ASML bevestigde medio april, bij de presentatie van de cijfers over het eerste kwartaal, dat naar verwachting in de tweede helft van dit jaar de NXE:3400C beschikbaar komt, een EUV-chipproductiemachine die 170 wafers per uur produceert. Die snelheid zal, zo wordt in de markt verwacht, de komende jaren verder worden opgevoerd. Dat is fijn, maar het betekent wel dat de eisen aan de inspectietechnieken, om de kwaliteit van die wafers te checken, navenant toenemen. Hetzelfde geldt voor de technologieën om de vervuiling van deze hoogst gevoelige machines te beheersen. Onderzoek van TNO draagt bij aan het verhogen van de yield en het verlagen van de operationele kosten van EUV-lithografie.
NXE:3400C, die 170 wafers per uur produceert. Die snelheid zal, zo wordt in de markt verwacht, de komende jaren verder worden opgevoerd. Dat is fijn, maar het betekent wel dat de eisen aan de inspectietechnieken, om de kwaliteit van die wafers te checken, navenant toenemen. Hetzelfde geldt voor de technologieën om de vervuiling van deze hoogst gevoelige machines te beheersen. Foto ASML
– ‘Het is van belang om beelden van een nog hogere resolutie te kunnen genereren’
– Niet alleen de EUV-technologie is een uitdaging, hetzelfde geldt voor het EUV-productieproces’
– ‘Als je maskers ongepland moet vervangen, ben je dagen en miljoenen euro’s verder.’
– ‘Dit onderzoek draagt bij aan de kennis van en dus het vertrouwen in de EUV-technologie.’
TNO helpt de semiconketen EUV-hindernissen te overwinnen
De complexiteit van de 3D-patronen die de huidige EUV-lithografische processen aanbrengen op de wafers voor de productie van chips, is zeer hoog. De afmetingen van deze structuren zijn zeer klein – in het nanometerbereik. En de snelheid waarmee de wafers door het proces heen gaan, is hoog en neemt toe. De allernieuwste chipproductiemachine van ASML, de NXE:3400C, die gebruikmaakt van EUV-licht, kent volgens gegevens van het Veldhovense bedrijf al een productiesnelheid van 170 wafers per uur. Om al die redenen wordt het steeds lastiger de kwaliteit van de wafers goed te controleren, zonder het productieproces te vertragen. Terwijl het belang van een lage uitval – in casu een hoge yield – juist is gestegen door de steeds hogere kosten van de chipproductielijnen en de steeds lagere marges die chipproducenten ermee kunnen behalen. Een uur incorrecte wafers produceren kan een chipfabriek zich niet meer veroorloven. Ook in de semicon geldt dat je geen bruikbaar productieproces hebt als je het resultaat ervan niet goed kunt controleren. In de luchtvaart bijvoorbeeld primair vanwege veiligheidsredenen, in de semicon draait het om bedrijfseconomische redenen.
Nieuwe inspectietechnieken
Daarom zoekt de metrologie (de wetenschap van metingen, nauwkeurigheid en precisie) naarstig naar nieuwe inspectietechnieken. Tijdens de Semicon Innovation Day die TNO eind mei organiseerde, passeerde een aantal de revue, waaronder computational metrology, ook wel geduid als hybrid metrology. ASML zet stevig in op deze veelbelovende technologie. Deze maakt immers gebruik van data die de chipproductiemachines van het bedrijf toch al genereren. De klant hoeft dus niet te investeren in een extra inspectieapparaat. Paul Hinnen, program system engineer applications van ASML, zette in zijn keynote tijdens het TNO-event in grote lijnen uiteen waarom computational metrology een stap vooruit is.
Paul Hinnen, program system engineer applications van ASML, zette in zijn keynote tijdens het TNO-event in grote lijnen uiteen waarom computational metrology een stap vooruit is. Foto: Eric de Vries
Steekproeven
In het lithografische proces worden chips laag voor laag opgebouwd. Na de depositie van elke laag wordt daarin een patroon geëtst. Essentieel is dat die patronen exact conform het chipontwerp op elkaar aansluiten. Zo niet, dan zal de chip niet volgens specificaties werken. De mate waarin dit lukt, wordt geduid met overlay. Om die te controleren, neemt de chipfabrikant steekproeven: afhankelijk van het type IC op de wafer – logic of geheugen – worden per 25 wafers er enkele met een speciaal overlay-registratieapparaat bekeken, om te zien of de opeenvolgende lagen daadwerkelijk perfect op elkaar aansluiten.
