Extreem-ultravioletlithografie

Zin en onzin van euv-chipproductie

De laatste stap: een kleinere golflengte

We zijn eindelijk bij euv aangekomen, want als we niet meer aan de k₁-factor of de NA kunnen draaien, moet net als met de stap van kwik naar KrF-lasers aan de golflengte worden gedraaid. En de volgende logische stap van diep ultraviolet licht is extreem ultraviolet licht, ofwel euv. Strikt genomen is dat niet helemaal waar, want er is een tijdje gekeken of 157nm-lithografie met F₂-lasers mogelijk was, maar die techniek heeft het onderzoeksstadium nooit verlaten.

Een flink grotere stap dan van licht met een golflengte van 193nm naar 157nm is die van 193nm naar 13,5nm. Dat is precies wat de stap naar euv-lithografie is, wat een verbetering van veertien keer zou betekenen. Waar de grens van 193i- of duv-lithografie nu ongeveer 38nm is, zou dat voor euv dus minder dan 3nm worden. Zo rooskleurig is het echter niet, want de belangrijkste andere factoren, de k₁-factor en numerieke apertuur, zijn groter en kleiner voor euv.

De euv-scanners in de NXE:3400-serie die ASML momenteel levert, hebben een numerieke apertuur van 0,33. Dat is nogal een verschil met de 1,35NA van duv. De k₁-factor van de euv-scanners bedraagt ongeveer 0,32, wat vergeleken met duv een veel kleiner verschil is. Als we die cijfers in de Rayleigh-vergelijking invullen, komen we op een minimale featuresize van ongeveer 13nm voor de huidige euv-apparaten. Die NXE:3400-machines zijn overigens de enige die momenteel worden gebruikt in de halfgeleiderindustrie; er zijn geen andere leveranciers. Over enkele jaren moet een nieuwe generatie scanners met een NA van 0,55 verschijnen. Die worden echter pas voor tests rond 2021 verwacht, met productierijpheid in 2024. Die EXE:5000-machines zouden met dezelfde k₁-factor een resolutie van 8nm opleveren.

Met de stap naar euv moeten nog kleinere transistors, nog complexere en nog zuinigere chips mogelijk zijn. Chipfabrikanten als TSMC en Samsung zijn op hun 7nm-nodes begonnen met euv-productie. Dat zijn vooralsnog maar een paar kritieke lagen die met euv worden gemaakt. Van de pakweg tachtig tot honderd lagen die op deze node nodig zijn, worden minder dan tien lagen met euv geproduceerd. De rest wordt met conventionele duv-lithografie gemaakt, al dan niet met multipatterningstappen. Ook bij de volgende node, 5nm, zullen lang niet alle lagen met euv worden gemaakt; naar verwachting zouden dat er ongeveer twintig worden.

Zo kunnen fabrikanten een optimale balans zoeken tussen hoge resolutie en de kosten in de hand houden. Waar mogelijk kunnen de minder kritische laagjes met goedkopere duv-techniek worden gemaakt. Maar als double, triple of quadruple patterning wordt gebruikt, zou euv met een enkele stap uitkomst bieden.

Dan rest nog de vraag: waarom is euv-productie zo lastig? Wat is de reden dat de ontwikkeling ervan al ongeveer twee decennia duurt en het nog steeds maar ternauwernood geschikt is voor massaproductie?

• Volgende pagina 6. Hoe werkt euv?