EUV-technologie

Hans Meiling
Director Product Management EUV
bij ASML
Extreem ultraviolet licht
Vanaf het begin van de jaren 60 streven de producenten van microchips naar verdere miniaturisatie.
Er is vraag naar elektronische apparaten die kleiner en krachtiger zijn en daarom moet de chip meer
transistors kunnen bevatten. Tegelijkertijd worden de chips zelf ook steeds kleiner. Lithografie is het
onderdeel in de productieketen dat bepaalt welke mate van miniaturisatie mogelijk is. In deze fase
worden de patronen van de geïntegreerde schakelingen overgedragen op een wafer, een dun schijfje
silicium. Het patroon bepaalt de plaats waar in een latere fase van het productieproces het geleidende
of isolerende materiaal komt. Hoe kleiner deze patronen kunnen zijn, hoe complexer het ontwerp van
de microchip wordt. Op dit moment is deze cruciale technologie op een keerpunt aangekomen. ©
De eenvoudigste manier voor de halfgeleiderindustrie
om de prestaties van een microchip te
vergroten is door de zogenaamde bezettingsdichtheid
te verhogen - het aantal transistors in de chip
per oppervlakte-eenheid. Daarvoor zijn kleinere schakelingen
nodig en dus lithografiesystemen die met de
best mogelijke resolutie kunnen werken. Deze waarde,
die bepaalt welke minimale afbeeldingmaat de lithografie
machines kunnen bereiken, wordt berekend met de
formule: resolutie = k1 · λ/NA.
JG 79 · 3/2010 Het Ingenieursblad | 55
Microchips

Microchips
Figuur 1: Overzicht
lichtbronnen: waar
bevindt zich EUV in
lichtspectrum?
De belangrijkste factoren die kunnen worden beïnvloed
door de optische technologie zijn λ, de golflengte van
het licht, en NA, de numerieke apertuur van het optische
systeem. De NA bepaalt het bereik van de hoeken waarover
het systeem licht kan ontvangen. Om de kleinst
mogelijke details te bereiken is een grote apertuur en
licht met een korte golflengte nodig. De zogenaamde
procesfactor k1 is van essentieel belang voor de halfgeleiderindustrie.
De procesfactor geeft aan hoe complex
het productieproces is. Bij een hoge k1 is de productie
relatief eenvoudig, maar is er weinig ruimte voor miniaturisatie.
Als de k1 onder het theoretische minimum van
0,25 komt, kan de vereiste resolutie alleen bereikt worden
met complexe methoden zoals ‘double patterning’,
een technologie waarbij de afbeeldingen elkaar deels
overlappen. Deze maken het hele proces echter duurder
en vatbaar voor overlayfouten.
Immersie
Immersie
Overeenkomstig de roadmap die de halfgeleiderindustrie
heeft opgesteld, wordt de volgende resolutie 32
nanometer halfpitch (hp), wat betekent dat er 32-nanometer-brede
lijnen worden geprint met een 32-nanometer-brede
opening tussen de lijnen. Met de huidige
lichtbrontechnologie kan dit doel niet bereikt worden
zonder de procesfactor k1 lager te maken dan 0,25. Alle
werkbare methoden om de numerieke apertuur groter
In het november/december 2008-nummer van Het Ingenieursblad
vindt u een artikel over de toepassing van immersie, het
gebruik van water als extra lichtbreker, om bovenvermelde NA
te bereiken. Op http://youtu.be/X7FMo_xevpU kunt u in een
videofragment zien hoe immersie werkt.
56 | Het Ingenieursblad JG 79 · 3/2010
te maken dan het theoretische maximum van 1,0 zijn
al toegepast (het praktische maximum van de NA door
het gebruik van immersielithografie is bepaald op 1,35).
Daarom lijkt een aanzienlijk kortere golflengte de enige
haalbare manier om een toekomstbestendige technologie
te ontwikkelen waarmee rendabele halfgeleiders met
een resolutie < 32 nm geproduceerd kunnen worden.
