Le nuove frontiere della litografia

Lo stato dell'arte
Prima di descrivere le novità presentate da Asml, vediamo in estrema sintesi qual è lo stato dell'arte in questo settore. I più avanzati sistemi fotolitografici oggi utilizzati per la fabbricazione dei circuiti integrati sono gli scanner a immersione con laser al fluoruro di argo e con architettura parallela. Uno scanner è un particolare tipo di stepper in cui l'esposizione dell'area corrispondente a un chip non viene effettuata in un colpo solo, bensì tramite una scansione ottenuta muovendo la maschera e il wafer in direzioni opposte. Istante per istante, quindi, la lente viene utilizzata per proiettare solo una fettina del pattern anziché la sua totalità. Questa soluzione consente di limitare il fattore di riduzione dell'immagine e di ottimizzare le proprietà ottiche della lente in una piccola area. Nei moderni scanner a immersione gli organi coinvolti nel processo di esposizione sono immersi in acqua, mezzo che offre un indice di rifrazione superiore rispetto all'aria e quindi consente di aumentare il valore di “apertura numerica” della lente, cioè l'angolo massimo utile per ricevere luce. L'apertura numerica è uno dei parametri che influiscono sulla dimensione minima dei dettagli che possono essere disegnati tramite il processo fotolitografico (detta “critical dimension”); agendo su di essa è quindi possibile ridurre le geometrie del chip. L'architettura parallela dello scanner, un'innovazione introdotta da Asml nel 2000, consente di aumentare il tempo disponibile per le operazioni di misura sul wafer, che vengono effettuate durante l'esposizione di una seconda fetta di silicio. La sorgente luminosa utilizzata dai moderni sistemi litografici è il laser a fluoruro di argo (ArF), che emette raggi ultravioletti con lunghezza d'onda di 193 nanometri. Questo valore è di gran lunga superiore rispetto alle dimensioni dei dettagli di un moderno chip (45 nanometri); ciò significa che se le maschere fossero fabbricate utilizzando direttamente il progetto del chip così come esce dal sistema Eda, il processo fotolitografico produrrebbe immagini gravemente difettose e quindi inutilizzabili. Le maschere vengono pertanto prodotte dopo aver modificato il progetto tramite l'introduzione di apposite distorsioni  o Opc (Optical proximity correction) che hanno lo scopo di provocare difetti uguali e opposti a quelli precedentemente citati e quindi di proiettare sul resist un'immagine corretta. Il progetto modificato tramite la Opc deve però essere verificato per assicurare la sua corrispondenza al disegno iniziale, un'operazione che rientra nel campo della cosiddetta “litografia computazionale” e che fino a qualche anno fa richiedeva tempi di elaborazione molto lunghi. La situazione è cambiata radicalmente grazie alle innovazioni introdotte da Brion, azienda di Santa Clara (California) appartenente ad Asml.
Brion ha realizzato un software che converte il progetto dal formato vettoriale (poligoni) a un insieme di pixel e ha inoltre realizzato un acceleratore hardware ad hoc per questa verifica, riducendone drasticamente i tempi. La possibilità di utilizzare gli scanner a immersione con raggi UV a 193 nanometri anche per fabbricare chip con geometrie di 32 nanometri è affidata a uno stratagemma detto “double patterning”, che consiste nell'utilizzare due esposizioni successive per ottenere il pattern intero di un singolo strato. Semplificando si può dire che se due linee sono troppo vicine per la risoluzione dello scanner, esse vengono impresse in due passaggi distinti. Questa soluzione, però, richiede un ulteriore aumento della precisione di posizionamento della maschera e del wafer, per garantire la perfetta sovrapposizione (overlay) tra due esposizioni successive. Per scendere a geometrie di processo di 22 nanometri, però, sarà necessario ricorrere a una sorgente luminosa caratterizzata da una lunghezza d'onda nettamente inferiore all'attuale: i 13,5 nanometri dell'ultravioletto estremo (Euv, Extreme Ultra Violet).

