Esta máquina podría mantener la ley de Moore en marcha

El siguiente truco para los transistores más pequeños es la litografía EUV de alta apertura numérica

Esta ilustración fotográfica del EXE:5000, la máquina de litografía ultravioleta extrema de alta apertura numérica de ASML, muestra su escala masiva.

Durante el último medio siglo , hemos llegado a pensar en la Ley de Moore (la duplicación aproximadamente cada dos años del número de transistores en un área determinada de silicio, las ganancias que impulsan la informática) como algo que simplemente sucede, como si fuera un proceso natural e inevitable. similar a la evolución o el envejecimiento. La realidad, por supuesto, es muy diferente. Mantener el ritmo de la Ley de Moore requiere gastos casi inimaginables de tiempo, energía e ingenio humano: miles de personas en múltiples continentes y acres interminables de algunas de las maquinarias más complejas del planeta.

Quizás la más esencial de estas máquinas realiza fotolitografía ultravioleta extrema (EUV). La litografía EUV, producto de décadas de investigación y desarrollo, es ahora la tecnología impulsora detrás de las dos últimas generaciones de chips de vanguardia, utilizados en todos los teléfonos inteligentes, tabletas, computadoras portátiles y servidores de alta gama en los últimos tres años. Sin embargo, la Ley de Moore debe seguir adelante y los fabricantes de chips continúan avanzando en sus hojas de ruta, lo que significa que tendrán que reducir aún más las geometrías de los dispositivos.

En ASML, mis colegas y yo estamos desarrollando la próxima generación de litografía. Llamada litografía EUV de alta apertura numérica, implica una revisión importante de la óptica interna del sistema. El EUV de alta NA debería estar listo para uso comercial en 2025, y los fabricantes de chips dependen de sus capacidades para mantener los avances prometidos hasta el final de esta década.

La Ley de Moore se basa en mejorar la resolución de la fotolitografía para que los fabricantes de chips puedan establecer circuitos cada vez más finos. Durante los últimos 35 años, los ingenieros han logrado una reducción de la resolución de dos órdenes de magnitud trabajando en una combinación de tres factores: la longitud de onda de la luz; k 1, un coeficiente que encapsula factores relacionados con el proceso; y apertura numérica (NA), una medida del rango de ángulos sobre los cuales el sistema puede emitir luz.

Fuente: Espectro IEEE

La dimensión crítica, es decir, el tamaño de característica más pequeño posible que se puede imprimir con una determinada herramienta de exposición a fotolitografía, es proporcional a la longitud de onda de la luz dividida por la apertura numérica de la óptica. Por lo tanto, se pueden lograr dimensiones críticas más pequeñas utilizando longitudes de onda de luz más cortas, aperturas numéricas más grandes o una combinación de ambas. El valor k 1 se puede acercar lo más posible a su límite físico inferior de 0,25 mejorando el control del proceso de fabricación, por ejemplo.

En general, las formas más económicas de aumentar la resolución son aumentar la apertura numérica y mejorar el control de herramientas y procesos para permitir un k 1 más pequeño. Sólo cuando los fabricantes de chips se quedan sin opciones para mejorar aún más NA y k1 recurren a reducir el longitud de onda de la fuente de luz.

Sin embargo, la industria ha tenido que cambiar esa longitud de onda varias veces. La progresión histórica de las longitudes de onda pasó de 365 nanómetros, generados con una lámpara de mercurio, a 248 nm, mediante un láser de fluoruro de criptón, a finales de los años 1990, y luego a 193 nm, a partir de un láser de fluoruro de argón, a principios de este siglo. siglo. Para cada generación de longitud de onda, la apertura numérica de los sistemas litográficos aumentó progresivamente antes de que la industria saltara a una longitud de onda más corta.

Por ejemplo, cuando el uso de 193 nm estaba llegando a su fin, se introdujo un enfoque novedoso para aumentar la NA: la litografía de inmersión. Al colocar agua entre la parte inferior de la lente y la oblea, la NA podría ampliarse significativamente de 0,93 a 1,35. Desde su introducción alrededor de 2006, la litografía de inmersión de 193 nm fue el caballo de batalla de la industria para la litografía de vanguardia.

La resolución de la fotolitografía ha mejorado unas 10.000 veces en las últimas cuatro décadas. Esto se debe en parte al uso de longitudes de onda de luz cada vez más pequeñas, pero también ha requerido una mayor apertura numérica y técnicas de procesamiento mejoradas. Fuente: ASML

Pero a medida que aumentó la necesidad de imprimir características menores a 30 nm, y debido a que la NA de la litografía de 193 nm se había maximizado, mantenerse al día con la Ley de Moore se volvió cada vez más complejo. Para crear características de menos de 30 nm se requiere el uso de múltiples patrones para producir una sola capa de características de chip (una técnica tecnológica y económicamente onerosa) u otro cambio de longitud de onda. Fueron necesarios más de 20 años y un esfuerzo de desarrollo incomparable para poner en línea la próxima nueva longitud de onda: EUV de 13,5 nm.

EUV necesita una forma completamente nueva de generar luz. Es un proceso notablemente complejo que implica golpear gotas de estaño fundido en pleno vuelo con un potente láser de CO2. El láser vaporiza el estaño hasta convertirlo en plasma, emitiendo un espectro de energía fotónica. De este espectro, la óptica EUV recolecta la longitud de onda requerida de 13,5 nm y la dirige a través de una serie de espejos antes de que se refleje en una máscara estampada para proyectar ese patrón en la oblea. Y todo esto debe hacerse en un vacío ultralimpio, porque la longitud de onda de 13,5 nm es absorbida por el aire. (En generaciones anteriores de fotolitografía, la luz se dirigía a través de la máscara para proyectar un patrón en la oblea. Pero el EUV se absorbe tan fácilmente que la máscara y otras ópticas deben ser reflectantes).

