Les fonderies ont commencé une utilisation limitée de la lithographie ultraviolette extrême (EUV) pour la fabrication à haut volume (HVM) de puces en 2019. À l’époque, les scanners Twinscan NXE d’ASML étaient assez bons pour la production, mais l’écosystème EUV complet n’était pas tout à fait là. L’une des choses qui a eu un impact sur l’EUV était le manque de pellicules protectrices pour les photomasques, ce qui limitait l’utilisation des outils EUV et affectait les rendements. Heureusement, la situation des pellicules s’est enfin améliorée grâce à l’introduction récente de pellicules EUV prêtes pour la production, et les choses promettent de s’améliorer encore dans les années à venir.

Protéger les réticules précieux

ASML a fait de grands progrès avec ses outils de lithographie Twinscan NXE EUV ces dernières années, améliorant les performances de la source lumineuse, le temps de disponibilité et la productivité. Ses pairs de l’industrie ont également fait beaucoup pour rendre possible la fabrication à haut volume (HVM) utilisant des équipements EUV. Pourtant, l’écosystème EUV doit encore se développer. L’un des défis les plus notoires de la chaîne d’approvisionnement des semi-conducteurs face à l’EUV est le développement de pellicules qui n’étaient pas disponibles il y a deux ans.C’est pourquoi TSMC et Samsung Foundry ont dû inventer des moyens d’utiliser leurs scanners EUV sans films protecteurs.


Pour référence: une pellicule TSMC 16 nm avec réticule

Les pellicules protègent les photomasques (réticules) de 6 × 6 pouces pendant le flux de production des puces en les scellant à l’écart des particules qui pourraient atterrir à leur surface, qui sinon les endommageraient ou introduiraient des défauts dans les plaquettes de production. Chaque réticule pour un outil EUV coûte 300 000 $, les fabricants de puces sont donc impatients de les protéger contre les dommages causés par les particules ou même le rayonnement EUV lui-même, car cela réduit leurs coûts. Pendant ce temps, la réduction des risques associés aux rendements est peut-être encore plus importante.

Le besoin de pellicules, quant à lui, varie en fonction du fabricant et des types de photomasques utilisés. Intel, qui est connu pour ses gros matrices de processeur, a tendance à utiliser des réticules à une seule matrice, ce qui signifie qu’un seul défaut de masque introduit par une particule tue automatiquement tout le dé. Pendant ce temps, si un photomasque à 25 matrices est utilisé, un additionneur de particules n’entraînera «  que  » un rendement inférieur de 4% (un dé mort), c’est pourquoi il a été possible de se passer de pellicules pour des puces plus petites et des photomasques multi-dé.

ASML en tête du peloton. Pour le moment

L’industrie a commencé à développer des films protecteurs pour les outils EUV relativement tard après qu’il s’est avéré que personne ne peut garantir qu’un scanner EUV ultra-complexe est à 100% exempt de particules nocives, c’est pourquoi ils n’étaient pas prêts en 2019.

Les pellicules pour photomasques à utiliser avec un équipement de lithographie aux ultraviolets profonds (DUV) sont courantes et bon marché. En revanche, comme les photomasques pour EUV sont différents des photomasques pour DUV (les masques EUV sont essentiellement des empilements de 250 à 350 nm d’épaisseur comportant 40 à 50 couches alternées de silicium et de molybdène sur un substrat), les pellicules pour ces réticules sont également très différentes. En particulier, la très courte longueur d’onde de l’EUV signifie que les pellicules pour cela ont un certain nombre d’exigences qui les rendent difficiles à produire et coûteuses. Les pellicules EUV doivent être extrêmement minces, ne doivent pas affecter les caractéristiques de réflexion des réticules, doivent présenter un taux de transmission élevé (plus le débit est élevé, plus la productivité d’un scanner est élevée), doivent maintenir des niveaux de puissance EUV élevés et résister à des températures extrêmes (à partir de 600 ° C à 1 000 ° C dans le futur).


