EUV e lo stato della litografia

High-End Optical Lithography, what’s it all about

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.

Reaching the full performance potential of EUV isn’t just a matter of signing a contract and installing a new laser. It also requires ensuring that any photon reflected by the mask — when it finally reaches the wafer — must have traveled a path identical in length to every other path it potrebbe have taken through the optical system. Yes, that’s a bit of a mind-bender, but it’s essential: a good optical system must let each photon express its quantum nature, and in EUV lithography, this must happen with sub-nanometer precision.

It’s one thing to dip your finger in a pool of calm water and experience the spherical waves propagating away in all directions, it’s something completely different to make the clock go backwards and see those waves come in from the horizon to make a droplet of water jump at a single center.

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.

So, Trumpf and ASML do this amazing laser, and Zeiss SMT do aspherical mirrors that seem impossible to do. Where does that leave ASML? I think that to get a bit more of a handle on that, we need to look back a little. And I know, this is a bit focused on optics. It’s so much more.

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,

Before we get too far ahead of ourselves, let’s just define k₁.

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.

Starting from the left, if the pattern is not pushing the 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.

What is the point with all this. Well, the point is that it’s becoming hard to print. There is too much stuff close to the resolution limit. Or another way to put it, we are trying to do too much at once. We are still above k₁ > 1/4, ma sta diventando difficile, e difficile su tutti i fronti.

End of Primer and let’s have a look how “easy” lithography used to be.

Un po' di storia

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 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.

There’s no chance I can paint the full picture — I honestly don’t have it. But it’s clear where ASML fits, they take care of everything else. Machines that move hundreds of wafers an hour, without rocking the planet (back to water-covered earth analogy), manage temperature, vacuum, source optimization, and the strange contortions of projected patterns that just want to look good in a curved mirror.

In effetti mi ricorda un po' ciò che faccio through Senslogic, pushing the edge of what a crossover expert can be, arranging the small to paint a big picture. Like Gru arranging his Minions to spell out a giant “IT WORKS” — chaotic up close, perfect from a distance.

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.

It’s almost a leap of faith — fitting a source, gate, drain, local connections, and maybe a via or two — all into that tiny square and trying to print it, a million times. But as we’ve seen, we’ve long since crossed the line where pure optical resolution was the main constraint. Today, it’s about what works, how many mask layers you can afford, and how creatively you can bend the rules without breaking them. Making sure all that works is where ASML comes in, I believe.

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.