Bericht Chipfertigung: Was steckt hinter der EUV-Lithografie?

[Abaddon4tk]

Hammer

 

[ogdullum]

Streng genommen kann alles mögliche gemeint sein, zum Beispiel die Effizienz der Lichtquelle ist 6 %, aber ganz am Ende sind noch 250W übrig.

Dazu möchte ich auch noch ein paar Dinge über die Verwirrung um die Conversion Efficency (CE) beitragen. Die CE bezieht sich nur darauf, wieviel der Energie des CO2 Lasers im Zinntröpfchen zu EUV Licht werden. Das können dann durchaus die 6% sein, was dann 2400 W EUV Licht in der Tröpfchenkammer entspräche.
Die EUV Power bezieht sich immer auf die Source am Intermediate Shutter (nach der Vessel, vor dem Scanner).
Das bedeutet aus den ~2400 W werden die 250 W Source Power durch die Collection Efficiency / Dose Overhead.
Quelle: https://www.euvlitho.com/2017/S1.pdf Slide 27 + 36

Ergänzend möchte ich noch hinzufügen, dass die 0,6 % beileibe nicht der Gesamtwirkungsgrad der Anlage sind.

Es folgt ja noch der Scanner mit mehreren Bragg-Spiegeln (den Grafiken nach dürften es um die 6 Stück sein) mit einem Wirkungsgrad von 60 - 70 %, damit kommen dann auf dem Wafer nur etwas in Größenordnung 20 W an.

Zudem beträgt der Wirkungsgrad eines CO2 Lasers um die 17-18%, im besten Falle vllt. 20 %. Die Laser-Eingangsleistung beträgt also mindestens 200 kW.

ASML-Konkurrent Gigaphoton spricht im Jahre 2010 z. B. von 532 kW elektrischer Eingangsleistung (da dürfte aber die gesamte Anlage gemeint sein, nicht nur die Laser).
Quelle:
https://en.wikipedia.org/wiki/Extreme_ultraviolet_lithography

Im Jahr 2016 waren sie gerade bei 20 kW Laserleistung für 42 W EUV.
http://www.jlps.gr.jp/jlmn/upload/0f9586ef82e391b63a97fd87fd27dfd7.pdf

Selbst wenn in den 6 Jahren keinerlei Fortschritt erzielt worden sein sollte (rein hypothetisch), müsste also die restliche Anlage von Gigaphoton abseits der Laser ca. 432 kW verbraucht haben (unwahrscheinlich) oder der Wirkungsgrad der eingesetzten Mitsubishi Laser ist katasrophal schlechter (glaube ich nicht).
Daher liegt der Verdacht nahe, dass aus einem CO2 Strahl und einem 20 kW Verstärker kein 20 kW Strahl wird => die installierte Laserleistung muss höher sein als die Leistung des verstärkten Strahls aufs Tröpfchen.

Alles in allem haben wir dadurch einen Wirkungsgrad von 0,00x % von Steckdose (ok, es dürften mehrere große Steckdosen sein ) zu Wafer.

Und ich hab gedacht unsere Laserschneidanlagen von Trump für das scheiden von Stahl sind schon kompliziert. Aber was da für ein Aufwand dahinter steckt nur um das richtige "Licht" zu erzeugen ist schon wirklich erstaunlich.

Die großer Herausforderung bei unserem EUV Laser ggü. den Schneidlasern ist nicht nur die Leistung zu erreichen, sondern die deutlich höheren Anforderungen an Stabilität (Pointing) aufgrund der enormen Strahllänge sowie die Strahlgüte (Profilform, sowie zeitliche Form) passend zur Größe und Position des Zinntröpfchens.

leider war ich da noch nicht so in Aktien und Investments interessiert wie jetzt 😓😅

Hallo Crank, ich weiß nicht wie es bei euch ist, aber wir dürfen keine ASML Aktien kaufen, weil das sonst als Insiderhandel gelten könnte. Genauso verhält es sich beim "Tipps geben". PS: bin TLSM

 

[modena.ch]

@ogdullum

Von einem Verbot ASML Aktien zu kaufen weiss ich nix. Wobei ich auch nicht an der Laserentwicklung beteiligt bin. TCH551

 

[JJJT]

Vielen Dank für den tollen Artikel und das viele "insider" Wissen, was hier noch beigesteuert wird!

Leider habe ich "damals" mein Ingenieurstudium zu Gunsten der Informatik aufgegeben.

