La tecnologia EUV per la produzione di semiconduttori avanzati

La litografia ultravioletta estrema (EUV) ha consentito una progressiva riduzione delle dimensioni dei nodi di processo dei semiconduttori fino al limite dei 2 nanometri, prolungando la durata della legge di Moore per molti anni ancora.

La litografia ultravioletta estrema (EUV) è una tecnologia messa a punto dall’azienda olandese ASML che consente di incidere con una risoluzione elevatissima i wafer di silicio sui quali vengono realizzati i microchip, permettendo di realizzare transistor con dimensioni sempre più piccole, fino a 2 nanometri. Con questa tecnologia è possibile implementare in un pezzetto di silicio grande come un’unghia miliardi di transistor.

ASML è l’unica azienda al mondo in grado di produrre impianti EUV, frutto di oltre due decenni di sviluppo e di ingenti investimenti.

Quando, all’inizio del millennio, iniziarono ad emergere i limiti di risoluzione della fotolitografia – il processo di stampa inizialmente utilizzato per realizzare i microchip – ASML e Nikon, all’epoca le due aziende leader del settore, iniziarono a pensare al futuro. Nikon imboccò la strada della fotolitografia a fascio di elettroni (EBL, Electron-beam lithography), mentre ASML preferì scegliere un processo chiamato fotolitografia UV estrema (EUV). Dopo 20 anni di sviluppo e cospicui investimenti, il processo EUV è giunto a maturità consentendo a ASML di consegnare i primi impianti EUV per la produzione di massa mentre la tecnologia EBL non ha mai funzionato correttamente e alla fine Nikon l’ha abbandonata.

Negli ultimi venti anni ASML ha investito oltre 6 miliardi di euro in ricerca e sviluppo, superando le numerose sfide tecniche per soddisfare i requisiti dei produttori di chip, soprattutto per quanto riguarda la produzione di volumi elevati.

Nell’agosto 2006 i primi due impianti dimostrativi EUV furono installati presso il College of Nanoscale Science & Engineering di Albany, negli Stati Uniti, e presso l’imec di Leuven, in Belgio.

Nella primavera del 2008, il College of Nanoscale Science & Engineering utilizzò il proprio strumento per produrre i primi chip di test EUV al mondo e nel 2009 ASML iniziò ad ampliare la sede di Veldhoven, nei Paesi Bassi, con camere bianche e spazi di lavoro per lo sviluppo e la produzione di impianti EUV.

Nel 2010, il primo TWINSCAN NXE:3100, un sistema EUV di pre-produzione, venne spedito a uno dei principali clienti di ASML; due anni dopo, altri sei sistemi vennero spediti a clienti diversi. Nel 2013 il primo sistema di produzione EUV – il TWINSCAN NXE:3300 – uscì dagli stabilimenti di ASML, segnando un passo fondamentale nello sviluppo di questa nuova tecnologia.

Per accelerare lo sviluppo di sistemi EUV, nel 2013 ASML acquistò Cymer, un’azienda specializzata nella tecnologia delle sorgenti luminose.

Nel 2016 iniziarono le spedizioni del TWINSCAN NXE:3400 ordinati da TSMC, Samsung e Intel; l’anno scorso il totale delle consegne complessive di macchine EUV ha raggiunto quota 100.

Attualmente è in fase di sviluppo una piattaforma EUV di nuova generazione che aumenta l’apertura numerica (NA) da 0,33 a 0,55 (“High-NA”). La piattaforma High-NA, chiamata “EXE”, ha un nuovo design dell’ottica e consentirà il ridimensionamento geometrico dei chip nei prossimi anni. La piattaforma EXE è stata progettata per abilitare i nodi più avanzati, a partire dai nodo Logic a 2 nm e dai nodi Memory con densità simile.