Pellicule EUV d’ASML (Crédit d’image: Semiconductor Engineering)

«La plupart des matériaux absorbent très fortement à la longueur d’onde EUV de 13,5 nm la plus énergétique et, même lorsque les matériaux les plus transparents à l’EUV sont sélectionnés, les membranes doivent être extrêmement fines pour approcher 90% de la transmittance», a déclaré Emily Gallagher, membre principal du personnel technique. chez Imec. « De telles membranes minces ne sont généralement pas capables de maintenir une résistance suffisante pour être autonomes aux dimensions requises. De plus, l’environnement du scanner EUV n’est pas compatible avec de nombreux matériaux et soumettra la pellicule à des cycles de pompe-évent. »

À ce jour, un certain nombre d’options de pellicules EUV ont émergé, selon SemiEngineering:

  • ASML a présenté ses premières pellicules EUV en 2019 et a autorisé la technologie à Mitsui Chemicals, qui a l’intention de commencer ses ventes en volume au deuxième trimestre 2021. Depuis lors, ASML a amélioré ses pellicules.
  • Imec a dévoilé les résultats des tests de ses pellicules à base de nanotubes de carbone.
  • Graphene Square, Freudenberg Sealing Technologies (FST) et certaines universités développent leurs propres pellicules.

Jusqu’à présent, seul ASML a réussi à créer des pellicules commercialement viables pour les outils EUV qui sont réellement disponibles. Les pellicules d’ASML sont à base de silicium polycristallin de 50 nm d’épaisseur. En 2016, ils ont démontré un taux de transmission de 78% sur une source simulée de 175 W. Actuellement, ASML peut vendre une pellicule avec un taux de transmission de 88%. Et bientôt, Mitsui commencera à fournir de telles pellicules en volume.

Les derniers prototypes d’ASML en siliciure métallique démontrent un taux de transmission de 90,6% avec 0,2% de non-uniformités et une réflectivité inférieure à 0,005% sur une source de 400 W.

«Cette mise à niveau prend en charge notre feuille de route, qui portera à terme la puissance de la source jusqu’à 400 watts», a déclaré Raymond Maas, chef de produit d’ASML pour les pellicules, dans une interview accordée à Bits & Chips.nl. « La pellicule chauffe jusqu’à 600 ° C à ce niveau de puissance, ce que le polysilicium ne pouvait pas supporter. »

En revanche, les pellicules prototypes d’Imec ont un taux de transmission de 97,7%. En fait, à long terme, lorsque des sources lumineuses plus avancées seront disponibles, des pellicules plus sophistiquées seront nécessaires et c’est là que les pellicules à base de nanotubes de carbone d’Imec entreront en jeu.

«Peu de matériaux ont un potentiel de transmission EUV élevée au-delà de 90% et encore moins de matériaux sont en même temps compatibles avec des puissances EUV au-delà de 600 W. De plus, la pellicule doit être solide pour être suspendue sur une grande surface du masque (~ 110 mm x 140 mm) », a déclaré Joost Bekaert, un chercheur d’Imec.

Malheureusement, on ne sait pas quand les pellicules à base de nanotubes de carbone d’Imec seront prêtes pour les heures de grande écoute.

Résumé

TSMC et Samsung Foundry ont inventé des moyens d’utiliser des outils de lithographie EUV sans pellicules sur des photomasques multi-matrices pour des puces plus petites, mais de telles méthodes sont risquées car tout additionneur de particules peut devenir un défaut destructeur de rendement. En outre, de telles méthodes sont risquées pour les puces plus grosses et les photomasques à matrice unique, de sorte que les pellicules sont essentielles pour permettre la fabrication de grandes matrices avec des outils EUV. Cela dit, quelle que soit la taille du photomasque, des pellicules sont nécessaires pour améliorer les rendements EUV et réduire les risques à tous les niveaux.

Dans l’ensemble, l’utilisation et les améliorations des pellicules EUV seront donc un processus progressif. Les pellicules initiales développées et fabriquées par ASML et bientôt fabriquées par Mitsui sont suffisamment bonnes pour certains des besoins d’aujourd’hui, mais il y a place à l’amélioration avec leurs niveaux de transmission, comme en témoignent les prototypes de nouvelle génération développés par ASML et Imec. De meilleures pellicules seront également nécessaires pour tenir compte des futurs scanners, car ces machines auront des sources plus puissantes. Néanmoins, comme ces pellicules présentent un certain nombre d’avantages incontestables, elles vont être utilisées par les fabricants de puces car elles peuvent aider à améliorer les rendements même au prix d’une certaine productivité.