ASML levert binnenkort het eerste exemplaar van een nieuwe generatie waferscanners. Met een verbeterd optisch systeem produceren ze kleinere structuren dan de huidige machines.
ASML levert binnenkort de eerste machine met een verbeterd optisch systeem: met – in vakkringen – een ‘numerical aperture´ (NA) van 0,55. Huidige machines hebben een NA van 0,33.
NA is een maat voor de openingshoek van het optische systeem; dit is vergelijkbaar met het diafragma van een fotocamera, alleen werkt het niet traploos maar in ‘sprongen’. Hoe hoger de NA des te kleiner de af te beelden structuren (zie verdieping ‘Rayleigh-criterium’ onderaan dit artikel).
De kleinste af te beelden structuren met de nieuwe machine worden in theorie 8 nm. De huidige generatie euv-scanners (euv: extreem ultraviolet licht) produceert in theorie kleinste structuren van 10 nanometer (nm), maar in de praktijk wordt dat 20 à 24 nm.
In de pers wordt altijd gemeld dat de huidige machines van ASML kleinste structuren printen van 3 nm. Een woordvoerder van ASML kwalificeert dat echter als ‘marketing van chipproducenten’ (voor uitleg zie kader ‘kleinste structuren’).
ASML bestudeert of het (economisch) zin heeft om een NA van 0,7 te realiseren. Kleinste afmetingen worden dan theoretisch 4,8 nm.
Martin van den Brink, chief technical officer van ASML, zegt daarover in het jaarverslag 2022: ‘tien jaar geleden hielden wij het niet voor mogelijk om een numerical aperture groter dan 0,55 te realiseren, maar we zijn er nu toch mee bezig’.
Meest complexe machine
De waferscanner van ASML die werkt met extreem ultraviolet licht is de meest complexe machine die op deze wereld wordt gebouwd. Ga maar na: honderdduizend componenten afkomstig van meer dan zeshonderd leveranciers, chips die in enkele honderden lagen worden opgebouwd, elke seconde vijftigduizend druppels tin beschieten om extreem ultraviolet licht te genereren. De machine bevat vele speciale materialen die deels zelf zijn ontwikkeld.
Een waferscanner (ASML begon met steppers, maar de huidige machines steppen en scannen; dat laatste is nu het dominante proces) is in wezen een projectiesysteem. De meest geavanceerde versie bestaat uit een lichtbron, een masker met het patroon van een elektronische schakeling, spiegels om de lichtstraal te richten, en een ronde silicium-schijf – een wafer – met een lichtgevoelige coating, die op een tafel ligt waarvan het blad stapsgewijs in x- en y-richting kan verschuiven.
De werking is als volgt: een lichtstraal scant het masker, met daarop het patroon van een laag van de chip, en projecteert dat patroon via een tiental spiegels in de lichtgevoelige laag op een plekje op de wafer (of plak, of wafel). Als dat klaar is verspringt – in het Engels: to step – het tafelblad met daarop de wafer naar een volgende positie voor een nieuwe projectie. Dat gaat zo stapsgewijs door tot de hele wafer volledig bedekt is met het gewenste patroon. Dan wordt de belichte laag op een andere machine ‘ontwikkeld’, en blijft er een soort stencil met het gewenste patroon achter in de lak. Dat proces herhaalt zich vaak meer dan honderd keer. Zo ontstaat uiteindelijk een driedimensionale structuur, vanaf de transistoren in het silicium tot aan het ‘contact met de buitenwereld’ in de bovenste laag van de chip.
Een scanner kan zo’n tweehonderd wafers per uur belichten. Het hele proces om een geavanceerde chip te maken middels het belichten en bouwen van de meer dan honderd lagen op de chips op de wafer, waarbij deze laatste vaak van machine wisselt, kan wel twee maanden duren. Als sluitstuk van het hele proces wordt de plak langs de lijnen van de schakelingen in stukjes gezaagd en omkapseld met een epoxy ‘beschermjas’, en zie daar: chips.
Extreem ultraviolet licht
Twintig jaar geleden begon het onderzoek naar extreem ultraviolet licht (euv). Het bleek buitengewoon lastig om dit licht op te wekken (‘het was bloed, zweet en tranen’, zegt R&D-directeur Jos Benschop in het jaarverslag 2022), maar ook om het van lichtbron naar wafer te transporteren.
Al gauw werd duidelijk dat lenzen al het euv-licht absorberen. Daarom is overgegaan op spiegels geplaatst in vacuüm. De huidige euv-machine telt een tiental spiegels: de eerste spiegels concentreren het licht van de CO₂-laser op het masker, waarna volgende spiegels het weerkaatste licht concentreren op de wafer. Elke spiegel absorbeert dertig procent van het licht, zodat er uiteindelijk maar zo’n één procent van het oorspronkelijke licht op de wafer terecht komt.
Het aantal chips per wafer (of: plak) verschilt, afhankelijk van hun toepassing. De processor van de iPhone meet 11 x 11 millimeter, de geheugenchip voor een fotocamera twee bij drie centimeter. De iPhone chip bestaat uit honderd lagen, die voor de fotocamera telt drie- à vierhonderd lagen.
