Je leest:

Chips maken

Op chips kunnen we lijntjes trekken ter dikte van een vierhonderdste van een menselijke haar. Het kan en moet allemaal nog kleiner. We eisen dan wel het uiterste van de optica en de mechanica, onder het olympische motto van chipfabrikanten: kleiner, nauwkeuriger, sneller.

Ze zijn vermomd als kleine zwarte doosjes – plastic harnassen die hen tegen op de loer liggend gevaar beschermen. Binnenin zo’n doosje zit een plakje silicium voorzien van honderdduizenden, mogelijk miljoenen transistoren. Aan de buitenkant van het zwarte pantser steken kleine metalen pootjes uit, tentakels waarmee ze met de buitenwereld kunnen communiceren. Die buitenwereld breidt zich nog steeds met een verbazingwekkende snelheid uit.

De zwarte doosjes heten geïntegreerde schakelingen, ic’s ( integrated circuits) ofwel chips en ze bevolken de moderne elektronische wereld. Computers, mobiele telefoons, vliegtuigen, auto’s; ze zitten allemaal vol met deze verpakte siliciumplakjes. Chips zijn het product van een razendsnelle technologische revolutie die in 1947 begon met de uitvinding van de transistor en die nog steeds onverminderd doorgaat.

Large
h4. Wet van Moore Gordon Moore (mede-oprichter van chipfabrikant Intel) voorspelde het al in 1965: het aantal transistoren op een chip verdubbelt zo’n beetje iedere twee jaar. Het zit hem in het aantal atomen dat per bit wordt gebruikt. Die afname verloopt exponentieel. Was het in 1959 mogelijk om vijftig transistoren op een chip te plaatsen, twintig jaar later kon het met 65.000. Nu ontwikkelt Intel al een processor met 2000 miljoen transistoren (codenaam Tukwila)!

Door de toenemende kloksnelheid van microprocessoren en de toenemende opslagcapaciteit van geheugenchips, zijn we in staat om steeds krachtigere pc’s te bouwen. Het continu moeten voldoen aan hogere eisen, betere prestaties en meer functionaliteit, vergt zeer veel van de chipfabrikanten en hun toeleveranciers. In feite balanceren zij continu op het randje van de wetenschap: wat vandaag nog niet eens is bewezen, moet bij wijze van spreken morgen al in de chipfabriek op volle toeren draaien zodat het overmorgen in de winkel ligt.

De waferstepper

In 1998 heeft het bedrijf ASML het 193 nanometer step-and-scansysteem ontwikkeld waarmee we geheugenchips kunnen fabriceren met capaciteiten tot vier gigabyte en microprocessoren met klokfrequenties tot twee gigahertz. Deze systemen zijn een verbluffend staaltje van optica, lasertechnologie, fijnmechanica en elektronica.

De werking van een step-and-scansysteem begrijpen we het beste aan de hand van het principe van z’n voorganger, de waferstepper. Zowel de stepper als het step-and-scansysteem zorgen ervoor dat het patroon van de geïntegreerde schakeling op de chip terecht komt. Ze worden ‘optisch aangebracht’: met behulp van licht en lenzen. Deze optische lithografie is de meest kritische stap in het fabricageproces van chips.

Medium
Een illustratie van de optische lithografie. Een lichtbron schijnt door een grote versie van het patroon (een masker) en vervolgens door een lens. Hierdoor verkleint het patroon, zodat het op chip-formaat op de plaat met geleidermateriaal terecht komt.

Het basissubstraat van een ic is een plak silicium, wafer genaamd. Op de wafer brengen we een fotogevoelige laag aan, waarop we het ic-patroon afbeelden. Het ic-patroon dat we op de chip willen aanbrengen zit op een zogenaamd masker, het equivalent van een fotonegatief. Bij een waferstepper projecteert een lichtbron het ic-patroon dat op het masker zit via een projectielens op een plak silicium. Met behulp van de huidige projectielenzen beelden we het maskerpatroon viermaal verkleind af op de wafer.

