De nieuwste chipmachines van ASML zijn een feit. Na tien jaar ontwikkeling leverde ASML vorig jaar zijn eerste high-NA-systeem aan Intel. Die nieuwe machines maken het mogelijk om nóg krachtigere chips te maken. Daardoor worden ze onmisbaar voor grote fabrikanten als TSMC, Samsung en Intel.
Ook wij als gebruikers gaan daar straks de vruchten van plukken. De chips in toekomstige telefoons, pc's en consoles zullen krachtiger en zuiniger worden, allemaal dankzij de doorbraken van deze nieuwe ASML-machine.
We hebben regelmatig geschreven over deze nieuwe high-NA-tools van ASML en de slimmigheden die nodig waren om ze werkend te krijgen. Maar wat onderbelicht is gebleven, is de techniek eromheen. High-NA biedt grote voordelen. Maar ook in andere stappen van het productieproces zijn doorbraken nodig om die voordelen daadwerkelijk te kunnen benutten.
Tijdens het ITF World-congres in Antwerpen spraken we met Geert Vandenberghe, VP of Patterning R&D bij imec. In die rol is hij verantwoordelijk voor alle onderzoeksprogramma's rondom lithografie bij de Belgische onderzoeksinstelling, en daarmee dus onderzoek naar het gebruik van machines zoals die van ASML. Vandenberghe werkt samen met ASML en andere leveranciers om de nieuwste chipmachines en de bijbehorende infrastructuur klaar te stomen voor de praktijk.
Benieuwd hoe chips worden gemaakt?
Chips maken is een langdurig en zeer ingewikkeld proces. Er komen honderden productiestappen bij kijken en het kan wel maanden duren voordat je chip klaar is. We schreven de afgelopen maanden meerdere verhalen om dat proces wat behapbaarder te maken.
In dit artikel legden we het complete productieproces uit, stap voor stap. Datzelfde verhaal vatten we samen in de onderstaande video. In andere verhalen gingen we dieper in op de machines van ASML en welke vorderingen chipmakers de komende jaren zullen maken.
Lijntjes tekenen met licht
Lithografiemachines, zoals die van ASML, werken door patroontjes te tekenen in een lichtgevoelig laagje: de 'fotoresist'. Door de lijntjes in die patronen steeds kleiner te maken en ze steeds dichter naast elkaar te zetten, worden chips door de jaren heen steeds krachtiger.
Dat tekenen gebeurt met licht, dat op die fotoresist terechtkomt en een chemische reactie ontketent waarbij het patroontje wordt vastgelegd. Vervolgens wordt de resist ontwikkeld: delen van het lichtgevoelige laagje worden weggespoeld met een vloeistof, zodat alleen dat vastgelegde patroontje overblijft.
Naarmate de patroontjes steeds kleiner en fijnmaziger worden, blijkt dat wegspoelen voor problemen te zorgen. Dankzij de machines van ASML worden de lijntjes steeds minder breed en staan ze steeds dichter naast elkaar. Tegelijkertijd is de hoogte van de lijntjes juist afhankelijk van de dikte van de fotoresist. Die laag dunner maken is lastig.
De lijntjes worden daardoor relatief gezien steeds hoger. Dat kan leiden tot pattern collapse: de lijntjes vallen sneller om doordat de relatieve hoogte toeneemt. Vergelijk een hoge wolkenkrabber met een gelijkvloerse woning: die eerste kiepert sneller om als er hard tegenaan geduwd zou worden.
"Zo'n resist wordt momenteel nog altijd nat ontwikkeld", vertelt Vandenberghe aan Tweakers. "Je legt dan een plasje ontwikkelaar op de wafer, en die ga je vervolgens heel hard ronddraaien om hem te drogen. En daarnaast krijg je capillaire krachten, die ook defecten geven", vervolgt hij.
Die krachten ontstaan als vloeistoffen tussen smalle ruimtes stromen; deze krachten trekken de patroontjes naar elkaar toe, wat ook nog eens wordt versterkt door het droogspinnen. Ook dat probleem wordt groter naarmate de afstand tussen de lijntjes kleiner wordt.
