Après dix ans de recherche et de développement, ASML a officiellement livré le premier lot de modules du premier système de lithographie EUV HighNA (haute ouverture numérique)-TWINSCANEXE:5000 à Intel en décembre 2023, ce qui représente une étape importante dans la fabrication de puces de pointe.

Récemment, ASML a publié un article scientifique de vulgarisation intitulé « 5 choses que vous devez savoir sur la lithographie EUV à haute ouverture numérique », qui présente davantage le système de lithographie High-NA.

Voici la traduction de l’article par Xinzhixun :

À l’heure actuelle, les fabricants de puces s’appuient encore sur le rétrécissement des transistors pour promouvoir l’avancement de la technologie des micropuces. Bien que ce ne soit pas le seul moyen d’améliorer la puce, par exemple, une nouvelle architecture, un packaging avancé, etc. peuvent également améliorer les performances. Mais il y a une raison pour laquelle la loi de Moore est essentiellement une loi universelle : depuis plus de 50 ans, la « mise à l’échelle » des transistors est à l’origine de la croissance exponentielle de la puissance de calcul.

Depuis des années, nous poussons la technologie de lithographie par ultraviolet profond (DUV) jusqu’à ses limites. Afin de réduire la taille du plus petit élément pouvant être photolithographié (appelé dimension critique (CD)), nous pouvons ajuster deux paramètres principaux : la longueur d'onde de la lumière λ et l'ouverture numérique NA.

Cependant, il ne reste pas beaucoup de place dans nos systèmes DUV pour ajuster ces paramètres.

Selon la formule de Rayleigh, on peut voir que la résolution lithographique (R) est principalement déterminée par trois facteurs, à savoir la longueur d'onde de la lumière (λ), la valeur sinusoïdale (sinθ) de l'angle maximum que la lumière peut traverser la lentille (angle d'ouverture de la lentille demi-angle θ), l'indice de réfraction (n) et le coefficient k1. Outre la résolution lithographique, la profondeur de champ (DOF) est également cruciale. Une grande profondeur de champ peut augmenter la plage claire de gravure et améliorer la qualité de la lithographie. La profondeur de champ peut également être améliorée en augmentant l'indice de réfraction (n) du système.

La lithographie EUV nous permet d'apporter des ajustements significatifs aux paramètres de longueur d'onde, elle utilise une lumière de 13,5 nm, tandis que les systèmes DUV à la plus haute résolution utilisent une lumière de 193 nm. Lorsque notre première plate-forme de lithographie EUV de pré-production, la NXE, a été expédiée pour la première fois en 2010, son CD est passé de plus de 30 nm pour DUV à 13 nm pour EUV.

1. Qu'est-ce que la lithographie EUV à haute ouverture numérique ?

L'EUV à haute ouverture numérique est la prochaine étape dans notre quête continue de mise à l'échelle. Comme le système NXE, il utilise la lumière EUV pour imprimer de minuscules détails sur des tranches de silicium.

En ajustant le paramètre NA, nous pouvons offrir une meilleure résolution :La nouvelle plate-forme, appelée EXE, peut fournir aux fabricants de puces des CD de 8 nanomètres. Cela signifie qu'ils peuvent imprimer des transistors 1,7 fois plus petits que le système NXE, ce qui entraîne une augmentation de 2,9 fois de la densité des transistors.

Comment pouvons-nous obtenir une résolution plus élevée dans les systèmes EUV à haute ouverture numérique ? Pourquoi les fabricants de puces investissent-ils dans les nouvelles technologies ? Qu'est-ce que cela signifie pour vous ?

1. Dispositifs optiques anamorphiques plus grands, imagerie plus claire

L’avancée majeure dans la lithographie EUV à haute ouverture numérique réside dans la nouvelle optique. « NA » fait référence à l'ouverture numérique, une mesure de la capacité d'un système optique à collecter et à focaliser la lumière.

C'est ce qu'on appelle HighNAEUV car nous avons augmenté le NA de 0,33 dans le système NXE à 0,55 dans le système EXE. Plus la NA est élevée, plus la résolution du système est élevée.

Pour augmenter l’ouverture numérique, il faut utiliser des miroirs plus grands. Mais un miroir plus grand augmentera l’angle selon lequel la lumière atteint les lignes gravées, là où le motif doit être imprimé. À des angles plus grands, le réticule perd sa réflectivité, de sorte que le motif ne peut pas être transféré sur la tranche.

Le problème aurait pu être résolu en réduisant le motif d'un facteur 8 au lieu du 4x utilisé dans le système NXE, mais cela aurait obligé le fabricant de puces à passer à un réticule plus grand.

Au lieu de cela, EXE utilise une conception ingénieuse : l’optique anamorphique.

Au lieu de réduire uniformément le motif imprimé, les miroirs du système le rétrécissent 4x dans un sens et 8x dans l'autre.

Cette solution réduit l'angle selon lequel la lumière frappe le réticule et évite les problèmes de réflexion. Ce qui est important c'est que

Cela permet également aux fabricants de puces de continuer à utiliser des réticules de taille traditionnelle, minimisant ainsi l'impact des nouvelles technologies sur l'écosystème des semi-conducteurs.

