Zo gaan chipfabrikanten op weg naar 7nm

9 reacties
Inhoudsopgave
  1. 1. Kleiner is beter
  2. 2. Waar staan we nu?
  3. 3. De weg vooruit: meer lagen of EUV
  4. 4. De roadmap van Globalfoundries
  5. 5. De roadmap van Intel
  6. 6. De roadmap van Samsung
  7. 7. De roadmap van TSMC
  8. 8. De vergelijking: het beste proces?
  9. 9. Verre toekomst: op weg naar de nanometer
  10. 9 reacties

De weg vooruit: meer lagen of EUV

Simpel gesteld begint elke chip als een plakje silicium, waarin het ontwerp van een chip wordt aangebracht met lasers. Op dit moment maken die gebruik van immersielithografie met ultraviolet licht, dat een golflengte van 193 nm heeft. Met verschillende trucs kunnen daarmee veel kleinere structuren in chips worden aangebracht, bijvoorbeeld het meerdere malen overdoen van het graveerproces (multi-patterning).

Extreem ultraviolet licht

Tijd kost echter geld en op een gegeven moment is verdere verkleining met de huidige technieken niet langer houdbaar. Voor een 7nm-proces zouden vier blootstellingen nodig zijn, voor een nog verdere verkleining wordt zelfs een doemscenario van achtvoudige patterning geschetst. Daarom wordt er al sinds het begin van dit millennium ontwikkeld aan EUV, extreem ultraviolet licht met een golflengte van slechts 13,5 nm. Hiermee kunnen er veel preciezer patronen worden aangebracht, zonder dat daarvoor meerdere belichtingen nodig zijn.


Hetzelfde ontwerp, geproduceerd met EUV (links) en traditionele lithografie (rechts).

De ontwikkeltijd verraadt al dat er daarbij flink wat problemen opdoken, die grotendeels door het Nederlandse ASML moesten worden opgelost. Het Veldhovense bedrijf levert productie-apparatuur aan alle grote chipfabrikanten en heeft veruit de grootste bijdrage aan de ontwikkeling van de EUV-techniek. Het grootste probleem was het opkrikken van het vermogen van de machine, zodat de output groot genoeg is om de kosten te kunnen verantwoorden.

EUV-machines die nu worden verscheept hebben een krachtbron van 140 watt, genoeg om 100 wafers per uur te belichten. De eerste werkende 250W-bronnen zijn reeds getoond, wat voldoende zou zijn voor 125 wafers per uur. Dat blijft echter fors lager dan courante machines die gebruikmaken van normaal ultraviolet licht, die een output van 250 wafers per uur of zelfs meer dan dat kunnen leveren.


Een EUV-machine van ASML.

Meer EUV-problemen

Nu dit probleem bijna opgelost lijkt te zijn, blijven er nog een aantal zaken over. Zo worden er voor het EUV-licht minder (maar wel krachtigere) fotonen gebruikt, waarbij de variatie echter gelijk blijft. Daardoor kampen met EUV geproduceerde wafers vaak met 'ruwheid', veroorzaakt door lichtdeeltjes die als gevolg van de willekeurigheid net niet op de goede plek terechtkwamen.

Het andere probleem dat overblijft zit hem in de maskers waarin het ontwerp van een chip is aangebracht. Licht vanuit de productiemachine gaat door dat masker heen om het patroon daadwerkelijk op de chip aan te brengen. Defecten in EUV-maskers zijn lastig op te sporen en daarnaast ontstaan ze soms ook tijdens een productierun, wat uiteraard desastreus is voor de yields. Daarnaast zijn EUV-maskers tot acht keer duurder dan traditionele maskers, al zullen de prijzen waarschijnlijk gaan dalen als er eenmaal sprake is van massaproductie.

Bovenop zo'n masker ligt een zogenaamde pellicle, een zeer dun laagje dat ervoor zorgt dat er geen stofdeeltjes op de laser komen. Oorspronkelijk werd gehoopt dat EUV-machines in een clean room geen pellicle nodig zouden hebben, maar dat bleek te optimistisch. De pellicles blijken echter een deel van het EUV-licht te absorberen, waardoor het laagje opwarmt tot wel 1000 graden Celsius en broos kan worden. Omdat dit proces zich in een vacuüm afspeelt, kan de warmte nauwelijks worden afgevoerd.


Een prototype van een pellicle dat gebruikt kan worden bij EUV-productie.

Introductie EUV verloopt stapje voor stapje

Een kant-en-klare oplossing is er nog niet. Sommige fabrikanten overwegen daarom om EUV in eerste instantie in gebruik te nemen zonder het toepassingen van pellicles. Dat vergroot echter het risico op productiefouten en vereist daarom grondige inspectie van zowel de maskers als de gefabriceerde wafers.

De fabrikanten die desondanks alvast EUV willen introduceren, beginnen daarom voorzichtig. Alleen bij kleine gedeeltes van de geproduceerde chips, bijvoorbeeld de contactpunten en via's, wordt in eerste instantie EUV-belichting toegepast. Er lijkt echter consensus te zijn dat voor een 5nm-procedé volledige productie met extreem ultraviolet licht nodig is.

0
*