Derin Okuma — EUV Litografisi

Veldhoven'daki temiz odanın zemininde yürürken ayaklarının altındaki ızgaraların titreşimi emmesi için tasarlandığını bilirsin. Yukarıda, tavana asılı dev bir beyaz kutu, içinde saniyede elli bin kez bir yıldız doğup söner. Kutunun bir ucundan içeri giren kalay damlacıkları, diğer ucundan çıkan wafer'ların üzerine atomik desenler olarak işlenir.

Makine o kadar ağırdır ki, fabrikanın temeli ayrı bir betonarme ada üzerine oturur. Titreşim yalıtımı, bir Boeing 747'nin kalkış anındaki sarsıntıyı bir keman telinin titreşimine indirgemek zorundadır. Makine, ASML'nin EUV litografi sistemi, tek bir tanesinin fiyatı yaklaşık 200 milyon dolar ve parçaları dünyanın dört bir yanından gelen konteynerlerle taşınır. Peki içeride tam olarak ne oluyor da bir çipin üzerine milyarlarca transistör sığdırmak mümkün hale geliyor?

Damlanın içindeki yıldız

EUV ışığını üretmenin en verimli yolu, kalay atomlarını aşırı sıcaklıklara çıkarıp plazma haline getirmekten geçer. Plazma, maddenin katı, sıvı, gazdan sonraki dördüncü hali. Atomların elektronlarından tamamen koptuğu, çekirdeklerin ve elektronların bir çorba gibi karıştığı bir ortam. Ortamı yaratmak için TRUMPF'un geliştirdiği lazer sistemi, bir kalay damlasını iki aşamalı bir darbeyle vurur.

Süreç şöyle işler. Vakum odasının tepesindeki bir nozul, erimiş kalayı saniyede yaklaşık elli bin damla hızında aşağı doğru püskürtür. Nozul, piezoelektrik bir aktüatörle sürülür ve damla boyutu, nozulun titreşim frekansı ile sıvı kalayın yüze gerilimi arasındaki dengeyle belirlenir. Her damla, çapı kabaca otuz mikrometre olan minik bir küredir ve hızı saniyede yaklaşık seksen metreye ulaşır. Damla çaplarındaki tekdüzelik toleransı artı eksi bir mikrometrenin altındadır. Küçük bir çap sapması bile lazer odaklama noktasında kaçırmaya yol açar.

Damla, odanın ortasına ulaştığında ilk lazer atımı gelir. Ön darbe, damlayı bir pankek gibi yassılaştırır ve ince bir film haline getirir. Hemen ardından, saniyenin milyarda biri kadar bir süre sonra, ana lazer atımı devreye girer. Karbondioksit lazeri, onlarca kilowatt gücünde bir enerjiyi bu ince kalay filminin üzerine odaklar. Sıcaklık anında yüz binlerce dereceye fırlar. Kalay atomları iyonlaşır, plazma topu genişler ve bu genişleme sırasında 13,5 nanometre dalga boyunda ışık yayar.

Nanometre, bir metrenin milyarda biri. Dalga boyu, görünür ışığın dalga boyundan yaklaşık kırk kat daha kısadır.

Peki neden karbondioksit lazeri. Dalga boyu 10,6 mikrometre olan bu lazer, kalay plazmasına enerji aktarmakta olağanüstü verimlidir çünkü düşük yoğunluklu plazmanın kırılma indisiyle uyumlu bir dalga boyuna sahiptir. Ön darbe birkaç milijul enerjiyle gelir ve süresi 10 ila 20 nanosaniye arasındadır. Ana darbe ise 15 ila 20 jul enerjiyi 100 nanosaniyelik bir pencerede boşaltır.

Her iki darbe arasındaki gecikme, damlanın genişleme dinamiğine göre nanosaniye hassasiyetle ayarlanır. Zamanlama hatası, ışık kaynağının kararsızlaşması demektir. Kararsız bir kaynak, wafer üzerinde desen hatalarına yol açar. Desen hatasıysa milyonlarca transistörün çöp olması anlamına gelir.

