Litografia EUV - ożywienie na rynku?

Fotolitografię, czyli proces odwzorowywania struktury półprzewodnikowej poprzez naświetlanie maski przyłożonej do płytki półprzewodnikowej pokrytej światłoczułą emulsją, zaczęto wykorzystywać równocześnie z wprowadzeniem na rynek pierwszego układu scalonego. Od tego czasu w technologii tej nastąpił jednak znaczący postęp.

Jej rozwój napędzała głównie postępująca miniaturyzacja układów scalonych, ponieważ możliwość produkcji struktur półprzewodnikowych o mniejszych rozmiarach w dużym stopniu jest uzależniona właśnie od rozdzielczości układu optycznego systemu fotolitografii i w konsekwencji od długości fali promieniowania naświetlającego płytki. Na początku wykorzystywano światło widzialne 436nm oraz ultrafiolet 365nm, uzyskiwany w lampach rtęciowych.

Kiedy jednak najmniejszy realizowalny rozmiar (feature size) układu scalonego zmniejszono poniżej 500nm, promieniowanie o tych długościach fal nie mogło już być dłużej użyteczne. Wówczas do naświetlania fotomasek zaczęto wykorzystywać lasery ekscymerowe emitujące promieniowanie w zakresie tzw. pośredniego i dalekiego ultrafioletu, a dokładnie lasery KrF o długości fali 248nm i ArF o długości fali 193nm.

Aktualnie obowiązującą technologią jest fotolitografia o długości fali 193nm, która w połączeniu z takimi procesami jak litografia immersyjna oraz tzw. double pattering umożliwia produkcję układów scalonych o rozmiarze charakterystycznym poniżej 45nm.

EUVL

Chęć dalszej miniaturyzacji układów scalonych sprawiła jednak, że pod uwagę zaczęto brać jeszcze krótsze fale, np. 157nm, czyli daleki ultrafiolet, 13nm, z zakresu skrajnego ultrafioletu oraz o długości od 0,1 do 10nm, mieszczące się już w zakresie tzw. miękkiego promieniowania rentgenowskiego. Technologie wykorzystujące promieniowanie o długości fali odpowiadającej tym dwóm ostatnim przedziałom zaczęto w latach 90. ubiegłego wieku określać wspólnym terminem jako EUVL (EUV Lithography).

Na tle innych rozwijanych wówczas technologii, np. EPL (Electron Projection Lithography) i IPL (Ion Projection Lithography), litografię EUV uznano za najbardziej obiecujące rozwiązanie NGL, co zapoczątkowało intensywne prace nad jej wykorzystaniem. Rozwojem technologii EUVL zajęły się wówczas firmy i centra badawcze na całym świecie. Zainteresowanie świata nauki zachęciło też przedsiębiorców. Badania nad EUVL zaczęły prowadzić takie firmy jak np. Intel, Motorola i AMD, które w tym celu w 1997 zawiązały spółkę.

Rok później w ich ślady poszli producenci z Europy, w tym ASML, Carl Zeiss oraz Oxford Instruments, którzy powołali konsorcjum EUCLIDES (Extreme Ultraviolet Concept Lithography Development System). Dzięki temu europejski rynek badań nad EUVL poczynił znaczące postępy, ugruntowując jednocześnie czołową pozycję firmy ASML. Prace nad EUVL prowadzono też w Japonii, np. już od lat 90. ubiegłego wieku zajmowały się tym firmy Nikon i Hitachi.

Obecnie nad technologią litografii wykorzystującej promieniowanie o długości fali w zakresie dalekiego ultrafioletu dalej pracują najwięksi producenci elektroniki oraz konsorcja przemysłowe, w tym Semtech w USA, IMEC w Europie i Selete w Japonii. Szacuje się, że do dziś starania o wdrożenie EUVL w przemyśle pochłonęły już miliardy dolarów na całym świecie.

Optyka, źródła, maski

Budowa skanera do litografii

Opracowanie optymalnych rozwiązań jest drogie i przeciąga się, ponieważ praktycznie wszystkie aspekty technologii EUVL pod jakimś względem stanowią wyzwanie. Na przykład w związku z tym, że większość materiałów pochłania promieniowanie o długościach fal wykorzystywanych w litografii EUV, żadne tworzywo nie jest na tyle przezroczyste, by nadawało się do konstrukcji elementów optyki, np. soczewek. Dlatego układ optyczny należy konstruować z elementów odblaskowych, a dokładnie z wielowarstwowych, molibdemowo-krzemowych luster, tzw. reflektorów Bragga.

Problemem jest też znalezienie źródła promieniowania o wystarczająco dużej mocy i zapewnienie próżni, ponieważ promieniowanie UV jest silnie absorbowane przez gazy atmosferyczne. Skutkiem tych wszystkich komplikacji jest to, że obecnie czołowi dostawcy sprzętu do produkcji układów scalonych dysponują albo "zaledwie" prototypami maszyn lub dopiero planują wypuścić na rynek pierwszą partię skanerów EUV.

Dlatego, gdy pojawiły się informacje o kolejnych zamówieniach na te urządzenia z jednej strony spotkały się z podejrzliwością analityków, a z drugiej obudziły nadzieję, że być może tym razem uda się już przełamać tę, trwającą już od wielu lat, złą passę technologii litografii EUV.

Technologia znana z... opóźniania

Początkowo, tzn. jeszcze pod koniec lat 80. ubiegłego wieku, planowano bowiem, że litografia EUV zostanie wykorzystana w produkcji 100nm układów scalonych. Wtedy jednak rosnąca popularność litografii w świetle widzialnym przyczyniła się do zahamowania prac nad EUVL. Kolejne podejście do wdrożenia miało miejsce pod koniec lat 90. ubiegłego wieku. Oczekiwano wówczas, że litografia EUV znajdzie zastosowanie przy produkcji 65nm układów scalonych.

