Modern çip üretiminde kullanılan litografi araçları için güçlü, güvenilir ve üretilebilir bir ışık kaynağı oluşturmak günümüz endüstrisindeki en karmaşık zorluklardan biri. Litografi sistemi üreticileri arasında şu anda yalnızca ASML en küçük çip özelliklerini basmak için ABY (Extreme Ultraviolet - Aşırı Ultraviyole) ışığı başarıyla üretebiliyor. Ancak yeni bir startup, mevcut durumu değiştirecek radikal bir fikir ortaya attı.
Merkezi San Francisco'da bulunan Inversion Semiconductor adlı startup, kompakt bir parçacık hızlandırıcıya dayalı bir ışık kaynağı geliştirmeyi planlıyor. Şirket, bu kaynağın ASML'nin mevcut teknolojisinden potansiyel olarak daha güçlü olacağını ve daha ince çip özelliklerinin üretilmesine olanak sağlayacağını iddia ediyor.
Inversion Semiconductor'ın teknolojisinin merkezinde, geleneksel parçacık hızlandırıcılardan 1000 kat daha küçük ve yine de 10 kW'a kadar çıkış gücü sunabilen 'masaüstü' boyutunda bir parçacık hızlandırıcı yer alıyor. Şirket, Lazer Uyarılmış Alan Hızlandırma (LWFA) yönteminden yararlanan bu ışık kaynağının, çip üretimini 15 kat hızlandırabileceğini (tek bir 10 kW kaynağın tek bir litografi sistemini beslemesi durumunda) veya aynı anda birden fazla çip üretim aracına güç sağlayarak maliyetleri düşürebileceğini öne sürüyor.
Ancak bu gelişmekte olan startup için büyük zorluklar da mevcut. Zira bu özel hızlandırıcı türü, hem maliyetli hem de enerji yoğun petawatt sınıfı lazerler gerektiriyor. Ayrıca, Inversion Semiconductor, ASML (veya diğer litografi makinesi üreticileri) ile iş birliği yapmadığı takdirde, kendi litografi sistemlerini geliştirmesi ve tarayıcıları için yeni bir ekosistem oluşturması gerekecek ki bu da zaman alıcı ve pahalı bir çaba.
Inversion Semiconductor'ın, 7 gün 24 saat çalışan, yüksek hacimli üretim fabrika araçları inşa etme konusunda herhangi bir deneyimi olmadığı göz önüne alındığında, şirketin hedefleri oldukça iddialı ve kağıt üzerindeki vaatlerini yerine getireceğinin garantisi yok.
ASML'nin Hedefinden 10 Kat Daha Güçlü
2024 yılında kurulan Inversion Semiconductor'ın amacı, ASML'nin önümüzdeki on yıl içinde ulaşmayı planladığı gücün 10 katı olan, 10 kW'lık bir çıkış gücü sunacak kompakt, yüksek performanslı, parçacık hızlandırıcı tabanlı bir ışık kaynağı geliştirmek.
Bu parçacık hızlandırıcı, ASML'nin bugün Hem Düşük-NA hem de Yüksek-NA ABY litografi araçları için kullandığı 13.5 nm ışık dahil olmak üzere 20 nm ile 6.7 nm arasında dalga boylarına sahip lazerler üretebilir.
10 nm'den daha kısa dalga boyuna sahip ışık, yumuşak X-ışını olarak adlandırılır ve çoğu malzeme tarafından yüksek oranda emildiği için şu anda çip üretiminde kullanılmamaktadır. Dolayısıyla, 10 nm altı dalga boyları şu anda çip üretiminde kullanılmasa da, uzun vadede araştırma için umut vadeden bir alan olabilir.
Inversion'ın hedefleri sadece bir ışık kaynağı geliştirmekle sınırlı değil; doğrudan ASML'ye rakip olmak için komple litografi araçları inşa etmeye kadar uzanıyor.
Parçacık hızlandırıcıları litografi araçları için ışık kaynağı olarak kullanmak, sektörde yaygın olarak tartışılan ve araştırılan bir konudur. Ancak Inversion Semiconductor, elektronları kilometreler yerine santimetreler boyunca aşırı yüksek enerjilere hızlandırabilen 'masaüstü parçacık hızlandırıcıları' kullanmayı planlıyor.
