ASML’s NXT-platform krijgt upgrade

ASML heeft zijn NXT-platform voor immersiescanners flink onder handen genomen om aan de eisen te voldoen die de komende generatie chips aan de lithografie stelt.

Paul van Gerven

De fijnste structuren die ASML’s beste diep-UV-immersiescanners (DUV-immersiescanners) onder ideale omstandigheden met één belichtingsstap kunnen afbeelden, meten 38 nanometer. De chipindustrie noemt dit 38 nanometer half-pitch (HP), een aanduiding die doorgaans wordt gebruikt om chipgeneraties aan te duiden. Zo heeft Intel al geruime tijd 22-nanometerprocessoren op de markt, terwijl flashfabrikanten zelfs onder de twintig nanometer zijn gedoken.

Als 38 nanometer het maximaal haalbare is, hoe kunnen Intel en Samsung dan toch 22-nanometerprocessoren en sub-20-nanometergeheugens maken? Het antwoord, afgezien van een soms verwarrende nomenclatuur, is double patterning (DP), het opbouwen van een chiplaag in twee belichtingstappen. Er zijn verschillende DP-varianten, maar het komt erop neer dat het patroon in twee helften wordt opgedeeld, die afzonderlijk van elkaar worden belicht, ontwikkeld en verder verwerkt. Van elke moderne processor of elk modern geheugen kun je er zeker van zijn dat er een of meer kritische lagen met DP zijn gemaakt.

Zolang de gedoodverfde opvolger van DUV, EUV-lithografie, niet gereed is voor introductie in massaproductie zal dat aantal DP-stappen de komende chipgeneraties alleen maar toenemen. En zelfs als EUV zijn intrede heeft gedaan, zullen er lagen met DUV-DP blijven worden gemaakt. Op termijn zal waarschijnlijk ook EUV niet aan DP ontkomen.

Met dit in het achterhoofd heeft ASML eind vorig zijn meest geavanceerde immersiescanners een flinke upgrade gegeven, de grootste zelfs sinds de introductie van deze architectuur een jaar of vier geleden. Van deze nieuwste telg in het NXT-geslacht, de NXT:1970CI, werd eind vorig jaar de eerste verscheept. Op High-Tech Systems 2014, 8 mei in ’s-Hertogenbosch, nam Hans Butler van ASML de belangrijkste verbeteringen door. Butler is als specialist in dynamica en regelsystemen een van de weinige fellows bij de machinebouwer en daarnaast deeltijdhoogleraar lithographic scanner control aan de TU Eindhoven. Dit artikel is een samenvatting van zijn lezing.

Beknibbelen

Iedere chip wordt van onder af aan opgebouwd uit meerdere ‘etages’, beginnend bij de componenten als transistoren en gevolgd door verschillende lagen van elektrische verbindingen. Bij de fabricage van deze delicate constructie mogen opeenvolgende lagen slechts binnen een bepaalde afstand verschuiven ten opzichte van elkaar. Als ze niet goed op elkaar passen, kunnen er desastreuze defecten ontstaan.

Naarmate chipstructuren kleiner zijn geworden, is deze foutmarge – de zogeheten overlay – natuurlijk mee gekrompen. Door introductie van DP zijn de eisen aan de overlay echter in een stroomversnelling gekomen. Wanneer een chiplaag door twee belichtingen tot stand komt, is het extra belangrijk dat de twee sublagen niet verschuiven ten opzichte van wat er in het ontwerp is vastgelegd. De acceptabele foutmarge, met andere woorden, wordt rap kleiner. Voor de NXT:1970CI, die de komende chipgeneraties zal produceren, werd een overlay van 2,0 nanometer noodzakelijk geacht. Zijn voorganger, de NXT:1960BI, kon nog met 2,5 nanometer toe. Dat is toch weer twintig procent eraf in een jaar.

Verbetering van de overlay is bij uitstek een mechatronische uitdaging. Het gaat er immers om de positionering van de drager waarop de wafer wordt belicht – de waferstage – nog beter onder controle te krijgen. Bij iedere mogelijke oplossing moet bovendien worden bekeken of ze andere belangrijke eigenschappen van de machine niet aantast. Wellicht ontstaan er immers trillingen die de beeldscherpte beïnvloeden. Of wordt een servicebeurt lastiger, waardoor de machine langere downtime krijgt. Of komt er meer warmte vrij … Afijn, de lijst is eindeloos.

Het punt is: hoe belangrijk overlay dan ook mag zijn voor chipmakers, ruimte om te beknibbelen op beeldkwaliteit en productiviteit is er niet. Integendeel: de eisen daaraan worden ook alleen maar strenger. Ook deze eigenschappen heeft ASML in de NXT:1970CI verbeterd.

