Η ASML στοχεύει σε ταχύτερη λιθογραφία

Η φωτομάσκα που αποτελεί σήμερα το πρότυπο της βιομηχανίας δεν έχει επαρκές μήκος ώστε ένας σαρωτής High-NA να εκθέσει το συμβατικό πλήρες πεδίο ενός τσιπ σε ένα μόνο πέρασμα. Η ASML και η TSMC προτείνουν μια επιμήκη μάσκα που θα αποκαθιστά αυτό το πεδίο, όμως η κοινή ανακοίνωσή τους περιγράφει έναν οδικό χάρτη ανάπτυξης και όχι ένα λειτουργικό σύστημα έτοιμο για παραγωγή.

Μεγαλύτερη ευκρίνεια, μικρότερο πεδίο

Η φωτομάσκα είναι το κύριο πρότυπο πάνω στο οποίο αποτυπώνεται κάθε στρώση ενός τσιπ. Ο σαρωτής λιθογραφίας προβάλλει το σχέδιό της σε μια φωτοευαίσθητη επίστρωση επάνω στο δισκίο πυριτίου, ώστε τα επόμενα στάδια της παραγωγής να μετατρέψουν την εικόνα σε ηλεκτρονικό κύκλωμα.

Η τεχνολογία High-NA βελτιώνει την ικανότητα του σαρωτή να διακρίνει εξαιρετικά μικρά χαρακτηριστικά. Τα αρχικά NA αναφέρονται στο αριθμητικό άνοιγμα, δηλαδή στο εύρος των γωνιών του φωτός που μπορεί να δεχθεί το οπτικό σύστημα. Η αρχή θυμίζει τον αντικειμενικό φακό ενός μικροσκοπίου: όσο περισσότερες κατευθύνσεις φωτός συλλέγει, τόσο ευκολότερα διαχωρίζει λεπτομέρειες που διαφορετικά θα συγχέονταν. Το ερευνητικό κέντρο Imec έχει ήδη επιδείξει λεπτότερη χάραξη με High-NA.

Το τίμημα αυτής της βελτίωσης είναι γεωμετρικό. Τα συμβατικά οπτικά συστήματα λιθογραφίας ακραίας υπεριώδους ακτινοβολίας σμικρύνουν το σχέδιο της μάσκας εξίσου τόσο οριζόντια όσο και κατακόρυφα. Αντιθέτως, η διάταξη κατόπτρων του High-NA το περιορίζει περισσότερο κατά τη διεύθυνση κίνησης του σαρωτή, με αποτέλεσμα η σημερινή μάσκα να καλύπτει μόνο το μισό συμβατικό πεδίο σε αυτόν τον άξονα.

Όταν μια στρώση του τσιπ υπερβαίνει αυτό το μικρότερο πεδίο, πρέπει να χωριστεί σε δύο γειτονικές εκθέσεις. Στη συνέχεια, ο σαρωτής ευθυγραμμίζει τις εικόνες σε μια εσωτερική ένωση, μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται «συρραφή εντός του τσιπ» και δοκιμάζεται ακόμη σε πειραματικό επίπεδο.

Η προτεινόμενη ορθογώνια μάσκα προσθέτει χώρο για το σχέδιο προς την κατεύθυνση που συμπιέζεται από το οπτικό σύστημα. Όταν η μακρύτερη εικόνα σμικρυνθεί, μπορεί να καλύψει ξανά ολόκληρο το συμβατικό πεδίο. Στις στρώσεις που πληρούν τις σχετικές προϋποθέσεις, θα μπορούσε έτσι να αντικαταστήσει δύο συρραπτόμενες εκθέσεις με μία. Από μόνη της, πάντως, δεν μεγαλώνει το τσιπ ούτε αυξάνει τον αριθμό των τσιπ που χωρούν σε κάθε δισκίο πυριτίου.

Από πού μπορεί να προκύψει η αύξηση της ταχύτητας

Η ASML εκτιμά ότι η μεγαλύτερη μάσκα μπορεί να προσφέρει αύξηση της παραγωγικότητας κατά περίπου 40 τοις εκατό, όταν αντικαθιστά μια διαδικασία που απαιτεί συρραφή. Η εξήγηση είναι απλή: εφόσον καταργείται η δεύτερη έκθεση, ο σαρωτής μπορεί να περάσει νωρίτερα στο επόμενο δισκίο.

Το ποσοστό αυτό αποτελεί πρόβλεψη της ASML και όχι ανεξάρτητη μέτρηση από πραγματική γραμμή παραγωγής. Αφορά μόνο τις στρώσεις που διαφορετικά θα χρειάζονταν συρραφή, ενώ τα σχέδια που ήδη χωρούν στο μικρότερο πεδίο έχουν ελάχιστα να κερδίσουν από την αλλαγή της μάσκας. Η ταχύτερη έκθεση επίσης δεν συνεπάγεται αυτομάτως υψηλότερη απόδοση παραγωγής, δηλαδή μεγαλύτερο ποσοστό λειτουργικών τσιπ.

Η τεχνολογία του σαρωτή βρίσκεται σε πιο ώριμο στάδιο από τη νέα μάσκα. Το Imec έχει υποβάλει πειραματικά σχέδια σε εναπόθεση μετάλλων και ηλεκτρικούς ελέγχους, αποδεικνύοντας ότι επιλεγμένες δομές άντεξαν στα στάδια κατεργασίας που ακολουθούν την αρχική αποτύπωση. Η εκτύπωση δείχνει αν ο σαρωτής μπορεί να διακρίνει το σχέδιο· οι μεταγενέστερες δοκιμές εξετάζουν αν αυτό μπορεί πράγματι να μετατραπεί σε λειτουργική ηλεκτρική δομή. Η ανακοίνωση για τη μεγάλη μάσκα δεν παρουσιάζει αντίστοιχη δοκιμή ολόκληρης της παραγωγικής διαδικασίας.

Η μεγαλύτερη πλάκα απαιτεί αλλαγές σε ολόκληρο τον κλάδο

Η νέα μάσκα μπορεί να μοιάζει απλώς με ένα μεγαλύτερο κομμάτι γυαλιού, όμως η αξιοποίησή της προϋποθέτει τη μετατροπή ενός ολόκληρου οικοσυστήματος. Οι προμηθευτές χρειάζονται συμβατό εξοπλισμό για την κατασκευή, την επιθεώρηση, την προστασία, τη μεταφορά και τη φόρτωσή της. Παράλληλα, η ASML, οι κατασκευαστές τσιπ και οι προμηθευτές μηχανημάτων πρέπει να συμφωνήσουν σε κοινές προδιαγραφές και να αποδείξουν ότι σε κάθε στάδιο διατηρούνται η καθαρότητα και η ακρίβεια που απαιτεί η λιθογραφία ακραίας υπεριώδους ακτινοβολίας.

Ο οδικός χάρτης προβλέπει ετοιμότητα για πιλοτική γραμμή έως το 2031, ώστε τα σχετικά συστήματα να μπορούν να περάσουν στην παραγωγή από το 2033. Πρόκειται για αναπτυξιακούς στόχους, όχι για ένδειξη ότι έχει ήδη κατασκευαστεί η πιλοτική γραμμή ή ότι έχει πιστοποιηθεί η αλυσίδα παραγωγής.

Οι κατασκευαστές τσιπ δεν σκοπεύουν να περιμένουν το νέο πρότυπο. Η Samsung έχει παρουσιάσει σχέδιο για την αξιοποίηση του High-NA σε προηγμένες μνήμες το 2028, ενώ ο οδικός χάρτης της TSMC τοποθετεί την παραγωγή με High-NA από το 2030. Κατά την πρώτη φάση της μετάβασης θα χρησιμοποιηθούν οι υφιστάμενες μάσκες και η τεχνική της συρραφής.

Η επιμήκης μάσκα σχεδιάστηκε για να αποκαταστήσει το πλήρες πεδίο του High-NA και να καταργήσει μία συρραφή στις κατάλληλες στρώσεις. Για να μετατραπεί αυτή η δυνατότητα σε πραγματικό κέρδος παραγωγικότητας, η ASML, οι κατασκευαστές τσιπ και οι προμηθευτές εξοπλισμού πρέπει πλέον να πιστοποιήσουν το ίδιο φυσικό πρότυπο σε ολόκληρη την αλυσίδα του εργοστασίου.