 

[crank6868]

Hallo Kollege!
TCH551 bin ich..

Viele Grüsse!

Musste feststellen das es wohl sogar eher 2012 gewesen sein muss 😓
TWH912 🤝

 

[nazgul77]

Was für ein toller und spannender Artikel. Dank wissenschaftlichem Hintergrund konnte ich alles verstehen. Dass EUV so aufwendig ist war mir nicht klar. ASML war mir bekannt, erstmals als mich vor Jahren ein Headhunter zur Mikrocontroller-Programmierung in die Niederlande holen wollte. Das sie führend sind wusste ich, aber praktisch Monopolist war mir neu.

Jedenfalls bin ich begeistert zu sehen, dass - im Gegensatz zum Unwissen vieler - ein wesentlicher Beitrag zur Spitzen-Chipfertigungstechnik aus Europa kommt. Dass ASML mit Trump und Zeiss Lieferanten für wesentliche Komponenten aus Deutschland bezieht war mir neu, ist sehr schön zu lesen.

 

[rolandm1]

Sehr schöner Artikel, der auch mal hinter die Kulissen schaut.

Auch wenn ich als Laie 3 mal die Hälfte nicht verstanden habe, bekommt man trotzdem einen guten Eindruck von der Sache.
Man sieht auch gut, dass die Chip Fertigung kein Spaziergang ist. Es wird damit auch deutlich, dass man mal nicht so einfach eine andere Maske auflegt. Da sind neben der Entstehung der Masken auch die Rüstzeiten sehr aufwendig.

Danke für den Artikel.

 

[Spike Py]

Danke für den tollen Artikel, damit habt ihr euch das Pro-Abo verdient 👍 Gerne mehr davon in Zukunft.

 

[v_ossi]

@Colindo, @PS828 oder wer sonst noch Infos hat:

Warum hat man sich eigentlich industrieweit auf 13,5nm als Nachfolger der 193nm geeinigt? Der Sprung ist ja deutlich größer, als die vorherigen und hat die Komplexität gewaltig gesteigert.

Im Text wird ja z.B. bei 126nm in der ersten Abbildung eine nutzbare Wellenlänge gezeigt. Wäre ein Lithografie basierend auf der entsprechenden Wellenlänge technisch ebenso schwer umsetzbar wie die 13,5nm oder wäre der damit mögliche Fertigungssprung zu klein?

 

[ukulele]

Danke für den tollen Artikel, als Elektrotechnik-Ingenieur (naja, M.Sc.) mit Schwerpunkt Optik kenne ich mich gut genug aus, um das meiste zu verstehen. Derzeit bin ich auch im erweiterten Umfeld der Lithografie-Industrie beschäftigt, allerdings nicht bei Trumpf. Da hatte ich mich zwar beworben, aber die wollten mich nicht

 

[PS828]

@v_ossi genau kann ich dir das auch nicht sagen, aber ich vermute mal dass dieser Sprung der Wellenlänge durch die veränderte Erzeugung des UV Lichts bedingt ist. Mit der gezeigten Methode erreicht man eben diese kleinen Wellenlängen und auch wenn andere Lichtquellen im tiefen UV bis ca. 100 nm kommen löst das nicht die wesentlichen Probleme in der Lithographie.

Dass man überhaupt so klein werden konnte verdankt man Tricks wie offset, phasemschiebermasken, immersionsbelischtung, mehrfachbelichtung usw.

Die theoretische Auflösungsgrenze liegt rein Physikalisch nur bei ca. Der halben Wellenlänge. Und da waren wir auch schon lange drunter, weshalb es einiger Tricks bedarf aus den Flur eximerlichtquellen bei 133nm noch viel mehr heraus zu holen.

Aber man konnte das "schummeln" nicht beliebig weiter treiben, ein komplett neuer Ansatz musste her, welcher Masken und Zeit spart durch wegfallen von Zwischenschritten.
EUV ist die Konsequenz dieser Überlegung und für Gate all around Prozesse notwendig. Fin fets sind beim 5 nm Prozess dann auch langsam am Ende und das Alignment wird immer schlimmer.
Für Prozesse mit diesen hohen Anforderungen benötigt man mehr als nur eine kleinere Wellenlänge.

