Onderzoekers ontwikkelen snelle, maskerloze lithografietechniek

Het gebruik van zogeheten plasmonische lenzen kan de maskerloze productie van microchips mogelijk maken. Hiermee zouden chips sneller en goedkoper te produceren moeten zijn.

Een groep onderzoekers van de universiteit van Berkeley heeft een methode ontwikkeld om chipontwerpen op substraten over te brengen zonder tussenkomst van een masker. De methode maakt gebruik van plasmonische lenzen, die het laserlicht waarmee de chips geëtst worden, beter kunnen richten en bundelen dan optische lenzen. Een plasmonische lens ontstaat door bundels licht door sterke elektrische velden te laten focussen. Die velden worden gecreëerd door de oscillerende interactie van fotonen met de elektronenwolk in metalen. Concentrische metalen ringen waarbinnen dit verschijnsel zich voordoet, kunnen een lichtbundel zeer precies focussen.

De gebruikelijke manier om een chip te produceren maakt gebruik van een masker met daarop het ontwerp van de chip. Dat ontwerp wordt met licht en lenzen overgebracht op een schijf silicium, waarna via etsen de uiteindelijke structuren gevormd worden. Omdat de golflengte van licht de afmetingen van de kleinste chipstructuren begrenst, wordt het steeds lastiger om details kleiner dan de huidige 45nm tot 32nm op het silicium over te brengen. Alternatieve methodes, zoals het gebruik van een straal elektronen of ionen om het silicium direct weg te etsen, kunnen kleinere details realiseren, maar zijn traag.

Lichtgolven blijven een aantrekkelijk medium voor fotolithografie vormen, aangezien lichtgolven - anders dan bundels elektronen of ionen - weinig met elkaar interfereren. Een probleem bij het gebruik van lichtgolven is echter dat optische lenzen het licht onvoldoende kunnen focussen om met succes nanometerstructuren te etsen. De onderzoekers van de universiteit van Berkeley ontwikkelden een oplossing voor dit probleem die gebruikmaakt van plasmonische lenzen. Deze lenzen kunnen licht in een gebied van ongeveer vijf tot tien nanometer concentreren.

Een obstakel dat de wetenschappers hierbij moesten overwinnen, was het instellen van de brandpuntsafstand van de plasmonische lenzen: die bedraagt slechts twintig nanometer. De oplossing die de onderzoekers beschrijven, is het laten zweven van de lenzen. Bij hun proeven maakten ze succesvol gebruik van een luchtkussen om de afstand van 20nm te handhaven. Wanneer de lens te hoog zweeft, neemt de druk af, zodat de lens daalt en vice versa. Door het substraat met 2000rpm rond te laten draaien en gebruik te maken van zestien lenzen, wisten de onderzoekers patronen in het substraat te schrijven.

Toch zijn er nog wat obstakels te overwinnen. Het kleine glazen substraat dat de onderzoekers voor hun proeven gebruikten, is niet te vergelijken met een siliciumwafer, en de snelheid waarmee de zestien lens-lasercombinaties kunnen schrijven, is nog veel te laag voor toepassing in productieomgevingen: pas wanneer duizend lenzen gebruikt zouden worden, is de snelheid vergelijkbaar met die van de bestaande fotolithografiepprocedés. Ook waren de detail-afmetingen in de test 145nm, en is de vraag of de vereiste lensafstand van 20 nm ook bij kleinere details gehandhaafd kan blijven.

Daar staat echter tegenover dat bij de nieuwe techniek het gebruik van een masker overbodig is. Het weglaten van deze dure en tijdrovende stap kan de ontwikkeltijd van chips verkorten en de productie goedkoper maken. Bovendien zou dan een grens wegvallen die de verdere miniaturisering van chips steeds meer in de weg begint te staan.

Reacties (24)

[Verwijderd]

Ik begrijp dat dit een beetje een lastig onderwerp is.... Maar er staan veel kromme beschrijvingen in het artikel...

Licht is een golfverschijnsel, en interferreert als een gek. Sterker... focusseren van licht tot een (diffractie gelimiteerde) spot is een puur interferentie fenomeen. Om licht te focusseren kun je nooit verder de diffractie limiet. Die 'plasmon lensen' doen dat dus ook helemaal niet...

