Mandrijn: het tijdelijke sjabloon dat chips kleiner maakt
Stel je voor dat je met een dikke stift twee superdunne lijntjes wilt tekenen die vlak naast elkaar liggen. Rechtstreeks kan dat niet: de stift is simpelweg te breed voor zo'n fijne tekening. Een handige omweg is om eerst één brede lijn te zetten, daarna een dun laagje materiaal langs de zijkanten van die lijn aan te brengen, en vervolgens de oorspronkelijke dikke lijn weer weg te halen. Wat overblijft, zijn twee piepkleine wandjes precies op de plek waar de randen van de oude lijn zaten. Die oorspronkelijke, tijdelijke lijn heet in de chipindustrie een mandrijn (in het Engels: mandrel). Hij dient alleen als mal en verdwijnt aan het einde van het proces.
Dit trucje — een mandrijn gebruiken als wegwerpsjabloon — is een van de slimste oplossingen die de halfgeleiderindustrie heeft gevonden om chips kleiner te maken dan de belichtingsapparatuur zelf eigenlijk aankan. Een lithografiemachine (het apparaat dat met licht patronen op een siliciumschijf “print”) heeft een natuurkundige ondergrens aan hoe dicht twee lijnen bij elkaar kunnen liggen. Door er een extra tussenstap met mandrijnen aan toe te voegen, kunnen fabrikanten die grens omzeilen en toch transistors blijven verkleinen. Dit is decennialang een van de stille motoren geweest achter wat bekend staat als de Wet van Moore: het idee dat het aantal transistors op een chip steeds verder blijft groeien.
Wat is het precies?
Het proces heet voluit self-aligned double patterning (SADP, zelfuitlijnende dubbele patroonvorming) en begint bij een gewoon probleem: licht heeft een golflengte, en die golflengte begrenst hoe fijn en dicht bij elkaar je lijnen met lithografie kunt belichten. Wil je lijnen die dichter bij elkaar liggen dan die grens toelaat, dan moet je een omweg nemen.
Stap één: de lithografiemachine belicht een patroon van brede, regelmatig verspreide lijnen — op een afstand die de machine wél aankan. Dit zijn de mandrijnen. Ze zijn gemaakt van een tijdelijk materiaal, vaak amorf silicium of een polymeer.
Stap twee: over de hele plak wordt met een precisietechniek genaamd atomic layer deposition (ALD, atoomlaag-voor-atoomlaag afzetten) een extreem dun, gelijkmatig laagje materiaal aangebracht. Dat laagje legt zich als een jasje om elke mandrijn heen, inclusief de zijkanten.
Stap drie: met een gerichte etsstap wordt het laagje van de bovenkant en de vlakke stukken tussen de mandrijnen weer weggehaald. Alleen de stukjes die tegen de zijkanten van de mandrijnen aan zaten, blijven over. Dit zijn de zogeheten spacers (afstandhouders): twee dunne wandjes per mandrijn.
Stap vier: de mandrijn zelf wordt selectief wegge-etst, zodat alleen de spacers overblijven. Omdat elke mandrijn twee spacers achterlaat, is de afstand tussen de lijnen nu gehalveerd ten opzichte van het oorspronkelijke, door de machine belichte patroon. Deze spacers dienen vervolgens zelf als etsmasker om de onderliggende laag van de chip — bijvoorbeeld een laag silicium voor transistorvinnen of een metalen laag voor bedrading — in het gewenste fijne patroon te etsen.
Herhaal je deze hele truc nog een keer op de resulterende spacers, dan krijg je self-aligned quadruple patterning (SAQP): de afstand wordt dan niet gehalveerd maar gekwartierd. Zo haalt de chipindustrie met een belichtingsmachine die op zichzelf maar een bepaalde fijnheid aankan, toch lijnen die twee tot vier keer dichter bij elkaar liggen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is simpel te benoemen, maar moeilijk te bereiken: steeds kleinere, dichter opeengepakte transistors, zodat chips meer rekenkracht, minder stroomverbruik en lagere kosten per functie bieden. Kleinere transistors schakelen doorgaans sneller en verbruiken minder energie per bewerking, wat essentieel is voor alles van smartphones tot de datacenters die AI-modellen draaien.
Lange tijd kon de industrie dit simpelweg bereiken door lithografiemachines met een kortere lichtgolflengte te bouwen. Maar rond het begin van de jaren 2010 liep die aanpak vast: de volgende grote stap, extreme ultraviolette (EUV) lithografie, was nog niet productierijp en is bovendien enorm duur — een EUV-machine van het Nederlandse ASML kost grofweg 150 tot 200 miljoen euro. Mandrijn-gebaseerde multi-patterning bood een manier om met de bestaande, goedkopere belichtingstechniek (diepe ultraviolette of DUV-lithografie) toch verder te krimpen. Zelfs nu EUV wél beschikbaar is, blijft multi-patterning voor de allerfijnste structuren vaak goedkoper of praktischer dan nóg een extra EUV-belichting.