‘Metrologieonderzoek en EBL2 verstevigen de mondiale marktpositie’
Voorts controleert de chipproductiemachine voortdurend het eigen functioneren. Bijvoorbeeld of de waferstage, waarop de wafer door de machine heen getransporteerd wordt, mechatronisch perfect functioneert. Maar ook of de lens, de set van spiegels die het EUV-licht op de wafer projecteert, niet vervormd of vervuild raakt. Die data worden direct teruggekoppeld naar de besturing van het productieproces en aan de hand daarvan volautomatisch bijgesteld.
Combineren
In de computational overlay metrology wordt alle informatie die de machine genereert gecombineerd met de informatie uit de grondige controle die de chipfabrikanten steekproefsgewijs met een overlay registratieapparaat uitvoeren. Daarmee kan vervolgens een goede uitspraak gedaan worden over de overlay-kwaliteit van alle wafers die tussen twee steekproeven in geproduceerd zijn. En of het risico op fouten daarin niet groter is dan een bepaalde norm. ‘Daarmee kunnen de wafer-inspectiekosten significant worden verlaagd en tegelijkertijd kan de yield per wafer worden verhoogd’, aldus Hinnen.
Model-based metrology
Een andere trend in de wafer-inspectie is model-based metrology, duidt Rogier Verberk, director semiconductor equipment bij TNO. Bij deze technologie wordt eerst een digitaal model gemaakt van het metrologisch proces dat in de hardware van het inspectieapparaat plaatsvindt. Op die wijze is te controleren of een geconstateerde afwijking in het beeld dat die hardware van de wafer genereert, veroorzaakt wordt door een daadwerkelijke afwijking in de wafer of door een afwijking in de inspectiehardware. Dit digitale model maakt het mogelijk om met hogere resolutie te inspecteren.
Andere inspectietechnologieën
Daarnaast werkt TNO, al dan niet samen met partijen als ASML, het Eindhovense Thermo Fisher Scientific en het Rotterdamse Nearfield Instruments, aan andere inspectietechnologieën voor de EUV-chipproductie, vervolgt Verberk. ‘Het is van belang om beelden van een nog hogere resolutie te kunnen genereren, of nog dieper te kunnen kijken in de 3D-structuren die de moderne chips zijn. Dit om zo goed mogelijk vast te stellen of alle verbindingen tussen de ene en de andere laag – de overlay – in orde zijn. De ene metrologie zal vooral bedoeld zijn voor inspectiewerk tijdens het ontwikkelen van een productieproces voor een specifieke chip of juist voor het opschalen van dat proces. Andere zullen vooral gericht zijn op het monitoren van het operationele proces.’ Ook wordt gekeken of die verschillende inspectiemethodes gecombineerd kunnen worden tot een nog betere, weet hij. ‘In feite is daar al sprake van bij computational metrology, waarbij gebruik gemaakt wordt van een digitaal model van het proces dat zich in de scanner van ASML voltrekt.’