Bron: petrroudny / Getty Images
Droog ontwikkelen en metaalresists
Om dat te voorkomen, wordt het ontwikkelen van de resist straks niet altijd meer gedaan met een vloeistof. Daarom doen onderzoekers volop onderzoek naar dry resist development. De basis is hetzelfde: het euv-licht komt op de resist terecht, waardoor een reactie ontstaat. De belichte en onbelichte delen van de resist worden daardoor chemisch verschillend.
Bij dry development wordt één van beide delen verwijderd met een met een 'zeer milde plasma- of radicalenchemie'. Simpeler gezegd: stukjes van de resist worden weggehaald zonder vloeistof, waardoor er minder risico op ingestorte lijntjes is.
"Het doen van een droge ontwikkeling heeft heel veel potentie", vertelt Vandenberghe dan ook, al zijn er ook uitdagingen bij die overstap. Het gebruik ervan is namelijk erg ingewikkeld. "Een nat proces doe je in een track die je aan de machine zelf hangt. Die kunnen zo 200 wafers per uur aan, net als de machine zelf."
"Droog ontwikkelen gaat niet in de machine zelf, maar in losse kamers. Dan moet je ook die 200 wafers per uur aankunnen. Daarvoor heb je een aantal van die kamers nodig. De kosten spelen daar een grote rol in. Dus het kan nooit alles overnemen omdat je dan te veel kamers nodig hebt. Maar we zien wel de noodzaak om dit te gaan gebruiken voor een paar kritieke lagen [die ook met high-NA worden belicht]."
Nieuwe resistsoorten
Voor deze overstap naar droge ontwikkeling zijn ook nog eens andere materialen nodig, want bestaande fotoresists kunnen niet zomaar op deze manier ontwikkeld worden. Daarom wordt met high-NA deels overgestapt op een nieuw type resist: de metaaloxideresist. Die is harder en steviger dan de traditionele resists die chipmakers nu gebruiken. Daardoor kan hij beter omgaan met het droge ontwikkelproces.
De resist bestaat uit losse moleculen. Als die losse moleculen door licht worden geraakt, binden ze met elkaar, aldus Vandenberghe. Die delen worden daardoor immuun voor het droge ontwikkelproces; de overgebleven 'losse' moleculen worden wel weggeëtst. Zo blijft alleen het patroontje over.
Die overstap is dan ook nodig, omdat die nieuwe resist beter resistent is tegen dat etsproces, vertelt hij. "Je kunt daardoor ook met een dunner laagje gaan werken, dus de resist wordt dunner." Dat is een win-win. Je kunt de resist droog ontwikkelen, met alle voordelen van dien. Tegelijkertijd neemt de relatieve hoogte van de lijntjes af, waardoor ze minder snel instorten.
En bovendien zijn metaaloxideresists ook nog eens simpelweg beter: "We zien ook gewoon een betere resolutie met deze resists." Juist dat is belangrijk, omdat die resolutie bepaalt hoe klein en krachtig toekomstige chips kunnen worden.
Het masker
Niet alleen de resist gaat op de schop voor high-NA: er wordt ook gewerkt aan nieuwe 'maskers'. Zo'n masker is de 'blauwdruk' met het chippatroontje dat uiteindelijk op de resist terechtkomt. Bij euv is het masker een soort spiegel, die het euv-licht weerkaatst met het patroontje erin als een schaduw. Hij bestaat dan ook uit twee onderdelen: de spiegel zelf en de 'absorbers' die delen van het licht tegenhouden.
Bij die absorbers wordt gewerkt aan nieuwe oplossingen, die nodig zijn door de werking van high-NA-systemen. High-NA gebruikt andere optiek. Daardoor komt het licht onder een grotere hoek binnen op het masker. Je krijgt door die grotere hoek allerlei onbedoelde schaduwen in beeld die voor printfouten kunnen zorgen.
