Een laserstraal het bos insturen voor de plasmaflitspaal
Plasmalicht/Lennart Wesel
Foto/Bart van Overbeeke
In de computerindustrie bestaat een wetmatigheid die na veertig jaar nog steeds van kracht is: de Wet van Moore. Volgens Gordon Moore, mede-oprichter van Intel, verdubbelt het aantal transistors op een computerchip ieder jaar. Maar ook voor Moore zijn er grenzen. Ir. Erik Kieft deed onderzoek naar nieuwe methodes om kleinere, snellere en efficiëntere chips te bakken. Hij promoveert op woensdag 14 september aan de faculteit Technische Natuurkunde.
Roger E. Moore deed zijn profetie in Electronics Magazine van 19 april 1965. Tien jaar later stelde hij zijn eigen voorspelling bij met een verdubbeling van transistordichtheid per twee jaar en die wet heeft het volgehouden tot de tegenwoordige tijd. De kern van een moderne microprocessor als Intels Pentium of de G5 van IBM wordt ‘afgebakken’ met een dikte van 90 nanometer. Die precisie is te halen met behulp van lithografie. “Je kunt het vergelijken met een diaprojectie”, legt promovendus Kieft uit. “Daarmee projecteer je een plaatje door een lens op een scherm. Bij lithografie werkt het ook zo, alleen verklein je het beeld -het masker- en projecteer je het licht op een stuk
silicium dat bedekt is met een fotogevoelige laag. Zo breng je een structuur aan van geleidend materiaal.” De conventionele techniek werkt met lasers en lenzen, maar die vormen een belemmering voor de Wet van Moore. “Om betere chips te maken, moet de resolutie van je afbeelding zo hoog mogelijk zijn. De huidige systemen werken met lasers met
golflengtes van 193 nanometer. Bij nog kortere golflengtes krijg je een probleem; dan absorberen de lenzen teveel licht.
De lenzen kun je vervangen door gekromde spiegels, maar die werken het beste bij een golflengte van 13,5 nanometer. Dit zorgt echter weer voor een ander probleem, want je hebt een lichtbron nodig die
voldoende vermogen levert bij die golflengte.” Dat kan door een gaswolk van xenon of tin in een vacuüm te verhitten tot 300.000 graden Celsius, zodat het plasma wordt. Het plasma zendt extreem UV-licht (EUV) uit, en dat voldoet aan de nano-eisen van de spiegels. “Het kost
behoorlijk wat energie om zo’n plasma
op te wekken en daarom kunnen we het licht alleen in pulsen van enkele tientallen nanosecondes uitzenden”, zegt Kieft, die nu bij de kern van zijn promotie komt. Want het verloop van zo’n uitbarsting van plasmalicht is wat hij heeft onderzocht
bij ASML. Hoe gedraagt een puls zich? “Dat kun je karakteriseren met verschillende technieken”, zegt Kieft. “Je wilt afbeeldingen maken van het plasma voor een kwalitatief begrip en het spectrum in kaart brengen en die resultaten vergelijken met computersimulaties, om er zo een model van te maken.”
Een plasmapuls gefotografeerd in EUV-licht, met intervallen van vijf nanoseconden. De eerste vijf afbeeldingen laten de compressie van het plasma zien, de overige het begin van het uitsterven van de plasmapuls. Deze afbeeldingen bestrijken zo’n beetje de gehele tijdsduur dat er EUV-emissie plaatsvindt.
De ontsteking van het plasma heeft al enkele honderden nanoseconden eerder plaatsgevonden. De tussenliggende tijd is nodig voor het starten van de elektrische stroom en de verdere verhitting van het plasma.
Thomsonverstrooiing
Met zogeheten Thomsonverstrooiing kon Kieft kwantitieve informatie over het plasma verzamelen. “Met de Thomson-techniek vuur je een laserpuls af op het plasma. Aan de hand van de verstrooiing van het licht van de elektronen kun je de dichtheid en de temperatuur afleiden.
De laserpuls mag niet te sterk zijn, want dan beïnvloed je het plasma. Anderzijds moet het wel sterk genoeg zijn, anders kun je niets onderscheiden.
Dat hebben we opgelost door een puls van enkele honderden picosecondes
(1 picoseconde = 0.001 nanoseconde, red.) te gebruiken, zodat je meettijd beperkt is en het plasma niet beïnvloed wordt.” Dergelijke pulsen stellen natuurlijk wel hun eisen aan de meetapparatuur, de plasmaflitspaal. Kieft:
“In de laser zit een fotodiode die een signaal naar de camera stuurt.
De synchronisatie tussen de laser en de camera is niet helemaal vanzelfsprekend, dus daarvoor moest ik wat trucjes uithalen. Ik wilde de laser even het bos insturen zodat de camera genoeg tijd
zou hebben om de puls vast te leggen. Vandaar dat ik een ‘delay line’ heb gebouwd: een opstelling met meerdere spiegels die de laserpuls acht keer heen en weer stuurt over een afstand van
drie meter. Daarmee geef je de camera
voldoende tijd om te reageren”.
Het kost dus behoorlijk wat tijd en moeite om een plasmapuls te analyseren. Want hoe ziet die er nu uit? Kieft: “Allereerst heb je de ontstekingsfase die je opwekt met laser of elektriciteit. Daarmee leg
je alvast een beginstroom aan voor de
ionisatie van het gas, zodat er plasma ontstaat. Vervolgens komt er een stroomstoot van 20 kiloampère overheen, die zorgt voor compressie. De dichtheid van het plasma wordt zo hoog dat het extreem UV-licht, EUV, uit gaat zenden. Vervolgens sterft de plasmabol uit en wordt het vacuüm tussen de elektrodes weer hersteld”. De resultaten van de metingen kunnen gebruikt worden om
te vergelijken met computersimulaties. Dat wordt nog een lastige klus, verwacht Kieft. “Omdat het om pulsen gaat, is het tijdsafhankelijk. Daarnaast spelen de Lorentzkrachten een grote rol en die
zijn moeilijk te simuleren.”
Spiegeloptiek
Uiteindelijk zorgt zijn onderzoek voor een beter begrip van het EUV-proces, en daar kan ASML zijn voordeel mee doen. Kieft: “Voor ASML en zijn concurrenten is het een grote stap: ze gaan over van laser naar plasma, en van lenzen naar spiegels. Toen ik vier jaar geleden bij ASML begon, stonden EUV-lichtbronnen in de kinderschoenen en was er nog veel onbekend. Ondertussen weten we veel meer over de spiegeloptiek en het werken in een vacuüm, wat specifiek is voor EUV-lithografiesystemen. Uiteindelijk moet deze techniek zorgen voor een preciezere belichting van de wafer. Het proces zal in eerste instantie duurder zijn, maar het leidt uiteindelijk wel tot snellere en meer efficiënte chips.”
Nu zijn promotie is afgerond, houdt Kieft zijn opties open. “Ik weet in ieder geval zeker dat ik door wil in het onderzoek.”/.