Lithografiemachine Mapper bijna productierijp

Deze maand is het veertien jaar geleden dat twee studenten van de TU Delft met hulp van hun hoogleraar Pieter Kruit een nieuw bedrijf startten: Mapper Lithography. Bert Jan Kampherbeek en Marco Wieland ontwikkelden sinds die tijd een lithografietechnologie die met parallelle elektronenbundels werkt in plaats van met licht zoals de machines van ASML of Nikon. Tijdens High-Tech Systems 2014 gunde het Delftse bedrijf de bezoekers een kijkje in de keuken.

Alexander Pil

De chipindustrie is een zeer competitieve markt. IC-fabrikanten proberen elkaar op allerlei manieren af te troeven. De productieprijs is daarom altijd een aandachtspunt. Een deel van de kosten komt op rekening van de fotomaskers. Voor alle lagen op een chip – en dat zijn er tegenwoordig tientallen – is een op maat gemaakte mal nodig die het licht exact op de juiste plekken laat vallen. Als een fabrikant miljoenen geheugenchips produceert, kan hij de kosten van die reticles nog uitsmeren, maar bij lagere volumes spelen de maskerkosten een steeds grotere rol.

Een alternatief is om niet met licht te werken maar met elektronenbundels. Een chipfabrikant heeft dan geen unieke set maskers meer nodig maar vertelt het systeem elektronisch welke bundels wel en niet moeten worden doorgelaten. Dat is de weg die Mapper Lithography heeft gekozen. De spin-off van de TU Delft werkt sinds 2000 aan deze e-beam-lithografie. Het had heel wat voeten in aarde om van een academische studie en proof of concept te komen tot een marktwaardige machine maar de eerste productietool is nu bijna klaar.

Stitchen

De eerste stap in het Mapper-proces is om van de divergente elektronenbundel een evenwijdige bundel te maken. Dat gebeurt met elektrische velden omdat de lenzen uit de optische lithografie uiteraard niet het gewenste effect hebben. Die uniforme bundel valt op een metalen plaat met minuscule gaatjes. Deze zeef genereert dertien duizend kleinere bundels die elk een eigen deel van de wafer zullen bestrijken. In eerste instantie zal Mapper daar slechts tien procent van gebruiken. De rest filtert het uit.

Het schrijfproces zelf is vergelijkbaar met hoe oude tv’s met een kathodestraalbuis beelden genereerden. Daar schoten elektronenbundels over het scherm dat was bedekt met fosforescerend materiaal. De Mapper-machine schrijft het patroon in een dunne film die gevoelig is voor elektronen.

De elektronen moeten die film natuurlijk niet continu bestoken. Om de bundels uit te schakelen, gebruikt Mapper een tweede en een derde, uitgelijnde zeef. Alle gaatjes in de bovenste chip, de beam blanker, zijn gekoppeld aan een sensor die met een laser kan worden beschenen. Krijgt een sensor zo’n seintje, dan wordt zijn bundel met een elektrisch veld een klein stukje afgebogen, zodat hij niet meer door de gaatjes in de onderste chip, de beam stop, gaat en dus ook niet meer op de wafer terechtkomt. De lasers kunnen de boodschap razendsnel doorgeven en interfereren niet met de elektronenbundels.

Eenzelfde mechanisme gebruikt Mapper vlak boven de wafer. Hier is het doel niet om de bundel uit te doven maar om hem een scanbeweging te laten maken, loodrecht op de beweging van de wafer. Op die manier kan ieder bundel een strook van twee micrometer breed beschrijven. Vanzelfsprekend is het essentieel dat twee aangrenzende stroken ook precies op elkaar aansluiten, helemaal als de machine aan het eind van de wafer is gekomen en naar de volgende baan stapt. Elke baan opnieuw moet de wafer precies in dezelfde richting bewegen. Die stitch-vector is een van de kritieke eigenschappen van de Mapper-machine.

Leti

Mapper hanteert met zijn e-beam-oplossing een heel andere schrijfstrategie dan gebruikelijk is in de optische lithografie. Machines van ASML of Nikon zijn gebaseerd op het step-en-scanprincipe. De waferstage beweegt continu heen en weer als er een strook wordt beschenen en moet vaak versnellen en vertragen. Mapper stuurt de stage met constante snelheid onder de elektronenbundels door en laat de bundels ‘kwispelen’ loodrecht op deze scanrichting. Zodra er een hele strook is beschreven, beweegt de stage terug naar het begin van de volgende strook.

Het scan-en-flyback-principe van Mapper levert veel minder schokkerige bewegingen op. Paul Scheffers, design leader bij Mapper, schat tijdens zijn lezing op High-Tech Systems 2014 dat de versnellingen in een Mapper-machine ongeveer honderd keer kleiner zijn dan in een typische ASML-machine. Daar komt bij dat Mapper werkt met een stage van zo’n vijfentwintig kilo en ASML met een stage van grofweg honderd kilo. Direct duidelijk is dat de Mapper-oplossing veel eenvoudiger is qua aansturing en motion control. Er is veel minder engineeringkracht nodig om de stage aan de specificaties te laten voldoen. De Mapper-stage is ook beduidend goedkoper.

De resolutie van de e-beam-oplossing is uitstekend. In het lab van Mappers Franse onderzoekspartner CEA Leti heeft de machine al details geprint van 16 nanometer. Daarmee doet Mapper niet onder voor de meest geavanceerde productiesystemen van ASML. De uitdaging zit in de doorvoersnelheid. Mappers preproductietool bij Leti haalt een snelheid van één wafer per uur. Met updates en extra elementen verwacht Mapper dat te kunnen opkrikken naar tien wafers per uur, maar dan is de limiet wel bereikt.