Die 'plasmon lensen' zijn ook helemaal geen lenzen. In weze is het niet veel meer dan een gaatje dat te klein is om licht door te laten. Er schijnt dus geen licht door! (Er is geen reëel golfvector) Maar omdat licht een elektromagnetische golf is, is het ook niet gelijk afgelopen wanneer het bij een te kleine opening komt. Het elektromagnetische veld van het licht dringt nog een beetje door voorbij de opening. Maar de sterkte daalt exponentieel. (Er is alleen een imaginaire golfvector). Alleen zeer dicht bij (minder dan de golflengte van het licht), zul je het nog waarnemen. Daarom moet men dus ook op 20nm naderen. Zit je iets verder, dan is er helemaal geen licht meer... Daarom noemt men dit 'near-field' optica, in tegenstelling tot de normale 'far-field' optica.

Omdat die "plasmon lensen" helemaal geen licht focusseren, zijn ze ook niet gevoelig voor de diffractie limiet... Vandaar dat men daarmee kleinere licht spotjes mee kan maken. Maar je verliest wel verschrikkelijk veel licht, én je moet op verschrikkelijk kleine afstand van je lichtgevoelige laag zitten. Want het is dus geen lichtstraal meer.

Deze techniek is opzich niet nieuw... In de biologie wordt de SNOM of NSOM (scanning near field optical microscope) al jaren gebruikt. Bij SNOM is de spotgrootte in de praktijk niet veel kleiner dan 50-100nm gegaan. Aangezien het vrijwel hetzelfde systeem is, moet ik het eerst nog zien dat ze hier tot 5-10 nm komen... En dan ook nog in een productie omgeving, i.p.v. een onderzoeks lab...


Waar het artikel een grote fout maakt, is het masker proces tijdrovend noemen... Het is juist het omgekeerd. Maskers zijn het allersnelste wat er bestaat. Eén lichtpuls, en je bent klaar. Dat in tegenstelling tot deze techniek, die moet scannen, en dus veel meer tijd in beslag neemt. Voor productie werk zijn maskers dus juist gigantische snel. Maskers zijn niet goedkoop, maar bij grote productie zie je die eenmalige kosten van het masker helemaal niet meer terug. Echter, bij prototypen en uitermate kleinschalige productie, kan het produceren van het masker zelf wel tijdrovend en kostbaar zijn. Dan loont het zich om een maskerloos proces te nemen. (En natuurlijk als dit proces een hogere resolutie zou halen.)

Verder is het nogal dubieuz dat dit systeem zoveel sneller zou zijn dan andere maskerloze systemen... Al die systemen moeten gewoon scannen, en zijn op dat punt niet wezenlijk anders van elkaar. Misschien dat ze het hier iets makkelijker parrallek kunnen maken...

[koraks243]

Alleen zeer dicht bij (minder dan de golflengte van het licht), zul je het nog waarnemen. Daarom moet men dus ook op 20nm naderen.

Ik vermoed dat dit (en het feit dat ze snel ronddraaien) nog hogere eisen gaat stellen aan de vlakheid en massa-homogeniteit van de gebruikte wafers. Dit zijn nu juist parameters die ófwel helemaal geen probleem zijn in de optische lithografie (gewichtsdistributie) ófwel waarvoor betrekkelijk goed gecompenseerd kan worden tijdens belichting (vlakheid). Hoe dan ook, de introductie van een nieuwe technologie die hogere eisen stelt aan de gebruikte wafer betekent een grote impact op de fabricage van wafers, dus een in het geheel grotere impact op de halfgeleiderindustrie. Dit zal de implementatie in de weg staan, die daardoor zeker langer op zich zal laten wachten dan concepten die minder 'radicaal' zijn.

et is juist het omgekeerd. Maskers zijn het allersnelste wat er bestaat. Eén lichtpuls, en je bent klaar. Dat in tegenstelling tot deze techniek, die moet scannen, en dus veel meer tijd in beslag neemt.