De meest gebruikelijke diameter van de wafer is twintig centimeter. Op zo’n schijf passen tientallen tot honderden ic-afbeeldingen. Daarvoor moeten we de wafer wel stap voor stap onder de projectielens verplaatsten, vandaar de naam waferstepper. Na elke stap maken we een belichting van het masker of ic-patroon om op die manier de hele wafer met afbeeldingen te vullen. Na belichting en ontwikkeling in een chemisch bad ontstaat een afbeelding van het ic-patroon op de wafer, net als bij het ontwikkelen van fotopapier gebeurt.

Aangepaste techniek: het step-and-scansysteem

Zowel de projectielens als de lichtbron bestaan uit bijzonder complexe lenssystemen. Het afbeelden van de microscopisch kleine ic-patronen vereist een optisch systeem met zeer hoge resolutie en uiterst kleine lensafwijkingen. Het beeldveld van de projectielens is 22 × 22 millimeter. Hiermee kunnen we één grote of enkele kleinere ic’s tegelijkertijd afbeelden. De steeds verdergaande integratie van ic’s vereist echter een groter beeldveld en een betere resolutie.

Omdat dit met de waferstepper niet meer mogelijk is, hebben we het step-and-scansysteem ontwikkeld. Bij deze machine maken we niet één enkele belichting zoals bij de waferstepper, maar scannen we het maskerpatroon met een langwerpige lichtbundel. Daarbij bewegen we zowel het masker als de wafer door de lichtbundel. Vergelijk het maar met een kopieermachine waarbij het origineel wordt gescand door een staaflamp en de afbeelding wordt overgebracht op het kopieerpapier dat synchroon door het mechanisme van het kopieerapparaat beweegt. Na elke scan stapt de waferslede naar de volgende startpositie om vervolgens weer een nieuwe projectiescan te beginnen.

Large
Hier zie je het verschil tussen het oude en het nieuwe systeem. Bij de waferstepper komt het patroon in één keer in het klein op de wafer terecht. Bij het step-and-scansysteem gebeurt dit in stapjes: telkens wordt een ander deel van het patroon beschenen door de lichtbundel.

Olympische prestatie

Op een rustige zomeravond fiets je door het Hollandse polderlandschap. Plotseling breekt het angstzweet je uit. Boven je hoofd zie je twee Boeing 747 jumbojets bijna aan elkaar gelijmd door de lucht vliegen. Er zit éénhonderdste millimeter tussen de vliegtuigen in, terwijl ze met een snelheid van duizend kilometer per uur door de lucht vliegen. Gelukkig zal deze situatie zich in het luchtruim niet voordoen, maar een vergelijkbare situatie willen we juist wel hebben bij de synchronisatie van de wafer en het masker in een step-and-scan-systeem.

De positioneer-sleden van het masker en de wafer moeten in hoge mate synchroon lopen, terwijl de snelheid van de sleden zo hoog mogelijk moet zijn. Hoe groter de snelheid van de sleden, hoe hoger immers de productiviteit van het totale step-and-scansysteem. Zo beweegt de waferslede met een snelheid van 250 millimeter per seconde terwijl de maskerslede zelfs vier keer zo snel gaat. Binnen vijftig milliseconden kunnen we de sleden tot stilstand brengen.

Snelheid moet echter wel gepaard gaan met nauwkeurigheid. Dat betekent dat we het uiterste eisen van de mechanica van het systeem. Tijdens het scannen bewegen de sleden ten opzichte van elkaar met een continue positioneringsnauwkeurigheid van minder dan tien nanometer. De verhouding snelheid staat tot afstand is dan precies die van het voorbeeld van de jumbojets.

Zowel de positie als de snelheid van de sleden worden gecontroleerd via een vijfdimensionaal lasermeetsysteem. Zo projecteert het step-and-scansysteem de verschillende ic-patronen op elkaar met nauwkeurigheden van minder dan dertig nanometer. Tegelijkertijd is het belangrijk dat de wafer- en maskersleden exact synchroon en buitengewoon trillingsarm bewegen. Trillingen met een amplitude groter dan tien tot vijftien nanometer in het positioneersysteem leiden tot onscherpe afbeeldingen waar we niets aan hebben. Bibberende step-and-scansystemen passen niet bij het olympische motto.