De volgende stap: EUV
© Nasa
EUV staat voor extreem ultraviolette straling. Momenteel
maken geavanceerde lithografieapparaten gebruik van
kryptonfluoride of argonfluoride excimeerlasers die
ultra violet licht met een golflengte van respectievelijk
248 of 193 nm uitstralen. Vergeleken met deze waarden,
is de volgende stap gigantisch. EUV heeft een golflengte
van ca. 13,5 nm en komt daarmee bijna binnen
het bereik van de Röntgenstraling. Daarom moesten
de ingenieurs en ontwikkelaars bijna elk aspect van de
optische kolom en de rest van het lithografiesysteem
opnieuw bestuderen.
Optica: De traditionele lithografiesystemen gebruiken
sets van verschillende lenselementen om het licht te
bundelen, een te groot diffractieverlies te vermijden en
de kleinste details mogelijk te maken. Omdat geen enkel
optisch materiaal transparant is in de golflengte van EUV
maakt de nieuwe technologie gebruik van spiegels in
plaats van lenzen. En deze spiegels moeten voorzichtig
worden gebruikt. Vanwege de korte golflengte weerkaatst
elke spiegel met soms wel 100 lagen van afwisselend
molybdenum en silicium op zijn best ongeveer
70% van de straling. Voor een grote productiviteit moet
het aantal spiegels dus beperkt blijven. Bij een klein aantal
spiegels stijgt de optische efficiency van de hele optische
kolom, maar bij een relatief hoog aantal spiegels
kan de apertuur groter zijn. De ontwikkelaars moeten

zorgvuldig proberen de juiste evenwicht te vinden om
optimale lithografische resultaten te kunnen bereiken.
Een andere uitdaging bij het ontwerpen van het optische
systeem is dat spiegels niet in één lijn kunnen worden
opgesteld, zoals bij lenzen. Ze mogen elkaar niet in
de weg staan en moeten toch zo efficiënt mogelijk het
licht weerkaatsen. Dat vereist een ingewikkelde opstelling.
Om de kleinste details te produceren, kunnen afwijkingen
worden gecorrigeerd door de spiegels asferisch
te maken, al worden ze hierdoor wel moeilijker te produceren.
Het oppervlak moet ongelooflijk nauwkeurig zijn:
afwijkingen van meer dan 0,2 nm op het oppervlak zijn
niet toegestaan.
De EUV-bron: De lichtbron blijkt een van de grootste
uitdagingen te zijn bij de ontwikkeling van EUV lithografie.
Een groot deel van de straling gaat verloren tussen
de bron en de wafer, door het beperkte reflectievermogen
van de spiegels. De lichtstraal moet echter
toch krachtig genoeg zijn om een grote productiviteit
te kunnen garanderen. Daarom moet de stralingsbron
ten minste 100 Watt sterk zijn bij de ingang van het
optische systeem van de scanner. Dat is ongeveer twee
keer meer dan bij de huidige excimeerlasers. Bovendien
mag de stralingsdosis niet meer variëren dan 0,5% tijdens
de belichting van de chip. Leveranciers als Ushio,
Gigaphoton en Cymer werken hard om plasmabronnen
te ontwikkelen die voldoen aan de eisen van de halfgeleiderindustrie.
Om een puls van plasmalicht te creëren
wordt een sterke elektrische stroom of een lasertrigger
door een doelmateriaal (meestal tin) gestuurd. Daardoor
stijgt de temperatuur van dat materiaal tot ongeveer
500.000°C. Hierdoor ioniseert het gas en worden de
elektronen gescheiden van de kern. Zo ontstaat een
plasma, een zeer hete wolk van ionen, elektronen en
neutrale atomen. Terwijl de elektronen terug vallen naar
de grondtoestand zenden ze EUV-licht uit. Die puls kan
vervolgens worden gebruikt voor het lithografieproces.