Plazma topu genişlerken EUV ışıması pikosaniye mertebesinde gerçekleşir. Her atımda, orta seviye bir sistemde yaklaşık 300 watt EUV gücü elde edilir. En yeni nesil sistemlerde bu değer 500 wattın üzerine çıkmıştır. Vakum odasının basıncı, 10^-6 milibarın altında tutulur. Kadar düşük bir basınç şarttır çünkü EUV ışığı havadaki moleküller tarafından anında soğurulur.

Ayrıca her atımda ortaya çıkan kalay kalıntıları, odanın iç yüzeylerine yapışarak optik bileşenleri kirletebilir. Kalıntı yönetimi için hidrojen radikalleri kullanılır. Hidrojen, kalayla reaksiyona girerek uçucu bir bileşik (SnH₄) oluşturur ve bu bileşik vakum pompalarıyla dışarı atılır. Kaynağın hemen yanındaki kolektör ayna, kalay birikmesinden korunmak için döner bir diskle veya hidrojen gazı perdesiyle sürekli temizlenir. Tüm bu döngü, saniyede elli bin kez, 7 gün 24 saat tekrarlanır.

Aynalar neden bu kadar pürüzsüz

Üretilen 13,5 nanometrelik ışık, kaynaktan wafer'a ulaşana kadar bir dizi aynadan yansır. EUV ışığı o kadar enerjik ve kısa dalga boyludur ki, geleneksel optik merceklerden geçemez. Işık, camın içine girer girmez emilir ve kaybolur.

O yüzden EUV litografisinde mercek yoktur, sadece aynalar vardır. Ama sıradan aynalar da işe yaramaz. Tek bir metal kaplama, EUV ışığının ancak küçük bir kısmını yansıtır, geri kalanını soğurur. Soğurulan enerji ısıya dönüşür, ayna genleşir ve nanometre hassasiyetindeki yüze şekli bozulur.

Çözüm, molibden ve silisyum katmanlarından oluşan çok katmanlı aynalardır. Aynalar, Bragg yansıması denen bir prensiple çalışır. Bragg yansıması, tıpkı bir müzik aletindeki ses dalgalarının belirli frekanslarda rezonansa girmesi gibi, ışık dalgalarının periyodik katmanlardan yansıyarak birbirini güçlendirmesi olayıdır. Her bir molibden-silisyum çifti, yaklaşık 6,9 nanometre kalınlığındadır. Çiftlerden kırk tanesi üst üste dizilir.

Işık her katman arayüzünde zayıf bir yansıma yapar. Kırk arayüzden gelen bu zayıf yansımalar, tam olarak aynı fazda üst üste bindiğinde toplam yansıtıcılık teorik olarak yüzde 70'in üzerine çıkabilir. Pratikte, ASML'nin sistemlerinde bu değer her ayna için yüzde 65 dolayındadır.

Yansıtıcılığın yüzde 65 dolayında kalmasının birkaç nedeni vardır. Katmanlar arasındaki arayüz pürüzlülüğü, atomik seviyede bile olsa ışığın bir kısmının saçılmasına yol açar. Ayrıca katman kalınlıklarındaki pikometre seviyesindeki sapmalar, faz uyumunu bozar. Kırk çift sayısı, bir optimizasyon sonucudur. Katman sayısı arttıkça teorik yansıtıcılık artar, ancak daha fazla katman daha fazla soğurma ve üretim zorluğu demektir. Kırk çift, pratikte yeterli yansıtıcılığı sağlarken üretilebilirlik sınırlarını zorlamaz.

Aynaların yüze pürüzlülüğüyse atomik seviyede kontrol edilir. Bir EUV aynasının yüzei, Dünya'nın büyüklüğüne ölçeklense, en yüksek pürüz bir milimetreyi geçmez. Yüze pürüzlülüğü, 0,1 nanometre RMS altında ölçülür. RMS, bir yüzein ortalama pürüzlülüğünü ifade eden istatistiksel bir ölçüdür.

