液浸リソグラフィがムーアの法則を救った (2023年)

液浸リソグラフィがムーアの法則を救った 業界カンファレンスでのひらめきが、チップ製造におけるパラダイムシフトを引き起こした経緯をご覧ください。 7分で読めます - Sander Hofman 著、2023年8月2日 より小さく、より高性能で、より安価なチップを製造するための70年以上にわたる絶え間ない革新を経て、世界で最も先進的なチップメーカーは現在、3ナノメートルプロセスノードでのチップの量産準備を進めています。しかし、もし一滴の水なしでは、業界がシリコン上に回路をますます微細化する能力が65ナノメートルの閾値でほぼ停止していたかもしれないことをご存知でしたか？当社の液浸DUVリソグラフィシステムの感動的な歴史をご覧ください。 この記事をシェアする 目次 シュリンクのリスク 一滴の水、運命のいたずら ASMLの液浸プログラムを加速させた3つの利点 厄介な水たまりの制御 マルチパターニングと究極の液浸プラットフォーム 液浸リソグラフィはイノベーションを推進し続ける シュリンクのリスク 2000年代初頭、チップ業界は193ナノメートルのアルゴンフッ化物（ArF）光源を用いたリソグラフィから、157ナノメートルのフッ素（F2）光源を用いたリソグラフィへの移行に取り組んでいました。アーティストがマーカーを細字ペンに交換して、より正確で詳細な絵を描きたがるように、この波長を短くする大幅なシフトは、トランジスタの微細化を継続し、チップ上のコンピューティングパワーとメモリ機能を増強するための業界の希望でした。しかし、予期せぬ事態の展開で、エンジニアリングを限界まで押し進めるリスクが示されたように、物理法則は同意しませんでした。最初の157ナノメートルリソグラフィシステムのエンジニアリングが進むにつれて、これらのシステムに新しいタイプの光学素子としてフッ化カルシウムレンズを採用することが、困難ではあるが可能だと考えられていました。しかし、実際のプロトタイプリソグラフィシステムでのイメージング実験により、著しい複屈折効果が明らかになりました。さらに悪いことに、この効果はフッ化カルシウムに固有のものであり、イメージング仕様をはるかに超えていました。リソグラフィの明確なロードマップが完全に停止したように見えたため、チップ業界は壁にぶつかりました。 一滴の水、運命のいたずら 2001年12月、ASMLの研究者であるJan Mulkens（現在はASMLフェロー）は、米国で開催された157ナノメートルリソグラフィに関する業界カンファレンスに出席しました。そこでは、業界の専門家が集まり、潜在的な次のステップを特定しました。彼らの議論は、解像度をシャープにするためにレンズの下に精製水を層状に加えることに焦点を当てました。これは、顕微鏡のパイオニアであるRobert HookeとAntoni van Leeuwenhoekによって最初に発見・利用され、1980年代にIBMによってリソグラフィへの応用が初めて記述された光学現象でした。Janとその同僚は、この光学技術が157ナノメートルリソグラフィを修正しようとする業界の喫緊の課題を回避し、193ナノメートルリソグラフィをさらに延長できることに気づきました。さらに、水を作業流体として使用することで、既存の光学素子、マスク、フォトレジストをすべて引き続き使用できます。これはムーアの法則を継続させるための最善の機会でした。 水を介して物体を見ると、物体が大きく見えます。「高純度の水を介して光を投影することで、より小さなチップフィーチャーを印刷できるようになります。なぜなら、液体は、ウェーハ上の微細なパターンをより正確にイメージングする光学レンズの設計を可能にするからです」とJanは説明します。「しかし、私たちが最初にこの原理をリソグラフィマシンで使用することを考えたとき、人々はそれを奇妙だと感じました。水は飛沫、液滴、泡と関連付けられていました。それは本当に複雑で高精度なイメージングシステムで機能するのでしょうか？」ホースで安全かつ確実に流れない可能性のあるシステムに水を入れることは、不可能なタスクのように思われました。オランダ、フェルドホーフェンにあるASML本社に戻ったJanは、競合他社もすぐに追随するだろうと確信し、少人数のチームを集めました。この機会を掴むためには、迅速に行動する必要がありました。