Chips worden steeds kleiner, zo luidt een van de clichés van het computertijdperk. Maar er is wel degelijk een grens aan de huidige techniek – een keiharde grens wel te verstaan, want aan de golflengte van uv-licht valt niets te veranderen.
Vandaar dat gestudeerd wordt op systemen die röntgenstralen gebruiken, onder meer door drs. Harm-Jan Voorma, die er aanstaande maandag op hoopt te promoveren.
De massaproductie van chips kan niet zonder uv-lithografie: hiermee worden de structuren in het silicium geëtst. De minimale breedte van de lijntjes is echter afhankelijk van de golflengte van het gebruikte licht. Bij de huidige stand der techniek zijn breedtes van 0,2 micrometer haalbaar met licht van 248 nanometer. In de toekomst zal dat 0,13 micrometer kunnen worden, maar dan houdt het toch echt op.
Bij kleiner wordende golflengtes spelen namelijk twee problemen. Ten eerste absorberen de lenzen steeds meer licht, zodat de chips langer in de machine moeten blijven voor dezelfde hoeveelheid belichting. Dat maakt de machine minder rendabel. In de tweede plaats wordt de brekingsindex steeds kleiner, zodat de lenzen verder uit elkaar moeten staan voor dezelfde afbuiging. De machine wordt daardoor groter en minder stabiel – en ook daar zijn chipsfabrikanten niet blij mee.
Voor het vervaardigen van chips met fijnere, dus snellere structuren zijn daarom volledig nieuwe technieken nodig. In plaats van uv-licht worden zachte röntgenstralen (golflengte 30 tot 3 nanometer, ook wel bekend als extreem-uv) ingezet en spiegels vervangen de lenzen voor het bijsturen van de röntgenbundels. Het hele systeem moet bovendien vacuüm zijn, want twintig centimeter lucht is al genoeg om de straling in kwestie volledig te absorberen.
Masker
Het ontwerp van een proefopstelling voor röntgenlithografie was de taak die Voorma, werkzaam bij het FOM-instituut voor plasmafysica, zichzelf stelde. De kengetallen: golflengte van 13 nanometer, lijnbreedten van 100 nanometer.
Het systeem begint uiteraard met een röntgenbron, in dit geval een laser die schijfje van het metaal tantaal zodanig verhit dat het een plasma vormt (waarbij protonen, neutronen en elektronen geen atomen meer vormen maar los rondzweven). Als het materiaal weer atomen vormt, komt röntgenstraling vrij, die door een spiegel geconcentreerd wordt.
De röntgenbundel komt vervolgens terecht op het reflectiemasker, een spiegel waarop de structuur van de te fabriceren chip is aangebracht. Dit masker is het best vergelijkbaar met een zwart geverfde spiegel, waarin een patroon gekrast is: alleen het licht dat in de krassen valt, wordt nog gereflecteerd. De röntgenbundel, met een oppervlak van twaalf vierkante millimeter,komt uiteindelijk via nog twee spiegels terecht op het oppervlak van de wafer, een schijf silicium die meerdere chips bevat. Dat oppervlak bevat een fotolak die belicht wordt door de straling. De chemische reactie die dat teweeg brengt, zorgt ervoor dat op de chip een lakpatroon achterblijft dat overeenkomt met het patroon van het reflectiemasker.
Voorma maakte het masker door met een elektronenstraal te etsen in een laag van koolstof en wolfram. ,,De kunst is natuurlijk dat je bij het etsen niet de onderliggende spiegel mag beschadigen”, zegt hij. ,,Deze techniek heeft bovendien als voordeel boven de huidige dat je maskers kunt repareren door lokaal bij te etsen of nieuw materiaal op te dampen. Met name in nieuwe chips zitten vaak nog fouten, en dan maakt het nogal wat uit of je een kostbaar nieuw masker moet maken of het bestaande kunt bijwerken.”
