Chipmakers houden litho-opties tegen het licht

Sommige chipmakers zitten te springen om EUV-lithografie, maar ze moeten opnieuw uitstel slikken. Ondertussen stoomt Mappers e-beamtechnologie door en maakt een tot voor kort nog academische patroneringstechniek – directed self-assembly – opeens alle tongen los.

Ieder jaar brengt de internationale vakvereniging van optici, de SPIE, iedereen bij elkaar die iets te maken heeft met lithografie in de halfgeleiderindustrie. Van universitaire onderzoekers tot chipmakers en machinebouwers, in drommen komen ze vijf dagen naar het Californische San Jose – en echt niet alleen om aan de winter op het noordelijk halfrond te ontsnappen. De Advanced Lithography-conferentie is een van de zeldzame momenten waarop sleutelspelers een boekje opendoen over de vooruitgang die ze hebben geboekt. Wie wil weten of lithografen de wet van Moore nog weten bij te benen, gaat naar San Jose.

Dit jaar was het extra spannend. Het huidige werkpaard immersielithografie  loopt op zijn laatste benen, maar noch gedoodverfd opvolger EUV noch een alternatief heeft zich tot dusver ontwikkeld tot productiewaardig niveau. Zouden dit jaar dan eindelijk de verlossende woorden worden gesproken? Zouden de doorbraken worden gemeld die IC-schaling de komende jaren op de rails houden? Een overzicht van de belangrijkste ontwikkelingen.

EUV

Chipmakers als Intel, Samsung en TSMC moesten op Advanced Lithography tot hun groot chagrijn concluderen dat EUV óók niet op tijd komt voor het 14-nanometerknooppunt – de zoveelste keer dat de instap wordt uitgesteld. Zij moeten dus een litho-optie voorbereiden die ze liever hadden vermeden: double of zelfs multi-patterning (DP/MP). ’Het viel me op dat er dit jaar veel presentaties waren over hoe moeilijk het eigenlijk is om DP of MP te doen – zeker op een kosteneffectieve manier. Hadden we maar EUV, dat was eigenlijk het heersende sentiment‘, zegt lithodirecteur Kurt Ronse van Imec, daags nadat hij uit de VS is teruggekeerd.

Toch heeft de ontwikkeling van EUV‘s belangrijkste knelpunt niet stilgestaan. Ronse: ’Bronmakers Cymer en XTreme Technologies hebben heel wat vooruitgang geboekt. Beide lieten nu flinke dubbelcijferige wattages zien bij een redelijke duty cycle.‘ De toevoeging over de duty cycle is belangrijk. Het is lang niet zo makkelijk om lange tijd een constant vermogen te leveren als om korte pulsen te genereren. Bij continue operatie duiken allerlei extra engineeringsproblemen op, zoals het opruimen van contaminanten of het stabiel houden van de lichtdosis.

Behalve de duty cycle zijn er nog meer factoren die kunnen verhullen hoe ’bruikbaar‘ een EUV-bron nu werkelijk is. Het wattage wordt bijvoorbeeld niet altijd netjes gemeten op het punt waar de bron overgaat in de machine (de intermediate focus), waardoor er in de praktijk nog extra verliezen optreden. Ook worden metingen soms zonder essentiële subsystemen verricht, bijvoorbeeld om de stabiliteit van de dosis EUV-licht te garanderen. Het is daarom voor buitenstaanders bijzonder moeilijk om een precieze vergelijking te maken tussen verschillende bronnen.

Cymer presenteerde op Advanced Lithography een provisorische bron van 50 watt bij tachtig procent duty cycle, maar onduidelijk is hoe lang het nog duurt voordat klanten over dat vermogen kunnen beschikken. Onlangs gaven de Amerikanen toe dat ze hun deadline voor de 20-wattbronnen, in het eerste kwartaal, hebben gemist en dat het zelfs na uitgestelde levering tot het einde van het derde kwartaal zou kunnen duren voordat die op het gespecificeerde vermogen draaien. De belofte van 100 watt aan het einde van het jaar lijkt in ieder geval wel erg veel gevraagd, vindt Ronse. Om dat in een context te plaatsen: geheugenmaker Samsung zegt echt in de problemen te komen als het eind 2013 niet over een bron van 250 watt beschikt.

Ushio-dochter XTreme heeft een inmiddels een 20-wattexemplaar bij honderd procent duty cycle, de U2, opgestart bij ASML. Opvolger U3, gespecificeerd op 50 watt bij honderd procent duty cycle, wordt momenteel getest in de fabriek, maar is nog niet hoger geweest dan 30 watt bij honderd procent duty cycle. XTreme werkt ook aan de U4 (met dezelfde specificaties als de U3), die na bewezen betrouwbaarheid naar ASML gaat. Daarna staat Imec in de rij voor een upgrade.

