Onderzoek aan silicium halfgeleiders is duur. Vandaar dat onderzoeksinstellingen en bedrijven actief in lithografie en patterning elkaar opzoeken in Leuven (B), waar Imec onderzoeksfaciliteiten biedt. Greg McIntyre, leider van het Advanced Patterning Department, vertelt over die samenwerking en het doel ervan: zoeken naar wegen om ‘Moore’ bij te benen.
Greg McIntyre, directeur Advanced Patterning Department van Imec: ‘Euv is echt veel belovend.’ En als dat rond komt? ‘Dan gaan wij hier, samen met onze partners, aan de slag met het verbeteren van die euv-lithografiemachine.’
‘Alleen samen kunnen we de grenzen van de halfgeleiderlithografie verleggen’
In het CMOS-programma (Imec Industry Affiliation Program) van onderzoekscentrum Imec in Leuven gaat, op jaarbasis, meer dan tweehonderd miljoen euro om. Het is dan ook een zeer breed opgezet programma, gericht op het ontwikkelen van logische en geheugenchips in de cmos-halfgeleidertechniek, maar ook op fotonica (verbindingen op en tussen chips vervangen door glas), 3D-chips (stapeling van diverse chips, onder meer met afzonderlijke functies) en lithografische en patterning-processen.
Complete waardeketen
Die laatste vormen een wezenlijk onderdeel van het productieproces van siliciumgebaseerde chips, het onderzoeksterrein waar Greg McIntyre leiding aan geeft. Het geld, de faciliteiten en de expertise die voor zijn Advanced Patterning Department nodig zijn, brengt het deels overheidsgefinancierde Imec op samen met meer dan veertig lithografische en patterning-partners. Die dekken de complete waardeketen voor halfgeleiders – van integrated device manufacturers, zoals Intel en TSMC, en fabless en fablight bedrijven als Qualcomm (die zich uitsluitend of hoofdzakelijk op het ontwerpen van chips concentreren) tot machinebouwers, als ASML en Applied Materials, en (chemische) materiaalproducenten, als JSR, Fuji en Merck. En tot slot de software vendors, die de software leveren waarmee chips ontworpen of productieprocessen geoptimaliseerd worden, zoals Brion en Synopsys.
Toenemende inspanning
De afdeling van McIntyre werkt intensief met die externe partijen samen. Met hun r&d-mensen, die soms werkzaam zijn in een lokale vestiging in de buurt van Leuven, maar vaker in labs elders in de wereld. En ook veel met gedetacheerden, omdat samenwerken nu eenmaal gemakkelijker face-to-face gaat. Zijn staf bestaat, naast honderd eigen mensen, uit nog eens vijftig tot honderdvijftig externen. Dat aantal groeit voortdurend, net als heel Imec, want de onderzoeksinspanning op halfgeleidergebied neemt toe. Het bijbenen van de Wet van Moore kost meer en meer inzet en dus meer kennisdisciplines en geld. Juist dat laatste is de belangrijkste reden voor die samenwerking met zoveel partijen; omdat Imec de faciliteiten voor het doen van onderzoek aan een en hetzelfde procesplatform aanbiedt, kan elke partner zich samen met één of enkele andere partijen helemaal concentreren op het deelproces dat voor zijn business van belang is.
Begrensde openheid
Die samenwerking heeft een open karakter, maar kent tegelijk allerlei grenzen. Het bepalen van die grenzen is een voortdurend punt van aandacht, maakt McIntyre duidelijk. ‘Niet voor niets beschikt Imec over ip & legal teams die vooral bezig zijn overeenkomsten met partners op te stellen die op de financiën en de ip (intellectueel eigendom, red.) betrekking hebben. Daarnaast beschikken we per project over een soort boekhouding, wat helpt om altijd een goede balans te houden tussen wat partners aan mensen en faciliteiten inbrengen en wat ze aan kennis opdoen.’ Gangbaar is dat partijen die, gebruikmakend van de Imec-faciliteiten alleen of samen met anderen tot bepaalde inzichten komen, die kennis in eerste instantie voor zichzelf houden. ‘Om de tijd te nemen die inzichten goed te valideren. Maar daarna worden die resultaten meestal naar buiten gebracht. Natuurlijk wordt de publiciteit gezocht uit een zekere trots en om pr-redenen, maar ook omdat informatie delen, al is het vaak niet direct aantoonbaar, op termijn tot meer business leidt. Want alleen samen kunnen we de grenzen van de halfgeleiderlithografie verleggen.’