Niestety, ponownie ekspansja litografii w świetle widzialnym skutkowała tym, że większość producentów odłożyła decyzję o wdrożeniu procesu EUV do momentu rozpoczęcia produkcji układów 45nm. Wówczas jednak rozwinięto litografię immersyjną oraz tzw. double pattering, co kolejny raz spowodowało zmniejszenie zainteresowania techniką litografii w dalekim ultrafiolecie.

Obecnie przewiduje się, że litografia EUV będzie masowo wykorzystywana dopiero w produkcji układów scalonych o rozmiarze charakterystycznym poniżej 20nm. Zdaniem analityków może to już być dla tej technologii ostatnia szansa, tym bardziej że powszechnie wiadomo, iż chociaż moment ten jest co jakiś czas przekładany, prawo Moore’a też kiedyś musi przestać obowiązywać.

Oznaki ożywienia

Biorąc pod uwagę historię EUVL, nie można się więc dziwić, że wiadomości o masowych zamówieniach na maszyny do produkcji w tej technologii wywołały spore poruszenie. Jako pierwsza poinformowała o tym firma ASML, która, jak twierdzą jej przedstawiciele, do końca bieżącego roku sprzeda praktycznie na pniu wszystkie skanery EUVL typu NXE 3100, umożliwiające produkcję struktur o rozmiarze do 27nm.

Zamówienia zostały złożone, mimo że skaner NXE 3100 wykorzystuje źródło promieniowania o mocy zaledwie 100W. Jest to poważnym problemem, gdyż by możliwe było osiągnięcie wydajności 125 sztuk półprzewodnikowych płytek na godzinę, co jest progiem wydajności produkcji, należałoby wykorzystać źródło min. 200W. Co więcej, oprócz zamówień na NXE 3100 ASML otrzymało też kolejne zlecenia na maszyny następnej generacji, tzn. skanery typu NXE 3300, które ma dostarczyć klientom w 2012 roku.

Według nieoficjalnych informacji skanery te zakupią m.in. takie firmy, jak GlobalFoundries, Intel, Samsung, TSMC, a cena pojedynczego systemu NXE 3300 sięgać może nawet 100 mln dol. Ożywienie można też wreszcie dostrzec w zakresie urządzeń pomiarowych. Przez pewien czas istniała bowiem obawa, że chociaż skanery EUV będą już produkowane, brakować będzie narzędzi pomiarowych np. do wykrywania defektów w maskach.

Wielu analityków z naganą wypowiadało się na ten temat, zarzucając wszystkim, którzy przez lata zajmowali się rozwojem technologii litografii EUV, że temat detekcji defektów masek traktowano marginalnie. Zdaniem wielu powinien on być rozwijany równolegle, gdyż efektywna produkcja nie może być prowadzona, jeżeli brak jest narzędzi do kontroli jej jakości.

Sematech wkracza do akcji

Urządzenie do litografii

Ostatnio jednak z inicjatywy Sematechu powstało konsorcjum do wspierania działań podejmowanych w celu opracowania kompletnych systemów do inspekcji defektów masek dla technologii EUVL, które mają być przygotowywane etapowo w latach 2011-2015. Zadaniem konsorcjum jest przede wszystkim dopingowanie ociągających się dostawców urządzeń pomiarowych oraz negocjowanie warunków współpracy między nimi a producentami układów elektronicznych, którzy przyrządy te w przyszłości kupią.

Jednym z pierwszych rezultatów działalności konsorcjum jest umowa, jaką Sematech zawarł niedawno z dostawcą systemów optycznych, firmą Carl Zeiss, która zobowiązała się zaprojektować oraz wyprodukować kompletny system do inspekcji wizyjnej masek dla EUVL. Oprócz tego Sematech nawiązał też współpracę z innymi kluczowymi dostawcami sprzętu do produkcji układów scalonych i przyrządów do inspekcji na różnych etapach produkcji - firmami Applied Materials oraz KLA-Tencor.

Ten drugi producent zadeklarował nawet tymczasowe rozwiązanie problemu braku odpowiednich narzędzi do inspekcji, sugerując, że na wczesnym etapie rozwoju litografii EUV użyteczne mogą być urządzenia oferowane przez niego obecnie. Takie porozumienia są konsekwencją wysokich kosztów prac R&D. Według KLA-Tencor opracowanie prototypu przyrządu do wykrywania defektów masek używanych w litografii EUV może kosztować 200-400 mln dol. Dlatego firma obecnie negocjuje z Sematechem, starając się o ewentualne dofinansowanie takiej działalności.

Może to sugerować, że inwestycja w taką działalność może się firmie wydawać nieopłacalna, stąd podejmuje ona próby zabezpieczenia swoich interesów. Co gorsza, nawet członkowie Semtechu, w tym tacy giganci rynku półprzewodników jak IBM, Intel, TSMC oraz Samsung są gotowi ponieść jedynie część kosztów, naciskając na dostawców sprzętu do produkcji półprzewodników, by również dołożyli coś od siebie.

Jest to może przedwczesny wniosek, ale trudno oprzeć się wrażeniu, że z obu stron brak jest pewności, że inwestycja w litografię EUV zwróci się, a technologia ta wreszcie zostanie wykorzystana w masowej produkcji. Czy oznacza to, że kolejny raz wdrożenie litografii EUV zostanie odłożone "na później", przekonamy się prawdopodobnie już wkrótce.

Monika Jaworowska