Pisaliśmy już, że do fabryki Intela w Oregonie jedzie druga maszyna do litografii. Przy okazji należałoby wspomnieć, że pierwsze elementy systemu zostały tam dostarczone w grudniu 2023 roku. Nowoczesne urządzenie ASML – TWINSCAN EXE:5000 – jest efektem trwających ponad dekadę prac rozwojowych. Na pytanie, co kryje się za najnowszymi systemami litografii w ekstremalnym ultrafiolecie (EUV), odpowiada Christine Middleton w artykule opublikowanym na stronie holenderskiej firmy.

TWINSCAN EXE:5000; Źródło. ASML

Według prawa Gordona Moore’a, liczba tranzystorów w układzie scalonym podwaja się co dwa lata. Ten wykładniczy wzrost jest możliwy dzięki stosowaniu coraz mniejszych elementów w procesie produkcji. W latach 90-tych używano technologii >=350 nm, a obecnie dysponujemy technologiami 7 i 5 nm. Do wytwarzania tak niewielkich przyrządów półprzewodnikowych potrzebne są maszyny do litografii w głębokim ultrafiolecie (DUV).
Według Christine Middleton firma ASML wykorzystuje je do granic możliwości. Aby jeszcze bardziej zmniejszyć wymiar krytyczny (CD) najmniejszego elementu, który można odwzorować na płytce, zmienia dwa parametry. Pierwszy to długość fali światła λ, a drugi to apertura numeryczna (NA), czyli miara zdolności układu optycznego do zbierania i skupiania światła. Obecnie jednak w systemach DUV osiągnięto kres możliwości zmiany tych parametrów.
Litografia EUV pozwoliła na użycie długości fali światła: 13,5 nm, w porównaniu do 193 nm w systemach DUV o najwyższej rozdzielczości. Pierwsza przedprodukcyjna platforma litografii EUV (NXE) została dostarczona w 2010 roku i umożliwiła spadek wymiaru krytycznego z 30 nm w DUV do 13 nm w EUV.

Czym jest litografia High NA EUV?

Litografia EUV wykorzystuje światło o długości 13,5 nm. High NA EUV zapewnia rozdzielczość 8 nm. Oznacza to, że można wytwarzać tranzystory 1,7 razy mniejsze – a tym samym osiągać ich gęstość 2,9 razy większą niż w przypadku systemów NXE.
Firma ASML nazwała swoją maszynę High NA EUV, ponieważ zwiększyła NA z 0,33 w systemach NXE do 0,55 w systemach EXE. Wyższa NA zapewnia systemom lepszą rozdzielczość poprzez użycie większych luster zwiększających kąt, pod jakim światło pada na maskę, na której znajduje się wzór do odwzorowania na płytce półprzewodnikowej. Przy większym kącie maska ma mniejszy współczynnik odbicia i wzór nie może zostać przeniesiony na płytkę krzemową.

Testowanie luster EUV o wysokiej NA w ZEISS; źródło: ZEISS SMT

Problem mógł zostać rozwiązany poprzez zmianę zmniejszenia wzoru z maski, przenoszonego na płytkę o 8x (reduction ratio = 1:8) zamiast 4x stosowanego w systemach NXE, ale wymagałoby to od producentów chipów przejścia na większe maski. System EXE wykorzystuje anamorficzną optykę. Zamiast równomiernie zmniejszać drukowany wzór, lustra powiększają go 4x w jednym kierunku i 8x w drugim. Zmniejszył się kąt, pod jakim światło trafia na celownik, co pozwoliło uniknąć problemu odbicia. Zminimalizowało to również wpływ nowej technologii na ekosystem półprzewodników, umożliwiając producentom chipów dalsze korzystanie z siatek o tradycyjnych rozmiarach.

Szybsze etapy zapewniają wyższą produktywność

Ze względu na anamorficzną optykę, systemy EXE mają pola ekspozycji o połowę mniejsze niż ich poprzednicy NXE. W związku z tym potrzeba ich dwa razy więcej, aby przenieść wzór na pojedynczą płytkę. Mogło to oznaczać dłuższy czas naświetlania pojedynczej płytki, ale – jak wspomina Christine Middleton – firma potraktowała to jako wyzwanie. W efekcie stolik, na którym jest płytka półprzewodnikowa w systemie EXE przyspiesza z prędkością 8 g, czyli dwa razy szybciej niż w NXE. Uchwyt maski w systemie EXE przyspiesza aż cztery razy szybciej, a mianowicie 32 g, co odpowiada przyspieszeniu samochodu wyścigowego od 0 do 100 km/h w 0,09 sekundy.

Montaż TWINSCAN EXE:5000; źródło: ASML

Dzięki tym rozwiązaniom, TWINSCAN EXE:5000 może naświetlić ponad 185 płytek półprzewodnikowych na godzinę, co stanowi wzrost w porównaniu z systemami NXE, które są już używane w produkcji wielkoseryjnej. Jak twierdzi Christine Middleton, ASML ma plan zwiększenia tej wydajności do 220 płytek na godzinę w 2025 roku.
Litografia EUV o wysokiej NA umożliwi producentom wykonanie mniejszych elementów na najbardziej zaawansowanych mikroukładach. Dzięki rozdzielczości CD wynoszącej 8 nm, można będzie też uprościć procesy produkcyjne i umieścić więcej mniejszych i bardziej energooszczędnych tranzystorów w pojedynczym chipie. Dodatkowo, ze względu na wydajność systemu, układy te będą produkowane masowo i ekonomicznie.
W efekcie powstanie nowa generacja urządzeń elektronicznych o mniejszych rozmiarach, ale potrafiących znacznie więcej i szybciej. Przy pomocy EXE:5000 wykonane zostaną pierwsze układy logiczne w technologii 2 nm. Później pojawią się układy pamięci o podobnej gęstości tranzystorów z nowoczesnymi architekturami i umożliwią rozwój robotyki, sztucznej inteligencję, internetu rzeczy itp.

Źródło: ASML