Onder de motorkap van de nieuwste ASML-machine

ASML’s nieuwste machine is een bakbeest van veertien meter lang. Het ruim 350 miljoen euro kostende gevaarte is onmisbaar voor het maken van de meest geavanceerde computerchips. Wat kan dit ‘High NA’ EUV-systeem en hoe werkt het?

Dat de machines van ASML kant-en-klare computerchips produceren is een veelgehoorde misvatting. Een lithografiemachine is eigenlijk een zeer geavanceerde diaprojector die tientallen keren wordt gebruikt in het chipfabricageproces. De machines staan bij chipfabrikanten zoals TSMC in Taiwan, Samsung in Zuid-Korea en Intel in de Verenigde Staten, en spelen daar een belangrijke rol in het productieproces.

De ASML-machine beeldt met belichting zeer gedetailleerde patronen af op een fotogevoelige laklaag, die daarna dient als een ‘stencil’. Daarna halen andere machines in de chipfabriek het niet-belichte materiaal weg, ze etsen wat weg uit het laagje of dampen er een laagje van een ander materiaal op.

En dit laag voor laag voor laag. Een plak silicium, waarop al stapelend een chip wordt gebouwd, komt in het fabricageproces tientallen keren terug in de ASML-machine. Door al die laagjes kan het opbouwen van een chip vier tot zes maanden duren.

Inzoomen op het binnenste van een chip. Video: ASML

Steeds scherper

Omdat de makers van telefoons, tablets en computers steeds snellere, energiezuinigere chips willen, moet ASML elke paar jaar een betere machine lanceren, een steeds scherpere ‘diaprojector’.

Dit is niet het volledige artikel. Het hele verhaal staat in De Ingenieur van april 2024. Interessant? Neem eens een proefabonnement van drie nummers voor 25 euro.

In 1984 begon het jonge ASML nog met een machine waar zichtbaar licht de afbeeldingen op de siliciumplakken maakte. Om fijnere structuren af te kunnen beelden, gebruikten nieuwere machines licht van kortere golflengten. In 2024 is het inmiddels aanbeland ver in het ultraviolet: extreme ultraviolet (EUV)-licht.

Lensopening

Maar er is nóg een knop om aan te draaien om scherper beeld te krijgen: de lensopening of aperture. Daarom heeft ASML zijn machine verder ontwikkeld tot de High NA (numerical aperture)-versie; zie de foto hieronder.

De eerste staat in Veldhoven en wordt in samenwerking met het Belgische halfgeleideronderzoekinstituut imec beschikbaar gesteld aan klanten. Een tweede machine is inmiddels verscheept naar Intel in de Amerikaanse staat Oregon.

Klik op de foto voor een grotere versie. Foto ASML

Vijf cruciale stappen

Onder de motorkap van een ASML-machine voltrekken zich vijf cruciale stappen in de productie van chips. Van de High NA-machine is nog geen opengewerkte illustratie beschikbaar, wel van de voorganger NXE 3400, die werkt volgens dezelfde principes.

De letters in de afbeelding hieronder verwijzen naar de uitleg in de paragrafen hieronder. De machine komt trouwens echt tot leven in de fraaie animaties die ASML liet maken; ze staan onderaan dit artikel.

A Bron van extreem uv-licht

Zo’n twintig jaar geleden stond ASML voor een dilemma. Het moest de overstap maken naar extreem ultraviolet (EUV)-licht, maar hoe produceer je dat? Ingenieurs bedachten een nogal exotische manier: schiet een minuscuul tindruppeltje met een extreem krachtige laser aan flarden en er komt euv-licht vrij. Doe dit vijftigduizend keer per seconde en je hebt een krachtige bron van dat licht.

Maar van een idee komen tot een lichtbron in een machine die het altijd doet is andere koek. Het kostte ASML-ingenieurs een kleine twintig jaar. De concurrenten hadden EUV-licht overigens al lang opgegeven.

B Optica

Een ASML-machine verplaatst een origineel beeld – verkleind – naar een grote plak silicium. Vroeger ging dat met zichtbaar licht en zaten er lenzen in de machines. Met het verre uv-licht werkte dat niet meer; lenzen absorberen uv-licht. Nu kaatst de lichtbundel heen en weer tussen een aantal extreem glad gepolijste spiegels. Dit zijn Bragg-spiegels, met aan het oppervlak meer dan honderd dunne laagjes afwisselend molybdeen en silicium, die samen zorgen voor een zo hoog mogelijke reflectie van ongeveer 70 procent.

Wat zit waar? Klik op de foto voor een grotere versie. Foto ASML

C Reticle stage

Dit platform bevat het ‘reticle’ (de ‘dia’) waarop het chippatroon staat dat honderden keren naast elkaar op de fotogevoelige laag van de plak silicium wordt geprojecteerd. Een lichtbundel weerkaatst op het reticle, waarna het via verschillende spiegels op de siliciumplak valt. Vroeger ging het stapsgewijs (ASML bouwde toen wafer steppers) van chip naar chip, nu gaat dat al scannend volcontinu. Het reticle zoeft razendsnel heen en weer en bereikt daarbij versnellingen van 32 g, 32 keer de valversnelling.

D Wafer stage

Een plak silicium die de machine binnenkomt, wordt eerst doorgemeten om te weten waar de chips-in-wording zitten en wat het hoogteprofiel van deze plak is. Daarna kan de siliciumplak worden belicht. Beide stappen kosten tijd. Een ASML-ingenieur kwam op het idee die stappen parallel uit te voeren. Sindsdien heten de machines ‘Twinscan’ en hebben ze twee stages aan boord: terwijl de ene plak wordt doorgemeten, wordt ernaast de andere belicht. Beide siliciumschijven zoeven nagenoeg wrijvingsloos in de rondte dankzij magnetische levitatie.

E Vacuüm

Een plak silicium die een ASML-machine in gaat, moet eerst door een luchtsluis. Het belichten van de plak moet in vacuüm gebeuren, wederom een gevolg van de – onvermijdelijke – keuze voor uv-licht. Bij atmosferische druk absorberen de gasmoleculen al veel uv-licht. De lucht wordt daarom grotendeels uit die sectie gepompt zodat de lichtstralen zich ongehinderd kunnen verplaatsen.