ASML mikt op 40% snelheidswinst

Het gangbare fotomasker is te kort om met een High-NA-scanner het gebruikelijke volledige chipveld in één belichting af te beelden. ASML en TSMC willen dat oplossen met een langer masker. Hun gezamenlijke aankondiging beschrijft vooralsnog een ontwikkeltraject; een werkend productiesysteem is er nog niet.

Meer detail, maar een kleiner beeldveld

Een fotomasker bevat het moederpatroon voor iedere laag van een chip. De lithografiemachine projecteert dat patroon op een lichtgevoelige laag op een siliciumwafer. In latere productiestappen wordt die afbeelding omgezet in elektrische schakelingen.

High-NA stelt de scanner in staat om kleinere details van elkaar te onderscheiden. De afkorting NA staat voor numerieke apertuur, een maat voor de reeks invalshoeken van het licht die het optische systeem kan verwerken. Het principe lijkt op een microscoopobjectief dat licht uit meer richtingen opvangt: dankzij die extra hoeken blijven details zichtbaar die anders in elkaar zouden overlopen. Imec heeft aangetoond dat High-NA fijnere patronen kan afbeelden.

Daar staat een geometrisch nadeel tegenover. Gangbare EUV-optiek verkleint het maskerpatroon in beide richtingen even sterk. Door de spiegelopstelling van High-NA wordt het patroon langs de bewegingsrichting van de scanner sterker verkleind. Met het huidige masker bestrijkt de afbeelding langs die as daardoor slechts de helft van het gebruikelijke belichtingsveld.

Een chiplaag die buiten dat kortere veld valt, moet over twee aangrenzende belichtingen worden verdeeld. Vervolgens legt de scanner de afbeeldingen bij een naad binnen de chip precies tegen elkaar. Onderzoekers testen deze techniek, die bekendstaat als ‘in-die stitching’, nog op experimentele schaal.

Het voorgestelde rechthoekige masker biedt meer ruimte voor het patroon in de richting waarin het beeld wordt samengedrukt. Nadat de optiek de langere afbeelding heeft verkleind, kan die weer het gebruikelijke volledige veld vullen. Bij chiplagen waarvoor dat formaat geschikt is, kan één belichting de plaats innemen van twee aan elkaar gestikte belichtingen. Het langere masker maakt de chip zelf overigens niet groter en levert op zichzelf ook niet meer chips per wafer op.

Waar de snelheidswinst vandaan kan komen

Volgens ASML kan de productiecapaciteit met ongeveer 40% toenemen wanneer het grotere masker een proces met twee gekoppelde belichtingen vervangt. De verklaring is eenvoudig: als de tweede belichting vervalt, kan de scanner eerder aan de volgende wafer beginnen.

Die 40% is wel een raming van ASML, geen onafhankelijk gemeten resultaat uit een productiefabriek. Bovendien geldt de winst alleen voor chiplagen die anders uit twee belichtingen zouden moeten worden samengesteld. Ontwerpen die al binnen het kleinere beeldveld passen, hebben weinig profijt van het nieuwe masker. Een snellere belichting verhoogt evenmin automatisch het productierendement, oftewel het aandeel geproduceerde chips dat daadwerkelijk werkt.

De scannertechnologie is verder ontwikkeld dan het nieuwe maskerformaat. Imec heeft experimentele patronen onderworpen aan metaalafzetting en elektrische tests. Daarmee liet het onderzoeksinstituut zien dat geselecteerde structuren ook na vervolgstappen in het productieproces bleven functioneren. Bij het afbeelden wordt vastgesteld of de scanner een patroon scherp genoeg kan projecteren; de latere tests moeten uitwijzen of daarvan ook een werkende elektrische structuur kan worden gemaakt. Voor het grote masker vermeldt de aankondiging geen vergelijkbare proef van begin tot eind.

De langere plaat dwingt een bedrijfstak tot aanpassing

Het masker oogt wellicht als niet veel meer dan een groter stuk glas, maar de invoering ervan vergt aanpassingen in de hele productieketen. Toeleveranciers moeten geschikte apparatuur ontwikkelen om het masker te maken, inspecteren, beschermen, vervoeren en in de scanner te plaatsen. Daarnaast moeten ASML, chipfabrikanten en machinebouwers één formaat afspreken en bij iedere overdracht aantonen dat de voor EUV vereiste reinheid en nauwkeurigheid behouden blijven.

Volgens de planning moet de technologie in 2031 gereed zijn voor een proefproductielijn, waarna systemen vanaf 2033 in productie kunnen gaan. Dat zijn ontwikkeldoelen. Ze bewijzen nog niet dat de proeflijn is gebouwd of dat de volledige productieketen aan de eisen voldoet.

Chipfabrikanten wachten intussen niet op het nieuwe formaat. Samsung heeft een High-NA-plan voor geavanceerde geheugenchips in 2028 bekendgemaakt. In de planning van TSMC begint de productie met High-NA vanaf 2030. Tijdens die eerste overgang zullen fabrikanten dus nog bestaande maskers gebruiken en belichtingen aan elkaar moeten koppelen.

Met het langere formaat kan High-NA weer het volledige gebruikelijke beeldveld bestrijken en vervalt bij geschikte chiplagen één belichting. Of dat werkelijk de beloofde productiviteitswinst oplevert, hangt nu af van ASML, chipfabrikanten en toeleveranciers. Zij moeten hetzelfde fysieke formaat immers geschikt zien te maken voor iedere schakel in de fabriek.