Interview
Lithografie evolueert naar zenuwcentrum chipfabriek
11 juni 2008
ASML kondigt een nieuw tijdperk aan in de chipproductie. Afbeelden op de nanometer evolueert naar een proces waarin alle onderdelen elkaar beïnvloeden. In waferfabs zijn belichtingsmachines steeds meer spin in het web. Jos Benschop, hoofd research bij ASML, over computationele lithografie, holistisch printen en uitdagingen in IC-fabricage.
Kijk eens hoe goed we zijn! Weer sneller, weer beter, weer kleiner! Je kon het afgelopen decennium geen persbericht over ASML’s technologie lezen of de Brabanders klopten zich weer eens op de borst. Doorvoer verhoogd. Geen 40 nanometer, maar 36. Overlay verbeterd. Tientallen immersiesystemen verkocht. Installed base van duizend Twinscans. Opnieuw de doorvoer verhoogd! Eerste bestellingen nieuwe generatie EUV-machines. Kortom, knappe jongen die op De Run in Veldhoven nog een ingenieur vindt met een minderwaardigheidscomplex.
En dan is daar Martin van den Brink, ASML’s hoofd marketing en technologie, die op SPIE Lithography in San José ineens met een heel ander verhaal komt. Het orakel uit Veldhoven kwam er deze keer niet om op te scheppen. Hij had een boodschap. Hij hield lithospecialisten voor dat alles met alles samenhangt. Dat er zoiets bestond als holistische lithografie. Dat het zichtbaar was in zijn kristallen bol, dat de wereld er beter van zou worden en dat ASML het allemaal mogelijk zou gaan maken.
Ik neem het u echt niet kwalijk als u zich inmiddels achter de oren krabt, maar ik kan u verzekeren: in San José stond nog steeds de oude vertrouwde Brink. Bij zijn volle verstand - afgaande op de snelheid van zeventig powerpointslides die hij er in een half uur doorheen joeg.
Voor de zekerheid gaat Mechatronica Magazine in Veldhoven op bezoek voor een college holistische lithografie. Bij Jos Benschop, de man die bij ASML leidinggeeft aan de researchactiviteiten bij ASML. Hij legt het allemaal nog eens rustig uit. Het hele thema van ASML’s boodschap wijkt voor de eerste keer wezenlijk af, zegt Benschop. ‘Eerst ging het over hoe goed onze machines zijn. Nu vertellen we dat lithografische machines een onderdeel vormen van een groter geheel. Door ook buiten de machine te kijken en die informatie te gebruiken, kunnen wij de prestaties van onze machines en de kwaliteit van het productieproces verbeteren.’
Als we ASML mogen geloven, dan is er maar één conclusie mogelijk: de invloed die lithografie in de nabije toekomst al op het hele chipfabricageproces kan uitoefenen, is verbluffend. Als scanners over de juiste data beschikken, dan kunnen ze straks fouten herstellen die depositieapparaten of etsers maken. Zorgt een bakplaat in de lakstraat voor een ongelijke verdeling van lijnbreedtes op de wafer? Laat het de scanner weten en hij zorgt dat het goed komt.
De computer speelt een steeds belangrijkere rol in het afbeelden op de nanometer. IC’s produceren is intussen ook simuleren, verifiëren, checken en regelen. Steeds meer informatie komt daarbij beschikbaar. De afstemming is steeds kritischer, het nanometerprinten steeds gevoeliger voor storingen en juist uit die sensitiviteit valt informatie te destilleren om de kwaliteit te verhogen.
Als ASML’s visie werkelijkheid wordt, dan heeft dat verstrekkende gevolgen. Doordat het lithografische proces cruciale informatie verzamelt en beheert en vervolgens regelt en ingrijpt, groeit het uit tot het zenuwcentrum van de chipfabricage.
Cruciale aanwinst
Op het gebied van computationele lithografie deed ASML begin vorig jaar al een cruciale aanwinst. Het kocht Brion Technologies voor 203 miljoen euro. Benschop: ‘Brion is in staat het complete lithosysteem van masker, scanner tot fotolak door te rekenen. De algoritmes van het bedrijf kunnen voorspellen wat het uiteindelijke patroon in de fotolak zal zijn, gegeven een specifiek masker en een specifieke scannerinstelling.’
Verschillende producten gebruiken Brions technologie voor verschillende doelen. Met verificatie is een volledige chip door te rekenen en te kijken of er hotspots zijn die in productie problemen kunnen geven. Brion optimaliseert ook het masker en de instellingen van de scanner, zodanig dat de afbeeldingen zo robuust mogelijk zijn. Benschop: ‘Focus en imperfecties in de dosis licht kunnen afwijkingen veroorzaken. Brion zorgt ervoor dat deze afwijkingen minimaal zijn in de afbeelding.’