△Test du miroir EUV à haute ouverture numérique de ZEISS (Source photo : ZEISSSMT)

2. Un établi plus rapide, une productivité plus élevée

Grâce à l'optique anamorphique, la taille du champ d'exposition du système EXE est la moitié de celle de son prédécesseur, le système NXE. Par conséquent, la création d’un motif sur une seule plaquette nécessite deux fois plus de nombre d’expositions.

Deux fois le nombre d'expositions pourrait signifier doubler le temps de lithographie des plaquettes. Alors comment résoudre ce problème ? Vitesses de déplacement plus rapides des plaquettes et des platines de réticule.

L'accélération de l'étage de tranche dans le système EXE atteint 8 g, soit deux fois la vitesse de l'étage de tranche NXE.

L'accélération du réticule de l'EXE est quatre fois supérieure à celle du NXE, soit 32 g, ce qui équivaut à une voiture de course accélérant de 0 à 100 km/h en 0,09 seconde.

Avec la nouvelle plate-forme, le TWINSCANEXE:5000 peut graver plus de 185 tranches par heure, soit une augmentation par rapport aux systèmes NXE déjà utilisés dans la fabrication en grand volume.

Nous avons élaboré une feuille de route pour augmenter la capacité de production à 220 plaquettes par heure d'ici 2025. Cette productivité est essentielle pour garantir que l'intégration d'une ouverture numérique élevée dans les usines de fabrication de puces soit économiquement viable pour les fabricants de puces.

△TWINSCANEXE ouvert et entièrement assemblé : 5000

3. Fabrication plus facile pour améliorer la rentabilité

La lithographie EUV à haute ouverture numérique permettra aux fabricants de puces d'imprimer les plus petites caractéristiques sur des micropuces de pointe. Mais en attendant, les fabricants de puces ne restent pas à l’écart. Ils ont trouvé d’autres moyens de contourner les limites de résolution des systèmes de lithographie en utilisant des processus de production plus complexes.

Ces solutions ont un coût. Ils augmentent le temps de production et offrent des opportunités supplémentaires pour introduire des défauts pouvant affecter les performances des puces.

Le CD de l'EXE:5000 mesure 8 nm, ce qui permet aux fabricants de puces de rationaliser leurs processus de fabrication. Le résultat est une production plus rentable de micropuces avancées.

4. La polyvalence et la modularité permettent de meilleures performances

EXE:5000 représente une évolution de la technologie de lithographie EUV, pas une révolution. Nous avons réutilisé autant de technologie EUV existante que possible et modifié uniquement les aspects nécessaires pour améliorer la résolution du système et la productivité.

Et, comme notre système NXEEUV, le système EXE est composé de modules qui peuvent être testés indépendamment avant d'être intégrés dans un système complet.

Pourquoi accordons-nous la priorité à la polyvalence et à la modularité sur l’ensemble de notre système de lithographie EUV ? Car ainsi tous nos systèmes bénéficieront des enseignements tirés de plus de 20 ans de développement EUV. L’utilisation de techniques éprouvées réduit le risque de problèmes.

Ces modules simplifient l'installation du système et l'intégration dans les usines des clients. Cela signifie que les systèmes commenceront à produire des puces plus tôt : nos clients commenceront la R&D en 2024-2025 et entreront dans la production à grand volume en 2025-2026.

Un calendrier plus rapide est une bonne nouvelle pour tout le monde : plus tôt ces systèmes pourront commencer à imprimer des puces de pointe, plus tôt la technologie de pointe qu’ils prennent en charge sera disponible.

△Assembler TWINSCANEXE : 5000

5. Fonctionnalité, performances et efficacité énergétique améliorées de la puce

La résolution de 8 nm de l'EXE:5000 permet aux fabricants de puces de regrouper plus de transistors dans une seule puce. Les transistors plus petits sont plus économes en énergie, ce qui signifie que la puce pourra faire plus avec moins de ressources.

En conséquence, les minuscules caractéristiques imprimées par l’EXE:5000 constitueront la base de micropuces de pointe. Et grâce à la productivité du système, les fabricants de puces peuvent fabriquer ces puces en grande quantité.

Impact de la lithographie EUV à haute ouverture numérique

L'innovation en matière de puces devient de plus en plus importante dans le monde numérique d'aujourd'hui. Les consommateurs s’attendent à ce que les appareils électroniques de nouvelle génération soient plus petits, plus fonctionnels, plus performants et plus rapides. Grâce à la lithographie EUV à haute ouverture numérique, les fabricants de puces peuvent répondre à ces demandes des consommateurs.

Les premières puces fabriquées à l'aide d'EXE:5000 seront des puces logiques de nœud de 2 nm. Des puces mémoire avec une densité de transistors similaire suivront. Ces puces combineront les moindres fonctionnalités avec une architecture de pointe pour alimenter les technologies du futur : robotique, intelligence artificielle, Internet des objets, etc.