Le prime spedizioni di sistemi High-NA ai clienti per scopi di ricerca e sviluppo dovrebbero avvenire entro la fine del 2023 mentre i sistemi ad alto volume EXE dovrebbero essere pienamente operativi nelle fabbriche dei clienti entro 2025.

Microchip: dimensioni e caratteristiche

Prima di descrivere la tecnologia EUV, occupiamoci brevemente delle caratteristiche dei transistor che sono l’elemento base di tutti i microchip.

Un microchip è un insieme di circuiti elettronici realizzati su un piccolo pezzetto di silicio; qui i transistor agiscono come interruttori elettrici in miniatura che possono bloccare o fare fluire la corrente. Il modello di transistor viene creato sul wafer di silicio aggiungendo e rimuovendo materiali per formare un reticolo multistrato di forme interconnesse.

Il silicio è il materiale preferito dall’industria dei chip. A differenza dei metalli normalmente utilizzati per condurre correnti elettriche, il silicio è un “semiconduttore”, il che significa che le sue proprietà conduttive possono essere modificate “drogando” il supporto di silicio con altri materiali come il fosforo o il boro.

Il silicio è costituito dalla sabbia, il secondo elemento più abbondante sulla terra dopo l’ossigeno. I wafer di silicio sono realizzati utilizzando un tipo di sabbia chiamata sabbia silicea, composta da biossido di silicio. La sabbia viene fusa e trasformata in un grande cilindro che viene poi tagliato a fette sottili.

Un microchip delle dimensioni di un’unghia contiene miliardi di transistor, quindi si comprende facilmente quanto piccole debbano essere le trame del dispositivo. Le caratteristiche del chip sono misurate in nanometri. Un nanometro equivale a un miliardesimo di metro, o un milionesimo di millimetro.

Per fare un confronto, un globulo rosso umano ha un diametro di 7.000 nanometri e il virus medio è grande 14 nanometri. Le strutture più piccole dei chip più avanzati attualmente in produzione sono di 4-5 nanometri, valore che scenderà nei prossimi anni a 2-3 nanometri.

Più piccole sono le caratteristiche che i sistemi litografici possono creare, più transistor possono essere integrati nel substrato di silicio.

Esistono due tipi principali di microchip: chip logici e chip di memoria.
I chip logici sono i “cervelli” dei dispositivi elettronici: elaborano le informazioni per completare un’attività. Tra i chip logici, le CPU (unità di elaborazione centrale) sono le più note, progettate per la prima volta negli anni ’60. Ci sono anche processori con funzionalità specifiche, come le GPU (unità di elaborazione grafica) e le NPU (unità di elaborazione neurale), progettate per applicazioni di apprendimento automatico e profondo.

I chip di memoria “trattengono” le informazioni. Esistono due tipi di chip di memoria: DRAM (Dynamic Random Access Memory), che funzionano come “memoria di lavoro” e che salvano i dati solo quando il dispositivo è acceso, e le NAND Flash, che mantengono i dati anche dopo lo spegnimento del dispositivo. Caratteristica principale della memoria DRAM è la velocità, mentre la NAND è più lenta nella lettura e scrittura dei dati.

In considerazione delle dimensioni incredibilmente piccole dei transistor da realizzare sul wafer, le lavorazioni debbono essere effettuate in ambienti particolarmente puliti: se anche il più piccolo granello di polvere finisce sul wafer può rovinare il microchip.

Per questo motivo vengono utilizzate camere di “classe ISO 1” ovvero “zero polvere”, il che significa che non ci sono più di 10 particelle di dimensioni comprese tra 100 e 200 nm per metro cubo di aria e nessuna più grande di 200 nm. In confronto, un ospedale pulito e moderno ha circa 10.000 particelle di polvere per metro cubo. L’aria all’interno di una camera bianca viene filtrata e fatta ricircolare continuamente e i dipendenti indossano speciali tute isolanti.