Het masker: De maskers die worden gebruikt bij de
EUV-technologie werken op basis van reflectie, in tegenstelling
tot de traditionele lithografiemaskers die het
licht doorlaten. Het maskeroppervlak lijkt op de coating
van de spiegels in de optische trein, om een zo groot
mogelijke reflectievermogen te bereiken.Net als bij de
traditionele maskers worden de structuren op het masker
geschreven en overgebracht op de wafer via het
optische systeem.
Omgeving: De EUV-fotonen worden gemakkelijk geabsorbeerd
door omgevende media, waaronder de lucht.
Daarom kan EUV uitsluitend worden uitgezonden in een
vacuüm. Dat is een van de meest kenmerkende eigenschappen
en een belangrijke voorwaarde voor de EUVlithografie.
Het EUV-licht zelf levert ook een speciale uitdaging
op. Als er verontreiniging is in het vacuüm of op
de spiegel kan er namelijk een chemische reactie optreden.
Om verontreiniging van de uiterst gevoelige optische
apparatuur te voorkomen en de transmissie van de
optische kolom te behouden moeten er speciale reinigingsmechanismen
worden toegepast. Daarnaast zijn
er ook nog een aantal werktuigbouwkundige en thermische
uitdagingen. De EUV-apparatuur moet voldoen
aan strenge eisen wat de uitlijning en overlay betreft.
Daarom moet de machine absoluut trillingsvrij zijn. Om
een goede beeldvorming te garanderen moet de temperatuur
van de optische trein zeer nauwkeurig worden
gereguleerd.
Van de ontwikkeling tot
de productie
Voor buitenstaanders lijken de ontwikkelingen in de
halfgeleiders enorm snel te verlopen. Zoals hierboven is
beschreven is de technologie zeer complex en daarom
spreekt het voor zich dat de ontwikkeling ervan een langetermijnproject
is. Aan het eind van de jaren 90 was
het al duidelijk dat de grens van 40 nm niet zou worden
overschreden met de traditionele lithografiesystemen.
ASML, producent van lithografische steppers en
scanners, is al in 1999 begonnen met de ontwikkeling
van een modulair concept. De producent besloot uit te
gaan van de eigen TWINSCAN-systemen en te bepalen
welke kenmerken daarvan behouden konden blijven,
welke moesten worden aangepast en welke helemaal
opnieuw moesten worden ontworpen. De ondersteunende
systemen konden voor een groot deel ongewijzigd
blijven, maar de optische kolom moest opnieuw
worden uitgevonden.
Zelfs een onderneming als ASML kon zo’n uitdaging
niet alleen aan. Voor een aantal specifiekere taken werd
daarom een beroep gedaan op vertrouwde samenwerkingspartners,
die de expertise bezitten voor de ontwikkeling
van EUV-lichtbronnen of krachtige asferische
spiegels. De noodzakelijke vacuümomgeving ontwerpen
was geen eenvoudige opdracht voor de researchers. In
de oudere generaties steppers en scanners wordt het
licht hoofdzakelijk uitgestraald door de lucht, maar er
bestond geen specifieke knowhow op het gebied van
de benodigde vacuümtechnologie. In het begin moest
het bedrijf de expertise buiten de onderneming zoeken.
Daarom moest de onderneming ook nieuwe partners
aantrekken die deskundig waren op dit gebied. Het
ontwerp- en realisatieproces van de twee R&D-systemen
(de alfa-demotools genoemd) heeft bijna zeven jaar
JG 79 · 3/2010 Het Ingenieursblad | 57
Microchips
Figuur 2: Vanaf het
midden van de jaren
80, is de golflengte
van licht gebruikt
bij lithografiesystemen
met bijna de
helft verminderd, van
365 nm naar 193 nm.
De omschakeling
naar EUV lithografie
verminderd de golflengte
nog met een
factor van bijna 15.

