De Zweedse startup Alixlabs maakt zich op voor de productie en commerciële uitrol van een patroneringstechniek waarmee geavanceerde chips kunnen worden gemaakt zonder euv-lithografie. Volgens medeoprichter Jonas Sundqvist kan juist de Europese ‘chipwoestijn’ daarvan profiteren.
In december 2015, rond kerst, kregen onderzoekers van Lund University een onverwacht resultaat cadeau. Toen ze probeerden horizontaal op een substraat geplaatste nanodraden dunner te maken, zagen ze die structuren niet alleen krimpen, maar ook opsplitsen: elke nanodraad werd twee dunnere draden. Zonder gebruik te maken van lithografie ontstond dus een fijner patroon.
Hoofdonderzoeker Jonas Sundqvist, met jarenlange ervaring in de halfgeleiderindustrie, zag direct de parallel met een gangbare techniek in de chipproductie. Omdat euv-lithografie nog op zich liet wachten, waren double- of multipatterning in die tijd de enige manier voor halfgeleiderfabrikanten om de kleinste structuren in hun chips te patroneren. ‘Dat bleef door mijn hoofd spoken’, zegt Sundqvist.
Vier jaar later waren Sundqvist en collega Dmitry Suyatin ervan overtuigd dat ze de industrie een nieuwe multipatterning-optie konden bieden, met minder processtappen en dus lagere kosten. Ze richtten in 2019 Alixlabs op in Lund, samen met Amin Karimi en Stefan Svedberg.
Vorig jaar demonstreerde de start-up in samenwerking met Intel 12,5nm half-pitch-vinstructuren in silicium, zonder gebruik van euv. Dit komt overeen met de vinnen in 3nm-klasse logic-chips. ‘Onze missie is de ontwikkeling van machines waarmee bedrijven 5nm-chips en kleiner kunnen maken zonder euv’, stelt Sundqvist. ‘Dat maakt geavanceerde chipproductie duurzamer en economisch haalbaarder.’
Alixlabs werkt momenteel met Nederlandse semicon-partners aan een bètaversie van de tool. Deze machine moet de kloof overbruggen tussen labdemonstraties en commercie. Het Nederlandse deeptech-investeringsfonds Forward.one is een van de belangrijkste geldschieters. ‘Nederland is voor ons eigenlijk een one-stop shop’, grapt Sundqvist.
Net zero
De basistechnologie van Alixlabs is atomic layer etching (ALE), een neefje van de meer volwassen atomic layer deposition-techniek (ALD). Waar ALD in een zelflimiterend proces atoomlaag op atoomlaag stapelt, pelt ALE ze af. Eerst wordt de bovenste laag van een substraat gemodificeerd met een reactant gas. Daarna wordt met een tweede reactant (of ionenbombardement) het gemodificeerde materiaal verwijderd. In vergelijking met andere etstechnieken biedt ALE belangrijke voordelen, zoals het milde karakter, de precieze controle over etsdiepte, de hoge selectiviteit en het nauwkeurig kunnen volgen van contouren in 3D.
In atomic layer etching pitch splitting (APS) past Alixlabs een reeks traditionele etsstappen en ALE toe om de dichtheid van een lijnpatroon te verdubbelen of zelfs verviervoudigen. Conceptueel lijkt dit op self-aligned double (SADP) en quadruple patterning (SAQP), multipatterning-technieken die ook na de komst van euv nog in halfgeleiderproductie worden toegepast. In tegenstelling tot APS vereisen SADP en SAQP echter een combinatie van meerdere depositie-, ets- en reinigingsstappen, waarbij geavanceerde procescontrole en metrologie een must is. Dit drijft de kapitaalkosten en operationele uitgaven op, verlengt fab-cyclustijden, reduceert doorvoer en vergroot de kans op defecten. In cost per known good die pakt APS daarom gunstiger uit dan bestaande multipatterning-technieken, zegt Alixlabs.
