Hoe ASML wil blijven verkleinen

ASML onthulde recent hoe met het ecosysteem rond de Veldhovense euv-scannners van plan is om het komende decennium steeds kleinere chipdetails te kunnen blijven afdrukken.

Paul van Gerven
6 april

Met de transitie van de i-line-lampen in het midden van de jaren tachtig naar de euv-lichtbronnen van tegenwoordig is de resolutie waarmee ’s werelds meest geavanceerde chips worden afgebeeld, met twee ordegroottes naar beneden gegaan. Al enige tijd zegt ASML dat het deze trend nog minstens een decennium kan blijven volhouden. Maar behalve dat het high-NA euv-lithografie op de roadmap heeft gezet, is de Veldhovense machinebouwer nog niet in details getreden over hoe het bedrijf dat wil verwezenlijken. Tijdens een presentatie op de online conferentie SPIE Advanced Lithography lichtte Jos Benschop, senior vicepresident technologie, een tipje van de sluier op.

Het onderwerp waar het publiek waarschijnlijk reikhalzend naar uitkeek, was stochastics. Benschop zelf noemde het ‘de olifant in de kamer’. Stochastische fouten zijn random variaties in het patroon en zijn al vanaf het begin een uitdaging voor euv-lithografie. Het is dus al jaren een veel besproken onderwerp, vooral op specialistenbijeenkomsten zoals de SPIE AL-conferentie.

En dat is het nog steeds. Hoewel stochastics duidelijk geen struikelblok is gebleken voor de commerciële implementatie – de euv-teller stond eind vorig jaar op 26 miljoen belichte wafers – wordt het probleem al maar nijpender met de verdergaande miniaturisering van chipstructuren. High-NA euv-lithografie is een deel van de oplossing, maar daarmee is het probleem nog zeker niet verdwenen.

Krachtigere bron

Stochastische fouten manifesteren zich als random, onregelmatige en alleenstaande gebreken in het geprinte patroon. Het resultaat kan onder meer zijn dat lijnen lokaal onderbroken zijn, contacten missen of elkaar onbedoeld raken, of er kleine bruggetjes ontstaan tussen structuren die helemaal niet verbonden horen te zijn. Elk van die fouten op zich is al genoeg om de hele chip te ruïneren. Zonder tegenmaatregelen zou de opbrengst van de machine drastisch naar beneden gaan, ook omdat de foutenmarge met elke nieuwe generatie kleiner wordt.

Overzicht van het totaal aantal euv-belichte wafers en het aantal verscheepte euv-scanners. Bron: SPIE-presentatie Jos Benschop

De printfouten ontstaan deels door een tekort aan fotonen. Euv-fotonen zijn relatief hoogenergetisch, dus met dezelfde hoeveelheid energie kun je minder 13,5 nm fotonen creëren dan, pakweg, 193 nm fotonen, als die met dezelfde efficiency zouden worden gegenereerd. Omdat elke plek op de wafer via een random distributiepatroon wordt geraakt door fotonen, betekent minder fotonen dat er meer random fluctuaties optreden. Je zou de belichtingstijd kunnen verhogen om meer fotonen te kunnen loslaten maar dat zou uiteraard de doorvoer verminderen en de kosten verhogen.

Vanzelfsprekend zou het helpen als de euv-bronnen krachtiger worden. Benschop toonde daarvoor een roadmap die loopt tot aan 800 watt. Het duurt echter nog jaren voor we daar zijn. Ter vergelijking, chipmakers gebruiken om dit moment een 250 W bron. In zijn lab heeft ASML aangetoond dat het een aantal uur een 420 W bron kan laten werken, die zelfs piekvermogens heeft tot 500 watt.

Een even zo belangrijke factor in stochastics is de fotolak. Idealiter is dat materiaal volledig egaal, maar in de praktijk bestaat het uit moleculen die per definitie discrete entiteiten zijn. Hoe hard je je best ook doet, die krijg je nooit perfect gelijkmatig over een oppervlakte verdeeld. Bovendien kan de absorptie van hoogenergetische euv-fotonen allerlei soorten secondaire reacties in de lak teweegbrengen.

ASML en chipmakers rekenen op fotolakleveranciers om oplossingen te verzinnen om meer moleculen in een ‘pixel’ te proppen en meer fotonen te absorberen, terwijl ongewenste processen worden onderdrukt.

Deep learning

Er liggen dus roadmaps voor het bronvermogen en de fotolak. Is dat genoeg om de stochastische fouten onder controle te houden? Helaas niet, liet Benschop zien. Er zijn nog meer maatregelen nodig. In zijn presentatie zoomde Benschop in op een issue met een grote stochastische component, namelijk de edge-placement error (EPE). Kort gezegd, is dat de marge die er is voor de positionering van ic-details ten opzichte van elkaar. Het is ‘wellicht de meest bepalende factor in de toekomstige chipgeneraties’, aldus Benschop.

Op dit moment op de 7 nm-node komt 40 procent van het EPE-budget uit stochastics. De twee andere grote factoren zijn overlay (ook 40 procent) en de optical proximity correction-instellingen (OPC, 20 procent). Er is ruimte voor verbetering in OPC, vertelde Benschop. Met deep learning-technieken kan de OPC-nauwkeurigheid tot wel 77 procent worden verbeterd. Dat betekent een klein beetje meer ademruimte voor de stochastische fouten.

Er is nog een factor in het spel die bijdraagt aan stochastics en die nog niet is genoemd: contrast. Die parameter kun je verbeteren door over te stappen naar high-NA en door de k1-factor te verkleinen. Die k1 is een verzameling van alles waarmee je de resolutie omhoog brengt, anders dan via een hogere NA en een kortere golflengte (immers, de maximale resolutie = k1 * NA/λ).

Flexibele bundels verlagen de k1-factor. Bron: SPIE-presentatie Jos Benschop

Een belangrijke manier om het k1-getal te verlagen, is de switch naar een geavanceerder maskerdesign die attenuated phase-shift mask heet. Ook helpt het om ASML’s holistische lithografiesuite uit te breiden. Door metrologie, computational modellering en geavanceerde scannercontrole te laten samenwerken, kunnen fouten in het proces worden gedetecteerd en hersteld, vaak zelfs realtime. Als voorbeeld vertelde Benschop over de techniek om heel nauwkeurig te controleren hoe het licht de reticle raakt. Dat kan door de bundel te vormen zodat de spot optimaal is voor het patroon dat je maakt.

Agressieve roadmap

Zelfs met alle verbeteringen die op stapel staan – meer bronvermogen, de stap naar high-NA, betere fotolak en de verlaging van de k1-factor – heeft ASML nog altijd niet genoeg troeven in hand om zowel de stochastics onder de duim te krijgen als de doorvoer kostenefficiënt te houden. De Veldhovenaren hebben dus geen andere keus dan een groter deel van het EPE-budget toe te wijzen aan stochastische fouten. Tot 60 procent is de verwachting. Het verschil moet worden goedgemaakt met verbeteringen op het gebied van overlay en OPC.

‘We zullen nog agressiever inzetten op de overlayroadmap’, zei Benschop. ‘We zijn van plan om de overlay sneller te verbeteren dan de resolutie. Op die manier zorgen we in de toekomst voor een vrijwel constante productiviteit. Met daarbij de inspanningen voor de bron, high-NA en een lage k1. Deze holistische kijk op de scanner, het masker, de fotolak, computation en metrologie geeft ons hogere resolutie op een acceptabel productiviteitsniveau.’