Extreem-ultravioletlithografie

Zin en onzin van euv-chipproductie

Het principe achter fotolithografie

Voordat we in de wereld van euv duiken, bekijken we de principes van lithografie en een stukje geschiedenis ervan. Laten we met een paar principes beginnen, zoals: wat is lithografie eigenlijk en wat zijn de beperkingen?

Om een processor of een andere chip met geheugencellen of logica te maken, is een ontwerp nodig. Een vereenvoudigde manier om ernaar te kijken is je een printplaat voorstellen die verkleind is en op een stukje silicium is geplaatst. In plaats van losse componenten als transistors en condensators op een printplaat, worden die componenten in het silicium gebakken. Eerst worden laagjes die de daadwerkelijke componenten vormen, aangebracht. Daarbovenop worden de laagjes voor de elektrische verbindingen gemaakt. Elk laagje vergt een fotomasker, dat de ontwerpen bevat die op de wafer worden geprojecteerd.

Het silicium waarop elk laagje wordt aangebracht, is de wafer. Elke afzonderlijke chip die zo wordt geproduceerd, is een die. Op de wafer wordt een laagje te bewerken materiaal aangebracht, daaroverheen wordt een fotoresist of lichtgevoelig laagje aangebracht en door dat laagje selectief te belichten wordt het uitgehard en wordt het onderliggende materiaal beschermd. Om de fotoresist te belichten, wordt licht door een masker geschenen. Zo'n masker is een uitvergrote versie van de patronen die op de wafer moeten komen. Waar het licht wordt geblokkeerd, blijft het lichtgevoelige laagje zacht, en waar het licht wel kan schijnen, hardt het uit.

Het lichtgevoelige laagje wordt weggewassen en het te bewerken materiaal wordt chemisch weggeëtst. Vervolgens kan een laagje ander materiaal worden aangebracht en kan dat weer worden bewerkt. In het kort wordt een chip op die manier gemaakt: materiaal aanbrengen, fotoresist aanbrengen en belichten, etsen en door naar de volgende laag. Een chip bestaat uit heel veel van dat soort laagjes; de transistors worden in diverse stappen gemaakt en de metaallagen die alles verbinden, bestaan uit van onder naar boven steeds grotere structuren.

Een moderne processor heeft meer dan tien metaallagen en vergt in totaal ergens tussen de twintig en dertig maskers. Het aantal stappen is uiteraard nog veel groter, want voor elk masker zijn verschillende afzonderlijke behandelingen nodig. Een beetje moderne chip wordt uit in totaal zo'n tachtig tot honderd laagjes opgebouwd.

Nu is de resolutie die je met een belichtingsstap kunt halen, afhankelijk van de golflengte van het licht. Infrarood licht heeft een lange golflengte en zou alleen geschikt zijn om heel grove structuren te maken, terwijl blauwer licht een kortere golflengte heeft en kleinere structuren mogelijk maakt. Volgens een bepaalde formule, een afgeleide van de diffractielimiet volgens het Rayleigh-criterium, kun je berekenen wat de kleinst mogelijke structuren zijn die je op een wafer kunt krijgen. Die kleinste dimensie, of critical dimension, bereken je door de golflengte van het gebruikte licht te delen door de numerieke apertuur van de gebruikte lenzen. Een vermenigvuldigingsfactor, de zogenoemde k1-factor, is nog nodig om de uiteindelijke cd te berekenen. Die k1-factor is afhankelijk van diverse factoren van het complete procedé, zoals de gebruikte fotoresist, de kwaliteit van de lenzen en optische trucs om de resolutie te verhogen. Als alle andere factoren dus gelijk blijven, zorgt licht van een kleinere golflengte direct voor kleinere structuren op de chips.

• Volgende pagina 3. De weg naar euv: van kwiklamp tot laser