Voorbeelden uit de praktijk
Intel introduceerde self-aligned double patterning op grote schaal bij zijn 22nm-procesknoop, die vanaf 2011-2012 werd gebruikt voor onder meer de Ivy Bridge-processoren. Dit was een van de eerste keren dat de techniek buiten het laboratorium in massaproductie ging.
Bij de overstap naar FinFET-transistors (3D-transistors met opstaande “vinnen” in plaats van platte kanalen) werd de techniek nog belangrijker. TSMC en Samsung pasten rond 2014-2015 vergelijkbare dubbele-patroonvormingstechnieken toe om de smalle, nauwkeurig geplaatste vinnen van hun 14- en 16nm-chips te maken.
Voor nog fijnere knopen, rond de 10 en 7 nanometer (ongeveer 2017-2018), was dubbele patroonvorming niet meer genoeg en stapten fabrikanten over op quadruple patterning (SAQP), waarbij de mandrijntruc twee keer achter elkaar wordt toegepast.
Onderzoeksconsortium imec in Leuven (België) heeft in samenwerking met toeleveranciers als ASML, Applied Materials en Lam Research jarenlang onderzoek gedaan naar hoe multi-patterning en EUV-lithografie elkaar het best kunnen aanvullen voor toekomstige chipgeneraties, inclusief de High-NA EUV-machines die ASML vanaf 2023-2024 aan klanten begon te leveren.
Hoe ver is de techniek?
Mandrijn-gebaseerde multi-patterning is geen experimentele technologie meer: het staat al meer dan tien jaar in productie bij de grote chipfabrikanten en wordt dagelijks toegepast in fabrieken over de hele wereld. In die zin is het een bewezen, volwassen techniek.
Toch verschuift de rol ervan. Sinds EUV-lithografie vanaf ongeveer 2018-2020 breed in productie kwam bij TSMC, Samsung en Intel, kan een deel van de allerfijnste patronen weer in één belichtingsstap worden gemaakt, zonder de omweg via mandrijnen en spacers. Voor de allerkleinste afstanden is zelfs EUV op zichzelf echter nog niet genoeg, waardoor fabrikanten mandrijntechnieken en EUV vaak combineren in plaats van de ene door de andere te vervangen.
De belangrijkste nadelen van de mandrijnaanpak zijn complexiteit en kosten: elke extra stap van afzetten en etsen voegt tijd, materiaalkosten en kans op fouten toe. Een bekend probleem heet pitch walking: kleine onregelmatigheden waardoor de ene spacer-lijn net iets anders uitvalt dan de andere, wat de prestaties en opbrengst van een chipproductie kan schaden. Daarnaast blijft multi-patterning, ook met EUV erbij, onmisbaar voor oudere maar nog altijd veelgebruikte procesknopen (28 tot 14 nanometer) die volop worden ingezet voor bijvoorbeeld auto-elektronica en voedingschips, waar niet elke fabriek over de nieuwste EUV-apparatuur beschikt.
Wie werken eraan?
De grote chipfabrikanten die deze technieken in hun fabrieken gebruiken en verder verfijnen zijn TSMC (Taiwan), Samsung Electronics (Zuid-Korea), Intel (Verenigde Staten) en GlobalFoundries (Verenigde Staten).
Op het gebied van apparatuur is het Nederlandse ASML onmisbaar als leverancier van zowel de klassieke DUV- als de nieuwere EUV-lithografiemachines, terwijl Applied Materials, Lam Research (beide Verenigde Staten) en Tokyo Electron (Japan) de machines leveren voor de ALD-afzetting en de precisie-etsstappen die de spacers en mandrijnen vormgeven.
Op onderzoeksgebied speelt imec in Leuven een centrale rol als onafhankelijk consortium waar chipmakers, toeleveranciers en universiteiten samen de volgende generaties patroonvormingstechnieken testen. Ook IBM Research en het Franse CEA-Leti doen al jaren onderzoek naar geavanceerde patroonvormingstechnieken. Overheden stimuleren dit veld inmiddels fors: de Amerikaanse CHIPS Act en de Europese Chips Act stoppen miljarden euro's in chipfabrieken en onderzoek, mede omdat landen als Taiwan en Zuid-Korea momenteel een groot deel van de geavanceerde productie in handen hebben.