Dat is niet onbelangrijk in een tijd dat de kosten van chipproductie door het dak gaan. De prijs van een wafer is van enkele duizenden dollars bij 65–28nm tot tienduizenden dollars bij 5nm en kleiner gegaan. De extreem hoge complexiteit van sub-7-nanometerproductie is daar debet aan. Met name de lithografie is kostbaar, zowel euv als multipatterning: het vergt hoge kapitaalinvesteringen en strakke procescontrole om het aantal defecten te minimaliseren. Bovendien kampt de industrie met een tekort aan hoogopgeleide arbeidskrachten, wat opschaling van productie belemmert.
Hoewel APS per definitie complementair is aan lithografie (de uitgangspatronen moeten immers eerst worden gedefinieerd), is het dankzij het vermogen om patronen te verdichten ook een concurrerende techniek. ‘Voor sommige chiplagen zal APS een aantrekkelijk alternatief vormen voor lithografie, voor andere niet. Lithografie en APS zullen naast elkaar bestaan terwijl chipmakers optimaliseren op kosten’, zegt Fred Roozeboom, lid van de adviesraad van Alixlabs en expert in ALE en ALD. ‘Wij schatten in dat APS het potentieel heeft om de productiekosten van logic en geheugen op de meest geavanceerde nodes met tot 40 procent per maskerstap te verlagen, terwijl de doorvoer toeneemt’, voegt Sundqvist toe.
Duurzaamheid is ook een steeds belangrijkere overweging voor de halfgeleiderindustrie. Geavanceerde fabs verslinden kritieke grondstoffen, land, schoon water en energie. Bovendien staat de hoge CO2-uitstoot haaks op wereldwijde net-zero-doelstellingen. Voor chipfabrikanten is het echter lastig om concurrentievermogen te combineren met duurzaamheid. ‘Door het verlagen van het aantal euv- en het totale aantal processtappen, en daarmee energie- en materiaalgebruik, komt inzet van APS zowel het concurrentievermogen als de duurzaamheidsdoelstellingen ten goede’, zegt Sundqvist.
Gecompenseerd
Voor Europa, betogen Sundqvist en Roozeboom, biedt APS hoop om leading-edge halfgeleiderproductie nieuw leven in te blazen. ‘Ik noem APS wel eens een binnenweggetje naar geavanceerde productie. Met relatief bescheiden lithografische middelen en de kracht van APS kun je leading-edge nodes zelf produceren. De Chinezen gebruiken nu al multipatterning-technieken om 7nm-chips te maken en – als je de geruchten op internet gelooft – zelfs 5nm-chips. Met APS kun je nog verder gaan’, schetst Sundqvist.
‘Met ASML, ASM en Imec heeft Europa een flinke vinger in de pap van de chipschaling, maar verderop in de supply chain doen we niet mee. Dat is toch gek? We blijven hangen op 12nm, dat het meest geavanceerde proces is dat ESMC in Dresden zal draaien. In het AI-tijdperk is dat onacceptabel’, stelt Roozeboom.
Sundqvist: ‘Ik geloof er sterk in dat ‘nieuwkomers’ zoals Europa de leading-edge-arena kunnen betreden met een litho-light-benadering. Waarom zou dat niet kunnen? TSMC, Intel en Samsung bleven succesvol in het multipatterning-tijdperk. Dankzij APS valt de initiële investering voor een fab dramatisch veel lager uit.’
Of Europa de sprong waagt of niet, de ceo van Alixlabs verwacht dat zijn tools bijzonder populair zullen zijn onder Aziatische klanten. ‘Ik neem graag bestellingen uit China aan, net als alle andere toolleveranciers. Of ik ze mag verschepen, zal afhangen van de EU en de Zweedse regering. Als ik dat niet mag, wil ik worden gecompenseerd. Zoals met die Europese fabriek waar ik het zojuist over had.’
Dit artikel werd geschreven in samenwerking met Alixlabs. Hoofdbeeld: Alixlabs
