Världens halvledarjättar tävlar nu om att kunna erbjuda kretsar tillverkade i 90-nm-processer. Texas Instruments levererade i slutet av januari en av marknadens första fungerande provkretsar i den nya processgenerationen, en basbandskrets producerad i företagets nya 90 nm-process. Intel, IBM, UMC, TSMC och Toshiba är ytterligare exempel på företag som utlovat 90-nm kretsar under året.

Teknikklivet tvingar fram en steg-vis övergång till nya litografimetoder. Sedan 0,25 um-generationen har halvledartillverkarna i huvudsak förlitat sig på ljus med våglängden 248 nm, även kallat djupt ultraviolett ljus (DUV), för att belysa de fotomasker som nyttjas för att överföra mönster på kiselsubstrat.

248 nanometer för grovt

För några år sedan trodde man att gränsen för 248 nm-litografin gick redan vid 130 nm-processer. Med olika knep har man emellertid lyckats förlänga 248 nm-verktygens livslängd. Många halvledartillverkare utnyttjar så kallad OPC-teknik (Optical Proximity Correction) för att justera maskerna samt PSM-teknik (Phase-shift Mask), vilket innebär att ljuset fasvänds partiellt för att öka kontrast och upplösning.

Men när kiselgeometrierna sjunker under 100 nm börjar 248 nm-penseln trots allt bli för grov. Flera halvledartillverkare börjar därför gå över till ljus med våglängden 193 nm för de mest kritiska masklagren. Intel ska exempelvis använda 248 såväl som 193 nm-litografi i sina kommande 90-nm kretsar.

Hur fina kiselgeometrier kan 193 nm-verktygen klara då? Det är vanskligt att sia om var den nedre gränsen går. Hittills har halvledarbranschen hittat på nya sätt att pressa ut finare geometrierna ur våglängderna än vad man ursprungligen trott vara fysiskt möjligt. I dagsläget spås 193 nm-verktygen dock "endast" kunna göra tjänst nedåt 65 nm-geometrier.

Teknikvalet därefter är ännu inte avgjort, men litografi med 157 nm-våglängder ser ut att ha en god chans att ta över stafettpinnen. Exempelvis Intel räknar med att använda 157 nm-litografi för 65 nm-processer år 2005.

Optiken extremt dyr

Men det finns många utmaningar att övervinna innan 157 nm-tekniken kan användas i volymproduktion. Den kanske största huvudvärken är optiken. De mindre våglängderna kräver extremt rena, och därmed extremt dyra, kristaller tillverkade i kalciumflourid, CaF2.

Man måste också utveckla resister samt den tunna hinna som skyddar maskerna från att kontamineras samtidigt som bestrålningen släpps igenom. Sammantaget gör de tekniska svårigheterna 157 nm-litografin till ett dyrt nöje. Enbart exponeringsverktygen kan kosta tiotals miljoner dollar. Om dessa svårigheter kan övervinnas spås 157 nm-tekniken göra tjänst fram till 45 nm-processer, som väntas nå marknaden i slutet av årtiondet.

Ungefär i den vevan tror många halvledartillverkare att tiden är mogen för så kallad EUV-litografi. EUV uttyds extremt ultraviolett ljus, vilket tidigare gick under benämningen mjuk röntgen. Men för att det ska bli verklighet måste halvledarindustrin gräva ännu djupare i plånboken; tekniken kräver ett nytt angreppssätt och hotar att bli mycket kostsam. Våglängderna är endast 13,5 nm, så vanlig optik är inget alternativ. Strålarna passerar inte igenom linser och masker, de absorberas. Istället krävs reflekterande optik där antingen masker eller optik byggs upp av ett stort antal nanometertunna reflekterande lager.

Ytterligare ett antal svårigheter återstår att lösa, men tekniken har icke desto mindre många uppbackare. Intel startade för några år sedan konsortiet EUV LLC (Limited Liability Company) där AMD, Motorola, Micron, Infineon och IBM samarbetar för att främja tekniken.

Bland framstegen på sistone kan nämnas Infineon som i november visade bilder på en tunn dielektrikafilm på en kiselskiva som försetts med 60 nm-fåror med hjälp av EUV-litografi.

Oklar framtid för EPL

En teknik som tidigare utpekats som huvudkonkurrent till EUV är så kallad elektronstråleprojektionslitografi, EPL, som bygger på att mönster överförs genom att en elektronstråle sveper över en mask. Tekniken råkade emellertid ut för ett allvarligt bakslag för några år sedan när utrustningstillverkarna hoppade av Lucents, numera Ageres, ambitiösa satsning på området.

Det finns fortfarande halvledarföretag som intresserar sig för tekniken, men det är oklart om den kommer att få kommersiellt genomslag. En svårighet är att tillverka tillräckligt bra masker. Eventuellt skulle tekniken kunna användas som ett komplement till EUV eller för tillverkning av prototyper samt asicar i låga volymer.

Sedan finns det litografitekniker som undviker de skenande maskkostnaderna genom att helt sonika strunta i masker. Ett exempel är präglingslitografi, som beskrivs i artikeln ovan, ett annat elektronstrålelitografi, EBL, där man ritar mönster direkt på kiselskivan. Haken med elektronstråleritarna är att de anses vara för långsamma för att vara intressanta vid volymproduktion. Båda teknikerna kan ge mycket fina geometrier, men har hittills inte fått lika mycket uppbackning från halvledarjättarna som EUV-litografin.

Charlotta von Schultz