Computerchips kunnen nog kleiner

Met EUV-spiegelinterferentielithografie (MIL -Mirror Interference Lithography) hebben onderzoekers van het Zwitserse Paul Scherrer Institut (PSI) met één enkele belichting een resolutie van 5 nanometer weten te bereiken. Zij denken dat dankzij hun techniek computerchips weer kleiner kunnen. Kleinere en tegelijkertijd krachtigere computerchips zijn weer van belang voor ontwikkelingen zoals autonoom rijden, kunstmatige intelligentie en de 5G-standaard voor mobiele communicatie.

Op de huidige state-of-the-art microchips zijn de geleidende sporen 12 nanometer van elkaar gescheiden. Nu heeft een onderzoeksteam onder leiding van Iason Giannopoulos, Yasin Ekinci en Dimitrios Kazazis van het Laboratorium voor Röntgen Nanowetenschappen en Technologieën van het PSI een techniek bedacht om nog dichtere circuitpatronen te maken met een scheiding van de sporen van maar 5 nanometer. Hierdoor kunnen circuits veel compacter worden ontworpen dan voorheen.

Wetten van de fysica

Het type licht dat wordt gebruikt is cruciaal om microchips steeds compacter te maken. De wetten van de fysica schrijven voor dat hoe kleiner de golflengte van het gebruikte licht, hoe dichter de structuren bij elkaar kunnen worden geplaatst. 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 400 nanometer. Sinds 2019 gebruiken fabrikanten extreem ultraviolet licht (EUV) met een golflengte van 13,5 nanometer. Dit maakt het mogelijk om nog fijnere patronen aan te brengen, tot 10 nanometer en minder.

Indirect belicht

Bij PSI gebruiken onderzoekers voor hun onderzoek de Swiss Light Source, afgestemd op 13,5 nanometer. De onderzoekers hebben in tegenstelling tot conventionele EUV-lithografie het monster niet direct, maar indirect belicht. Bij EUV-spiegelinterferentielithografie (MIL) worden twee onderling coherente bundels door twee identieke spiegels op de wafer gereflecteerd. De stralen creëren dan een interferentiepatroon waarvan de periode afhangt van zowel de invalshoek als de golflengte van het licht.

In een enkele belichting wisten ze daarmee een resolutie van 5 nanometer te bereiken. Onder een elektronenmicroscoop bleken de geleidende sporen een hoog contrast en scherpe randen te hebben. Kazazis: “Onze resultaten laten zien dat EUV-lithografie extreem hoge resoluties kan produceren, wat aangeeft dat er nog geen fundamentele beperkingen zijn. Dit is echt opwindend, omdat het de horizon verbreedt van wat we voor mogelijk houden en het kan ook nieuwe wegen openen voor onderzoek op het gebied van EUV-lithografie en fotolakmaterialen.”

Bruikbaar?

Op dit moment is deze aanpak niet interessant voor industriële chipproductie, omdat het erg traag is vergeleken met industriële standaarden en alleen eenvoudige en periodieke structuren kan produceren in plaats van een chipontwerp. Het biedt echter wel een methode voor de vroege ontwikkeling van fotoresisten 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 nieuw EUV-gereedschap bij de SLS, dat eind 2025 wordt verwacht.