I miglioramenti dei chip sono alla base dell’incredibile aumento della potenza di calcolo e della quantità di memoria che ha permesso alla tecnologia di avanzare fino al punto in cui è oggi. Dal 1956 al 2015, la potenza di calcolo è aumentata di un trilione di volte, grazie ai microchip. Ad esempio il computer che ha condotto le missioni Apollo sulla luna era circa due volte più potente di una console Nintendo. Aveva 32.768 bit di memoria ad accesso casuale (RAM) e 589.824 bit di memoria di sola lettura (ROM). Uno smartphone moderno ha circa 100.000 volte più potenza di elaborazione, con una RAM un milione di volte più grande e una ROM sette milioni di volte più potente.

I chip consentono applicazioni come la realtà virtuale e l’intelligenza artificiale (AI) sul dispositivo, nonché il trasferimento veloce dei dati con connettività 5G, e sono anche alla base di algoritmi come quelli utilizzati nel deep learning.

Tutte queste capacità producono moltissimi dati. Entro il 2025, il mondo produrrà 175 zettabyte (ZB) di dati all’anno, l’equivalente di un miliardo di terabyte (TB). Per fare un confronto, dovendo archiviare 175 zettabyte su DVD, la pila di DVD sarebbe così alta da fare il giro della terra 222 volte.

Come vengono prodotti i microchip

I microchip vengono prodotti partendo da un sottilissimo disco di silicio cristallino (wafer) del diametro di 200 mm (8”) o 300 mm (12”) e dello spessore di meno di 1 millimetro.

Per realizzare la trama di transistor e collegamenti che compongono il chip, il wafer viene sottoposto in sequenza a un centinaio di processi chimici e chimico-fisici di deposizione di sostante droganti o isolanti, e di rimozione o aggiunta di strati di materiale. Tutte queste operazioni sono guidate da un processo litografico che prevede l’impiego di un sottile strato di fotoresist che viene depositato sul wafer. Il fotoresist viene illuminato mediante una sorgente luminosa e una maschera sulla quale è disegnato il layout di quella specifica fase del processo.

Una volta polimerizzato il fotoresist e asportato lo strato non illuminato, le aree non protette possono essere sottoposte, mediante altre macchine, alla lavorazione prevista: drogaggio, asportazione o crescita di materiale.

La fase successiva prevede l’asportazione dello strato protettivo di fotoresist polimerizzato ed un nuovo ciclo di lavorazione con la deposizione di altro fotoresist e l’incisione dello stesso con la maschera successiva.

Il processo più importante della produzione di un chip è proprio il processo di incisione fotografica che viene ripetuto decine o centinaia di volte, a seconda della complessità del circuito integrato.

Ai primordi dell’elettronica, per questa lavorazione, veniva utilizzata la stampa a contatto, abbandonata quasi subito per il pericolo di danneggiare sia il wafer che la maschera. Il passo successivo fu l’impiego di sistemi a proiezione.

I primi sistemi di incisione litografica a proiezione utilizzavano come sorgente luminosa lampade ai vapori di mercurio: la corrente riscalda il mercurio fino a farlo diventare un plasma che emetteva luce di varie lunghezze d’onda. La lunghezza d’onda necessaria veniva selezionata con un filtro di interferenza.

I primi sistemi litografici hanno utilizzato questa tecnica per creare luce blu con una lunghezza d’onda di 436 nanometri (nm), nota come linea G del mercurio.

Il criterio di Rayleigh

La luce viene proiettata sul wafer attraverso una maschera (o reticolo) e messo a fuoco mediante un’ottica appropriata.

La capacità di proiettare un’immagine precisa sul wafer è limitata dalla lunghezza d’onda della luce utilizzata e dalla capacità dell’ottica di catturare un numero sufficiente di ordini di diffrazione dalla maschera illuminata.