Innovazioni nella litografia a 193 nanometri
Per quanto riguarda la litografia basata su laser che emettono ultravioletto a 193 nanometri - tema trattato da Bert Koek, vicepresidente senior per le applicazioni litografiche - le innovazioni presentate da Asml sono riassunte dall'espressione “holistic lithography” e possono essere descritte come l'integrazione tra lo scanner e una serie di strumenti software sviluppati da Brion, cioè tra il sistema litografico vero e proprio e la “litografia computazionale”. In sintesi, le prestazioni di queste apparecchiature (in termini non solo di precisione ma anche di produttività) dipendono dalla perfetta regolazione di una serie di parametri che interagiscono tra loro: caratteristiche delle maschere, forma del raggio luminoso, apertura numerica della lente, ellitticità, dose di ultravioletti, ecc. La messa a punto dello scanner può quindi essere considerata come l'esplorazione di uno spazio comprendente tutte le possibili combinazioni. L'approccio di Asml si basa su due elementi: da un lato aumentare ulteriormente le dimensioni dello spazio in cui ricercare la messa a punto ottimale, ampliando il numero delle “manopole” della macchina su cui è possibile agire; dall'altro lato affidare sistematicamente l'esplorazione di questo spazio ad appositi software che impiegano l'acceleratore hardware sviluppato da Brion, per eliminare un lungo processo di messa a punto per tentativi. Per quanto riguarda il primo dei due aspetti, la novità principale introdotta da Asml consiste nell'adozione di una sorgente luminosa a forma libera basata su un array di microspecchi Mems, denominata Flexray, al posto della tradizionale combinazione tra illuminatore ed elemento di diffrazione. La possibilità di forgiare a piacimento il raggio di luce consente di ottimizzare contestualmente la sorgente luminosa e la maschera, per mezzo del software Tachyon Smo (Source and Mask Optimization). Per quanto riguarda invece le modalità con cui viene condotta l'esplorazione dello spazio delle possibili combinazioni tra tutti i parametri della macchina, va sottolineato che il software realizzato da Brion lavora su un modello dettagliato dello scanner Asml. Questa soluzione, denominata LithoTuner, consente di mettere a punto ogni singolo scanner per ogni singolo tipo di chip fabbricato. Con LithoTuner, ad esempio, il problema di un “ponte” indesiderato tra due piste vicine del chip può essere risolto semplicemente adottando una nuova “ricetta” di taratura dello scanner, senza modificare le maschere. Il terzo elemento di quella che Asml definisce “litografia olistica” è il controllo di processo: la soluzione battezzata BaseLiner svolge un monitoraggio continuo delle prestazioni dello scanner e - non appena rileva la tendenza a una deriva dei parametri di overlay e messa a fuoco - provvede ad effettuare una piccola correzione. In questo modo è possibile mantenere il funzionamento della macchina entro margini molto stretti, senza ricorrere a frequenti calibrazioni che richiedono tempo e quindi riducono la produttività. Le soluzioni della “litografia olistica” sono disponibili per diversi sistemi Asml, tra cui il recente Twinscan NXT 1950i.

Nuovi sistemi litografici nell'ultravioletto estremo
Ma la novità principale illustrata da Asml nel corso dell'incontro è rappresentata certamente dal nuovo sistema litografico a raggi ultravioletti estremi, ora pronto per l'applicazione industriale dopo un lungo periodo di sperimentazione e messa a punto: due esemplari di questo apparato sono in funzione dal 2006 presso l'istituto di ricerca Imec e l'università di Albany (New York). La realizzazione di un sistema litografico Euv è un'impresa tecnologica di tutto rispetto, come ha spiegato Ron Kool, vicepresidente di Asml per questo settore di attività. Un primo problema è rappresentato dalla necessità di aumentare la precisione dimensionale di tutte le parti meccaniche, per tenere conto della riduzione delle geometrie di processo e della minore lunghezza d'onda della radiazione impiegata. Gli specchi utilizzati per dirigere il raggio, ad esempio, devono avere una rugosità massima di 0,3 nanometri su un diametro di trenta centimetri, un livello di precisione che Asml paragona a quello necessario per realizzare una strada di mille chilometri con una rugosità massima di un millimetro. Analogamente, la precisione di posizionamento del raggio equivale a quella che occorrerebbe per illuminare, dalla Terra, una moneta collocata sulla luna. Un altro problema deriva dal fatto che l'aria assorbe gli ultravioletti estremi, pertanto l'apparato litografico deve operare sotto vuoto. Ciò richiede un'architettura di macchina completamente nuova; tra le altre cose non è più possibile utilizzare il vuoto per tenere fermo il wafer in lavorazione, pertanto questa funzione è ora svolta da una forza elettrostatica. Il vuoto, inoltre, rende più difficile il raffreddamento. Anche le pellicole protettive normalmente utilizzate per proteggere le maschere assorbono gli ultravioletti estremi, pertanto occorre farne a meno; ne consegue che all'interno del sistema litografico la pulizia deve essere perfetta, per evitare che eventuali impurità si traducano in difetti del chip. Tutti questi problemi, comunque, sono stati risolti e anche il resto dell'infrastruttura industriale è ormai pronto per il passaggio agli Euv: la difettosità delle maschere è scesa ai livelli desiderati, il resist ha raggiunto la risoluzione necessaria. Asml ha già ricevuto cinque ordini per i nuovi sistemi Euv, che inizialmente avranno una produttività di sessanta wafer all'ora.