Dat probleem moet geminimaliseerd worden. Dat kan bijvoorbeeld door de absorbers zelf dunner te maken, zodat ze minder last hebben van die grotere hoek. Maar je kunt ook werken met een ander soort materiaal, aldus Vandenberghe.
Normaal gesproken levert een masker een soort zwart-witbeeld op. Licht wordt óf helemaal weerkaatst, of helemaal geabsorbeerd. Maar het kan interessant zijn om de absorbers een klein beetje transparant te maken, vertelt hij.
De absorbers laten het licht op deze manier gedeeltelijk door, maar veranderen dat licht van fase. Gek genoeg compenseer je daarmee die onbedoelde schaduweffecten. Daardoor gaat het contrast, en daarmee ook de resolutie en de yields, van de print omhoog. Dat zorgt dan weer voor nóg fijnere lijntjes.
"De complexiteit hierbij zit in de materialen die we daarvoor gebruiken. Dit is een goed voorbeeld van een gebied dat nog volop in ontwikkeling is. We gaan het gebruiken bij high-NA, maar het is niet meteen een must-have. De traditionele maskers zijn een goed begin."
Nieuwe optiek zorgt voor uitdagingen
Een andere uitdaging met de nieuwe high-NA-machine, heeft te maken met het eindproduct. De nieuwe machines gebruiken optiek met een hogere 'numerieke apertuur'. Klinkt ingewikkeld, maar in de basis is het simpel: de machines kunnen meer licht scherpstellen en daarmee kleinere structuren tekenen.
Het gebruik van die hogere NA zorgde ook voor enkele problemen, zoals de grotere hoek waar we het net al over hadden. Dat kan zorgen voor de nodige problemen bij het printen. Die zijn opgelost door de vergroting aan te passen, maar dat had een vervelend bijeffect: de maximale printgrootte voor een chip is gehalveerd. Vroeger kon je in één keer chips van ruim 800 vierkante millimeter printen, nu nog maximaal 400 vierkante millimeter.
"Als je met een kleine chip werkt, zoals een geheugenchip, is dat geen probleem", vertelt Vandenberghe. "Maar je hebt ook chips zoals die van Nvidia. Die worden alleen maar groter en willen dus het volledige veld gebruiken. Dan moeten ze stitchen." Stitchen is precies zoals het klinkt: je plakt twee losse, halve chips aan elkaar om een hele chip te maken. Er zijn twee manieren om dat te doen, vertelt Vandenberghe.
Stitchen of niet stitchen
Je kunt bijvoorbeeld de lay-out van de chip aanpassen. Chips bestaan uit allemaal blokken, bijvoorbeeld met de cpu- of de gpu-cores. "Je kunt die blokken op een slimme manier neerleggen, zodat ze niet door het midden lopen. Je hoeft ze dan niet doormidden te knippen, maar alleen met elkaar te verbinden. Dat is niet zo'n probleem."
Op deze manier kun je de twee halve chips dus los printen, en ze verder in het productieproces alsnog met elkaar verbinden met metalen lijntjes. Die lijntjes hoeven dan niet met high-NA geprint te worden, maar kunnen ook gewoon in één keer met een 'gewone' euv-machine geprint worden. "Je doet zo eigenlijk een stitch-avoidance."
Maar het kan ook gebeuren dat de blokken te groot zijn, waardoor ze dus écht door het midden van de volledige chip moeten lopen. "Dan moet je kijken naar wat wij feature stitching noemen. Je moet ze dan echt aan elkaar gaan knopen."
Als je dat moet doen, dan moet je dus zorgen dat de twee losse chips tijdens het printen precies op elkaar aansluiten. Je print eerst de ene helft. Daarna leg je de tweede helft er héél nauwkeurig naast, zodat alle lijntjes precies op elkaar aansluiten. "Je hebt een perfecte stitch nodig, maar wat is perfect? We zijn nu aan het bekijken hoe precies de overlap moet: welke precisie is goed genoeg en welke variabiliteit kan ik toelaten?"