La dimensione minima della caratteristica che un sistema di proiezione può stampare è data approssimativamente da:

dove CD è la dimensione minima della caratteristica (chiamata anche dimensione critica), equivalente alle dimensioni minime del transistor, la struttura più piccola che una litografia può stampare.

k₁ è un coefficiente che ingloba i fattori relativi al processo e in genere è uguale a 0,4 per la produzione. La dimensione minima della caratteristica CD può essere ridotta diminuendo questo coefficiente attraverso la litografia computazionale.

λ (lambda) è la lunghezza d’onda della luce utilizzata.

NA è l’apertura numerica dell’obiettivo vista dal wafer.

Secondo questa equazione, le dimensioni minime delle caratteristiche possono essere ridotte diminuendo la lunghezza d’onda e/o aumentando l’apertura numerica (per ottenere un raggio focalizzato più stretto e una dimensione dello spot più piccola). C’è tuttavia da tenere presente che questi parametri incidono anche sulla profondità di messa a fuoco, limitando lo spessore del fotoresist e la profondità della topografia sul wafer.

Da mercurio agli ultravioletti

A metà degli anni ’80, la spinta dell’industria verso transistor sempre più piccoli ha portato all’utilizzo di lunghezze d’onda inferiori, mediante un modo completamente nuovo di fare luce: i laser, in particolare i dispositivi ad eccimeri nell’ultravioletto profondo (DUV). Questi laser utilizzano miscele di gas che normalmente non si combinano. Tuttavia, quando viene applicata energia sufficiente, gli atomi dei due gas si uniscono per formare molecole temporanee eccitate (eccimeri). Le molecole eccitate rilasciano energia in eccesso sotto forma di luce la cui lunghezza d’onda dipende dai gas utilizzati.

I primi sistemi DUV utilizzavano laser ad eccimeri basati su una combinazione di due elementi: krypton e fluoro. Questi laser al krypton-fluoruro (KrF) producono un’emissione luminosa con una lunghezza d’onda di 248 nanometri che consente, nei sistemi più moderni, di arrivare ad una definizione di stampa di 80 nm.

Un sistema più avanzato di tecnologia DUV utilizza laser ad eccimeri al fluoruro di argon (ArF) che sono in grado di produrre una emissione luminosa con una lunghezza d’onda di 193 nm. Ciò ha permesso definizioni di stampa di 38 nm.

Il processo EUV

Per consentire un aumento significativo della definizione di stampa, la litografia ultravioletta estrema (EUV) utilizza una sorgente luminosa con una lunghezza d’onda di 13,5 nanometri, 14 volte più corta di quella dei sistemi DUV.

Per rendere possibile la litografia EUV, ASML ha sviluppato un approccio radicalmente nuovo alla generazione di luce.

Per produrre il plasma che genera l’emissione a 13,5 nm vengono utilizzate goccioline di stagno fuso di circa 25 micron di diametro, espulse da un generatore alla velocità di 70 metri al secondo. Mentre cadono, le goccioline vengono colpite inizialmente da un impulso laser a bassa intensità che le appiattisce a forma di pancake; un secondo impulso più potente vaporizza la gocciolina appiattita per creare un plasma che emette luce EUV. Per generare la luce necessaria all’incisione del wafer, questo processo viene ripetuto 50.000 volte al secondo.

Oltre alla riduzione della lunghezza d’onda della luce generata, il progresso nel settore è guidato dallo sviluppo delle lenti e dalla riduzione del fattore K1 attraverso modifiche intelligenti al processo di litografia e tecniche come la litografia computazionale.

Per quanto riguarda i sistemi ottici, nella litografia DUV viene utilizzato un complesso sistema composto da decine di lenti singole e specchi che debbono essere posizionati con precisione nanometrica. Tutti i sistemi litografici di ASML utilizzano lenti e specchi prodotti da ZEISS.

