Achtergrond - ASML's high‑NA-machines zijn klaar, nu moet het productieproces mee
In dit artikel:
ASML leverde vorig jaar na meer dan tien jaar ontwikkeling zijn eerste high-NA (hoge numerieke apertuur) EUV-machine aan Intel. Deze nieuwe generatie lithografiemachines maakt het mogelijk fijnere patronen te tekenen op wafers, wat kleinere, krachtiger en zuinigere chips mogelijk maakt en daarom cruciaal is voor fabrikanten als TSMC, Samsung en Intel. Tijdens het ITF World-congres in Antwerpen lichtte Geert Vandenberghe (VP Patterning R&D bij imec) toe waarmee onderzoekers en de industrie samenlopen om de machines praktisch inzetbaar te maken.
Lithografie berust op het belichten van een lichtgevoelige laag (fotoresist) en het vervolgens ontwikkelen van het patroon. Door high-NA worden lijnen dunner en dichter op elkaar geplaatst, maar juist daardoor ontstaan nieuwe productiefouten: de relatief hoge structuren in een nog steeds relatief dikke resist hebben meer kans op 'pattern collapse' tijdens het natte ontwikkel- en droogproces. Capillaire krachten en droogspinnen kunnen de fijne lijntjes tegen elkaar trekken, wat bij kleinere pitches steeds problematischer wordt.
Oplossingen komen uit meerdere hoeken. Dry resist development — het verwijderen van delen van de resist met milde plasma- of radicalenchemie in plaats van vloeistof — voorkomt veel van die natte problemen, maar vereist een volledig andere fabrieksinrichting (losse kamers in plaats van de geïntegreerde tracks) en brengt kosten- en throughput-uitdagingen met zich mee. Tegelijkertijd wordt overgestapt op nieuwe materiaaltypen, zoals metaaloxideresists: deze polymeren crosslinken bij belichting en zijn beter bestand tegen droge etstechnieken, laten toe om dunnere lagen te gebruiken en leveren volgens imec betere resolutie.
Ook maskertechnologie moet veranderen. High-NA-optiek voert licht onder grotere hoeken naar het masker, wat ongewenste schaduweffecten kan geven. Onderzoekers experimenteren met dunnere absorbers of deels transparante absorbers die het licht in fase veranderen om die hoekafhankelijke artefacten te compenseren — een materiaal- en engineeringvraagstuk dat nog in ontwikkeling is.
Een andere technische consequentie van de hogere NA is dat het afdrukveld gehalveerd is (van ~800 naar ~400 mm²). Voor grote chips, zoals die van Nvidia, betekent dat dat men moet ‘stitchen’: twee velden nauwkeurig naast elkaar zetten. Dat kan deels worden vermeden via slimme lay-outs (stitch-avoidance), maar soms is daadwerkelijke feature stitching onvermijdelijk en vergt het heel strikte toleranties en meetmethoden om perfecte aansluiting te garanderen.
De voordelen van high-NA zijn groot: kleinere transistoren, meer transistor-dichtheid en mogelijk het schrappen van meerdere belichtingsstappen (multipatterning). Imecresearch suggereert dat high-NA bij de kritischste lagen van komende nodes 3–4 maskers kan besparen, wat productie eenvoudiger, goedkoper en betrouwbaarder maakt. Bovendien herwint ontwerpvrijheid terrein: waar eerdere generaties ontwerpers dwongen tot rechte (Manhattan) patronen vanwege multipatterning, opent de hogere resolutie weer ruimte voor gebogen lijnen en meer optimale plaatsing van blokken, met potentieel betere prestaties en kleinere oppervlakte.
Kortom: de high-NA-machine van ASML is een technische doorbraak, maar pas wanneer fotoresists, ontwikkelprocessen, maskers, fabrieksinrichting en stichttechnieken samen functioneren, kan de industrie optimaal profiteren. Het is een ecosysteeminspanning waarbij tientallen leveranciers en onderzoeksorganisaties, waaronder imec, aan elkaar gekoppelde problemen oplossen om high-NA van lab naar volumeproductie te brengen.