Met kleinere chips kun je snellere en goedkopere computers bouwen. Miniaturisatie is dan ook de drijvende kracht achter de vooruitgang in de wereld van computers en consumentenelektronica. Bij ASML in Veldhoven stappen ze daarom binnenkort over op een techniek die gebruik maakt van kortgolvige straling die opgewekt wordt in plasma’s. Om de potentiële nadelen van deze nieuwe technologie in kaart te brengen maakten ze gebruik van de expertise van de groep Elementaire Processen in Gasontladingen van de TU/e, waar Marc van der Velden zijn promotieonderzoek verrichtte.

Een week voor zijn promotie oogt Van der Velden bijzonder ontspannen. Hij werkt nog aan de presentatie die hij voorafgaande aan zijn verdediging moet geven. Desondanks neemt hij alle tijd om uit te leggen waar hij de afgelopen jaren mee bezig geweest is. Volgens hem komt er nog wel wat kijken bij de overgang naar extreem kortgolvige straling.

“Het is voor ASML echt een enorme stap om over te gaan van straling met een golflengte van 193 nanometer naar 13,5 nanometer. Voor de nieuwe golflengte kun je bijvoorbeeld geen lenzen gebruiken, omdat het kwarts waar ze van gemaakt zijn ondoorzichtig is voor deze straling. Daarom moet je spiegels gebruiken met een speciale coating. Die weerkaatsen ongeveer zeventig procent van de straling. Dat is net genoeg voor deze toepassing.”

Sputteren
De chips worden gemaakt in een lithografisch proces, waarbij een stralingsbron het gewenste patroon op een siliciumplaatje afbeeldt. De straling -bijvoorbeeld laserlicht- beschadigt een laagje dat op het silicium is aangebracht. De beschadigde laag wordt vervolgens verwijderd, waardoor het afgebeelde patroon op het plaatje -de wafer- achterblijft. De grootte van de structuren die je op deze manier kunt maken, is afhankelijk van de golflengte van de gebruikte straling. Om kleinere structuren, te maken heb je daarom hoogenergetische straling nodig met een extreem korte golflengte.

Deze extreem ultraviolette (EUV) straling bevat voldoende energie om de atomen die in de lithografiemachine rondzweven op te breken in ionen en elektronen: de straling creëert een plasma -een gas van geladen deeltjes. Dat is op zich niet zo vreemd: de EUV-straling wordt namelijk ook opgewekt met een plasma, elders in de machine. Daar vindt het omgekeerde proces plaats: als elektronen en ionen bij elkaar komen om een atoom te vormen, komt er energie vrij in de vorm van extreem ultraviolette straling. Het plasma vormt een potentiële bedreiging voor de spiegels. Van der Velden: “De elektronen zijn veel lichter dan de ionen en bewegen daardoor ook veel sneller, onder meer naar het oppervlak van de spiegels. Vervolgens trekken deze negatief geladen elektronen de positief geladen ionen uit de rand van het plasma naar de spiegel toe. Die botsen dan zo hard op de spiegel dat ze een deel van de toplaag wegslaan. Dat noemen we sputteren.”

Ionenbundel
Om een chipmachine rendabel te maken, moet die minstens zeven jaar in bedrijf zijn. Zo lang moeten de spiegels liefst ook meegaan. “Ik heb onderzocht hoe snel de kwaliteit van de spiegels achteruit gaat door sputteren. Dat was niet eenvoudig, want het is een heel langzaam proces dat moeilijk zichtbaar te maken is. We moesten wekenlang continu meten, en dan zagen we eigenlijk nog geen effect. Op zich was dat natuurlijk al wel een aanwijzing dat het sputterprobleem wel meeviel”, grijnst Van der Velden.

Toch deed hij meer dan eindeloos wachten totdat de spiegels zichtbare beschadigingen hadden opgelopen: “We hebben een computermodel gemaakt waarmee we kunnen berekenen hoeveel ionen er op de spiegel terechtkomen en welke energie ze hebben. We moesten een speciaal model gebruiken omdat het plasma erg ijl is en bovendien maar enkele microseconden bestaat. Daardoor konden we de gebruikelijke vloeistofachtige modellen niet gebruiken.”

In plaats daarvan koos hij er voor om de positie en snelheid van de ionen en elektronen afzonderlijk te volgen. “Het programma berekent telkens de elektrische velden die door de geladen deeltjes worden gegenereerd. We laten dan de deeltjes bewegen onder invloed van de kracht die de velden op ze uitoefenen en berekenen vervolgens de velden voor de nieuwe situatie.”

Chicago
Om de energie te bepalen die nodig is om de spiegels te beschadigen, verbleef de promovendus twee maanden in Chicago. Daar hadden ze een ionenbundel met precies de juiste eigenschappen. “Ik kwam mensen van dat lab tegen op een conferentie in Japan. Een afspraak was snel gemaakt, al moest ik in Amerika wel wekenlang veiligheidscursussen volgen voordat ik zelf metingen mocht doen.”

Het sputteren bleek uiteindelijk geen groot probleem te zijn. En misschien is het zelfs wel een oplossing. Er zijn namelijk allerlei koolwaterstofmoleculen aanwezig in de machine. Als die geraakt worden door EUV-straling of elektronen, worden die opgesplitst in kleinere moleculen, die zich aan de spiegels hechten. Zo vormt zich een koolstoflaagje. “De vorming van dat laagje is de belangrijkste oorzaak voor het achteruitgaan van de spiegels.”

Uit de computersimulatie blijkt dat het sputterproces sterk afhangt van de atomen die aanwezig zijn in de machine. “Als je de machine goed vacuüm maakt, heb je nauwelijks last van sputteren. Dat is echter niet mogelijk, omdat er continu argongas over de wafers geleid wordt om te voorkomen dat moleculen van de wafer op de spiegels terechtkomen.” De argonionen vormen dan ook het voornaamste bestanddeel van het plasma. Het bijmengen van een lichter gas zorgt er voor dat de argonionen minder hard op de spiegels botsen en daardoor minder schade aanrichten.

In theorie zou je het sputterproces ook kunnen stimuleren door een gas met de juiste massa toe te voegen, en zou het proces de aangroei van de koolstoflaag kunnen tegengaan, beaamt Van der Velden. Toch zal het in de praktijk niet zo eenvoudig zijn om de groei van de koolstoflaagjes te stoppen: “Die laagjes groeien niet overal op de spiegels even hard. Daar zou je dan rekening mee moeten houden. Maar ik sluit niet uit dat sputteren een manier is om de levensduur van de spiegels te verlengen.” Dat had hij bij aanvang van zijn onderzoek niet gedacht./.

Schematisch overzicht van de lithografiemachine. De extreem ultraviolette (EUV) straling wordt via een aantal spiegels en een masker op de wafer gestuurd. De lichtblauwe gebieden geven het gebied aan waar de straling een plasma creëert.