Krijgt euv eindelijk concurrentie?- Canon drukt stempel op chipindustrie

De voordelen hebben we al voorbij zien komen. Met het risico op herhaling: het is een kostenbesparende, eenvoudigere techniek dan euv en duv. Niet alleen zijn de lenzen en dure lichtbronnen niet nodig, maar een enkele stap om een laag te produceren is efficiënt in zowel tijd als kosten. Met nil kan bovendien een stap in het proces achterwege blijven; er is geen post-exposure bake van de resist nodig, zoals bij fotolithografie, om die uit te laten harden. Canon heeft geen prijs opgegeven voor zijn FPA-1200NZ2C-nil-machine, die vanaf oktober te koop is, maar die zou ruim lager zijn dan de pakweg 200 miljoen voor een ASML Twinscan NXE:3600D. Ook zouden grotere maskers de kosten verder omlaag kunnen brengen.

Grotere maskers voor hogere throughput (beeld: Canon) — Grotere maskers voor hogere throughput. Beeld: Canon

Nadelen en obstakels

Over de weg naar euv hebben we op Tweakers al veelvuldig geschreven, en dat is een lange weg geweest. Al ruim voor de eeuwwisseling werd over euv nagedacht, met een consortium voor de ontwikkeling ervan dat in 1997 werd opgericht. Destijds was euv een van de mogelijke paden naar kleinere transistors, samen met andere technieken als e-beamlithografie en... nil. Sterker nog, al begin deze eeuw stonden euv en nil samen op de roadmap van ITRS, de International Technological Roadmap for Semiconductors. Toch heeft euv inmiddels eindelijk de weg naar de praktijk gevonden, maar is nil voor geavanceerde nodes nog niet van de grond gekomen, en dat terwijl het ook al decennia in ontwikkeling is. De techniek werd voor het eerst beschreven in de wetenschappelijke uitgave Science. Dat was nog een iets andere vorm van nil, waarbij het patroon in warm plastic op een wafer gedrukt werd. Een proces zonder lichtgevoelige resist en bijbehorende belichting dus. Er zijn dan ook verschillende varianten van nano-imprintlithografie, waarvan bovenstaande t-nil, of thermal nil, genoemd wordt.

T-NIL versus het latere UV-NIL (beeld: ResearchGate) — T-nil versus het latere uv-nil. Beeld: ResearchGate

Diverse start-ups, in dit geval soms spin-offs van onderzoeksgroepen van universiteiten waar de techniek ontwikkeld werd, bouwden latere iteraties van nil en probeerden die tot een commercieel succes te maken. Misschien ligt daar een deel van de reden waarom nil niet werd opgepikt als serieuze opvolger voor duv: start-ups met investeringen van slechts miljoenen konden niet op tegen de slagkracht van de halfgeleiderindustrie die zich achter euv schaarde, met bedrijven als Intel, AMD en diverse onderzoekslaboratoria, en in 1999 natuurlijk ASML. Een van de start-ups die nil ontwikkelden, Molecular Imprints, werd in 2014 door Canon overgenomen en is verantwoordelijk voor ontwikkeling van de nil-machines die Canon nu verkoopt.

Los van de industry backing, of het gebrek daaraan, zijn er ook technischere of fundamentelere problemen die opgelost moeten worden. De meeste daarvan zitten in het masker. Hoewel nano-imprintlithografie geen conventioneel, vergrote afbeelding van waferstructuren heeft, maakt de techniek gebruik van een masker. Het maken van dat masker brengt de nodige uitdagingen met zich mee. Ten eerste moeten de gewenste structuren een-op-een in het masker worden aangebracht. Lijntjes met een onderlinge afstand van bijvoorbeeld 30nm op de wafer moeten ook met 30nm onderlinge afstand op het masker aangebracht worden. Met traditionele fotolithografie heb je nog een verkleiningsfactor van vier, die je in staat stelt de structuren op je masker wat groter te maken. Het nadeel dat fotolithografiemaskers niet 'wysiwyg' zijn, blijft natuurlijk wel bestaan.

Masker-defecten (beeld: Semantic Scholar) — Maskerdefecten. Beeld: Semantic Scholar

Nog meer maskerperikelen zitten in de inspectie van het masker, zowel na productie als tijdens gebruik. Omdat alle features zo klein zijn, is het lastig en dus duur om het masker te controleren op defecten. Dat wordt nog erger, doordat het masker ook tijdens gebruik defecten of onzuiverheden kan oplopen. Het zou natuurlijk een nachtmerrie zijn om een hele wafer te bedrukken met een 'stempel' die bij de eerste paar keer gebruik beschadigd is geraakt. De resist kan beschadigd raken bij het verwijderen van het masker en ook bij het uitlijnen van opeenvolgende lagen is enorme precisie nodig en liggen afwijkingen op de loer. Voor de maskerintegriteit worden soms kloons van maskers gemaakt die maar een paar honderd of duizend keer gebruikt worden, zodat defecten niet accumuleren. En met indicators op de wafers is het inmiddels gelukt om de uitlijning tot op 1nm nauwkeurig te krijgen. Om het masker schoon te houden ten slotte, wordt steeds 'schoner' gewerkt, zodat verontreinigingen buiten gehouden worden, bijvoorbeeld met een luchtstroom om de wafer/stempel heen.