Ook helpt Brion bij het matchen van scanners. Het zorgt ervoor dat twee of meerdere machines identiek printen. ‘Er zijn altijd kleine verschillen in de lens of andere onderdelen. Die kun je grotendeels corrigeren door bijvoorbeeld de belichting een klein beetje aan te passen.’
Sunnyvale
Eind jaren tachtig, begin jaren negentig was de lithografische wereld nog heerlijk overzichtelijk. Benschop kan erover meepraten. Rond 1990 stond hij zelf nog aan steppers te draaien. Om precies te zijn, in de halfgeleiderfabriek van Signetics (een halfgeleiderfabriek van Philips) in Sunnyvale, Californië. ‘Daar schoten we iedere ochtend een focus-exposure-matrix. We haalden een wafer door elke stepper en daarbij draaiden we aan twee knoppen: een voor focus en een voor exposure. We hadden zelfs een trucje om met het blote oog te zien of de instelling goed was. We hadden maar twee knoppen en we stelden elke dag, bij elke machine, de beste exposure en beste focus vast.’ De dagelijkse afregeling was goed voor elk patroon, het maakte niet uit welke stepper het werk moest verzetten.
De huidige praktijk is stukken weerbarstiger. Wie vandaag een tweede Twinscan XT1900-immersiesysteem (193 nm, NA = 1,35) uit Veldhoven laat komen, kan niet verwachten dat deze machine meteen exact hetzelfde print als de eerste. De scanners moeten eerst op elkaar worden afgesteld. Benschop: ‘Scannermatching doen we al jaren. Vijf jaar geleden vroegen klanten ons er het eerst naar. We doen het tot op de dag van vandaag met de hand. Een service-engineer gaat de fabriek in, draait zijn tests, pakt maskers, belicht wafers en meet de ontwikkelde plakken door. Eerst op scanner A, daarna scanner B. De engineer rekent het uit op zijn pc, ziet wat de verschillen zijn en weet waaraan hij moet draaien.’
Een matchingtest kan bestaan uit de afstandsbepaling van vijf tot tien ijkpunten. Benschop: ‘Dat was goed genoeg. Het hoefde immers maar af en toe te gebeuren. Maar nu worden de marges steeds kleiner. Langzamerhand is er nood aan om het regelmatig te doen. Bovendien worden de benodigde tests complexer. Voor de meest geavanceerde structuren moet je op veel meer plaatsen meten en vrij precies kunnen voorspellen. Je moet veel meer metingen doen en vervolgens is er een veel verfijnder model nodig om uit te rekenen waar je aan moet draaien om uit een scanner hetzelfde te krijgen als uit zijn broertje. Dan praat je weer over computationele lithografie, het machinegedrag moet je uitrekenen.’
ASML staat op het punt om op dit gebied ‘een aantal stappen te zetten’, aldus Benschop. ‘Er zullen de nodige producten volgen om dat mogelijk te maken bij klanten. Het is steeds meer nodig in een chipfabriek en het vraagt toenemende automatisering.’
Het zou ook ideaal zijn als het mogelijk is om verschillende types scanners te matchen. ‘Stel een chipfabrikant heeft een masker voor een Twinscan XT1700 (immersiesysteem met een NA van 1,2, RR) en hij koopt er een XT1900 bij. Dan wil hij misschien wel productie draaien op de 1900 met de maskers die ooit gemaakt zijn voor de 1700. In de goeie ouwe tijd zeiden we: ik verlaag mijn apertuur van 1,35 naar 1,2 en we zijn er. Maar dat is niet meer zo eenvoudig. We moeten die 1900 tunen. De illumination een beetje veranderen. De apertuur niet op 1,2 maar op 1,18. We kunnen de machines afstemmen op een beperkte set features op de chip, bijvoorbeeld alleen een aantal afstanden. Dan wordt de spreiding tussen de twee machines al minder. Maar om ervoor te zorgen dat de machines zich bij het printen van die complexe tweedimensionale structuren hetzelfde gedragen, moet ik eigenlijk meten op het hele patroon. Om dat te kunnen, moeten we kunnen voorspellen hoe die machine zich gaat gedragen en daarbij komt de computerlithografie van Brion weer om de hoek kijken.’
Hoever zijn jullie daarmee?
‘Vandaag de dag gaat het nog enigszins handmatig. Als klanten hun 1900 ook willen gebruiken voor chipproductie die eerst op onze 1700-machines draaide, dan vragen ze mensen van ASML om te helpen. Die draaien hun tests en vertellen de klant hoe ze het afbeeldingsproces gelijk kunnen maken. Het is één keer meten en berekenen, daarna gaat het met een recept naar de machine en die stelt zichzelf in.’
Jullie gebruiken daar de software van Brion voor?