Migliorare la risoluzione complessiva, significa anche aumentare l’apertura numerica (NA), una misura di quanta luce il sistema di lenti può raccogliere e mettere a fuoco. Un modo per farlo è integrare lenti e specchi di maggiore precisione in sistemi ottici più grandi. Attualmente i sistemi ottici NA più grandi sono alti oltre 1,2 metri e pesano più di una tonnellata.

Nel 2003, ASML ha compiuto un importante passo in avanti nell’apertura numerica con lo sviluppo della litografia ad immersione, che consente ai produttori di chip di stampare elementi ancora più piccoli proiettando la luce attraverso uno strato d’acqua tra la lente e il wafer. L’acqua aumenta l’apertura numerica delle ottiche dei sistemi.

L’assoluta complessità dell’ottica litografica di oggi rende la fornitura di sistemi ottici di alta qualità un’enorme sfida ingegneristica. Ma offre anche un’opportunità unica di controllare ogni esposizione con grandissima precisione. Migliaia di attuatori consentono di regolare minuziosamente la posizione e l’orientamento delle singole lenti e degli elementi dello specchio per garantire sempre un’immagine perfetta sul wafer.

Ad esempio, i ripetuti intensi impulsi di luce provocano il riscaldamento del sistema ottico, il che porta a distorsioni nell’obiettivo. Questi cambiamenti possono essere misurati in millikelvin e nanometri, ma sono comunque sufficienti per portare a microchip difettosi. Gli attuatori negli elementi ottici possono compensare attivamente questi effetti di riscaldamento dell’obiettivo.

Nelle macchine che utilizzano la tecnologia a ultravioletti estremi (EUV) non possono essere utilizzate lenti perché la maggior parte dei materiali assorbe la luce con questa lunghezza d’onda. Per questo motivo viene utilizzato un sistema ottico composto da specchi multistrato ultra lisci all’interno di una camera a vuoto. Ogni specchio ha oltre 100 strati di materiali scelti con cura e progettati con precisione per massimizzare il riflesso della luce EUV. In questo caso la planarità è fondamentale. Gli specchi sono lucidati con una precisione di meno di un atomo di spessore.

La litografia computazionale

I prodotti di litografia computazionale consentono simulazioni litografiche accurate che aiutano a migliorare la resa e la qualità dei chip. Senza litografia computazionale, sarebbe impossibile per i produttori di chip utilizzare i più recenti nodi tecnologici.

Durante il processo litografico, la diffrazione della luce e gli effetti fisici e chimici nello strato fotosensibile deformano l’immagine che la macchina sta cercando di stampare. Man mano che i produttori di chip continuavano a ridurre i modelli per realizzare chip piccoli e più potenti, i problemi e la complessità aumentavano, richiedendo approcci sempre più sofisticati.

La litografia computazionale utilizza modelli algoritmici del processo di produzione, calibrati con i dati chiave delle macchine e dei wafer di prova. Questi modelli vengono utilizzati per ottimizzare la maschera, o il progetto del risultato finale desiderato, deformando intenzionalmente i motivi per compensare gli effetti fisici e chimici che si verificano durante la litografia, soprattutto nella produzione ad alti volumi, con requisiti di precisione sub-nanometrica.

In futuro, la litografia computazionale continuerà a svolgere un ruolo indispensabile nel migliorare le prestazioni di imaging dei processi litografici, consentendo un prolungamento nel tempo della legge di Moore.

Le macchine ASML vengono prodotte negli stabilimenti di Veldhoven, nei Paesi Bassi.

A montaggio ultimato, ciascuna macchina EUV ha all’incirca le dimensioni di un autobus ed ha un costo unitario di 150-200 milioni di dollari. La capacità produttiva è di circa 160 wafer da 12” all’ora.

Nel 2021 ne sono state prodotte e vendute 41 unità, quasi tutte a TSMC e Samsung; l’anno prossimo ne saranno prodotte 50, tutte già prenotate e pagate in anticipo.

E per finire, ecco un interessante video che spiega come come funzionano le macchine le macchine EUV:

Immagini: ASML