Microchips
Figuur 3: Omdat elke materie EUV straling absorbeert, moeten alle optische
onderdelen voor het verzamelen van licht (collector) en het conditioneren van
de straling (illuminator) en de patroontransfers (projectie optics) gebruik maken
van hoge performantie molybdenum-silicon meerlalige spiegels, en het volledige
optische pad moet ondergebracht worden in een bijna-vacuüm.
Figuur 4: EUV bronnen voor lithografie applicaties kunnen gebaseerd zijn op Laser
Produced Plasma (LPP) of Discharge Produced Plasma (DPP). De twee alternatieven
vereisen heel verschillende strategieën voor het verzamelen van de maximale hoeveelheid
licht en om plasma overblijfselen van bij de verzamelspiegels weg te houden.
EUV in beeld?
Bekijk het filmpje op
www.hetingenieursblad.be ➞ Video
Bedrijfsbezoek
KVIV Limburg gaat op 7 september op bedrijfsbezoek
bij ASML (Veldhoven, Nederland).
Ook KVIV-leden uit andere provincies zijn welkom!
Meer info in de rubriek KVIV Direct van dit Ingenieursblad.
58 | Het Ingenieursblad JG 79 · 3/2010
geduurd. In deze periode heeft een team van 200 tot
300 ingenieurs en wetenschappers gewerkt aan de ontwikkeling
van deze functionele EUV-systemen, wat neerkomt
op een totaal van 1350 jaren van gezamenlijke
ontwikkeling.
De interactie met de deskundige partners was niet alleen
van belang vanwege hun specifieke expertise, maar
ook om de specificaties van de verschillende modules
te bepalen. Per slot van rekening moesten de modules
naadloos op elkaar aansluiten en zonder de kleinste
storing werken, na assemblage van het prototype. Elke
partner heeft het uiteindelijke ontwerp van de modules
vrij onafhankelijk bepaald. Daarna volgde er een fase
van zeer nauwe samenwerking waarin de modules werden
geassembleerd.
In 2006 had ASML twee volledig functionele EUV alfademotools
ontwikkeld. Die zijn geïnstalleerd bij IMEC,
het toonaangevende onafhankelijke researchcentrum
voor nano-elektronica en nanotechnologie in Leuven,
België, en in het College of Nanoscale Science and
Engineering (CNSE) van de universiteit van Albany, in de
VS. De producenten van halfgeleiders kunnen met deze
machines een heel EUV-proces uitvoeren onder R&Domstandigheden.
Omdat de belangrijkste producenten
van geïntegreerde schakelingen de EUV-lithografie willen
invoeren in de massaproductie, gebruiken ze de alfademotools
om de maskers, fotoresists, belichtingsomstandigheden
en processen te optimaliseren. In februari
2008 werd in Albany met behulp van de alfa-demotools
de eerste chip geproduceerd met EUV.
De eerste EUV-scanners voor productie en verdere R&D
zijn reeds besteld. De onderneming verwacht dat deze
in 2010 leverbaar zullen zijn. In deze fase gebruiken de
chipproducenten de machines om de productieprocessen
aan te passen aan de nieuwe apparatuur. Doorgaans
duurt dat een jaar of twee. Waarschijnlijk kan de productie
van chips op EUV-scanners op grotere schaal dus van
start gaan in 2012.
De toekomst van de EUV-lithografie
De implementering van de EUV-technologie is een
belangrijke mijlpaal voor de hele halfgeleiderindustrie.
Nu is er een technologische basis waar in de toekomst op
verder zal kunnen gebouwd worden. De EUV-systemen
zullen een resolutie van 22 nm en kleiner kunnen bieden.
Door de numerieke apertuur aan te passen zal EUV naar
verwachting voor verschillende resoluties onder deze
waarde kunnen worden gebruikt. Dankzij het modulaire
concept kan de machine waarschijnlijk door een paar
modules aan te passen geschikt worden gemaakt voor
toekomstige specificaties.
De auteur
Hans MEILING, Director Product Management EUV bij AsML
Meewerken aan kleinere chips? surf naar www.asml.com/careers
■