‘In de toekomst wel, nu gaat het nog handmatig. Het zijn vrij veel metingen en het kost veel tijd. Het kan efficiënter, maar er zitten heel veel facetten aan. Bijvoorbeeld welke structuren je kiest op basis waarvan je twee systemen gelijkmaakt. Structuren printen en meten kost uren en uren. Als je pech hebt, meet je dagen met een elektronenmicroscoop. Dat is gigantisch kostbaar. Maar als je nu kunt voorspellen hoe die machine zich gedraagt, dan kun je die structuren slim kiezen. Als specifieke patronen matchen, dan kun je concluderen dat het met de rest ook goed zit. Dat soort zaken kunnen we uitrekenen met Brions technologie om beter en efficiënter te matchen.’
Matchen geeft nog vele andere mogelijkheden. ‘Je kunt ook rekening houden met procesveranderingen. Als je bijvoorbeeld DRams maakt in twee verschillende fabs die twee verschillende fotolakken maken, en je wilt dat deze geheugenchips er hetzelfde uit komen dan kun je compenseren in de lithografische stappen. Dat is het mooie van onze machine. Er zitten heel veel knoppen op. Het is zo in te stellen dat het nettoresultaat hetzelfde is.’
‘We verwachten dat we in de toekomst veel kunnen winnen door productafhankelijk te matchen. Dan hebben we Brions competentie, hun hardware en hun software, hard nodig.’
Op welke locatie gebeurt het rekenwerk?
‘Dat is nog de vraag. Je kunt het centraal doen, maar ook per machine. Dat staat nog ter discussie.’
Op afstand?
‘Dat is afhankelijk van de snelheid. Ook is het de vraag of een klant wil dat deze informatie zijn fabriek verlaat. Klanten hebben er geen enkel probleem mee om op afstand te matchen op through pitch (specifiek gekozen afstanden op de chip, RR). Daar zitten geen geheimen in, maar matchen op hele circuits is andere koek.’
De scanners van ASML zijn zeer complexe apparaten die steeds meer meet- en regellussen bevatten om het belichtingsproces te verfijnen. Een voorbeeld is de stagemetrologie om de wafer tijdens het scannen binnen een fout van 2 nanometer te positioneren van (zie verhaal over overlay op pagina 18). Dit proces van meten, terugkoppelen, verfijnen en afstellen strekt zich steeds meer uit buiten de lithografische machines. ‘In de toekomst gaan we de resultaten van de litho- en etsstappen meer en meer verderop in het proces meten. Die informatie gebruiken we om de volgende batch wafers op onze machines te tunen.’
Dat betekent ook dat ASML steeds meer informatie uit de fabriek wil halen. De machinebouwer verwacht dat optische meettechnieken hoge ogen gooien – overigens niet verwonderlijk voor een bedrijf dat faam verwierf en groot werd op basis van optische technologie.
Om werkende chips van goede kwaliteit te maken, is het belangrijk om vat te hebben op de critical dimension (CD, kleinste lijnbreedtes) en de overlay (de mate waarbinnen het hele patroon van twee opeenvolgende belichtingen ten opzichte van elkaar verschoven mag zijn). Nadat een wafer is belicht en ontwikkeld, blijft een doolhof van lakpatronen over waarvan de breedte, hellingshoek en andere zaken zijn te meten. Gebruikte technieken variëren van optische metingen als hoekafhankelijke scatterometrie, spectroscopische scatterometrie tot elektronen- en krachtmicroscopie. Scatterometrie meet aan de verstrooiing van licht aan een object, dit in tegenstelling tot een licht- of elektronenmicroscoop, waar een plaatje uit komt.
Al deze metrologische technieken hebben zo hun voor- en nadelen. Met elektronenmicroscopie zijn hele kleine structuren te meten van tientallen nanometers, maar het is langzaam. Optische microscopie is veel sneller, maar daar zijn de resoluties weer slechter. Benschop: ‘Er zijn verschillende optische methodes die vrij snel zijn. Optisch heeft als voordeel dat je middelt over hele grote stukken, dus je hebt een hele grote reproduceerbaarheid.’
Meten leidt tot spectaculaire verbeteringen in de lithografie. Dat laten recente experimenten bij ASML zien. Veldhovense researchers gebruikten een angle-resolved scatterometer om de CD en overlay te meten in een double patterning-proces. Dit is een proces dat met twee belichtingsstappen de details in één chiplaag vormgeeft (zie ook het overlayartikel op pagina 18). Dat moet met ultraprecisie. Voor de chipgeneratie van 32 nm die volgend jaar uitkomt, moet de variatie in CD naar ruim 1 nanometer en de overlay naar 2 nanometer. Op dit moment is een overlay van 4 tot 5 nm haalbaar in droge scanners.
Maar dat even terzijde. De resultaten van de optische metingen werden teruggekoppeld naar de scanner om de belichting te verfijnen. ‘We meten de lijnbreedte van de eerste lithostap en de lijnbreedte van de tweede en kijken hoeveel die twee variëren. We willen ze hetzelfde hebben en de spreiding minimaliseren’, aldus Benschop.
