Water stelt chipmachines scherper

In de nieuwste generatie chipmachines van ASML wordt een druppel water heen en weer geschoven over de wafer. Betere optica is het gevolg, en dus kleinere chips. De wereld zat erop te wachten, want de oorspronkelijke weg naar kleinere chips was hobbeliger dan verwacht.

De chipsindustrie is zo complex en met investeringen gaan zoveel miljoenen gepaard dat geen enkel bedrijf, hoe groot ook, het zich een gokje kan veroorloven. Niemand ontwikkelt zomaar een nieuwe machine. Klanten worden gepolst, die op hun beurt hun klanten consulteren, enzovoort. Uit dat poldermodel van de chips komt een roadmap voort, een gemiddelde richting der neuzen. Wie achterblijft, kan het vergeten, wie voorloopt, krijg te maken met huiverige afnemers.

Voor dit jaar stond de overstap op het programma van laserlicht met een golflengte van 193 nanometer naar 157 nanometer voor het belichten van de wafer. De kleinere golflengte maakt het mogelijk kleinere details te projecteren op de plak silicium, die aan het eind van de rit verzaagd wordt tot enkele tientallen identieke chips. Het beheersen van de 157 nanometer technologie bleek echter ingewikkelder dan verwacht. En dus begonnen klanten bij ASML aan te dringen op verbeteringen aan de 193 nm technologie, om toch maar de roadmap te kunnen volgen.

Fotolak

‘Het idee om een vloeistof in plaats van lucht tussen de lens en het object te plaatsen, is oud en wordt in de microscopie al lang toegepast’, zegt Boudewijn Sluijk, director product marketing bij ASML. ‘Zo’n vloeistof heeft een hogere brekingsindex dan lucht. Daardoor valt het licht als het ware rechter vanuit de lens op het object, zodat je met dezelfde lens een scherpere afbeelding kunt maken. Tot vrij recent was de gedachte dat dit niet praktisch uitvoerbaar was, maar wij zijn er toch ingedoken.’

Dat leverde uiteraard een aantal fundamentele vragen op. Welke vloeistof is geschikt, bijvoorbeeld? En wat is het effect van de vloeistof op de fotolak, die onder invloed van het licht moet uitharden (waarna de niet uitgeharde resten worden weggespoeld en het aldus ontstane patroon wordt ge√ętst in bijvoorbeeld silicium of koper)? Uiteindelijk bleek zuiver water prima te werken.

Minstens zo belangrijk was echter de vraag of de technologie, immersion genaamd, te implementeren viel in de bestaande machines. Het ontwikkelen van een totaal nieuwe machine is namelijk een dure en tijdrovende aangelegenheid. Op dit punt bleek ASML een voorsprong te hebben op de concurrenten, omdat de machine om heel andere redenen al zo in elkaar zat dat immersion goed was in te bouwen. ‘Serendipiteit noemen we dat’, zegt Sluijk niet zonder plezier in zijn stem.

Chipmachines doen twee dingen: het daadwerkelijk projecteren van het patroon op de wafer wordt voorafgegaan door een meetstap om de wafer exact te positioneren. De machines van ASML hebben die stappen gescheiden, zodat de volgende wafer alvast uitgemeten wordt, terwijl de vorige nog op de projectietafel ligt. Dat verhoogt de doorvoer. Het gevolg was dat ASML alleen de projectie in een waterige omgeving hoeft te doen, terwijl andere fabrikanten voor hetzelfde trucje ook hun meetstap zullen moeten aanpassen.

Minstens zo belangrijk was dat in de Twinscan machines van ASML de laatste lens boven de wafer een platte vorm heeft. Daardoor ontstaan geen vervormingen op de grens van lens (van calciumfluoride) en water.

Klotsen

De grote vraag was vervolgens uiteraard wel: hoe stop je het water op een fatsoenlijke manier tussen de vaste lens en een wafer die tot wel 500 millimeter per seconde beweegt? Belletjes zijn uit den boze, want daar veranderen de optische eigenschappen van. En langzaam aan doen is ook geen optie, want hoge doorvoer is een keiharde eis bij de peperdure machines. Iedere seconde vinden ongeveer drie projecties plaats.

‘In principe zijn er twee opties’, vertelt Sluijk. ‘Je kunt de wafer in zijn geheel onderdompelen. Technisch is dat mogelijk, ofschoon het wel gaat klotsen. Wij hebben ervoor gekozen om een minimale hoeveelheid water te gebruiken. Concreet betekent dit dat we een druppel water van een paar centimeter groot heen en weer schuiven over de wafer.’

Om te kunnen schuiven is de druppel omgeven door een soort douchekop. Ook die moet nauwkeurig afgesteld worden, want hij mag niets van de fotolaklaag afschrapen, terwijl ook niet meer dan een paar moleculen water achterblijven mogen. Het water wordt voortdurend ververst, onder meer om vervuiling door lakdeeltjes tegen te gaan.

Het resultaat is een machine die evenveel wafers per uur bewerkt, maar met betere optica, zegt Sluijk: ‘Er zijn twee winstpunten. Het eerste zit in de grotere scherptediepte, waardoor het proces minder kritisch wordt.. Daardoor kun je wellicht meer goede chips uit een wafer halen. In de tweede plaats kan hetzelfde effect in de toekomst tot hogere resoluties leiden. Daarvoor moet echter een nieuwe lens ontwikkeld worden, wat overigens een straightforward engineering klus is, zij het wel een uitdagende.’

Teflon

In het Taiwanese TSMC, een van de grootste chipsbakkers in de wereld, vond ASML een eerste klant voor de Twinscan 1250i (met de i van immersion). Deze heeft dus een grotere scherptediepte dan zijn immersieloze evenknie, maar dezelfde resolutie. TSMC zal de waarde van de technologie in de praktijk moeten toetsen. De machine zal de wafers in hoog tempo moeten produceren en het aantal defecte chips per wafer moet minimaal zijn. Dat is de echte test.

Ondertussen werkt ASML alvast aan verbeteringen. Theoretisch kan onderdompeling in water tot een maximaal veertig procent hogere resolutie leiden, maar een zwaardere vloeistof met een hogere brekingsindex kan die grens waarschijnlijk nog wat verder oprekken. Daarna begint de 157 nm laser zich toch echt op te dringen.

‘Het probleem met 157 nm is dat dit licht nogal snel geabsorbeerd wordt in water’, zegt Sluijk. ‘Gelukkig is bekend dat met name gefluoriseerde organische materialen zoals teflon transparanter zijn voor deze golflengte. Daar zullen we het dus moeten zoeken.’

Eerder verschenen in De Ingenieur nr 6, 2004.