De meeste tijd stak Voorma echter in de productie van de spiegels. Deze zijn gemaakt van veertig gestapelde laagjes silicium en molybdeen, die elk een deel van het licht terugkaatsten en de rest doorlaten. Molybdeen is het beste reflecterende materiaal, terwijl het silicium een goed scheidingsmateriaal is, omdat het weinig straling absorbeert. Ieder laagje reflecteert ongeveer twee procent, waardoor in totaal 63 procent van de invallende straling teruggekaatst wordt. De lagen worden op elkaar gestapeld middels opdampen, de high tech variant van water aan de kook brengen en vervolgens op een koud oppervlak laten condenseren. Dit is een bewerkelijk proces: het opdampen van veertig lagen kost veertien uur.
,,Twee parameters zijn bij de productie van de spiegels belangrijk: de ruwheid van het oppervlak en de laagdikte”, legt Voorma uit. ,,Voor een goede reflectiviteit mag de ruwheid niet meer zijn dan 0,3 nanometer – dat is net iets groter dan een silicium atoom. De afstand tussen twee laagjes moet de helft van de golflengte zijn, zodat je positieve interferentie krijgt. Je moet natuurlijk niet hebben dat de golven van verschillende lagen elkaar gaan uitdoven.”
De ruwheid kreeg Voorma onder controle door de temperatuur tijdens het opdampproces te verhogen. De atomen blijven dan meer in beweging, ook als ze al op het oppervlak liggen. Daardoor worden ze gelijkmatiger verspreid. Dit is vooral van belang voor de van nature poreuze silicium laagjes. Molybdeen dampt uit zichzelf al gelijkmatig op.
,,Daarnaast hebben we gebruik gemaakt van ionen-polijsten”, zegt Voorma. ,,Daarbij damp je wat meer atomen op dan nodig en schiet je de overtollige er later weer af met een ionen-bundel. Met veertig laagjes of misschien zelfs minder hopen we op den duur een reflectiviteit van 67 tot 70 procent te halen. In de uiteindelijke chipsfabricagesystemen staan zeven spiegels achter elkaar en dan betekent drie procent meer per spiegel, evenveel belichting op de chip in de helft van de tijd.”
2010
Om de laagdikte te controleren hield Voorma die tijdens het opdampproces voortdurend in de gaten. Zo kon hij de dikte meteen nauwkeurigheid van 0,1 procent van de golflengte bepalen, ofwel 0,013 nanometer. Voorma: ,,De laagdikte is eigenlijk nog belangrijker dan de ruwheid. De dikte moet namelijk voor iedere spiegel exact hetzelfde zijn, want als de verschillende spiegels in een systeem verschillende golflengten reflecteren, wordt dat systeem blind. Eén procent minder reflectie betekent één procent minder opbrengst, maar één procent afwijking in de golflengte betekent acht procent minder opbrengst.”
En die opbrengst, daar draait het allemaal om. Om de techniek rendabel te maken, moeten zoveel mogelijk wafers per uur de machine kunnen passeren. Voor Voorma’s door STW gefinancierde onderzoek in de Nederlandse industrie toegepast zal worden, zijn we daarom wel een paar jaar verder. ,,Je zit al snel op de rand van wat voor de industrie interessant is”, zegt Voorma. ,,Als de ontwikkeling doorgezet wordt, komen deze systemen rond 2010 op de markt. Ze moeten dan wel zo’n vijftig wafers per uur kunnen omzetten, anders is het economisch niet rendabel. Wellicht dat men eerst slechts de meest cruciale gedeelten van chips met röntgenlithografie gaat maken en de rest met conventionele methoden.”
Bij illustratie:
Voorma’s opstelling voor röntgenlithografie bevat vier spiegels. De plasmabron zend de röntgenstralen uit, die worden opgevangen door de illuminator. Via het reflectiemasker en twee spiegels komen ze op het chipoppervlak terecht.
