Next-Generation-Lithografie

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Unter Next-Generation-Lithografie (NGL, dt. „Lithografieverfahren der nächsten Generation“) werden in der Halbleitertechnik Strukturierungsverfahren zusammengefasst, die Kandidaten für die Nachfolge der konventionellen Fotolithografie auf Basis von Ultraviolettstrahlung in der industriellen Fertigung von mikroelektronischen Schaltkreisen sind. Die Verfahren können grob in drei Gruppen eingeteilt werden:

  1. Verfahren basierend auf elektromagnetischer Strahlung mit noch kürzerer Wellenlänge, beispielsweise EUV- und Röntgenlithografie
  2. Verfahren basierend auf anderen Teilchenstrahlungen, beispielsweise Elektronen- und Ionenstrahllithografie
  3. alternative Verfahren, wie Nanoprägelithografie oder die Step-and-flash-imprint-Lithografie

Hintergrund[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das derzeit (2016) in der Halbleitertechnik verwendete Strukturierungsprinzip, die Fotolithografie, basiert auf der Übertragung eines Strukturmusters von einer Fotomaske in eine fotostrukturierbare, das heißt lichtempfindliche, dünne Schicht aus Fotolack (Resist) auf einem Wafer. Ergebnis ist eine strukturierte Fotolackschicht auf dem Wafer, die als Maskierungsschicht für Nachfolgeprozesse, wie dem Ätzen von darunterliegendem Material oder der Ionenimplantation, genutzt wird. Seit der Anfangsphase der Mikroelektronik hat sich an diesem Grundprinzip relativ wenig verändert, auch wenn der Trend hinzu höheren Integrationsdichten und somit kleineren Bauelementen eine stetige Weiterentwicklung notwendig machte. Wichtige Parameter für die Verbesserung des Auflösungsvermögens sind zum einen die Wellenlänge des eingesetzten Lichts, zum anderen die numerische Apertur der Fotolithografieanlage.

Die Wellenlänge des eingesetzten Lichts begrenzt durch auftretende Beugungseffekte die maximale Auflösung einer Abbildung im Resist, wenn die gewünschten Strukturgrößen im Bereich der Wellenlänge des eingesetzten Lichts und darunter liegen. Um kleinere Strukturen fertigen zu können, wurde daher immer kürzerer Wellenlänge eingesetzt, so dass man vom zunächst eingesetzten sichtbaren Licht (g-Linie einer Quecksilberdampflampe) heute bei Wellenlängen im ultravioletten Spektralbereich (ArF-Excimerlasern) angekommen ist. Weitere Verbesserungen sind Optimierungen im Anlagenbau sowie die Einführung diverser Spezialtechniken, wie der Immersionslithografie, Schrägbeleuchtung oder Mehrfachstrukturierung. Diese Entwicklungen führten dazu, dass heute (2016) Produkte in der sogenannten 14-nm-Technik mittels Immersionslithografie und ArF-Excimerlasern (Wellenlänge: 193 nm) herstellbar sind. Intels 10-nm-FinFET-Prozess, welcher sich noch in der Entwicklung befindet, basiert ebenfalls noch auf dieser Technik.[1]

Diese Entwicklung wurde noch vor wenigen Jahren für technisch und physikalisch unmöglich gehalten, weshalb bereits in den 1990er Jahren mit der Suche nach alternativen Verfahren begonnen wurde, der Next-Generation-Lithografie.

EUV-Lithografie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: EUV-Lithografie

Als konsequente Fortsetzung der optischen Lithografie hin zu kürzeren Wellenlängen und damit kleineren Strukturen gilt die EUV-Lithografie (engl. extreme ultra violet), die bis zum Jahr 2016 Wellenlängen um 13,5 nm nutzen soll, um Strukturen zwischen 22 nm und 16 nm und kleiner zu erzeugen. Die Systeme müssen dafür vollständig im Hochvakuum betrieben werden, und die Strahlung kann nicht mehr durch Linsen, sondern nur durch Spiegel gelenkt werden. Bei 13 nm gibt es keine transparenten Materialien mehr, und auch Gase jeder Art würden die Strahlung stark absorbieren. Eine für die Produktion geeignete Hochleistungsstrahlungsquelle ist jedoch noch nicht verfügbar. Da die verwendete Wellenlänge nicht, wie in der UV-Lithografie üblich, durch einen Laser emittiert werden kann, sind derzeit mehrere Firmen mit der Entwicklung von EUV-Plasma-Quellen beschäftigt.