Ergänzung (3. Februar 2020)

Kleines Beispiel, LEDs auf Aluminiumnitrid Basis im InAlGaN Stoffsystem System ermöglichen durch die bandlücke von 6,3 eV auch LEDs bis weit ins tiefe UV 200-100 nm.
Aber diese kommen zukünftig wohl eher in der bakteriellen dekontamination für Trinkwasser zum Einsatz (Osram hat hier entsprechende patente). Wird derzeit erprobt und ist vielversprechend. Könnte die biologische Reinigung des Abwassers gewissermaßen im vorbeifließen über Nacht völlig übernehmen

 

[Colindo]

@v_ossi von 157nm weiß ich, dass durch die Immersionslithografie der gleiche Vorteil erreicht wurde, weil die effektive Wellenlänge von DUV+Immersion 193/1,44=134 ist. Und dann ist der nächste Kandidat bei 126 nm auch schon zu nah. Für die kleineren Wellenlängen hat man mit Sicherheit mehrere Kandidaten getestet, und das zinnbasierte Erzeugen von 13,5 nm hat sich als bester Kompromiss aus Shrink und Effizienz herausgestellt. Vielleicht haben auch die anderen Komponenten wie Spiegel und so bei 13,5 nm noch verhältnismäßig gut performt, dann kann man durch die enorme Verkleinerung der Wellenlänge alle weiteren Verbesserungen durch die entstandenen Tricks (Immersion, Multi-Patterning) für die Zukunft mitnehmen.

 

[v_ossi]

@v_ossi von 157nm weiß ich, dass durch die Immersionslithografie der gleiche Vorteil erreicht wurde, weil die effektive Wellenlänge von DUV+Immersion 193/1,44=134 ist. Und dann ist der nächste Kandidat bei 126 nm auch schon zu nah. [...]

Logisch, aber da kann man wieder argumentieren, dass 126nm mit Immersionslithografie in effektiv 87nm resultiert hätte. Dann wäre der Schritt wieder etwas deutlicher.

Insgesamt ist natürlich klar, dass der jetzige Schritt der radikalere und somit zukunftsweisendere war, aber da man so lange an EUV gearbeitet hat, stellt sich eben die Frage, ob man zwischendurch nie den Gedanken hatte mit den eben schon erwähnten 126nm einen Zwischenschritt zu gehen.

 

[PS828]

Diese Gedanken gab es sicher. Man muss sich ja absichern falls es bei EUV doch noch gedauert hätte. Aber damit wäre zunehmend, wie oben erklärt, die harte Grenze dieser Methoden sehr nahe gekommen was evtl in Stagnation gegipfelt wäre

 

[modena.ch]

Ich bin zufällig gerade in Europa unterwegs, bin zu Besuch bei einem unserer Kunden aus der Blechfertigung.
Und auch sie machen neuerdings viele Dinge für eine gewisse holländische Firma.
Inklusive frisch hochgezogenem Reinraum.

Wie klein die Welt ist....

 

[mcasd]

Ja,

es arbeiten wirklich unglaublich viele Firmen für ASML - so wie wir auch.

An allen Ecken ...

Die Welt ist eben manchmal klein

 

[ona993]

Befindet sich die Technik noch in der Forschung oder werden schon echte Chips von Intel, AMD und Co. damit gefertigt?

 

[PS828]

Befindet sich die Technik noch in der Forschung oder werden schon echte Chips von Intel, AMD und Co. damit gefertigt?

Sehr bald geht es im PC und Serverbereich damit los. Ab 7nm+ sollte bei TSMC alles auf EUV basieren.

Wie es bei Samsung ist weiß ich nicht. Aber Intels 7 nm Prozess wird wohl auch EUV basiert sein. Ihr verkorkster 10 nm prozess ist es schonmal nicht. Dort wird klassisch belichtet mit allen Nachteilen und Tricks die es dafür braucht

 

[Colindo]

Wie im Artikel erwähnt gibt es von Samsung bereits die Fertigung in 7nm+EUV mit schon länger verfügbaren Smartphone-Chips. Inwiefern AMD dieses Jahr bereits EUV nutzt ist noch unklar, aber spätestens in der übernächsten Generation mit 5nm werden alle Prozesse EUV-basiert sein.

 

[xXDarthGollumXx]

Toller Artikel, sehr gut und informativ geschrieben.
Wahnsinn was für Aufwand betrieben werden muss um die Belichtung zu realisieren.
Das ganze wird ja öffter pro Wafer wiederholt um die ganzen Schichten herstellen zu können.