Moore bijbenen
Vanaf zijn plek als director van het Advanced Patterning Department heeft McIntyre een mooi overzicht van de semiconsector. Hij constateert dat die sector de voorspelling die Gordon Moore in 1965 deed – en die als ‘Wet van Moore’ bekend werd – de eerste veertig jaar heeft bijgebeend. ‘En kijk je naar de functionaliteit van chips per euro dan zijn we tot op de dag van vandaag bijgebleven. Alleen als het gaat om het voortdurend fysiek verkleinen van chips, werd zo’n tien jaar geleden pas op de plaats gemaakt. Dat heeft alles te maken met het bereiken van de ondergrens van de golflengte van licht bij 193 nanometer. Om toch tot een verdere verfijning en verdichting van de chipstructuur te komen, is er sindsdien veel aan allerlei andere onderdelen dan de lichtbron van de lithografiemachine gesleuteld.’ Greg McIntyre staat op en schrijft op een flip-over: Lw=K1*?/NA. Lw staat voor de breedte van de lijnen in die chipstructuur, die beïnvloed kan worden door de golflengte (?) en ook door betere lenzen en spiegels (NA) en – bij uitstek het terrein van McIntyre – door meervoudig belichten (K1): double- en multi-patterning. ‘Door een wafer meerdere keren met verschillende patronen te belichten, krijg je een dichtere structuur. Tegelijk is er, onder meer door afscherming, gezorgd dat de lijntjes nog dunner werden. Typisch werk waarbij je de kennis van alle partijen in de waardeketen nodig hebt, kennis op het gebied van het etsen en polijsten, de depositie van de lagen op de wafer en de samenstelling ervan. Zonder die samenwerking hadden we ‘Moore’ nooit bij kunnen houden.’
Smachtend
Inmiddels zijn alle verbeteringen aan lenzen en spiegels, depositietechnologie en chemische samenstelling van lagen en aan het meervoudig belichten wel zo’n beetje doorgevoerd – en kijkt de halfgeleidersector smachtend uit naar het moment dat de euv-technologie van ASML marktgeschikt is. ‘Daarmee gaat de golflengte van licht in één klap van 193 naar 13,5 nanometer (extreme ultraviolet, red.).’ Vandaag is een aantal euv-machines voor r&d-doeleinden in de markt, maar voor commercieel succes liggen er nog een aantal stevige uitdagingen, zo werd in augustus weer eens tot uitdrukking gebracht – dit keer door Mark Bohr van Intel. Ook McIntyre erkent dat. ‘ASML is een van onze belangrijkste partners en wij dragen bij aan het marktrijp maken van de machine. Onder meer door materiaalonderzoek te doen. Samen met materialenfabrikanten werken wij bijvoorbeeld aan fotoresistente lagen die, door bepaalde metalen toe te voegen, beter in staat zijn het hoog-energetische euv-licht te absorberen.’
Euv verbeteren
In zijn roadmaps van vijf, tien jaar geleden ziet hij ook een aantal technologieontwikkelingen die op enig moment gestopt werden. Zoals het werk aan de 157-nanometerlithografie en de high-index immersietechnologie, dat erop gericht was het water tussen de wafer en de lichtbron door een andere vloeistof te vervangen. ‘Om uiteenlopende redenen is dat niets geworden. Maar in euv geloof ik, het is echt veelbelovend.’ En als dat rond komt? ‘Dan gaan wij hier, samen met onze partners, met het verbeteren van die euv-lithografiemachine aan de slag. Dan zal er gewerkt worden aan weer betere spiegels en lenzen en ook aan beter meervoudig belichten, enzovoorts.’ Dan gaat de zoektocht van Imec en partners naar een nog kleinere uitkomst van Lw=K1*?/NA verder.