LWFA Yöntemiyle Hızlanma
Şirket, ASML ve diğer yöntemlerden önemli ölçüde farklı olan Lazer Uyarılmış Alan Hızlandırma (LWFA) tekniğine dayanan hızlandırıcıları kullanmayı amaçlıyor. LWFA, plazma (serbest elektronlar ve pozitif yüklü iyonlardan oluşan) ile etkileşime giren güçlü, ultra kısa (femtosecond ölçeğinde) lazer darbeleri kullanır.
Yoğun bir lazer darbesi plazma içinde hareket ettiğinde, elektronları kenara iterek ve arkasında plazma dalgaları veya 'uyarılmış alanlar' oluşturarak güçlü elektrik alanları yaratır. Elektronlar, bu dalgalar içinde sıkışabilir ve çok kısa bir mesafede hızla ivmelenerek önemli enerji kazanabilirler. Araştırmalara göre, plazma dalgası, geleneksel bir hızlandırıcıda bulunanlardan 100-1000 kat daha güçlü alanlarda elektronları hızlandırır.
Hızlandırılmış elektronlar daha sonra kompakt X-ışını kaynakları ve yarı iletken litografi gibi çeşitli pratik uygulamalar için kullanılabilir. Geleneksel ABY kaynaklarından farklı olarak, LWFA yöntemi tutarlı, monokromatik ve hassas şekilde ayarlanabilir radyasyon (ışık) üretir. Bu, 13.5 nm'den daha kısa dalga boylarını (örneğin, endüstriyel kullanımdan henüz çok uzak olan 6.7 nm hedefi) mümkün kılarak yeni nesil litografi sistemleri için önemli olabilir.
LWFA mekanizması, elektronları sadece birkaç santimetre gibi kısa mesafelerde birden fazla giga-elektron volt (GeV) enerjiye hızlandırarak, yüksek enerjili elektron hızlandırma sistemlerini dev tesislerden masaüstü boyutlu cihazlara indirgemektedir. Bu durum, yarı iletken endüstrisi için daha fazla yeniliği tetikleyebilir.
Inversion Semiconductor'ın Yakın Vadeli Hedefleri
Inversion Semiconductor'ın bugüne kadarki ilerlemesi, yeni lazer stabilizasyon teknikleri geliştirmek için küçük bir lazer laboratuvarı kurmayı ve kısa dalga boylu radyasyon üretebilen ilk LWFA prototiplerini oluşturmayı içeriyor. Ayrıca, yarı iletken kullanımı için uygun ışığın üretimini iyileştirmeye odaklanan projelerde iş birliği yapmak için bir laboratuvarla ortaklık kurdular.
Şirketin acil hedefi Starlight adında, 20 nm ila 6 nm dalga boyu aralığında 1 kW yumuşak X-ışını ışığı üretebilen, yüksek güçlü, ayarlanabilir bir ışık kaynağı geliştirmek. Başarılı olursa, cihaz endüstriyel X-ışını görüntüleme ve yarı iletken maske denetimi gibi uygulamalarda kullanılabilir. Bazı büyük şirketlerin bu erken aşama gelişmelerle ilgilendiği belirtiliyor.
Şirket, paralel olarak, üretilen ABY ışığını (yani 10 nm'den yüksek) yansıtmak ve odaklamak için gelişmiş ayna sistemleri üzerinde çalışıyor. Bu aynalar, ışığı gofret desenleme için hassas bir şekilde yönlendirmek için gereklidir. Bu teknolojiye dayalı ilk litografi sistemi olan LITH-0, Starlight tarafından desteklenecek ve pratik silikon gofret desenleme yeteneklerini göstermeyi hedefleyecek. Ancak Inversion Semiconductor'ın LITH-0'ının ne zaman tamamlanacağı ve tam işlevsel olacağı henüz bilinmiyor.
Peki Ya Dezavantajları? Pek Çok!
Kağıt üzerinde, Inversion'ın planları sağlam görünüyor ve ABY radyasyonu (veya ışığı) üretmek için LWFA yöntemi neredeyse mükemmel duruyor. Ancak, birçok dezavantajı var.
Öncelikle, bir LWFA hızlandırıcı odası küçük olabilir, ancak aşırı karmaşık, büyük ve pahalı petawatt sınıfı, ultra hızlı lazer sistemleri gerektirir. Bu tür lazerlerin güvenilir, kesintisiz fabrika çalışması için soğutulması ve bakımı, daha önce kimsenin denemediği bir şey. Ayrıca, Inversion Semiconductor'ın kurulumunun bu lazerleri saniyede tutarlı bir tekrar hızında ateşleyip ateşleyemeyeceği de belirsiz.