Aynalar, Almanya'daki Zeiss tesislerinde, iyon ışınıyla atom atom şekillendirilir. Tek bir aynanın üretimi aylar sürer. Önce süper düşük genleşme katsayılı bir cam altlık hazırlanır. Ardından iyon ışını figürasyonu (IBF) ile atom atom aşındırarak istenen şekil verilir. Son aşamada, manyetik sıçratma (magnetron sputtering) teknigiyle molibden ve silisyum katmanları, pikometre kalınlık kontrolüyle kaplanır. Her bir ayna, kaplandıktan sonra interferometrelerle test edilir.

Aynanın sıcaklık kararlılığı da kritiktir. EUV ışığının soğurulmasıyla oluşan ısınma, aynanın genleşmesine ve odak noktasının kaymasına yol açar. Soğutma, aynanın arkasındaki mikrokanallarda dolaşan özel bir sıvıyla sağlanır ve sıcaklık dalgalanmaları milikelvin seviyesinde tutulur.

Projeksiyon optiğinde toplam altı ayna, aydınlatma sisteminde de beş ila altı ayna bulunur. Işığın kaynaktan wafer'a ulaşana kadar ondan fazla aynadan yansıdığını düşün. Her aynada yüzde 35 kayıp olsa, zincirin sonunda wafer'a ulaşan ışık miktarı başlangıcın binde birinin altına düşer. O yüzden kaynağın inanılmaz derecede güçlü olması gerekir.

Işığın maskeyle dansı

Işık, aynalar arasındaki yolculuğunun ortasında maskeye ulaşır. Maske, üzerinde çip deseninin bulunduğu, EUV ışığını yansıtan bir şablondur. Ancak EUV maskesi, eski nesil DUV maskelerinden tamamen farklıdır. DUV maskeleri ışığı geçirirken, EUV maskesi ışığı yansıtır.

Maske, düşük termal genleşme katsayılı özel bir cam altlık üzerine inşa edilir. Altlığın üzerinde, tıpkı projeksiyon aynalarında olduğu gibi, kırk çift molibden-silisyum çok katmanlı yansıtıcı bulunur. Yansıtıcının üzerinde, desenin oluştuğu soğurucu (absorber) katman yer alır. Soğurucu malzeme olarak genellikle tantal nitrür veya tantal boron nitrür kullanılır. Kalınlığı 50 ila 70 nanometre arasındadır. Katman, EUV ışığını soğurarak desenin karanlık bölgelerini oluşturur.

Maskenin üzerindeki desen, wafer'a aktarılacak devrelerin dört kat büyütülmüş halidir. Yani waferda 25 nanometrelik bir çizgi oluşturmak için maskede 100 nanometrelik bir çizgi çizilir. Maske kusurları, EUV litografisinin en büyük baş ağrılarından biridir. Çok katmanlı yansıtıcıdaki en küçük bir parçacık veya çukurcuk, faz hatasına yol açar ve waferda istenmeyen desen bozulmaları yaratır.

Maske tamiri, odaklanmış iyon demeti veya elektron demeti kullanılarak yapılır. Tamir sırasında atomik hassasiyetle malzeme eklenir veya çıkarılır. Tek bir maskenin maliyeti yüz bin doların üzerindedir ve ileri bir çip için 20 ila 30 farklı maske gerekir. Da set başına milyonlarca dolar demektir.

Maskeyi tozdan korumak için bir pellicle (koruyucu membran) kullanılır. DUV maskelerinde pellicle ince bir polimer filmdir, ancak EUV ışığı polimeri anında bozar. EUV pellicle'ı, 50 nanometre kalınlığında silisyum veya karbon nanotüp tabanlı bir membrandır ve ışık geçirgenliği yüzde 90'ın üzerindedir.

