Onderzoek naar fotolithografie toont aan dat computerchips het potentieel hebben om nog kleiner te worden

Onderzoekers van het Paul Scherrer Institute PSI hebben de resolutie van een proces dat bekend staat als fotolithografie verbeterd. Ze hopen hun techniek te gebruiken om de miniaturisatie van computerchips te bevorderen.

Het miniaturiseren van computerchips is een van de sleutels tot de digitale revolutie. Het zorgt ervoor dat computers steeds kleiner en tegelijkertijd krachtiger worden. Dit is op zijn beurt een voorwaarde voor ontwikkelingen zoals autonoom rijden, kunstmatige intelligentie en de 5G-standaard voor mobiele communicatie. Nu heeft een onderzoeksteam onder leiding van Iason Giannopoulos, Yasin Ekinci en Dimitrios Kazazis van het Laboratory of X-ray Nanoscience and Technologies van het Paul Scherrer Institute PSI een techniek bedacht om nog dichtere circuitpatronen te creëren.

De huidige state-of-the-art microchips hebben geleidende sporen die twaalf nanometer van elkaar verwijderd zijn, dat wil zeggen ongeveer 6000 keer dunner dan een menselijke haar. De onderzoekers zijn er daarentegen in geslaagd om sporen te produceren met een afstand van slechts vijf nanometer. Hierdoor kunnen circuits veel compacter worden ontworpen dan voorheen.

“Ons werk toont het patroonvormende potentieel van licht. Dit is een belangrijke stap voorwaarts voor zowel de industrie als het onderzoek”, legt Giannopoulos uit.

Microchips worden geproduceerd zoals de beelden op een bioscoopscherm

Nog in 1970 was er slechts ruimte voor ongeveer 1000 transistors op een microchip. Tegenwoordig kan een gebied dat nauwelijks groter is dan het topje van een vinger ongeveer 60 miljard componenten bevatten. Deze componenten worden vervaardigd met behulp van een proces dat fotolithografie heet: een dun plakje silicium, de wafer, wordt bedekt met een lichtgevoelige laag, de fotoresist.

Vervolgens wordt het blootgesteld aan een lichtpatroon dat overeenkomt met de blauwdruk voor de microchip, wat de chemische eigenschappen van de fotoresist verandert, waardoor deze oplosbaar of onoplosbaar wordt voor bepaalde chemische oplossingen. De daaropvolgende behandeling verwijdert de blootgestelde (positieve proces) of niet-blootgestelde (negatieve proces) gebieden. Uiteindelijk blijven er geleidende sporen achter op de wafer die het gewenste bedradingspatroon vormen.

Het type licht dat wordt gebruikt, is cruciaal voor miniaturisatie en om microchips steeds compacter te maken. De natuurkundige wetten dicteren dat hoe kleiner de golflengte van het gebruikte licht, hoe dichter de structuren in de afbeelding kunnen worden gepakt. Lange tijd gebruikte de industrie diep ultraviolet licht (DUV). Dit laserlicht heeft een golflengte van 193 nanometer. Ter vergelijking: het bereik van blauw licht dat zichtbaar is voor het menselijk oog eindigt rond de 400 nanometer.

Sinds 2019 gebruiken fabrikanten “extreem ultraviolet licht” (EUV) met een golflengte van 13,5 nanometer in massaproductie, meer dan tien keer korter dan voorheen. Hierdoor is het mogelijk om nog fijnere structuren te printen, tot tien nanometer en minder. Bij PSI gebruiken onderzoekers straling van de Zwitserse lichtbron SLS voor hun onderzoeken, afgestemd op 13,5 nanometer conform de industriestandaard.

Fotonengebaseerde lithografie kan een zeer hoge resolutie bereiken

De PSI-onderzoekers breidden de conventionele EUV-lithografie echter uit door het monster indirect in plaats van direct bloot te stellen. Bij EUV-spiegelinterferentielithografie (MIL) worden twee onderling coherente bundels door twee identieke spiegels op de wafer weerkaatst. De bundels creëren vervolgens een interferentiepatroon waarvan de periode afhankelijk is van zowel de invalshoek als de golflengte van het licht.

De groep was in staat om resoluties, d.w.z. spoorscheidingen, van vijf nanometer te bereiken in één enkele belichting. Bekeken onder een elektronenmicroscoop, bleken de geleidende sporen een hoog contrast en scherpe randen te hebben.

Kazazis merkt op: “Onze resultaten laten zien dat EUV-lithografie extreem hoge resoluties kan produceren, wat aangeeft dat er nog geen fundamentele beperkingen zijn. Dit is echt spannend omdat het de horizon van wat wij als mogelijk beschouwen verbreedt en ook nieuwe wegen kan openen voor onderzoek op het gebied van EUV-lithografie en fotoresistmaterialen.”

Een nieuwe EUVL-tool vanaf eind 2025

Op dit moment is deze aanpak niet interessant voor industriële chipproductie, omdat het erg traag is vergeleken met industriële standaarden en alleen simpele en periodieke structuren kan produceren in plaats van een chipontwerp. Het biedt echter een methode voor de vroege ontwikkeling van fotoresists die nodig zijn voor toekomstige chipproductie met een resolutie die niet mogelijk is in de industrie.

Het team is van plan om hun onderzoek voort te zetten met behulp van een nieuwe EUV-tool bij de SLS, die naar verwachting eind 2025 beschikbaar zal zijn. De nieuwe tool, gekoppeld aan de SLS 2.0, die momenteel wordt geüpgraded, zal zorgen voor aanzienlijk verbeterde prestaties en mogelijkheden.