Röntgenlithografie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Röntgenlithografie

Bei der Verwendung von Röntgenstrahlen aus Quellen mit der nötigen Konvergenz (z. B. Synchrotronstrahlung) lassen sich theoretisch kleinere Strukturen herstellen, bzw. das Verfahren besitzt eine erheblich größere Tiefenschärfe. Die Maskentechnik gestaltet sich allerdings sehr aufwändig, so dass bis heute keine großtechnische Anwendung dieses Verfahrens abzusehen ist. Sie ist nahe verwandt mit der EUV-Lithografie. Erhebliche Forschungstätigkeiten wurden in den späten 1980er und frühen 1990er Jahren zum Beispiel am ersten Berliner Elektronensynchrotron BESSY vom Fraunhofer Institut für Siliziumtechnik durchgeführt. Die dort verwendete Synchrotronstrahlung hatte ein Emissionsmaximum bei einer Wellenlänge von ca. 7 nm. Die Röntgenlithografie wird im Rahmen des LIGA-Verfahrens zur Herstellung von dreidimensionalen Strukturen mit großem Aspektverhältnis (Verhältnis von Höhe zu lateraler Abmessung) eingesetzt. Diese Strukturen finden Anwendung in der Mikrosystemtechnik. Wesentliche Arbeiten zu dieser Röntgentiefenlithografie werden am Forschungszentrum Karlsruhe mit der dort vorhandenen Synchrotronstrahlungsquelle ANKA [2] und dem Synchrotronstrahlungslabor durchgeführt.

Elektronen- und Ionenstrahllithografie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Metallische brückenförmige Struktur aus Aluminium, hergestellt mit Elektronenstrahllithografie.

Mit Teilchenstrahllithografien (Elektronen- und Ionenstrahllithografie) lassen sich die technischen Schwierigkeiten bei der hochauflösenden Lithografie besser beherrschen. Die Ursache hier für liegt im Beugungsverhalten solcher Teilchenstrahlen. Nimmt man näherungsweise die halbe Wellenlänge der zur Belichtung eingesetzten Strahlung, dann ist erkennbar, dass das Auflösungsvermögen von Teilchenstrahlen deutlich erhöht ist. Denn die De-Broglie-Wellenlänge von Elektronen mit einer Energie von einigen Kiloelektronenvolt beträgt nur wenige Pikometer (im Vergleich zu Nanometern bei „photonischen Verfahren“).

Anders als bei den Lithografieverfahren, die Photonen nutzen, wird bei diesen Methoden die Energie mittels der Elektronen oder Ionen in den „Fotolack“ übertragen. Statt eines optischen Linsensystems werden beispielsweise Elektronenstrahlschreiber eingesetzt. Sie entsprechen vom Funktionsprinzip her modifizierten Rasterelektronenmikroskopen. Solche Anlagen mit Direktschreibverfahren werden schon länger zur Herstellung von Fotomasken für die optische Lithografie eingesetzt – diese sind aber in der Regel vier- bzw. fünffach größer als die späteren, mit konventionellen Methoden abgebildeten Strukturen auf dem Wafer. Der geringe Durchsatz dieses Direktschreibverfahrens verhindert allerdings die Verwendung solcher Systeme bei der Massenproduktion von Halbleiterbauelementen.

Die hohen Kosten für hochauflösende Fotomasken jedoch führen zu vermehrten Versuchen, die Elektronenstrahllithografie auch in Chip-Produktionsanlagen einzuführen, wenigstens für Versuchsfertigungen der neuesten Technologien und besonders kritische (und damit besonders teure) Fertigungsschritte in der normalen Produktion. Aus diesem Grund wird auch nach alternativen Konzepten wie Multistrahlschreiber (bis zu mehreren hundert Elektronenstrahlen parallel) oder mit der konventionellen Fotolithografie vergleichbaren Techniken wie Flut- oder Projektionsbelichtung unter Einsatz von Ionenstrahlen gearbeitet. Mit ihnen wären höhere Wafer-Durchsätze möglich. Aber auch hier ist derzeit aufgrund der aufwändigen Maskentechnik keine Anwendung in großem Maßstab in Sicht.

Nano-Imprint-Lithografie (NIL)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Nanoprägelithografie

Dieses Verfahren ist eine Alternative zur klassischen EUV-Lithografie. Statt Belichtung kommt hier ein Prägeverfahren zum Einsatz. Die Auflösungsgrenzen des Nano-Imprint-Verfahrens liegen derzeit bei 5 nm. Der Hersteller Molecular Imprints bietet bereits einige kleinere Anlagen für den 20-nm-Prozess an, mit einem Ausstoß von bis zu 180 Lagen pro Stunde. [3] Damit ist das Verfahren theoretisch für die kommenden Generation von Computerchips geeignet – 32- und 22-nm-Technologie, die für 2012 angekündigt sind. Ob das Verfahren jedoch in der (Massen-)Produktion angewendet wird, ist derzeit noch nicht absehbar.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Suman Chakraborty: Microfluidics and Microfabrication. Springer, 2009, ISBN 978-1-4419-1542-9, Abschnitt 5.5. Next-Generation Lithography, S. 213–220.
  • Lithography. In: International Technology Roadmap for Semiconductors 2011 Edition. 2011 (PDF).

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Marc Sauter: IBM zeigt weltweit ersten Test-Chip mit 7-nm-Technik. golem, 9. Juli 2015, abgerufen am 11. Februar 2016.
  2. Website der Synchrotronstrahlungsquelle ANKA
  3. Introducing the Imprio HD2200. Produktseite, Molecular Imprints, abgerufen am 2. März 2009.