Nano-imprintlithografie vormt voorlopig geen bedreiging voor euv

Nano-imprintlithografie (NIL) is op afzienbare termijn geen serieuze concurrent vorm voor euv-lithografie. Een handvol onopgeloste knelpunten waarvoor geen duidelijke oplossing in zicht is, staan een doorbraak in geavanceerde chipproductie in de weg, zo stelt marktonderzoeker Semianalysis in een recent rapport.

Bij NIL wordt een masker met het circuitpatroon als een stempel in een met resist beklede wafer gedrukt. De techniek gold ooit als mogelijke opvolger van immersie-lithografie, maar zoals bekend koos de halfgeleiderindustrie voor euv.

Canon hield echter vast aan de technologie. Via eigen onderzoek en later de overname van het Amerikaanse Molecular Imprints in 2014, werkt de Japanse fabrikant al meer dan twintig jaar aan een NIL-alternatief voor euv. In 2023 lanceerde Canon zijn eerste NIL-systeem, dat volgens het bedrijf 5nm chips en kleiner kan maken, tegen aanzienlijk lagere kosten dan met euv. Canon mikt er op om binnen twee tot vier jaar jaarlijks tien tot twintig systemen te verkopen.

Geclusterd

Op papier heeft NIL inderdaad potentie voor patronering van leading-edge chips. Het is een van de weinige technieken die de resolutie van euv-scanners kan halen zonder overduidelijke makkes die grootschalige productie in de weg staan. NIL-systemen zijn minder complex, goedkoper om te bouwen en verbruiken minder energie dan euv-scanners.

Toch komt Semianalysis na inventarisatie van de technische barrières tot de conclusie dat NIL niet voldoet aan de eisen voor robuustheid en schaalbaarheid in geavanceerde logic- en geheugenchipproductie.

Een van de fundamentele problemen is de levensduur van het masker – of sjabloon – dat bij elke imprint fysiek contact maakt met de wafer. Daardoor slijten de fijne 3D-structuren snel en ontstaan defecten en verontreinigingen. In de praktijk houdt een masker slechts ongeveer vijftig wafers stand, aldus Semianalysis. Dat is veel minder dan de honderden stuks die Canon suggereert, met hoge kosten voor maskers en inspectie tot gevolg.

Een tweede belangrijk obstakel is overlay: het nauwkeurig uitlijnen van patronen op eerder geëtste lagen. NIL scoort hier vier keer slechter dan nodig is voor geavanceerde chips. Met meer en betere metrologie is daar een mouw aan te passen, maar dat vergt ingrijpende aanpassingen aan Canons machine-architectuur.

Zelfs als overlay en maskerslijtage zouden worden opgelost, blijft precisie een punt van zorg. Oneffenheden in het sjabloon leiden tot onregelmatigheden in de geprinte structuren, met mogelijk kortsluiting of prestatiedaling tot gevolg. Bovendien is de NIL-processenketen – van resist en imprintmateriaal tot belichting en etsen – minder volwassen dan bij optische lithografie.

Tot slot is de doorvoersnelheid een groot struikelblok. De Canon-machine haalt ongeveer 25 wafers per uur, of ongeveer 100 wafers per uur in een clusteropstelling. Ter vergelijking: huidige euv-scanners zijn minstens twee keer zo snel, en ASML werkt toe naar 400 tot 500 wafers per uur.

Voorbarig

De combinatie van contactimprint-fysica, kwetsbare maskers, overlay-beperkingen, onvolwassen processtack en lage doorvoersnelheid maakt dat NIL niet geschikt is voor productie op de meest geavanceerde nodes. Euv blijft daar de onbetwiste standaard – totdat de lithografieroadmap echt vastloopt.

Dat betekent niet dat NIL geen toekomst heeft. Voor toepassingen met minder strenge overlay- of defecteisen – zoals oudere chipnodes, micro-optica, MEMS, sensoren en metalenzen – kan het zeker een rol spelen. Maar de suggestie dat NIL op korte termijn euv zal vervangen in de top van de markt, is vooralsnog ongefundeerd.

Beeld: Canon