De meest fijne structuren, zoals transistoren, zitten op de onderste laag van de chip. Dat kunnen tientallen miljarden componenten zijn; in de iPhone-chip twintig miljard. Pootjes op deze laag vormen de verbindingen naar de laag erboven. Op de hogere lagen komen steeds grotere structuren. Die laatsten kunnen ook worden gelegd door machines van een oudere generatie, die met licht van een grotere golflengte werken.
Plakken die voor elke laag door de machine gaan, of overgaan naar een andere machine, moeten uiterst nauwkeurig op dezelfde positie terechtkomen. Dat gebeurt met een precisie van minder dan één nanometer en wordt gecontroleerd op picometer-niveau.
De ronde waferschijf ligt op een tafel die in x- en y-richting kan bewegen, en met magnetische levitatie ook omhoog en omlaag kan. Hij kan tevens ietsje kantelen, zodat de chip exact in focus van de optiek kan worden belicht. Sensoren leggen de positie van de tafel twintigduizend keer per seconde vast, met een nauwkeurigheid van zestig picometer (een siliciumatoom is groter).
Managen van complexiteit
De euv-scanner van ASML is de meest complexe machine die op aarde wordt gebouwd. Met de nieuwe generatie, met een hogere NA, neemt die complexiteit verder toe. CTO Martin van dan Brink noemt in het eerder aangehaalde jaarverslag 2022 ‘het managen van complexiteit is de grootste uitdaging waar ASML in de toekomst voor staat’.
Verdieping: kleinste structuren
ASML claimt voor de kleinst af te beelden structuren op de chip van de huidige generatie waferscanners afmetingen van 20 à 24 nanometer (nm). Chipfabrikanten die met deze machines werken hebben het echter over een kleinste dimensie van 3 nm. Ze doen dit, aldus een woordvoerder van ASML, om verschillende chipgeneraties aan te prijzen.
Om dit opmerkelijke gedoe met dimensies te verklaren verwijst ASML naar deze Wikipedia-pagina.
Hier staat: ‘The term “3 nanometer” has no relation to any actual physical feature (such as gate length, metal pitch or gate pitch) of the transistors’. En volgens de International Roadmap for Devices and Systems van de IEEE (internationale elektronische industrie): ‘a 3 nm node is expected to have a contacted gate pitch of 48 nanometers and a tightest metal pitch of 24 nanometers’.
Verdieping: het Rayleigh-criterium
Het Rayleigh-criterium bepaalt de prestatie van de waferscanner qua productie van de kleinste structuren:
CD = k₁ . (lambda / NA)
CD = Critical Dimension: kleinst mogelijke lijnbreedte
k₁ = coëfficiënt afhankelijk van het productieproces in de machine; deze coëfficiënt is vastgelegd in het ontwerp. De k₁ van de huidige euv-stepper bedraagt 0,25
lambda = golflengte van het licht: bij euv-licht is dat 13,5 nanometer
NA = Numerical Aperture: een maat voor de hoeken waarmee licht de spiegels binnenvalt en weer uittreedt. Bij de euv-stepper is de NA 0,33
Uit de formule volgt dat kleinere structuren kunnen worden gerealiseerd door het ontwerp van de machine aan te passen, de golflengte van het laserlicht te verkleinen, en door de lichtinvals- en -uitvalshoeken van de spiegels te vergroten.
De huidige en nieuwe generatie EUV-machines van ASML print met extreem ultraviolet licht met een golflengte van 13,5 nanometer.
Die lijnen kunnen ook smaller worden door de hoeken te vergroten waarmee het euv-licht door de spiegels op de wafer valt. Deze ‘numerical aperture’ (NA) is bij de huidige euv-machines 0,33.
Deze drie factoren – k₁, lambda, NA – leiden ertoe dat de kleinste structuren op de chip in de huidige generatie machines in theorie een afmeting kunnen krijgen van 10 nm ((13,5 : 0,33) x 0,25). In de praktijk wordt dat echter 20 à 24 nm. In testopstellingen is 13 nm gerealiseerd.
Bij de nieuwe generatie, met een NA van 0,55, wordt dat theoretisch (13,5 : 0,55) x 0,25 = 8 nm. Met een NA van 0,7 gaat dat naar 4,8 nm.
Verdieping: afmetingen van enkele objecten
- diameter speldenknop – 1 millimeter, of 1 miljoen nanometer
- diameter menselijke haar – 80 micrometer, of 80.000 nanometer
- lengte staart menselijke spermacel – 50 micrometer
- diameter menselijke eicel – 20 micrometer
- dikte aluminium huishoudfolie – 10 micrometer
- diameter bacterie – 2 micrometer
- dikte wand van een zeepbel – 750 nanometer
- lengte virus – 100 nanometer
- dikte dna-molecuul – 2 nanometer
- diameter waterstofatoom – 0,1 nanometer
Bron: Hoe groot kan klein zijn, publicatie KNAW, 2004