İkincisi, 1 GeV ötesinde LWFA'nın yüksek enerji saçılımı (elektron enerjilerindeki değişim) ve ışın sapması (yörüngelerin daha geniş yayılımı) ürettiği araştırmacılar tarafından bile kabul ediliyor.
Litografi için üretilen ışık, hassas ve tekrarlanabilir desenleme elde etmek amacıyla dalga boyu, yön ve tutarlılık açısından son derece kararlı olmalıdır. Kararsızlık, kötü çözünürlüğe yol açarak performans değişkenliğine ve verim kaybına neden olur.
Üçüncüsü, bugün 13.5 nm ışık kaynağına sahip LWFA tabanlı araçlar, ASML'nin Düşük-NA ve Yüksek-NA ABY araçları için geliştirilen aynaları ve optikleri kullanabilse de, daha kısa dalga boylarına geçmeleri durumunda yeni aynalar ve optikler kullanmak zorunda kalacaklar. Bu, Inversion'ın kendi litografi sistemlerini geliştirmeye karar vermesi durumunda elbette bir sorun olacaktır, ancak bu, tamamen yeni bir ekosistem geliştirmesi gerektiği anlamına gelir.
Daha gerçekçi bir senaryo, LWFA tabanlı kaynağını ASML'nin mevcut araçlarıyla uyumlu hale getirmek olabilir. Ancak burada da bir sorun var. Bir LWFA ışık kaynağını mevcut ABY litografi tarayıcılarıyla entegre etmek, yeni ışın şekillendirme, odaklama ve metroloji sistemleri geliştirmeyi gerektireceği için karmaşık olacaktır. ASML, mevcut ışık kaynaklarıyla ilişkili tüm zorlukları çözmüş olsa da, şirketin araçlarının üçüncü taraf bir araçla çalışmasına ilgi duyup duymayacağını sadece merak edebiliriz. Diğer litografi makinesi üreticilerine gelince, onlar henüz belirli lazer teknolojilerinin ötesine geçmeyi başaramadılar, bu nedenle ABY (veya ABY ötesi) tarayıcılar inşa etme şansları düşük görünüyor. Ayrıca, en az 1 kW'lık bir ışık kaynağından bahsettiğimizi akılda tutarsak, endüstrinin her şeyi çalışır hale getirmek için yeni rezistler, pellicle'ler ve diğer sarf malzemelerine de ihtiyacı olacaktır.
Belki de Inversion için en büyük zorluk, 7 gün 24 saat çalışan fabrikalara uygun, yüksek hacimli seri üretim araçları oluşturma ve bakımını yapma konusunda hiçbir deneyimlerinin olmamasıdır.
Özet
Inversion Semiconductor, ASML'nin mevcut ABY ışık kaynaklarından potansiyel olarak daha güçlü ve hatta daha kısa dalga boylarını hedefleyen, kompakt, LWFA tabanlı bir ışık kaynağı geliştirmeyi amaçlıyor. Inversion, ışık kaynaklarının ayarlanabilir olacağını ve daha ince yarı iletken desenleme için tutarlı radyasyon yaratacağını söylüyor. Şirket nihayetinde 10 kW performanslı (ASML'nin önümüzdeki on yılda planladığından 10 kat daha güçlü) bir ışık kaynağı inşa etmeyi hedefliyor. Bu sayede çip üretimini önemli ölçüde hızlandırabilir (şirket 15 kat iddia ediyor) veya tek bir ışık kaynağıyla birden fazla litografi sistemine güç sağlayarak maliyetleri düşürebilir.
Ancak, bir LWFA tabanlı hızlandırıcının çok fazla güç tüketen ve pahalı olan petawatt sınıfı bir lazer gerektirmesi gibi büyük zorluklar bulunmaktadır. Ayrıca, Inversion, ASML (olası olmayan bir senaryo) veya Canon ve Nikon gibi diğer litografi aracı üreticileriyle (yine olası olmayan bir durum) ekip oluşturup kendi tarayıcılarını geliştirmediği sürece, makineleri için tamamen yeni bir ekosistem geliştirmek zorunda kalacak, ki bu da zaman alıcı ve aşırı derecede maliyetli. Ayrıca, şirket bu yolu seçerse, 7 gün 24 saat çalışan, yüksek hacimli üretim fabrika araçları oluşturma ve bakımını yapma konusunda deneyim kazanması gerekecek.