En una cámara de vacío, la luz EUV [púrpura] se refleja en múltiples espejos antes de rebotar en la fotomáscara [arriba en el centro]. Desde allí, la luz continúa su viaje hasta que se proyecta sobre la oblea [centro inferior], que lleva el patrón de la fotomáscara. La ilustración muestra el sistema comercial actual con una apertura numérica de 0,33. La óptica de los futuros sistemas, con un NA de 0,55, será diferente. Fuente: ASML

El cambio a EUV desde la luz de 193 nanómetros hizo parte del trabajo de reducir la dimensión crítica. Un proceso llamado "diseño para fabricación", que implica establecer reglas de diseño de bloques de circuitos para aprovechar los límites de la fotolitografía, ha contribuido mucho a reducir k 1. Ahora es el momento de aumentar nuevamente la apertura numérica, del 0,33 actual al 0,55.

Incrementar la NA desde el 0,33 actual al valor objetivo de 0,55 implica inevitablemente una cascada de otros ajustes. Los sistemas de proyección como la litografía EUV tienen una NA en la oblea y también en la máscara. Cuando aumenta la NA en la oblea, también aumenta la NA en la máscara. En consecuencia, en la máscara, los conos de luz entrantes y salientes se hacen más grandes y deben estar separados entre sí para evitar superposiciones. Los conos de luz superpuestos producen un patrón de difracción asimétrico, lo que produce efectos de imagen desagradables.

Pero hay un límite para este ángulo. Debido a que las máscaras reflectantes necesarias para la litografía EUV en realidad están hechas de múltiples capas de material, no se puede garantizar que se obtenga un reflejo adecuado por encima de un determinado ángulo reflectante. Las máscaras EUV tienen un ángulo reflectante máximo de 11 grados. También existen otros desafíos, pero el ángulo reflectante es el mayor.

Si la luz EUV incide en la fotomáscara en un ángulo demasiado pronunciado, no se reflejará correctamente. Fuente: ASML

El ángulo de reflexión en la máscara del EUV actual está en su límite [izquierda] Aumentar la apertura numérica del EUV daría como resultado un ángulo de reflexión demasiado amplio [centro]. Por lo tanto, el EUV de alta NA utiliza óptica anamórfica, que permite que el ángulo aumente en una sola dirección [derecha]. El campo que se puede visualizar de esta manera tiene la mitad del tamaño, por lo que el patrón de la máscara debe distorsionarse en una dirección, pero eso es suficiente para mantener el rendimiento de la máquina. Fuente: ASML

La única forma de superar este desafío es aumentar una cualidad llamada desmagnificación. La desmagnificación es exactamente lo que parece: tomar el patrón reflejado de la máscara y reducirlo. Para compensar el problema del ángulo reflectante, mis colegas y yo tuvimos que duplicar la demagnificación a 8x. Como consecuencia, la parte de la máscara fotografiada será mucho más pequeña en la oblea. Este campo de imagen más pequeño significa que llevará más tiempo producir el patrón de chip completo. De hecho, este requisito reduciría el rendimiento de nuestro escáner de alta NA a menos de 100 obleas por hora, un nivel de productividad que haría que la fabricación de chips fuera antieconómica.

Afortunadamente, descubrimos que es necesario aumentar la demagnificación en una sola dirección: aquella en la que se producen los ángulos reflectantes más grandes. La desmagnificación en la otra dirección puede permanecer sin cambios. Esto da como resultado un tamaño de campo aceptable en la oblea: aproximadamente la mitad del tamaño utilizado en los sistemas EUV actuales, o 26 por 16,5 milímetros en lugar de 26 por 33 mm. Este tipo de desmagnificación dependiente de la dirección o anamórfica forma la base de nuestro sistema de alta NA. El fabricante de ópticas Carl Zeiss ha hecho un esfuerzo hercúleo para diseñar y fabricar una lente anamórfica con las especificaciones requeridas para nuestra nueva máquina.

Para garantizar los mismos niveles de productividad con el campo de tamaño medio, tuvimos que volver a desarrollar las etapas de retícula y oblea del sistema (las plataformas que sostienen la máscara y la oblea, respectivamente) y moverlas en sincronía entre sí a medida que se lleva a cabo el proceso de escaneo. El rediseño dio como resultado etapas de precisión nanométrica con una aceleración mejorada en un factor de cuatro.

El primer sistema EUV de alta NA, el ASML EXE:5000, se instalará en un nuevo laboratorio que abriremos conjuntamente con el centro de investigación de nanoelectrónica Imec, con sede en Bélgica, a principios de 2024. Este laboratorio permitirá a los clientes, fabricantes de mascarillas, proveedores de fotoprotectores y otros para desarrollar la infraestructura necesaria para hacer realidad el EUV de alta NA.

Y es esencial que lo hagamos realidad, porque un EUV alto de NA es un componente crítico para mantener viva la Ley de Moore. Sin embargo, llegar a 0,55 NA no será el paso final. A partir de ahí, ASML, Zeiss y todo el ecosistema de semiconductores se extenderán aún más hacia tecnologías mejores, más rápidas e innovadoras en formas que difícilmente podemos imaginar todavía.