarli in modo intelligente.

Prendiamo il mio processore AMD Ryzen 7 8700G. Ha 25,4 miliardi di transistor su una superficie di 178 mm². Se si fa la matematica, ogni transistor ha circa 84 x 84 nanometri di spazio su wafer per funzionare. Immaginate di farlo tutto usando l’ottica con una risoluzione di circa 13-15 nanometri.

È quasi un salto di fede — integrare una sorgente, una porta, un drenaggio, connessioni locali e forse un paio di vie — tutto in quel minuscolo quadrato e cercare di stamparlo, un milione di volte. Ma come abbiamo visto, da tempo abbiamo superato il limite in cui la risoluzione ottica pura era la principale limitazione. Oggi si tratta di scegliere ciò che funziona, di poter permettersi quante più strati di mask possibili e di saper piegare le regole in modo creativo senza violarle. La funzione di ASML è quella di garantire che tutto ciò funzioni, credo.

Per riassumere le notizie recenti, TSMC non adotterà l’EUV ad alta risoluzione per il suo processo a 14 angstrom. Immaginate di dover prendere una decisione di sviluppo in un ambito di applicazioni sempre più complesso, dove i clienti bilanciano una serie di opzioni tecnologiche, tutte costose e la maggior parte delle quali quasi impossibile da comprendere da un singolo individuo. Non a caso, ASML acquista aziende che operano nel settore delle applicazioni. La comprensione di tale potenziale deve essere una conoscenza fondamentale quando si valutano le future opzioni di sviluppo.