Kleine golflengte voor fijne lijntjes

We hebben gezien dat we extreem hoge eisen moeten stellen aan de mechanica van het step-and-scansysteem. De belangrijkste stap in het hele fabricageproces van chips is echter het optisch aanbrengen van de patronen, de belichting van het masker en de wafer.

De minimale breedte van de lijnen die op het silicium ontstaan, hangt nauw samen met de golflengte van het gebruikte licht: bij een kleinere golflengte liggen de interferentiepatronen van de afbeelding dichter bij elkaar, waardoor we meer informatie op een kleiner oppervlak afbeelden. Hoe kleiner de golflengte, hoe smaller de lijntjes worden en hoe meer lijntjes we op een chip kwijt kunnen.

Fijnere lijntjes met zelfde golflengte

Door continue verbeteringen in de nauwkeurigheid van het systeem, door eliminatie van trillingen, door de chemische eigenschappen van de fotogevoelige laag op de wafer te optimaliseren en door toepassing van speciale maskers is het mogelijk lijntjes te printen die kleiner zijn dan de golflengte van het licht. Zo kunnen we bijvoorbeeld met licht van 248 nanometer lijntjes van 130 nanometer printen. Een knappe prestatie, want probeer zelf maar eens met een kwast een lijn te tekenen die veel smaller is dan de kwast zelf. Die lijn moet ook nog eens mooi recht zijn en een constante breedte hebben. Toch is dit wat er in een lithografiesysteem gebeurt.

Net als de schilder die met een fijnere kwast meer details in een schilderij aanbrengt, kunnen we met een kleinere golflengte van het licht ook meer detail aanbrengen, ofwel de resolutie verbeteren. Met een hogere resolutie maken we dus een fijner patroon van de geïntegreerde schakeling. In elektronische termen betekent dat meer transistoren op eenzelfde oppervlak. Hiermee vergroten we de capaciteit van chips.

Waar maken we de lens van?

We kunnen de golflengte helaas niet onbeperkt verkleinen omdat bijvoorbeeld de nauwkeurigheid van de bewegende delen van het step-and-scansysteem aan fysische grenzen is gebonden. Daarnaast legt de golflengte weer beperkingen op aan het optische materiaal waaruit we de lenselementen maken. Bij een golflengte van 248 nanometer is kwarts bijvoorbeeld erg geschikt, maar als we de golflengte verkleinen naar 193 nanometer dan ontstaan er problemen. De intensiteit van het licht dat uiteindelijk op de siliciumplak valt, wordt lager dan bedoeld omdat kwarts een deel van het licht bij deze golflengte absorbeert. Bovendien warmen de optische elementen op, waardoor het kwarts andere optische eigenschappen gaat vertonen.

Kwarts is niet volledig transparant voor 193 nanometer licht zodat we speciale voorzieningen moeten treffen om te corrigeren voor de geabsorbeerde energie. Plaatselijke temperatuurverschillen van enkele tienden graden Celsius in het lenzensysteem veroorzaken al ontoelaatbare hoge afwijkingen van honderd tot tweehonderd nanometer. Bij 193 nanometer licht hebben we dus een ander materiaal nodig. Het materiaal dat we hiervoor gebruiken is calciumfluoride (CaF2). Calciumfluoride absorbeert praktisch geen 193 nanometer licht, zodat dit materiaal wel uitermate geschikt is voor toepassing bij deze golflengte.

Het grote probleem is echter dat het calciumfluoride-monokristal absoluut zuiver moet worden gefabriceerd. Bovendien zijn er speciale lensfabricage- en polijsttechnieken nodig om dit materiaal te verwerken. Oppervlaktespanningen ten gevolge van de polijstbewerking kunnen leiden tot lokale brekingsafwijkingen in de lens en dus tot vervorming van de afbeelding. Met ionenstraalmachines worden de lenzen spanningsvrij gepolijst tot een oppervlaktenauwkeurigheid van enkele nanometers. Dit alles maakt het bewerkte calciumfluoride tot een uiterst schaars materiaal met een prijskaartje dat ongeveer tienmaal hoger is dan dat van puur goud! De afwegingen van prijs, duurzaamheid, maakbaarheid, beschikbaarheid en technische toepasbaarheid bepalen uiteindelijk de samenstelling van kwarts en calciumfluoride in het totale lenzensysteem.