De voordelen van high-NA
Al die ontwikkelingen, en nog vele anderen, zorgen ervoor dat chipmakers straks volop gebruik kunnen maken van de nieuwe high-NA-machines en de voordelen die ze bieden. En die voordelen zijn veel waard.
In de eerste plaats kunnen chipmakers straks dus kleinere patroontjes tekenen. Dat betekent dan weer dat ze kleinere transistors kunnen maken, waardoor ze er meer in hun chips kunnen proppen. Meer transistors betekent over het algemeen ook meer rekenkracht, dus dat voordeel spreekt voor zich.
Bovendien kan high-NA straks ook 'multipatterning' voorkomen. Chipmakers kunnen er ook voor kiezen om verder te gaan met low-NA, maar dan moeten ze straks een laagje meerdere keren belichten om dezelfde kleine lijntjes te maken. Maar daarvoor zijn meer dure maskers nodig, en bovendien kunnen er bij iedere extra stap printfouten ontstaan.
Volgens het onderzoek van imec kan high-NA tot wel drie tot vier maskers besparen bij het printen van de kritiekste laagjes van '1,4nm' en '1,0nm'-chips. Dat zorgt voor snellere, goedkopere en simpelere productie.
Flexibeler chipontwerp en gebogen lijntjes
Tot slot krijgen chipmakers dankzij die extra resolutie straks ook meer flexibiliteit bij het ontwerpen van hun producten. Dankzij high-NA worden '2d- en 1,5d-patterning' weer mogelijk, wat meer vrijheid geeft in het ontwerp.
"We gaan twintig jaar terug de geschiedenis in. In die periode hadden we immersielithografie, en niets anders. En voorlopig zal er ook niets anders komen: euv kwam pas rond 2018. Vijftien jaar lang moesten we dus leven met immersie. Dit waren eigenlijk de beginjaren van multipatterning; voorheen was dat nooit nodig."
"Met multipatterning breek je een patroon op om later weer samen te brengen. Dan krijg je eigenlijk hetzelfde als het stitchingverhaal. Chipontwerpres als Intel zijn toen overgestapt op een soort 'Manhattan'-design. Ontwerpen bestonden alleen nog maar uit rechte lijntjes. Dat maakt het veel makkelijker om het ontwerp op te splitsen."
"Je kon dus jarenlang tekenen wat je wilde, maar gedwongen door beperkingen in de lithografie hield dat twintig jaar geleden op, en stapten we over op dat Manhattan-design. Dankzij high-NA krijgen we de flexibiliteit terug. Je kunt straks weer gewoon tekenen wat je wilt. Gebogen lijntjes, noem maar op."
Die extra flexibiliteit komt ook de uiteindelijke chip ten goede. Door de ontwerpvrijheid kunnen chipmakers straks ruimte besparen, patroontjes dichter bij elkaar zetten en zelfs betere prestaties leveren. Dat kan uiteindelijk dus zorgen voor snellere en efficiëntere chips.
Werk uit het hele ecosysteem
ASML's high-NA-machines zijn een puik staaltje engineering, die de wetten van de natuur oprekken om onze apparaten nóg beter te maken. Die machine is de kern die de volgende chipgeneraties mogelijk maakt, voor alles van smartphones tot datacenter- en AI-chips.
Maar er komt meer bij kijken dan je op het eerste gezicht ziet: achter die machine zit een heel ecosysteem van tientallen bedrijven, die allemaal werken aan hun eigen deelproblemen. Al dat werk is nodig om high-NA van het lab naar de chipfabriek te brengen. Pas als al die puzzelstukjes in elkaar liggen, kunnen chipmakers écht uit de voeten met high-NA.
Redactie: Daan van Monsjou • Eindredactie: Monique van den Boomen • Bron bannerafbeelding boven artikel: ASML, imec


:strip_exif()/i/2008183104.jpeg?f=imagenormal)
/i/2007713838.png?f=imagenormal)