Vergeet niet dat in de hedendaagse optische lithografie het masker ook gescand wordt. Hier wordt echter een hele baan tegelijk gescand, terwijl maskless lithografie per beeldpunt zal moeten scannen, wat het inderdaad inherent langzamer maakt.

[zonoskar]

Waar het artikel een grote fout maakt, is het masker proces tijdrovend noemen... Het is juist het omgekeerd. Maskers zijn het allersnelste wat er bestaat.

Het maken van een masker neemt veel tijd in beslag, ik denk dat het artikel dat bedoeld. Het gebruiken van het masker is idd erg snel, gewoon belichten en klaar is kees. Echter het maken ervan is lastig en duur.

[Rob Coops]

Dus eigenlijk hebben ze op dit moment niet veel meer dan een theorie die voor lopig nog niet in de praktijk werkt, 145nm is veel te groot voor bedrijven die nu op 32 - 90nm produceren.
Daarnaast is het met zestien lenzen ongeveer 62x langzaamer dan de huidige technieken en of je ook nog zo precies kan werken waneer je niet 16 maar 1000 lenzen aan moet sturen is nog maar de vraag.

Naturlijk is er een goede kans dat dit de toekomst gaat worden, want maskers zijn toch steeds duidelijker een te grove methode om de altijd maar kleiner wordende structuren op het silicium over te brengen. Maskers weg laten doet ook hun beperkingen weg laten, en als je daar door, 20 of zelfs 10nm structuren zou kunnen maken dan mag dat vast ook wel iets langzamer gaan dan het nu gaat, simpel weg omdat er flink wat meer uit een wafer gehaald kan worden, maar voor loopig is men daar nog niet.

[miw]

Ook raar om een beweegbare laser straal te gebruiken om patronen te etsen. Dat doet men immers al tientallen jaren met electronen stralen.
Overigens heeft men nog steeds een masker nodig; zonder beschrijving van de topografie van de chip is deze ook niet te produceren. Hooguit kan men stellen dat voor deze productietechniek geen fysiek masker nodig is. Overigens zijn maskers dus veel sneller voor de chip productie.

[Woy]

In delft zit ook een bedrijf wat al een tijd bezig is met het ontwikkelen van maskerloze chip productie.

http://www.mapperlithography.com/

ASML was geloof ik zelf ook bezig met maskerloos etsen door middel van spiegels, maar daar weet ik wat minder vanaf.

[MistahMastah]

ASML is bezig met het ontwikkelen van zeer geconcentreerd licht (ze praten zelf over 13,5nm) en door reflectie van spiegels moet dit inderdaad tot een sterke lichtbundel leiden die dan op 10nm chips zou kunnen produceren. Het probleem is echter dat ze nog niet goed weten hoe het spiegelsysteem schoongehouden zou worden.

Hier staat meer informatie over de spiegelreflectiemethode van ASML

[koraks243]

Eventjes twee dingen uit elkaar houden:
- EUV-L, de techniek waar de hele halfgeleiderindustrie haar hoop op heeft gevestigd voor de realisatie van de nodes van pakweg 32nm tot 10 nm (?). Dit werkt zoals al gezegd met spiegels, maar in zowel de implementatie van Nikon als van ASML ook met een (reflectief) masker
- Maskless lithografie, bij ASML 'OML' genoemd, maar waar ASML op dit moment weinig heil in lijkt te zien. Niet zozeer vanwege de projectietechniek, maar vooral vanwege de data-afhandeling: maskless lithografie vereist bizar grote en snelle datastromen. De CTO van ASML doet in dit artikel van Bits 'n' Chips e.e.a. uit de doeken m.b.t. maskless lithografie.

[miw]

Een golflengte van 13 nm is toch echt geen "licht' meer. Straling van deze golflengtes heeft meestal de naam diep ultraviolet of zachte roentgen straling.

[MistahMastah]

Het wordt 'extreem UV licht' genoemd. Diep ultraviolet licht heeft een frequentie van ongeveer 10 keer zo groot.

