Längre masker ska ge 40 % högre takt

Dagens standardformat för fotomasker är för kort för att en High-NA-skanner ska kunna exponera hela det konventionella chipfältet i ett enda steg. ASML och TSMC föreslår därför en längre mask. Den ska återställa det fulla exponeringsfältet, men bolagens gemensamma besked är än så länge en utvecklingsplan, inte ett fungerande produktionssystem.

Finare detaljer på en mindre yta

En fotomask är den mall som används för att tillverka varje lager i ett chip. Litografiskannern projicerar maskens mönster på ett ljuskänsligt skikt på en kiselskiva. I efterföljande tillverkningssteg omvandlas bilden till elektriska kretsar.

High-NA gör det möjligt för skannern att urskilja mindre strukturer. NA står för numerisk apertur och anger hur stort spann av ljusvinklar som optiken kan ta emot. Principen liknar ett mikroskopobjektiv som samlar in ljus från fler riktningar: de extra vinklarna gör det lättare att skilja detaljer som annars skulle flyta ihop. Forskningsinstitutet Imec har visat att High-NA kan framställa finare mönster.

Den förbättrade upplösningen medför samtidigt en geometrisk begränsning. Konventionell EUV-optik förminskar maskens mönster lika mycket i båda riktningarna. High-NA-systemets spegeluppsättning förminskar däremot bilden mer i skannerns färdriktning. Med dagens maskformat täcker bilden därför bara hälften av det konventionella fältet längs den axeln.

Om ett chiplager sträcker sig utanför det kortare fältet måste mönstret delas upp mellan två intilliggande exponeringar. Skannern fogar sedan samman bilderna längs en skarv inne i själva chipet. Metoden kallas in-die stitching och testas fortfarande experimentellt.

Den föreslagna rektangulära masken ger mer utrymme för mönstret i den riktning där bilden pressas samman. När optiken har förminskat den längre bilden kan den åter fylla hela det konventionella fältet. För chiplager som i dag kräver skarvning skulle masken kunna ersätta två exponeringar med en. Förändringen gör däremot inte chipen större och ökar inte i sig antalet chip per kiselskiva.

Så kan kapaciteten öka

ASML räknar med en kapacitetsökning på omkring 40 % när den större masken ersätter en process med två sammanfogade exponeringar. Förklaringen är att skannern slipper den andra exponeringen och därmed kan börja bearbeta nästa kiselskiva tidigare.

Siffran är ASML:s prognos och har inte bekräftats genom oberoende mätningar i produktion. Vinsten gäller dessutom bara lager som annars skulle behöva skarvas. Konstruktioner som redan ryms inom det kortare exponeringsfältet får begränsad nytta av det nya formatet. En snabbare exponering höjer inte heller automatiskt utbytet, alltså andelen tillverkade chip som fungerar.

Själva skannertekniken har kommit längre än den nya masken. Imec har låtit experimentella mönster genomgå metallbeläggning och elektriska tester. Resultaten visar att vissa strukturer klarade fler tillverkningssteg än den första exponeringen. Trycktestet visar om skannern kan återge mönstret, medan de senare stegen prövar om mönstret kan bli en fungerande elektrisk struktur. I beskedet om den stora masken redovisas ingen motsvarande demonstration av hela tillverkningskedjan.

Den längre skivan kräver en omställning i hela branschen

Fotomasken kan se ut som en större glasskiva, men införandet kräver att ett helt leverantörssystem ställs om. Det behövs kompatibel utrustning för att tillverka, inspektera, skydda, transportera och ladda maskerna. ASML, chiptillverkarna och utrustningsleverantörerna måste också enas om ett gemensamt format och visa att renheten och precisionen kan bevaras i varje led. EUV-processen lämnar ytterst små felmarginaler.

Enligt färdplanen ska pilotlinjer kunna vara redo 2031, vilket ska bana väg för produktionssystem från 2033. Årtalen är utvecklingsmål. De visar inte att någon pilotlinje redan har byggts eller att produktionskedjan har godkänts.

Chiptillverkarna tänker inte invänta det nya maskformatet. Samsung har presenterat en plan för att använda High-NA till avancerade minneschip 2028, medan TSMC:s färdplan anger produktionsstart med High-NA från 2030. Under den första övergångsfasen får dagens masker och sammanfogade exponeringar därför bära produktionen.

Det längre formatet ska återge High-NA-systemets fulla exponeringsfält och ta bort en skarv för de lager där tekniken kan användas. Om detta också ska ge en verklig produktivitetsökning måste ASML, chiptillverkarna och utrustningsleverantörerna få samma fysiska format att fungera genom hela fabrikskedjan.