Gevoelig voor vervuiling
De EUV-technologie levert niet alleen de nodige uitdagingen op door chips te produceren waarvan de kwaliteitscontrole lastig is, het EUV-productieproces zelf is ook een uitdaging. Het is namelijk zeer gevoelig voor vervuiling. En schoonmaken is een zeer kostbare aangelegenheid, maakt Verberk duidelijk. ‘EUV-reticles, de maskers die de structuur bevatten van de lagen waaruit een chip wordt opgebouwd, kosten al gauw 100.000 à 200.000 euro. Als je die ongepland moet vervangen, ben je dagen en miljoenen euro’s aan productieverlies verder. Dus is het van groot belang dat dat gepland kan worden gedaan, op een moment dat onderhoud aan de scanner en de andere delen van de productielijn noodzakelijk is. We hebben daarom twee jaar geleden bij TNO in Delft de EBL2 (Extreme Ultra Violet Belichtings- en Analysefaciliteit 2, red.) in gebruik genomen, waarmee we samen met partners onderzoeken hoe een masker zich gedraagt onder bepaalde omstandigheden. Dit onderzoek draagt bij aan de kennis van en dus het vertrouwen in de EUV-technologie bij de gebruikers. Met de EBL2 wordt ook, samen met ASML en Zeiss, onderzocht hoe de spiegels zich onder bepaalde omstandigheden gedragen: hoe snel ze vervuild raken en hun reflectievermogen kwijtraken. Zo wordt getracht vervuilingstrends te ontdekken waarmee modellen voor voorspellend onderhoud – predictive maintenance – ontwikkeld kunnen worden.’
Versteviging marktpositie
Met het metrologieonderzoek en de inzet van de EBL2 draagt TNO dus bij aan het verhogen van de yield en het verlagen van de operationele kosten van EUV-lithografie. Om zo de mondiale marktpositie van deze chipproductietechnologie te verstevigen, aldus Verberk. Dat komt niet alleen ten goede aan ASML en haar (Zuid-)Nederlandse toeleverketen, maar ook aan andere in Nederland gevestigde semicon oem’ers als ASM International (fabrikant van front-end equipment voor het bewerken van wafers) en Thermo Fisher Scientific (elektronenmicroscopie voor inspectiedoeleinden). Een markt met slechts een handvol klanten, als Samsung en Intel, maar toch goed voor een miljardenomzet. ‘Een EUV-chipfabriek kost al gauw 6 à 8 miljard euro’, schat Verberk. Drivers van de EUV-technologie zijn de introductie van 5G communicatie, het autonoom rijden, artificiële intelligentie en de groei van datacenters, in omvang en aantal.
Onderzoek naar vervuilingsoorzaken
In de Extreme Ultra Violet Belichtings- en Analysefaciliteit 2 (EBL2) wordt een klein deel van het proces in de EUV-machine van ASML nagebootst. Daartoe bevat de machine een LDP-bron (Laser-assisted Discharge-produced Plasma-bron van het Japanse USHIO) die EUV-licht produceert. Dat wordt onder specifieke omstandigheden op de spiegels of maskers geschoten. Vervolgens wordt uit de veranderingen in de reflectie afgelezen in hoeverre die spiegels of maskers vervuild raken. Voor dit testwerk is de heel kleine vlek van 0,5 watt/mm2 aan EUV-licht die de EBL2 produceert voldoende. Ter vergelijking: de EUV-machines van ASML produceren een veel hoger vermogen om ook na reflecties op de diverse spiegels, op een groter oppervlak op de wafer, nog voldoende intensiteit te hebben.
Naast ASML en Zeiss zouden ook fabrikanten van EUV-maskers, zoals de Japanse bedrijven DNP en Toppan, en gebruikers als Intel en TSMC ‘de installatie kunnen benutten voor onderzoek’, formuleert Verberk bedachtzaam. ‘Veel bedrijven vinden het erg spannend om publiekelijk te bevestigen dat wij voor hen werken. Maar dat ASML, Zeiss en TNO op dit onderwerp samenwerken, is al jaren bekend’, legt hij uit. Voorts dient EBL2 voor USHIO als showcase van de kwaliteit van hun LDP-bron. Hetzelfde geldt voor het Duitse ASYS Automatic Systems dat de vacuüm- en atmosferische robots leverde voor het systeem.
De EBL2 is ontwikkeld door TNO, heeft zo’n 10 miljoen euro gekost en is gefinancierd door het Toekomstfonds van het ministerie van EZK, NanoLabNL, het Europese Horizon2020 en TNO. ‘Een grote investering, die wij terugverdienen door huur te vragen voor de inzet van EBL2. Voorts telt dat de faciliteit bijdraagt aan het succes van EUV-lithografie en dat vertaalt zich zeker door in werkgelegenheid in Brainport en de rest van Nederland’, verzekert Rogier Verberk.