De oplossing die Mapper voor ogen heeft, is om tien machines te koppelen. Zo’n cluster haalt wel de honderd wafers per uur waar potentiële klanten in de industrie om vragen. Om dat doel te kunnen verwezenlijken, is het cruciaal dat er geen groot prijskaartje hangt aan de afzonderlijke machines, en dus ook niet aan de waferstages. Verder let Mapper erop dat de machines niet te veel vloeroppervlak in beslag nemen (ongeveer een vierkante meter) en dat alle onderdelen van één kant te benaderen zijn voor service en onderhoud.

Nanotesla

Dat de Mapper-stage geen ingewikkelde bewegingen hoeft te maken, wil niet zeggen dat het Delftse bedrijf hem in een dag in elkaar kon zetten. Het gebruik van elektronenbundels zorgt namelijk voor een extra dimensie. De kleinste verstoring van het magneetveld duwt de geladen deeltjes immers al uit hun koers. Mapper hanteert een stabiliteitslimiet van 1 nanotesla. Alles daarboven maakt het beeld onscherp.

Die eis houdt in dat Mapper zeer voorzichtig moet omgaan met motoren. Het magneetmateriaal in die componenten gooit snel roet in het eten. Mapper gebruikt waar mogelijk ultrasone piëzomotoren maar het komt er niet onderuit om ook gewone lineaire motoren in zijn systeem te introduceren. Met meerdere lagen shielding houdt Mapper de kwalijke magneetvelden uit de buurt van de bundels.

Uiteraard speelt vibratie-isolatie ook een belangrijke rol. In de vacuümkamer hangt alle elektronenoptiek nu aan drie stangen waardoor het geheel een slinger vormt. De metrologie gebeurt met interferometers. De lasers schijnen op spiegels op de chuck waarop de wafertafel rust. Door het resultaat te vergelijken met een referentiespiegel op de projectiekolom kan Mapper voor eventuele bewegingen corrigeren.

Om de nauwkeurigheid verder op te voeren, is het noodzakelijk om de spiegels te kalibreren. ‘Ze worden meestal opgeleverd met een foutmarge van ongeveer een micrometer’, vertelt Scheffers. Mapper gebruikt een referentiewafer die vol zit met allerlei markeringen. Zo detecteren de Delftse ingenieurs waar de afwijkingen in de spiegel zitten en brengen ze de nauwkeurigheid terug tot onder de één nanometer.

Robuustheid

De waferstage heeft een gestapelde structuur. De onderste twee lagen zijn stages die in de x- en y-richting lange slagen kunnen maken. Hun bereik is iets groter dan de waferafmeting van driehonderd millimeter. Daarbovenop zit de short stroke-module die Mapper samen met Demcon heeft ontwikkeld. Deze ‘koektrommel’ bevat zes lineaire motoren en sensoren om de zes vrijheidsgraden te controleren en is volledig afgeschermd om het magnetisch veld weg te houden van de elektronenbundels.

De motoren voor de korte slag brengen Mapper in het nanometerdomein. Op dit moment haalt het Delftse systeem een nauwkeurigheid van minder dan de vereiste twee nanometer. ‘Eerlijkheidshalve bereiken we dat resultaat alleen als we de waterkoeling van de elektronenoptiek uitzetten’, geeft Scheffers toe. ‘Als de waterkoeling is ingeschakeld, gaan we richting de tien nanometer.’ Daar ligt dus nog wat werk voor Mapper, maar de Delftse ontwikkelaars hebben al een aantal ideeën om het gat te dichten.

Bij Leti in Frankrijk heeft een Mapper-machine dus al details van 16 nanometer geprint. ‘Leti is een mooie buitenstaander die kan accrediteren dat wat Mapper roept ook echt waar is’, aldus recruiter Paul Verschoor bij de Mapper-stand op High-Tech Systems. ‘Het is onze showroom naar de markt.’ Daarmee is Leti voor Mapper wat Imec is voor ASML.

Mapper gaat de preproductietool bij Leti opschalen naar een echte productiemachine waarmee het de markt op kan. Voorlopig is dat nog met een doorvoersnelheid van één wafer per uur. Hoewel Mapper nadrukkelijk wel de ambitie heeft om ook grotere volumes te kunnen verwerken, mikt het voorlopig op de laagvolumemarkten. Verschoor: ‘Je moet dan denken aan prototyping, medische en militaire toepassingen, en academische of ruimtevaartprojecten. Dat zijn allemaal markten die niet zo veel wafers per jaar maken. Juist bij kleine series hikken ze erg aan tegen de hoge maskerkosten.’

Er hebben zich al een paar kopers gemeld in Delft, vooral uit Azië. Het wordt ook tijd dat Mapper machines gaat verkopen. Sinds de oprichting heeft het zo’n 280 miljoen euro aan investeringen opgemaakt. Lang niet zo veel als ASML verbrandt met bijvoorbeeld zijn EUV-project, maar Mapper is klaar voor de volgende stap. ‘Het zit het ’m niet meer in de werking en in het concept maar in de robuustheid. De kritieke schakels in het systeem moeten zo robuust worden dat ze continu kunnen draaien’, aldus Verschoor. Hij heeft vertrouwen dat de Mapper-ingenieurs dat voor elkaar krijgen. ‘We hebben wel voor hetere vuren gestaan.’