緊急性を高め、Janのチームは、いくつかの基本的な液浸コンセプトを定義し、テストすることから始めました。「実験とシステムアーキテクチャの概念的なアイデアのシリーズを通じて、液浸リソグラフィの基本的な実現可能性を示したとき、私たちは20人の同僚のチームと共に、コンセプトをフルサイズのプロトタイプシステムにスケールアップする許可を得ました」とJanは振り返ります。 ASMLの液浸プログラムを加速させた3つの利点 チームはTWINSCANプラットフォームのおかげで迅速に進歩しました。当社のシステムは、独自のデュアルステージアーキテクチャのおかげで、同時に2つのことを行うことができました。1つのステージは正確なアライメントとフォーカスのためのウェーハ位置を測定し、もう1つのステージはパターンをウェーハ上にイメージングするためにレンズの下で正確に移動しました。Janのチームは、液浸システムのデュアルステージアーキテクチャをスケッチしている間に、チップメーカーが一方のステージで液浸リソグラフィの解像度向上を活用しながら、もう一方のステージで当社の実績あるドライ測定を継続できることに気づき、ウィンウィンを達成しました。もう1つの利点は、ZEISSとの緊密な協力でした。フェルドホーフェンシステムのアーキテクチャを採用すると同時に、ドイツ、オーバーコーヘンのZEISS光学設計エンジニアは、液浸リソグラフィで使用できるようにレギュラーレンズをわずかに変更する方法を見つけました。その結果、チップメーカーは、新しいテクノロジーでの量産製造を準備しながら、パイロットファブで初期の液浸システムを迅速にテストする機会を得ました。 液浸DUVシステムはドライシステムとは異なり、前者はレンズとウェーハの間に水の層を含んでいます。 最後に、当社のエコシステムがもう1つの利点を提供しました。長年の研究パートナーであるPhilips Researchは、液浸レンズを利用した高密度光学記録技術を開発していました。彼らの研究とエンジニアリングの専門知識は、レンズの下で水を移動・保持できるリソグラフィシステムの技術コンセプトを開発するために活用されました。2003年秋までに、液浸チームはTWINSCAN AT:1150iと名付けられたASMLプロトタイプシステムで具体的なイメージング結果を実証することができました。「プロトの結果はリソグラフィのロードマップをほぼ即座に変更しました」とJanは言います。「私たちは非常に短期間で、チップ業界の解像度の苦境に直接対応する一連の新しいリソグラフィシステムを定義しました。」同年12月、業界初の液浸リソグラフィシステムであるTWINSCAN XT:1250iを公に発表しました。この量産前システムは、液浸リソグラフィの強化された解像度と焦点深度を、よりコンパクトなプラットフォームであるXTのドライリソグラフィの精度と組み合わせました。 厄介な水たまりの制御 多大な進歩を遂げることができましたが、液浸リソグラフィはまだ困難を脱したわけではありませんでした。量産に向けて準備する必要がありました。欠陥は初期の液浸システムの経済性に現実的な脅威をもたらしました。マスクの幾何学的パターンをシリコンウェーハに再現する際の欠陥は、歩留まり低下につながる可能性があり、これはチップメーカーの量産プロセスにおける最も重要なパフォーマンス指標でした。高速ステージに水たまりを追加することは、2つの新しい欠陥発生源を導入しました。レンズの下に気泡が形成され、イメージング性能が低下する可能性がありました。さらに悪いことに、漏れ出した水滴は、ウェーハ上の感光性コーティングと制御不能に相互作用する可能性がありました。システム生産性を犠牲にしてステージ速度を低下させることは選択肢ではありませんでした。そうするとシステムが unaffordable になってしまいます。水たまりの挙動をより深く理解し、それを制御する方法を見つけるために、ASMLの研究者は再び広範な学術ネットワークを活用しました。テュエンテ大学のドイツの流体力学および力学の研究者であるDetlef Lohse教授は、液浸リソグラフィで働く基本的な物理学に関する私たちの知識を深めるために、多大な時間とエネルギーを費やしました。この理解の向上は、当社の研究開発チームとハイテクサプライチェーンからのエンジニアリングアイデアを刺激しました。チームはソリューションの範囲を狭めました