De lijnbreedte (CD) is te beïnvloeden door de dosis licht te variëren. Dat is op elke plaats op de wafer mogelijk. Met behulp van de meetgegevens wist ASML de spreiding in de gemiddelde CD op elke wafer terug te brengen van 6,3 naar 0,8 nm. Ook de spreiding in CD op één plak werd kleiner. Benschop: ‘Ik maak ze kleiner en dat lukt me alleen omdat ik ze meet en kan corrigeren.’ Met dezelfde meting kon ASML de overlay omlaagbrengen met iets minder dan een nanometer, van 4 naar ruim 3 nanometer.
Benschop bevestigd dat ASML de angle-resolved scatterometrische metingen heeft gedaan met een apparaat dat zelf ‘in technologie’ werd gebouwd. Hij wil verder geen uitspraken doen over de toekomst hiervan. Op de vraag of ASML deze meettechnologie ook in de vorm van machines of producten gaat verkopen, zegt hij: ‘Dat zullen we later weten. Daar zal ik geen uitspraak over doen, maar dit is iets van ons. De boodschap is dat we onze lithografische prestaties verbeteren door te meten en te corrigeren. Het is onderdeel van de holistische benadering. We bouwen niet alleen een goede doos, maar alles eromheen begint mee te doen.’
Het spannende is dat het niet blijft bij verbeteringen in lithografie. Meten, terugkoppelen en corrigeren biedt ook mogelijkheden om andere processtappen te beïnvloeden. ‘We kunnen andere apparaten in het productieproces corrigeren’, zegt Benschop. ‘Dat is een uniek feature van ons apparaat. Je kunt imperfecties van stappen verderop in het proces gaan corrigeren. Het komt bijvoorbeeld voor dat wafers in de wafertrack niet goed opwarmen. De verwarmingsspiraal van de bakplaat vind je dan terug in de geprinte maat van je lijntjes. Als wij hebben gemeten, dan kunnen we daarvoor corrigeren, omdat onze machines iedere plaats op de wafer afzonderlijk belichten. Daarin is een lithografische machine uniek. Een etser of een depositieapparaat kan dat niet. Die behandelen de hele wafer in één keer. We kunnen het meten en corrigeren. Dat is vrij uniek voor lithografie en heeft dus veel waarde.’
De centrale boodschap, zo zegt Benschop, is dat deze regelkringen in chipproductieprocessen steeds belangrijker worden. ‘Ook de snelheid waarmee je dit kunt regelen, wordt steeds belangrijker. Als een proces extreem stabiel is, dan kun je volstaan met eens per maand kijken of het goed gaat. Zo niet, dan corrigeer je. Maar als een proces afhankelijk is van hoe een wafer door een fab gaat, of hij door etser een of etser twee gaat, dan moet je dat allemaal bijhouden. Dan moet je ook continu corrigeren. Als een plak terugkomt, moet je weten waarvoor je moet corrigeren. Dat betekent heel snel meten en heel snel regelen. Je krijgt een andere tak van sport.’
De nieuwe uitdagingen van holistische en computerlithografie hebben ook gevolgen voor Benschops researchafdeling. Zijn groep moet groeien van vijfentwintig nu naar vijftig mensen. ‘Een paar jaar geleden deden we 95 procent van onze research extern. Dat verschuift. We doen steeds meer onderzoek intern’, aldus de researchdirecteur.
ASML intensiveert ook zijn relatie met de academische wereld. Benschop nodigde het afgelopen half jaar al verschillende hooggeleerden uit om te brainstormen over toekomstige onderzoeksthema’s. ‘Ik wil op regelmatige basis - eens per kwartaal - samen ons portfolio projecten doorlopen voor een betere afstemming. Ik daag hoogleraren uit om een bijdrage te leveren.’
Over ASML en Brion: ‘Het is een interessante tijd. We zien twee werelden samenvloeien die traditioneel totaal verschillen. Wij zitten in de traditionele machinebouw met al zijn moeilijke facetten, die computermensen hebben nog nooit een machine gezien. Dat merken we zelfs in het taalgebruik. Woorden waarmee we onderwerpen of zaken definiëren, zijn totaal anders. Het is een interessante exercitie om dat op één lijn te krijgen.’
Hoe staan jullie in dit opzicht tegenover concurrenten?
‘Het is een thema dat we ook bij onze concurrenten zien. Ik denk wel dat wij er het meest uitgesproken in zijn. Als de publieke uitingen representatief zijn voor wat er gebeurt, dan denk ik dat wij heel goed zijn gepositioneerd. Ik denk ook dat we met de overname van Brion in een uitstekende positie zijn om hier een rol te gaan spelen.’