,
Chips worden steeds kleiner, zo luidt een van de clichés van het computertijdperk. Maar er is wel degelijk een grens aan de huidige techniek – een keiharde grens wel te verstaan, want aan de golflengte van uv-licht valt niets te veranderen. Vandaar dat gestudeerd wordt op systemen die röntgenstralen gebruiken, onder meer door drs. Harm-Jan Voorma, die er aanstaande maandag op hoopt te promoveren.
De massaproductie van chips kan niet zonder uv-lithografie: hiermee worden de structuren in het silicium geëtst. De minimale breedte van de lijntjes is echter afhankelijk van de golflengte van het gebruikte licht. Bij de huidige stand der techniek zijn breedtes van 0,2 micrometer haalbaar met licht van 248 nanometer. In de toekomst zal dat 0,13 micrometer kunnen worden, maar dan houdt het toch echt op.
Bij kleiner wordende golflengtes spelen namelijk twee problemen. Ten eerste absorberen de lenzen steeds meer licht, zodat de chips langer in de machine moeten blijven voor dezelfde hoeveelheid belichting. Dat maakt de machine minder rendabel. In de tweede plaats wordt de brekingsindex steeds kleiner, zodat de lenzen verder uit elkaar moeten staan voor dezelfde afbuiging. De machine wordt daardoor groter en minder stabiel – en ook daar zijn chipsfabrikanten niet blij mee.
Voor het vervaardigen van chips met fijnere, dus snellere structuren zijn daarom volledig nieuwe technieken nodig. In plaats van uv-licht worden zachte röntgenstralen (golflengte 30 tot 3 nanometer, ook wel bekend als extreem-uv) ingezet en spiegels vervangen de lenzen voor het bijsturen van de röntgenbundels. Het hele systeem moet bovendien vacuüm zijn, want twintig centimeter lucht is al genoeg om de straling in kwestie volledig te absorberen.
Masker
Het ontwerp van een proefopstelling voor röntgenlithografie was de taak die Voorma, werkzaam bij het FOM-instituut voor plasmafysica, zichzelf stelde. De kengetallen: golflengte van 13 nanometer, lijnbreedten van 100 nanometer.
Het systeem begint uiteraard met een röntgenbron, in dit geval een laser die schijfje van het metaal tantaal zodanig verhit dat het een plasma vormt (waarbij protonen, neutronen en elektronen geen atomen meer vormen maar los rondzweven). Als het materiaal weer atomen vormt, komt röntgenstraling vrij, die door een spiegel geconcentreerd wordt.
De röntgenbundel komt vervolgens terecht op het reflectiemasker, een spiegel waarop de structuur van de te fabriceren chip is aangebracht. Dit masker is het best vergelijkbaar met een zwart geverfde spiegel, waarin een patroon gekrast is: alleen het licht dat in de krassen valt, wordt nog gereflecteerd. De röntgenbundel, met een oppervlak van twaalf vierkante millimeter,komt uiteindelijk via nog twee spiegels terecht op het oppervlak van de wafer, een schijf silicium die meerdere chips bevat. Dat oppervlak bevat een fotolak die belicht wordt door de straling. De chemische reactie die dat teweeg brengt, zorgt ervoor dat op de chip een lakpatroon achterblijft dat overeenkomt met het patroon van het reflectiemasker.
Voorma maakte het masker door met een elektronenstraal te etsen in een laag van koolstof en wolfram. ,,De kunst is natuurlijk dat je bij het etsen niet de onderliggende spiegel mag beschadigen”, zegt hij. ,,Deze techniek heeft bovendien als voordeel boven de huidige dat je maskers kunt repareren door lokaal bij te etsen of nieuw materiaal op te dampen. Met name in nieuwe chips zitten vaak nog fouten, en dan maakt het nogal wat uit of je een kostbaar nieuw masker moet maken of het bestaande kunt bijwerken.”
De meeste tijd stak Voorma echter in de productie van de spiegels. Deze zijn gemaakt van veertig gestapelde laagjes silicium en molybdeen, die elk een deel van het licht terugkaatsten en de rest doorlaten. Molybdeen is het beste reflecterende materiaal, terwijl het silicium een goed scheidingsmateriaal is, omdat het weinig straling absorbeert. Ieder laagje reflecteert ongeveer twee procent, waardoor in totaal 63 procent van de invallende straling teruggekaatst wordt. De lagen worden op elkaar gestapeld middels opdampen, de high tech variant van water aan de kook brengen en vervolgens op een koud oppervlak laten condenseren. Dit is een bewerkelijk proces: het opdampen van veertig lagen kost veertien uur.
,,Twee parameters zijn bij de productie van de spiegels belangrijk: de ruwheid van het oppervlak en de laagdikte”, legt Voorma uit. ,,Voor een goede reflectiviteit mag de ruwheid niet meer zijn dan 0,3 nanometer – dat is net iets groter dan een silicium atoom. De afstand tussen twee laagjes moet de helft van de golflengte zijn, zodat je positieve interferentie krijgt. Je moet natuurlijk niet hebben dat de golven van verschillende lagen elkaar gaan uitdoven.”
De ruwheid kreeg Voorma onder controle door de temperatuur tijdens het opdampproces te verhogen. De atomen blijven dan meer in beweging, ook als ze al op het oppervlak liggen. Daardoor worden ze gelijkmatiger verspreid. Dit is vooral van belang voor de van nature poreuze silicium laagjes. Molybdeen dampt uit zichzelf al gelijkmatig op.
,,Daarnaast hebben we gebruik gemaakt van ionen-polijsten”, zegt Voorma. ,,Daarbij damp je wat meer atomen op dan nodig en schiet je de overtollige er later weer af met een ionen-bundel. Met veertig laagjes of misschien zelfs minder hopen we op den duur een reflectiviteit van 67 tot 70 procent te halen. In de uiteindelijke chipsfabricagesystemen staan zeven spiegels achter elkaar en dan betekent drie procent meer per spiegel, evenveel belichting op de chip in de helft van de tijd.”
2010
Om de laagdikte te controleren hield Voorma die tijdens het opdampproces voortdurend in de gaten. Zo kon hij de dikte meteen nauwkeurigheid van 0,1 procent van de golflengte bepalen, ofwel 0,013 nanometer. Voorma: ,,De laagdikte is eigenlijk nog belangrijker dan de ruwheid. De dikte moet namelijk voor iedere spiegel exact hetzelfde zijn, want als de verschillende spiegels in een systeem verschillende golflengten reflecteren, wordt dat systeem blind. Eén procent minder reflectie betekent één procent minder opbrengst, maar één procent afwijking in de golflengte betekent acht procent minder opbrengst.”
En die opbrengst, daar draait het allemaal om. Om de techniek rendabel te maken, moeten zoveel mogelijk wafers per uur de machine kunnen passeren. Voor Voorma’s door STW gefinancierde onderzoek in de Nederlandse industrie toegepast zal worden, zijn we daarom wel een paar jaar verder. ,,Je zit al snel op de rand van wat voor de industrie interessant is”, zegt Voorma. ,,Als de ontwikkeling doorgezet wordt, komen deze systemen rond 2010 op de markt. Ze moeten dan wel zo’n vijftig wafers per uur kunnen omzetten, anders is het economisch niet rendabel. Wellicht dat men eerst slechts de meest cruciale gedeelten van chips met röntgenlithografie gaat maken en de rest met conventionele methoden.”
Bij illustratie:
Voorma’s opstelling voor röntgenlithografie bevat vier spiegels. De plasmabron zend de röntgenstralen uit, die worden opgevangen door de illuminator. Via het reflectiemasker en twee spiegels komen ze op het chipoppervlak terecht.
Chips worden steeds kleiner, zo luidt een van de clichés van het computertijdperk. Maar er is wel degelijk een grens aan de huidige techniek – een keiharde grens wel te verstaan, want aan de golflengte van uv-licht valt niets te veranderen. Vandaar dat gestudeerd wordt op systemen die röntgenstralen gebruiken, onder meer door drs. Harm-Jan Voorma, die er aanstaande maandag op hoopt te promoveren.
De massaproductie van chips kan niet zonder uv-lithografie: hiermee worden de structuren in het silicium geëtst. De minimale breedte van de lijntjes is echter afhankelijk van de golflengte van het gebruikte licht. Bij de huidige stand der techniek zijn breedtes van 0,2 micrometer haalbaar met licht van 248 nanometer. In de toekomst zal dat 0,13 micrometer kunnen worden, maar dan houdt het toch echt op.
Bij kleiner wordende golflengtes spelen namelijk twee problemen. Ten eerste absorberen de lenzen steeds meer licht, zodat de chips langer in de machine moeten blijven voor dezelfde hoeveelheid belichting. Dat maakt de machine minder rendabel. In de tweede plaats wordt de brekingsindex steeds kleiner, zodat de lenzen verder uit elkaar moeten staan voor dezelfde afbuiging. De machine wordt daardoor groter en minder stabiel – en ook daar zijn chipsfabrikanten niet blij mee.
Voor het vervaardigen van chips met fijnere, dus snellere structuren zijn daarom volledig nieuwe technieken nodig. In plaats van uv-licht worden zachte röntgenstralen (golflengte 30 tot 3 nanometer, ook wel bekend als extreem-uv) ingezet en spiegels vervangen de lenzen voor het bijsturen van de röntgenbundels. Het hele systeem moet bovendien vacuüm zijn, want twintig centimeter lucht is al genoeg om de straling in kwestie volledig te absorberen.
Masker
Het ontwerp van een proefopstelling voor röntgenlithografie was de taak die Voorma, werkzaam bij het FOM-instituut voor plasmafysica, zichzelf stelde. De kengetallen: golflengte van 13 nanometer, lijnbreedten van 100 nanometer.
Het systeem begint uiteraard met een röntgenbron, in dit geval een laser die schijfje van het metaal tantaal zodanig verhit dat het een plasma vormt (waarbij protonen, neutronen en elektronen geen atomen meer vormen maar los rondzweven). Als het materiaal weer atomen vormt, komt röntgenstraling vrij, die door een spiegel geconcentreerd wordt.
De röntgenbundel komt vervolgens terecht op het reflectiemasker, een spiegel waarop de structuur van de te fabriceren chip is aangebracht. Dit masker is het best vergelijkbaar met een zwart geverfde spiegel, waarin een patroon gekrast is: alleen het licht dat in de krassen valt, wordt nog gereflecteerd. De röntgenbundel, met een oppervlak van twaalf vierkante millimeter,komt uiteindelijk via nog twee spiegels terecht op het oppervlak van de wafer, een schijf silicium die meerdere chips bevat. Dat oppervlak bevat een fotolak die belicht wordt door de straling. De chemische reactie die dat teweeg brengt, zorgt ervoor dat op de chip een lakpatroon achterblijft dat overeenkomt met het patroon van het reflectiemasker.
Voorma maakte het masker door met een elektronenstraal te etsen in een laag van koolstof en wolfram. ,,De kunst is natuurlijk dat je bij het etsen niet de onderliggende spiegel mag beschadigen”, zegt hij. ,,Deze techniek heeft bovendien als voordeel boven de huidige dat je maskers kunt repareren door lokaal bij te etsen of nieuw materiaal op te dampen. Met name in nieuwe chips zitten vaak nog fouten, en dan maakt het nogal wat uit of je een kostbaar nieuw masker moet maken of het bestaande kunt bijwerken.”
De meeste tijd stak Voorma echter in de productie van de spiegels. Deze zijn gemaakt van veertig gestapelde laagjes silicium en molybdeen, die elk een deel van het licht terugkaatsten en de rest doorlaten. Molybdeen is het beste reflecterende materiaal, terwijl het silicium een goed scheidingsmateriaal is, omdat het weinig straling absorbeert. Ieder laagje reflecteert ongeveer twee procent, waardoor in totaal 63 procent van de invallende straling teruggekaatst wordt. De lagen worden op elkaar gestapeld middels opdampen, de high tech variant van water aan de kook brengen en vervolgens op een koud oppervlak laten condenseren. Dit is een bewerkelijk proces: het opdampen van veertig lagen kost veertien uur.
,,Twee parameters zijn bij de productie van de spiegels belangrijk: de ruwheid van het oppervlak en de laagdikte”, legt Voorma uit. ,,Voor een goede reflectiviteit mag de ruwheid niet meer zijn dan 0,3 nanometer – dat is net iets groter dan een silicium atoom. De afstand tussen twee laagjes moet de helft van de golflengte zijn, zodat je positieve interferentie krijgt. Je moet natuurlijk niet hebben dat de golven van verschillende lagen elkaar gaan uitdoven.”
De ruwheid kreeg Voorma onder controle door de temperatuur tijdens het opdampproces te verhogen. De atomen blijven dan meer in beweging, ook als ze al op het oppervlak liggen. Daardoor worden ze gelijkmatiger verspreid. Dit is vooral van belang voor de van nature poreuze silicium laagjes. Molybdeen dampt uit zichzelf al gelijkmatig op.
,,Daarnaast hebben we gebruik gemaakt van ionen-polijsten”, zegt Voorma. ,,Daarbij damp je wat meer atomen op dan nodig en schiet je de overtollige er later weer af met een ionen-bundel. Met veertig laagjes of misschien zelfs minder hopen we op den duur een reflectiviteit van 67 tot 70 procent te halen. In de uiteindelijke chipsfabricagesystemen staan zeven spiegels achter elkaar en dan betekent drie procent meer per spiegel, evenveel belichting op de chip in de helft van de tijd.”
2010
Om de laagdikte te controleren hield Voorma die tijdens het opdampproces voortdurend in de gaten. Zo kon hij de dikte meteen nauwkeurigheid van 0,1 procent van de golflengte bepalen, ofwel 0,013 nanometer. Voorma: ,,De laagdikte is eigenlijk nog belangrijker dan de ruwheid. De dikte moet namelijk voor iedere spiegel exact hetzelfde zijn, want als de verschillende spiegels in een systeem verschillende golflengten reflecteren, wordt dat systeem blind. Eén procent minder reflectie betekent één procent minder opbrengst, maar één procent afwijking in de golflengte betekent acht procent minder opbrengst.”
En die opbrengst, daar draait het allemaal om. Om de techniek rendabel te maken, moeten zoveel mogelijk wafers per uur de machine kunnen passeren. Voor Voorma’s door STW gefinancierde onderzoek in de Nederlandse industrie toegepast zal worden, zijn we daarom wel een paar jaar verder. ,,Je zit al snel op de rand van wat voor de industrie interessant is”, zegt Voorma. ,,Als de ontwikkeling doorgezet wordt, komen deze systemen rond 2010 op de markt. Ze moeten dan wel zo’n vijftig wafers per uur kunnen omzetten, anders is het economisch niet rendabel. Wellicht dat men eerst slechts de meest cruciale gedeelten van chips met röntgenlithografie gaat maken en de rest met conventionele methoden.”
Bij illustratie:
Voorma’s opstelling voor röntgenlithografie bevat vier spiegels. De plasmabron zend de röntgenstralen uit, die worden opgevangen door de illuminator. Via het reflectiemasker en twee spiegels komen ze op het chipoppervlak terecht.
Heb je een vraag of opmerking over dit artikel?
delta@tudelft.nl
Comments are closed.