Ronse vindt het moeilijk om te zeggen welk bedrijf favoriet is om de eerste productiebronnen te leveren. ’Vorig jaar liep XTreme duidelijk voor, maar Cymer heeft dit jaar de grootste stappen gemaakt.‘

E-beam

’Hoge resolutie met elektronenbundels van 5 keV: een jaar geleden geloofde niemand hier dat het kon. Maar het kan dus wel‘, vertelt CEO en medeoprichter Bert Jan Kampherbeek van Mapper enthousiast met negen uur tijdsverschil vanaf de Advanced Lithography-conferentie. Zijn bedrijf gaf dit jaar zelf geen presentatie, maar liet het aan CEA-Leti en TSMC over om te vertellen welke resultaten zij met Mappers eerste e-beammachine hebben behaald. Beide klanten-schuine-streep-partners hebben sinds 2009 een alfatool uit Delft in huis en gebruiken die om de technologie in de vingers de krijgen en verder te ontwikkelen. Bij het Franse onderzoeksinstituut loopt een open programma, waarbij geïnteresseerden zich tegen betaling kunnen aansluiten, zoals onlangs de grote chipmachinebouwer Tokyo Electron deed.

CEA-Leti en TSMC zijn erin geslaagd om 22-nanometerlijntjes en -contactgaatjes op 300 millimeter wafers te printen. Dat is dus goed genoeg voor 14- en 10-nanometergeneratie logic-chips, de meest voor de hand liggende instap voor e-beam in de IC-productie met significante volumes – een van de markten waar Mapper nog steeds ambieert actief in te worden, bevestigt Kampherbeek. ’We hebben aangetoond de benodigde resolutie te halen. Nu de doorvoer nog.‘

Doorvoer werd altijd gezien als de achilleshiel van e-beam. In tegenstelling tot bij optische technieken moet het patroon stukje bij beetje in de lak worden gekerfd. Omdat elektronen elkaar afstoten, is het moeilijk een hoge stroom door een ’lens‘ te persen en dus om snel genoeg te schrijven. Mapper haalt wat druk van de ketel door met parallelle bundels te werken, maar menigeen – zeker in Veldhoven – was er niet van overtuigd dat dat voldoende is.

Kampherbeek heeft er echter alle vertrouwen in dat Mapper op termijn een machine aflevert die tien wafers per uur verstouwt. Door deze Matrix 10.1 bovendien per tien te clusteren (tot de Matrix 10.10, zie Figuur 1), zou een voor veel IC-toepassingen alleszins acceptabele doorvoer van honderd plakken per uur worden behaald. ’We zijn nu de Matrix 1.1 aan het bouwen. Deze machine heeft een doorvoer van een wafer per uur, maar bijna alle subsystemen zijn gelijk aan die van de Matrix 10.1.‘

Mapper start in 2012 de bouw van zeven tools, waarvan in ieder geval een Matrix 1.1 naar CEA-Leti gaat. Ook TSMC neemt een 1.1-machine af, maar de leverdatum daarvan wil Kampherbeek niet prijsgeven. Als Mapper slaagt en het kostenplaatje gunstig uitpakt, zullen nog veel meer tools richting Taiwan gaan: TSMC‘s lithodirecteur Burn Lin zei op de Advanced Lithography dat zijn bedrijf overweegt volledig over te stappen op e-beam als het de transitie naar 450 millimeter wafers heeft gemaakt.

Ook over contact met potentiële andere klanten houdt Kampherbeek de lippen op elkaar, maar hij bevestigt interesse uit andere markten dan de halfgeleiderindustrie te krijgen. ’Velen die nu een e-beamapparaat hebben staan, zouden best een snellere versie willen.‘

Directed self-assembly

Terwijl het nog maar twee jaar geleden voor het eerst opdook op lithoconferenties, was directed self-assembly (DSA) hét onderwerp dat de tongen losmaakte op Advanced Lithography dit jaar, vertelt Ronse. DSA maakt gebruik van de fasescheiding die ontstaat als twee ’incompatibele‘ chemische verbindingen worden gemengd, zoals water en olie. Bij DSA zijn die twee verbindingen beide een polymeer, die kop-staart aan elkaar zijn gekoppeld tot een zogenaamd blokcopolymeer. Onder bepaalde omstandigheden zoeken gelijksoortige ketens elkaar op en vormen er zich spontaan regelmatige patronen, afhankelijk van de precieze samenstelling en lengte van het blokcopolymeer. Voor chipfabricage staan vooral lijntjes en cirkeltjes in de belangstelling.

Zoals de naam aangeeft, moet de zelfassemblage van blokcopolymeren wel een beetje worden gestuurd om praktisch toepasbaar te zijn. Dat kan via de ondergrond. Met een reliëf van opstaande randjes of een mozaïek van stukjes ondergrond met verschillende chemische affiniteit worden richting en positie van de uiteindelijke patronen gedirigeerd. Essentieel is dat de resolutie van de lithografisch bepaalde hulpstructuren niet de eindresolutie bepaalt (zie Figuur 2).

’Het is een techniek die nog veel ontwikkeling behoeft, maar DSA is ver genoeg gevorderd om als serieuze optie voor chipproductie beschouwd te worden‘, zegt Ronse. Imec kondigde vlak voor de conferentie aan ‘s werelds eerste volledige DSA-proceslijn te hebben opgezet in zijn 300-millimetercleanroom. ’De rol van DSA zal in eerste instantie complementair zijn aan andere technieken. Het kan worden gebruikt om defecten of oneffenheden in de originele afdruk te repareren. EUV-lithografie zou van deze herstelfunctie kunnen profiteren, omdat ze last heeft van afwijkingen, vooral bij het afdrukken van kleine contactgaatjes. In die zin zou DSA weer enkele zorgen rondom EUV kunnen wegnemen.‘