Drift

NXT-scanners beschikken over twee waferstages. Terwijl de ene wafer wordt belicht, wordt de andere doorgemeten op parameters die bij de volgende belichting van belang zijn. Beide wafertafels worden voortbewogen door een met spoelen getooide plaat, die zweeft op een magnetisch veld opgewekt door een maglev-plaat. Deze maglev-plaat verzorgt de lange slag van de stagebeweging. Omdat hij vrij is om in het horizontale vlak te bewegen, kunnen de krachten die deze beweging in gang zetten – met versnellingen tot 45 m/s2 zijn die niet voor de poes – niet elders in de machine terechtkomen. De maglev-plaat werkt dus als een balansmassa.

De stages zelf beschikken over lorentz-actuatoren met zes vrijheidsgraden voor de korte slag. Dit type actuatoren is buitengewoon nauwkeurig, maar heeft slechts een bereik van een millimeter – hoewel dat in de IC-wereld natuurlijk nog altijd heel veel is.

De belangrijkste veranderingen in de NXT:1970CI zijn aan deze korteslagactuator aangebracht. In vorige NXT-edities waren de stages zo ontworpen dat er een filtereffect zou optreden boven de eigenfrequentie, zodat er geen vervelende dynamische effecten in deze regio zouden zijn. In de praktijk viel dat echter tegen, waardoor ASML een alternatief moest verzinnen. In de NXT:1970CI zijn de stage-actuatoren met hoge eigenfrequentie aan de stage gekoppeld. Dit heeft het voordeel dat de regelbandbreedte voor de stage kon worden opgeschroefd van 165 naar 275 hertz. Door de stage bovendien ongeveer een derde zwaarder te maken, werd hij bovendien minder gevoelig voor verstoringen.

Samen met enkele kleinere ingrepen en het feit dat de voorspelbaarheid van het stagegedrag toenam – wat weer in het ontwerp van de regelkringen kon worden opgenomen – zorgden deze aanpassingen ervoor dat de positionering van de wafer in de z-richting ongeveer een factor twee verbeterde. In zowel de x- en y-richting – relevant voor de overlay, uiteraard – bedroeg de positioneringswinst ten opzichte van de NXT:1960BI veertig procent, terwijl de stage van de NXT:1970CI ook nog eens iets sneller beweegt.

Er viel meer winst te behalen door thermische effecten aan te pakken. In een immersiesysteem blijft er vooral aan de randen van de wafer soms wat water achter. Dit water verdampt en koelt de wafer lokaal af, wat onder meer overlayfouten veroorzaakt. Door meer verwarmingselementen in de stage te integreren, kon deze temperatuurverdeling worden gladgestreken. Daardoor mislukken minder chips op de wafer.

Ook relevant voor de overlay is een nieuw sensorsysteem dat beeldvervormingen in de lenskolom corrigeert. Omdat het fotomasker gedurende een productierun opwarmt door het uv-licht waarmee het wordt bestraald, trekt het als het ware een beetje krom. De parallelle lensinterferometer meet voor elke wafer deze deformatie op veertien punten en berekent hoe deze gecompenseerd kan worden door verplaatsing van enkele lenselementen. Resultaat: nauwelijks meer drift in de overlay.

Luchtbelletjes

Meer van invloed op de beeldkwaliteit en productiviteit is de sensor die de hoogtebepaling van de wafer verzorgt. Tot nu toe gebruikte ASML daarvoor infrarood licht. Deze straling wordt onder een hoek op de wafer geprojecteerd en uit de reflectie wordt de informatie bepaald die nodig is om de wafer in focus te houden tijdens de belichting. Nadeel van de gebruikte golflengte is dat de bovenste lagen van de wafer er vrij transparant voor zijn. Het licht dringt daardoor dieper door dan nodig en eerder gemaakte, ‘begraven’ structuren krijgen de kans de dieptemeting te storen.

De nieuwe level-sensor gebruikt daarom uv-licht. Deze straling wordt beter geabsorbeerd aan het oppervlak en maakt de meting daardoor minder afhankelijk van eerdere processtappen. Deze aanpassing lijkt misschien triviaal, maar juist omdat de fotolak voor uv-licht is gemaakt, mag er slechts een heel lage dosis van naar de wafer worden gestuurd. Daarvoor moesten zeer gevoelige sensoren worden ontwikkeld.

Ten slotte verving ASML de kap waarin het immersiesysteem is verwerkt. Vooral bij de randen van de wafers willen er namelijk nog weleens luchtbelletjes ontstaan, die defecten tot gevolg hebben. De nieuwe ‘hoed’ van het immersiesysteem voorkomt dat er luchtbellen worden ingesloten.