Lichtbron bepaald golflengte

Er zijn in principe twee mogelijkheden om de resolutie van een optisch projectiesysteem te verbeteren: vergroot het diafragma van het objectief, of verklein de golflengte van het licht.

De eerste methode heeft als beperking dat de focusdiepte van de afbeelding afneemt. De focusdiepte is de afstand waarover het beeld scherp is gesteld: een klein diafragma geeft een grote focusdiepte, terwijl een groot diafragma een kleine focusdiepte geeft. Wanneer de focusdiepte ontoelaatbaar klein wordt, ontkomen we er niet aan om naar een kleinere golflengte over te stappen. Welke golflengte dit is, hangt af van de beschikbare lichtbrontechnologie in het diepe ultraviolette spectrum.

Tot voor kort werd een kwiklamp gebruikt voor het zichtbare lichtspectrum, maar deze lichtbron geeft niet voldoende energie bij de korte ultraviolette golflengten. Gepulste gaslasers genereren echter 248 nanometer of 193 nanometer licht met zowel een hoog vermogen als een grote spectrumnauwkeurigheid. Met kryptonfluoride (KrF) genereren we het 248 nanometer licht, en met argonfluoride (ArF) licht van 193 nanometer.

We stellen zeer strenge eisen aan de bandbreedte ofwel het monochromatisme van het licht en aan de energiestabiliteit van de laserpulsen. Bij een vermogen van tien watt mag de golflengte niet meer dan 0,0006 nanometer afwijken. Hiermee minimaliseren we afwijkingen in het projectielenzensysteem en waarborgen we een uiterst constante belichting. Een stabiele belichting is belangrijk om alle ic-patronen consistent en binnen de vereiste precisie te kunnen afbeelden. Patroonlijntjes van 130 nanometer breedte laten slechts twintig nanometer variatie toe. Zijn de variaties groter, dan treden onherroepelijk elektronische defecten op in de ic.

Nieuwe technieken in de toekomst

Met de 193 nanometer step-and-scantechnologie kunnen we geheugenchips fabriceren met capaciteiten tot vier gigabyte, en microprocessoren met klokfrequenties tot twee gigahertz. Ook daarna is het einde nog niet in zicht. Andere technologieën zijn al in gebruik: extreem-ultraviolette straling, röntgenstraling, elektronen- of ionenbundelprojectie.

Bij de extreem-ultravioletlithografie gebruiken we gebogen spiegels met speciale coatings om de patronen van het masker verkleind op de wafer aan te brengen. Hierbij kunnen we laserlicht met een golflengte van 13 nanometer gebruiken. De coating bestaat uit meerdere lagen, met silicium als belangrijkste component.

Röntgenlithografie biedt een andere oplossing. Het licht dat we hierbij gebruiken heeft een golflengte van ongeveer één nanometer. Licht bij deze golflengte is zo energierijk dat we helemaal geen optische elementen meer kunnen gebruiken, zelfs niet de spiegels die we bij de extreem-ultravioletlithografie toepassen. Afbeelding van masker naar wafer wordt daarmee tot een één-op-één-afbeelding gereduceerd. De straling wordt in een synchrotron gemaakt.

Het voordeel van elektronenbundellithografie is dat de golflengte geen beperking meer oplevert. De golflengte van een elektronenbundel is in de orde van 10-13 meter, kleiner dan de atomaire afmeting. Een elektronenbundel kunnen we makkelijk focusseren op één nanometer. De beperkende factor bij deze techniek is het materiaal van de gevoelige laag op de wafer. In plaats van elektronen kunnen we ook ionen gebruiken, bijvoorbeeld waterstof- of heliumionen(ionenbundellithografie).

Welke techniek het ook is, het blijft voor chipfabrikanten een strijd met en tussen technologische en economische haalbaarheid, voortgestuwd door het olympische motto ‘kleiner, nauwkeuriger, sneller’.

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 30 augustus 1999

Discussieer mee

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE