Extreem-ultravioletlithografie

Zin en onzin van euv-chipproductie

Hoe werkt euv?

Euv in vacuum

Euv-licht wordt door vrijwel alle materialen, inclusief de atmosfeer of de lucht, geabsorbeerd. Daarom moet alle euv-apparatuur in een vacuum gebruikt worden. Ook lenzen absorberen euv-licht en daarom worden speciale spiegels gebruikt om licht te richten en focussen.

De introductie van euv-lithografie is, zoals we al schreven, nogal naar achteren verschoven. Wat dat betreft doet het een beetje denken aan de overstap van 300mm- naar 450mm-wafers. Toch zijn we inmiddels aangeland bij het zogeheten insertion point voor euv. Omdat de foundries nogal creatief zijn met hun node-naamgevingen, ligt dat punt niet voor elke fabrikant op dezelfde node, maar 7nm is het geaccepteerde euv-insertion point. Dat het zo lang geduurd heeft, ligt uiteraard aan kosten en moeite. Aan de ene kant konden fabs tot dusver de 193i-techniek rekken en zo bestaande apparatuur blijven gebruiken zonder al te grote extra investeringen, en aan de andere kant is de apparatuur voor euv-lithografie enorm duur. Waarom? Omdat die zo ingewikkeld is.

Dat begint bij de lichtbron, de source. Bij de huidige generatie ArF-lithografie is dat een excimer-laser die een bak licht genereert en na een beetje filteren en richten de stepper ingaat. Bij euv is dat veel complexer. Allereerst is een CO₂ -laser van dik 20kW nodig, die zo groot is dat hij niet op de vloer van de fab kan staan, maar onder de vloer van de cleanroom wordt ingebouwd. Ter illustratie: een GT65A ArF-laserbron is ongeveer drie meter lang, twee meter hoog en een meter diep. De CO₂-laser voor euv, die uit vier amplifiers en een feed module bestaat, is ongeveer twaalf meter lang en zes meter breed.

Met een enorm krachtige laserbron ben je er nog niet, want het coherente 193nm-licht van de ArF-laser wordt direct gebruikt om de wafers te belichten. Van de ongeveer 60-120W die beschikbaar is, blijft na de lenzen nog maar een klein deel energie over. Bij euv is dat veel extremer. Ten eerste wordt het CO₂-licht niet direct gebruikt, maar dient het alleen om euv-licht van 13,5nm golflengte te produceren. Dat gebeurt in het vacuum vessel, waarin een hoog vacuüm heerst en gesmolten druppels tin met de laser worden beschoten. Eigenlijk wordt zo'n tindruppel twee keer beschoten: één keer om de 25-microliterdruppels te vervormen totdat ze plat zijn, en een tweede keer om ze te verdampen en een plasma te maken. Dat plasma straalt euv-licht uit en het hele proces wordt 50.000 keer per seconde herhaald. Zo'n vessel weegt ongeveer 7500kg en genereert zo'n anderhalve terabyte data per dag. Die data is onder meer afkomstig van de camera's die de laserpulsen afstemmen op de positie van de druppels tin: de timing moet exact zijn en dat vraagt extreem hoge precisie.

Het doel is om op deze manier ongeveer 250W euv-licht op te wekken: veel meer dan de pakweg 90W die voor ArFi volstaat. Dat komt doordat vrijwel alles, inclusief lucht, euv-licht absorbeert. Spiegels, tenminste conventionele, werken evenmin, en ook lenzen zijn niet te gebruiken doordat die het euv-licht eveneens absorberen. De oplossing is het gebruik van complexe spiegels, of reflectors, die uit meer dan vijftig afwisselende laagjes silicium en molybdeen bestaan. Zo'n spiegel wordt een Bragg-reflector genoemd. De parabolische collector in het vacuum vessel, waarin het euv-licht wordt geproduceerd, is ook van dat materiaal gemaakt. Ook daar zit weer een technisch probleem, want die collector wordt door alle tinexplosies vuil. Tindeeltjes en heet plasma beschadigen die collector, waardoor de levensduur maar een maand of drie is. Om de collector zo veel mogelijk te beschermen, wordt een stikstofgordijn geproduceerd dat tindruppels tegenhoudt.

Eenmaal door de collector verzameld begint de euv-bundel aan zijn optische weg. Voordat het masker wordt bereikt, passeert het licht vier 'spiegels' en na het masker, dat eigenlijk ook een Bragg-reflector is, volgen nog eens zes spiegels om het licht correct op de wafer te richten. Dat zijn in totaal, inclusief de collector in het vacuum vessel, twaalf spiegels. Geen probleem zou je zeggen, maar elke Bragg-reflector is maar ongeveer zeventig procent reflectief voor euv. Dat betekent dat er van het opgewekte licht maar een tot twee procent overblijft om de wafer te belichten. Dat is direct de reden waarom je steeds las over meer lichtopbrengst en waarom die 250W zo belangrijk is voor voldoende waferdoorvoer; voor high volume manufacturing of hvm is een throughput van minstens honderd wafers per uur nodig. Van dat licht blijft namelijk nog maar een paar watt over om de wafer te belichten. Die paar watt heb je hard nodig om het fotoresist te belichten met voldoende energie: dat kost tijd en hoe meer energie de bron levert, hoe meer wafers per uur te belichten zijn.

• Volgende pagina 7. Euv in de praktijk