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08.03.2017

Industrielle Inspektion im Nanobereich

Die Starlith® EUV-Optik von ZEISS ist die erste mit EUV-Licht betriebene Lithographie-Optik der Welt, die in Serie produziert wird.

Die Miniaturisierung im Halbleiterbereich stellt die Photonik vor enorme Aufgaben. Die Technologien für Strukturbreiten unterhalb 10 Nanometer reifen.

Nirgendwo ist die Miniaturisierung sichtbarer als in der Halbleitertechnik. Auf der Fläche, auf der Fairchild 1961 einzelne integrierte Schaltkreise unterbrachte, arbeiten auf heutigen Mikrochips 1,3 Milliarden Transistoren. Das geht nur Genauigkeiten im niedrigen zweistelligen Nanometerbereich. Und die Branche hat die nächsten Schritte fest im Blick. Fertigungstechnologien für die 7-nm- und 5-nm-Technik, die das Mooresche Gesetz fortschreiben soll, reifen.

Hotspots der Entwicklung sind Veldhoven (NL) und Oberkochen. Hier sitzen mit ASML der weltgrößte Anbieter von Lithographie-Systemen für die Halbleiterfertigung und der wichtigste Lieferant von Hochleistungsoptiken, Zeiss SMT (Semiconductor Manufacturing Technology). Noch arbeiten Chiphersteller in der lithographischen Strukturierung mit Excimer-Lasern im UV-Bereich von 193 nm. Um mit diesem „groben“ Werkzeug feinste Nanostrukturen auf fotolackbeschichteten Wafern zu belichten, braucht es optische Tricks. Erst produzieren die Hersteller Masken mit dem exakten Abbild der Chipstruktur. Dieses Abbild wird auf die Wafer projiziert, wobei das Licht aus dem Argonfluorid-Laser über ein hoch präzises optisches System aus Spiegeln und Linsen sowie durch einen feinen Film mit Immersionsflüssigkeit gelenkt wird. So wird das Abbild um Faktor vier verkleinert. Per überlappender Mehrfachbelichtung (Multi-Patterning), bei der die Wafer mit Nanopositioniersystemen um jeweils wenige Nanometer verschoben werden, lassen sich die Strukturbreiten weiter verringern.

EUV-Laser treiben Miniaturisierung weiter

Doch die optischen Tricks sind ausgeschöpft. Die Wellenlänge von 193 nm ist für Strukturbreiten unter 10 nm zu grob. Darum arbeiten ASML und Zeiss an einem Technologiesprung: Extremes ultraviolettes (EUV) Laserlicht mit 13,5 nm Wellenlänge soll die nötige Präzision bringen. Ende 2016 hat sich ASML mit einer Milliarde Euro an Zeiss SMT beteiligt, und plant nun, deren Optikentwicklung für die EUV-Lithographie mit zusätzlichen 760 Millionen Euro zu unterstützen. Schon für 2018 kündigt ASML den Serienstart der neuen Mikrochiptechnologie an. Bis dahin will Zeiss SMT ein neues Zentrum für Lithographie-Optik in Betrieb nehmen.

Die Investitionen sind nötig, weil die EUV-Technik neue Prozesse verlangt. Da das kurzwellige Licht selbst von Sauerstoffatomen in der Luft absorbiert wird, muss die Belichtung künftig im Vakuum erfolgen. Zudem müssen leistungsfähige Laser (>250 W) her, die bei 13,5 nm die nötige Stabilität und Präzision aufweisen. Der weitere Einsatz von Linsen wird wegen der Absorptionsproblematik im EUV-Bereich kaum noch möglich sein. Und um Lichtstreuung zu umgehen, braucht es viel exaktere Masken und Spiegel. Obendrein ist ein präziserer Auftrag der dann ebenfalls veränderten Fotolacke gefordert.

EUV-Systeme ab 2018 im Markt

ASML berichtet bereits von vielversprechenden Versuchen mit Produktionsraten von über 1.000 Wafern pro Tag und 80-prozentiger Anlagenverfügbarkeit. Doch bis zur massenhaften EUV-Chipproduktion warten gerade auf Hersteller von Mess- und Inspektionssystemen enorme Herausforderungen. Gewünscht sind Systeme, die die nanometerfeinen Strukturen auf den 45 Zentimeter großen Wafern fertigungsbegleitend inspizieren. Für künftige Spiegel und Masken sind messtechnische Auflösungen im Sub-Nanometerbereich gefordert. Das kann nur mit ebenso präziser Positioniertechnik gelingen. Auch die Geschwindigkeit ist entscheidend: für die Inspektionen der einzelnen Prozessschritte der Halbleiterfertigung sind jeweils nur Zeitfenster von Millisekunden vorgesehen. Bei geplanten Produktionsraten von 1400 Wafern, die dicht an dicht mit vielen Milliarden Nano-Transformatoren bepackt werden, bleibt eine Minute Produktionszeit pro Wafer. Die Messtechnik bekommt davon nur Bruchteile. Doch wenn sie Fehler oder Abweichungen übersieht, ist der Schaden sofort immens.

Letztlich ist die Photonik in der Nanowelt allein auf weiter Flur: Nur sie kann die lasertechnischen und optischen Herausforderungen der EUV-Lithographie lösen. Nur sie hat Lösungen zur Inspektion der Optiken, Wafer und Fotolackschichten sowie der fertigen Mikrochips. Eines steht fest: Auch die nächsten Kapitel des Mooreschen Gesetzes wird die Photonik mit ihren intelligenten Lichtkegeln schreiben.

 
 
 
 
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