Maar wat voor licht geldt, geldt ook voor geluid. Als iets op 400Ghz een geluid produceert praat je toch ook nog steeds over geluid. Je kan het alleen niet horen, en het licht kan je in dit geval ook niet zien. Tenminste, met het blote oog.

[Woy]

het is geen licht in het zichtbare spectrum nee, maar ultraviolet is toch ook gewoon licht?

[Verwijderd]

Het zijn natuurlijk gewoon fotonen ja. Dat is gammasraling en radiogolven ook. Maar het is wel relevante informatie omdat dit Rontgenstraling zich heel anders gedraagd dan zichtbaar licht of radiogolven.

[Arie Atari]

Ik ben benieuwd of ASML hier aan mee heeft gewerkt. Anders komt er misschien een nieuwe concurrent op de markt.

[Verwijderd]

Een nieuwe lithografietechniek is nog niet hetzelfrde als een heel apparaat productieklaar maken. Grote kans dat bedrijven als ASML dit soort research(ers) opkopen als ze de techniek graag willen gebruiken.

[Verwijderd]

Doordat je nu een masker maakt dat je voor een groot aantal chips en wafers gebruikt zijn alle chips gelijk (voor zover ik weet). Wanneer je met een laser gaat schrijven schakel je de lichtstraal aan en uit. Zo wordt het mogelijk om al bij het belichten van het materiaal unieke eigenschappen in een chip aan te brengen. Zoals bijvoorbeeld een ID.

[FlatPro]

dat is wel mooi. maarja de markt merkt daar nog jaren niks van aangezien het nog lang niet ingebruik kan worden genomen.

[spNk]

maar al wel vast door ontwikkeld worden.

[johnbetonschaar]

De grote spelers in de lithografiemarkt zouden wel eens een stuk verder kunnen zijn met dit soort technieken dan dit artikel doet vermoeden. Zonder verder op details in te gaan weten insiders wel wat daarmee bedoeld wordt...

Edit: zie ook hieronder de reacties van rwb en MistahMastah, het gebruik van een plasma in plaats van een lens (licht met een dergelijke kleine golflengte gaat niet door een lens) is geenszins een nieuwe ontdekking...

[Reactie gewijzigd door johnbetonschaar op 25 juli 2024 06:03]

[TeXiCiTy]

Maar het zijn wel onderzoeken als deze die ervoor zorgen dat we al decennia de wet van Moore volgen En als ik zo de berichten van de i7 hoor gaat het toch wel snel genoeg in de industrie. Als CPUs nog sneller "sneller en goedkoper" worden zal het alleen resulteren in inefficiënter proggen vrees ik.

[RalphM.]

Daar heb je helaas gelijk in. Met een beetje geluk komen de telefoonprogrammeurs af en toe met kennis naar de PC-markt stappen.
Maar daarentegen heeft Microsoft beloofd een nieuwe, snellere kernel te maken. De kans is wel dat het vooral reclame is waarna ze hem met allerlei nutteloze dingetjes weer zwaar maken. Ik ben overigens wel een fanatieke Vista gebruiker vanaf het begin dat deze uit kwam.

[Verwijderd]

Vista is vooral zwaar vanwege de grafische schil. Zet 'm in classic mode en de snelheid gaat enorm omhoog. Op telefoons lijkt me een lichtere interface zowiezo prettiger werken, al was het maar omdat de schermen veel kleiner zijn.

[PPie]

Maar die grafische schil is niet geoptimaliseerd.
Mac OS X maakt al lang gebruik van de GPU om je 2D desktop te tekenen en kan met veel minder resources een gelikte GUI bieden. Als je GPU bepaalde dingen niet ondersteund gebruikt het gewoon de CPU. Waarom heeft Vista dan zo'n dikke GPU nodig?

[Jeanpaul145]

Het is niet de kernel die zo zwaar is (De NT6.x kernel schijnt maar iets van 50-60MB in te nemen als ik het me correct herinner), het is de meuk eromheen: Idd de grafische schil (zoals johanw910 als aangeeft), maar ook de compatibility layers (immers, die moeten ook in het geheugen geladen worden, sommige delen van Vista maken er immers ook gebruik van) en simpelweg de legacy code (en daar is gigantisch veel van).