ASML hakee pidemmällä fotomaskilla 40% lisävauhtia

Nykyinen vakiokokoinen fotomaski on liian lyhyt, jotta High-NA-skanneri voisi valottaa tavanomaisen sirukentän kokonaan yhdellä kerralla. ASML ja TSMC ehdottavat ratkaisuksi pidempää maskia. Yhtiöiden yhteinen ilmoitus on kuitenkin kehityssuunnitelma, ei näyttö toimivasta tuotantojärjestelmästä.

Tarkempi kuvio, pienempi valotusala

Fotomaski on sirun jokaisen kerroksen mallipohja. Litografialaite projisoi maskin kuvion piikiekon valoherkälle pinnalle. Myöhemmissä valmistusvaiheissa kuviosta tehdään sähköisiä virtapiirejä.

High-NA parantaa litografialaitteen kykyä erottaa pieniä yksityiskohtia. NA eli numeerinen apertuuri kuvaa sitä, kuinka laajalta kulma-alueelta optiikka pystyy vastaanottamaan valoa. Periaate muistuttaa mikroskoopin objektiivia: useammasta suunnasta kerätty valo auttaa erottamaan yksityiskohtia, jotka muuten sulautuisivat toisiinsa. Imec on osoittanut High-NA:n mahdollistavan aiempaa hienompien kuvioiden valmistuksen.

Tarkkuudella on geometrinen hintansa. Tavanomainen EUV-optiikka pienentää maskin kuviota yhtä paljon vaaka- ja pystysuunnassa. High-NA-laitteen peilijärjestelmä pienentää kuviota voimakkaammin skannerin liikesuunnassa. Nykyisellä maskilla kuva kattaa siksi tällä akselilla vain puolet tavanomaisesta valotuskentästä.

Jos sirukerroksen kuvio ei mahdu lyhentyneeseen kenttään, se on jaettava kahteen vierekkäiseen valotukseen. Skanneri sovittaa kuvat yhteen sirun sisäisestä saumasta. Menetelmää kutsutaan sirunsisäiseksi yhdistämiseksi eli in-die stitchingiksi, ja sitä testataan parhaillaan kokeellisesti.

Ehdotettu suorakaiteen muotoinen maski antaa kuviolle lisää tilaa juuri tältä kaventuneelta akselilta. Kun optiikka pienentää pidemmän kuvan, se täyttää jälleen tavanomaisen valotuskentän. Sopivilla sirukerroksilla yksi valotus voisi siten korvata kaksi saumasta yhdistettävää valotusta. Pelkkä maskimuutos ei suurenna sirua eikä lisää yhdelle piikiekolle mahtuvien sirujen määrää.

Mistä nopeutuksen pitäisi syntyä

ASML arvioi suuremman maskin parantavan tuotantonopeutta noin 40 prosenttia, kun se korvaa kahden valotuksen ja niiden yhdistämisen. Aikasäästö syntyy toisen valotuksen poistumisesta, jolloin skanneri pääsee nopeammin seuraavan piikiekon käsittelyyn.

40 prosenttia on ASML:n ennuste, ei tuotannossa riippumattomasti mitattu tulos. Hyöty koskee kerroksia, jotka muuten vaatisivat kaksi valotusta. Lyhyempään kenttään jo mahtuvat sirumallit eivät juuri nopeudu. Valotusvaiheen lyheneminen ei myöskään itsessään paranna saantoa eli toimivien sirujen osuutta tuotannosta.

High-NA-skannerit ovat kehityksessä uutta maskia pidemmällä. Imec on vienyt koekuviot metallointiin ja sähköisiin mittauksiin asti. Valitut rakenteet ovat siis säilyneet valmistusprosessissa alkuperäisen valotuksen jälkeen. Painatuskoe osoittaa, kykeneekö skanneri erottamaan kuvion. Metallointi ja sähköiset mittaukset kertovat, voidaanko kuviosta valmistaa toimiva sähköinen rakenne. Suurta maskia koskevassa ilmoituksessa ei esitetä vastaavaa koko valmistusketjun kattavaa koetta.

Pidempi levy muuttaa koko tuotantoketjua

Fotomaski saattaa näyttää vain aiempaa suuremmalta lasilevyltä, mutta sen käyttöönotto vaatii koko laiteketjun uudistamista. Toimittajat tarvitsevat yhteensopivat järjestelmät maskien valmistukseen, tarkastamiseen, suojaamiseen, kuljetukseen ja skannereihin syöttämiseen. ASML:n, siruvalmistajien ja laitetoimittajien on sovittava yhteisestä formaatista. Samalla on osoitettava, että maski säilyttää EUV-tuotannon edellyttämän puhtauden ja mittatarkkuuden jokaisessa käsittelyvaiheessa.

Tavoitteena on saada pilottilinja valmiiksi vuoteen 2031 mennessä ja mahdollistaa tuotantojärjestelmien käyttöönotto vuodesta 2033 alkaen. Aikataulu kuvaa kehitystavoitteita. Pilottilinjaa ei ole vielä rakennettu eikä tuotantoketjua hyväksytty käyttöön.

Siruvalmistajat ottavat High-NA-tekniikkaa käyttöön jo ennen uuden maskiformaatin valmistumista. Samsung on esittänyt vuodelle 2028 suunnitelman käyttää High-NA:ta edistyneissä muistisiruissa. TSMC:n etenemissuunnitelmassa High-NA-tuotanto alkaa vuonna 2030. Siirtymävaiheen ensimmäiset sirut valmistetaan nykyisillä maskeilla ja kaksiosaisten valotusten avulla.

Pidemmän maskin tarkoitus on palauttaa High-NA-laitteille täysikokoinen valotuskenttä ja poistaa toinen valotus niiltä sirukerroksilta, joilla sitä nykyisin tarvitaan. Arvioitu tuottavuushyöty toteutuu vasta, jos ASML, siruvalmistajat ja laitetoimittajat saavat saman fyysisen maskiformaatin toimimaan läpi koko tehdasketjun.