Pellicle, maskenin birkaç milimetre üzerine gerilir ve düşen parçacıkların maske yüzeine ulaşmasını engeller. Parçacık, pellicle üzerine düştüğünde odak dışı kaldığı için waferda görüntü oluşturmaz. Maske, aydınlatma sistemi tarafından yaklaşık altı derecelik bir açıyla aydınlatılır. Açılı aydınlatma, optik yolun eksen dışı (oblik) olmasından kaynaklanır ve desende gölge etkileri yaratır. Etkileri telafi etmek için optik yakınlık düzeltmesi (OPC) denen bir teknikle maske deseni bilinçli olarak bozulur. Köşelere serifler eklenir, çizgi uçları uzatılır. Tüm bu hesaplar, devasa bilgi işlem gücü gerektiren simülasyonlarla yapılır.

Maskeden wafer'a desenin yolculuğu

Maskeden yansıyan ışık, bir dizi küçültücü aynadan geçerek wafer'ın üzerine odaklanır. Küçültme oranı tam olarak dörttür. Maskedeki yüz nanometrelik bir çizgi, wafer üzerinde yirmi beş nanometreye dönüşür. Projeksiyon optiğinin sayısal açıklığı (NA) 0,33'tür. Sayısal açıklık, bir optik sistemin ışık toplama kapasitesini ve çözünürlüğünü belirleyen bir ölçüdür. Yeni nesil High-NA sistemlerde bu değer 0,55'e çıkarılmıştır, bu da daha ince çizgiler demektir.

Wafer, saniyede yüzlerce milimetre hızla hareket eden bir tabla üzerindedir. Tabla, manyetik levitasyonla havada asılıdır ve sürtünmesiz hareket eder. Tarama sırasında hız 500 milimetre bölü saniyenin üzerine çıkar ve ivmelenme 10 G'yi aşar.

Konumlama, lazer interferometrelerle veya optik enkoderlarla 0,1 nanometre çözünürlükle yapılır. Tabla, wafer'ı mikrometre altı hassasiyetle konumlandırırken, aynı anda ışığa maruz kalan bölgeyi sürekli değiştirir. Tarama hareketi sırasında odaklama sistemi, wafer yüzeindeki nanometre seviyesindeki yükseklik farklarını anında algılar ve aynaların açısını gerçek zamanlı olarak düzeltir. Algılama, hava ölçerli bir sensorle (levelling sensor) yapılır. Sensor, wafer yüzeine bir ışık demeti gönderir ve yansımanın fazını ölçerek yükseklik farkını pikometre hassasiyetle belirler.

Odak derinliği, yani ışığın net bir görüntü oluşturabildiği dikey aralık, 0,33 NA için yaklaşık yüz nanometre civarındadır. Aralığın dışına çıkmak, desenin bulanıklaşması demektir. Sistem, wafer'ın her noktasını bu dar odak koridorunda tutmak için pikometre hassasiyetinde ayar yapar. Pikometre, nanometrenin binde biri. Bir hidrojen atomunun çapından daha küçük bir mesafeden bahsediyoruz.

Hizalama da en az odaklama kadar kritiktir. Tek bir wafer üzerinde yüzlerce çip bulunur. Her çip, onlarca katmandan oluşur. Her katman için wafer, litografi makinesine tekrar tekrar yüklenir.

Süreçte, bir önceki katmanla hızalama hatası birkaç nanometreyi geçemez. Hızalama için wafer üzerindeki özel mikroskobik işaretler kullanılır. Makine, bu işaretleri kırınım tabanlı optik sensorlerle okur ve wafer'ın konumunu atomik hassasiyetle düzeltir.

Doz kontrolü de aynı derecede hassastır. Işık gücü anlık olarak ölçülür ve pozlama dozu (milijul bölü santimetrekare) sabit tutulur. Doz dalgalanması, çizgi genişliğinde istenmeyen değişimlere yol açar.

Tüm bu işlemler, saniyede yüzlerce wafer pozlaması yapacak bir hızda, 7 gün 24 saat kesintisiz devam eder. Tek bir makinenin verimliliği (throughput), saatte 150 ila 200 wafer arasındadır. Verimliliğin ana sınırlayıcısı, kaynak gücüdür. EUV gücü arttıkça pozlama süresi kısalır ve daha fazla wafer işlenir.

Piyasa Hafızası

Olay, 2019. Hollanda, SMIC'e EUV İhracat Lisansını Yenilemedi

2019 yılının sonlarında, Hollanda hükümeti, Çin'in en büyük çip üreticisi SMIC'in sipariş ettiği bir EUV litografi makinesinin ihracat lisansını yenilememe kararı aldı. Makine çoktan üretilmiş, hatta sevkiyat için hazırlanmıştı. Hollanda, Wassenaar Anlaşması çerçevesinde çift kullanımlı teknolojilerin ihracatını kontrol etme yetkisine sahipti. ABD'nin yoğun diplomatik baskısı altında, lisans uzatılmadı. SMIC'e tek bir EUV makinesi dahi gitmedi. Çin, o tarihten itibaren kendi yerli EUV programını hızlandırdı, ancak aradan geçen yıllara rağmen seri üretim seviyesinde bir EUV makinesi üretemedi.

Olay, EUV teknolojisinin sadece bir mühendislik harikası değil, aynı zamanda jeopolitik bir koz olduğunu bütün çıplaklığıyla gösterdi. Ders şu, EUV tedarik zinciri, tek bir ülkenin veya şirketin kontrolünde olmasa da, kritik düğüm noktalarındaki ihracat lisansları, küresel çip yarışının seyrini değiştirebilecek güçte.

Küçük Bir Hesap

Sayılar temsili, mantık gerçek. Bir EUV makinesinin saatte kaç wafer işleyebileceğini ve bunun bir fabrikanın yıllık çıktısına nasıl yansıdığını masaya yatıralım.

Tablo, on EUV makinesine sahip bir fabrikanın yılda kabaca 5,6 milyar çip üretebileceğini gösteriyor. Ancak bu brüt rakam. Her katman EUV ile basılmaz. İleri düğüm bir işlemcide katmanların belki yüzde kırkı EUV gerektirir, geri kalanı daha eski DUV litografi ile halledilir. EUV makineleri, fabrikanın toplam litografi kapasitesinin sadece bir kısmını oluşturur.

Duyarlılık twisti burada devreye girer. EUV makinesinin kullanım oranı yüzde 85'ten yüzde 80'e düşerse, yıllık çip çıktısı yaklaşık 330 milyon azalır. Bir makinenin plansız duruşu, saat başına milyonlarca dolarlık fırsat maliyeti demektir. O yüzden ASML, makinelerinin bakımını kendi mühendisleriyle, fabrikanın içinde sürekli olarak yapar.

Işığın ötesindeki dersler

EUV litografisi, insanlığın şimdiye kadar seri üretime soktuğu en karmaşık makinedir. Makineden çıkarılacak ilk ders, fiziksel sınırlara yaklaştıkça hassasiyetin maliyetinin üstel olarak arttığıdır. 13,5 nanometrelik ışık üretmek için harcanan enerji, wafer başına maliyeti eski nesil DUV sistemlerinin çok üzerine taşır.

İkinci ders, tedarik zincirinin kırılganlığıdır. Zeiss'in aynaları, TRUMPF'un lazerleri, ASML'in entegrasyonu ve binlerce alt tedarikçi olmadan bu makine var olamaz. Zincirin tek bir halkasının kopması, küresel çip arzını felç etmeye yeter.

Üçüncü ders, teknolojinin jeopolitik bir silaha dönüşme hızıdır. Bir ihracat lisansının yenilenmemesi, milyarlarca dolarlık yatırımı ve bir ülkenin teknolojik egemenlik hayallerini rafa kaldırabilir.

Veldhoven'daki o beyaz kutunun içinde, saniyede elli bin kez bir yıldız doğup sönmeye devam ediyor. Her atım, silisyumun üzerine bir medeniyetin devrelerini kazıyor. Işık sönüp wafer bir sonraki katmana geçerken, makine çoktan bir sonraki damlayı hedef almış oluyor.