Über EUV-Lithografie hinaus: Neue Fortschritte

Es ist allbekannt, dass heute fast alle Chips mit Photolithografie hergestellt werden. Die fortschrittlichsten Chips basieren auf EUV-Photolithografie, die mit einer Arbeitswellenlänge von 13,5 nm arbeitet und Merkmale bis hinunter zu 13 nm (Low NA EUV mit einer numerischen Apertur von 0,33), 8 nm (High NA EUV mit 0,55 NA) und sogar 4 nm bis 5 nm (Hyper NA EUV mit 0,7 – 0,75 NA) erzeugen kann. Dies geht jedoch mit einem äußerst komplexen Photolithographiesystem einher, das sehr fortschrittliche optische Komponenten aufweist und Hunderte von Millionen von US-Dollar kostet.

Deshalb suchen Forscher nach besseren Methoden, und „Beyond-EUV“ ist zu einer Forschungsrichtung für viele Hersteller geworden.

Laut einer von der Zeitschrift „Cosmos“ zitierten Studie in der Zeitschrift „Nature“ haben Forscher der Johns Hopkins University eine neue Methode zur Chipherstellung vorgestellt. Diese Methode nutzt Laser mit einer Wellenlänge von 6,5 nm bis 6,7 nm (auch als Weiche Röntgenstrahlung bezeichnet) und kann die Auflösung von Photolithografiewerkzeugen auf 5 nm und darunter verbessern.

Die Wissenschaftler nennen ihre Methode „Beyond-EUV“ (BEUV) – was darauf hinweist, dass ihre Technologie die branchenübliche EUV-Photolithografie ersetzen könnte. Die Forscher geben jedoch zu, dass es noch mehrere Jahre dauern wird, bis sie selbst ein experimentelles B-EUV-Werkzeug herstellen können.

Eine „Beyond-EUV“-Technologie

Leser, die mit der Photolithografie vertraut sind, wissen, dass man zur Erzielung einer höheren Photolithografieauflösung entweder die numerische Apertur (NA) erhöhen oder die Wellenlänge verkürzen muss (oder beides). Die numerische Apertur bezeichnet den Winkel, unter dem das Licht fokussiert wird. Je größer der Winkel, desto kleiner der Lichtfleck und desto höher die Auflösung.

Was die Wellenlänge betrifft, so hat sich die Fotolithografie seit der Entstehung der ersten Fotolithografieanlage im Jahr 1961 von der Kontakt- über die Nähe- zur Projektionsfotolithografie entwickelt, wobei heute die schrittweise Scan-Fotolithografie im Projektionsverfahren der Standard ist. Die Wellenlänge der Lichtquellen in Fotolithografieanlagen hat sich von den frühen Ultraviolettlichtquellen (ultraviolet, UV), wie der g-Linie (Wellenlänge 436 nm) und der i-Linie (Wellenlänge 365 nm), über die tiefen Ultraviolettlichtquellen (deep ultraviolet, DUV) wie KrF (Wellenlänge 248 nm) und ArF (Wellenlänge 193 nm) bis hin zur extremen Ultraviolettlichtquelle (extreme ultraviolet, EUV) mit einer Wellenlänge von 13,5 nm entwickelt.

Dieser Entwicklungsprozess ist auf die Überlegungen der Wissenschaftler bezüglich dieser Geräte und der physikalischen Prinzipien zurückzuführen. Nehmen wir DUV und EUV als Beispiel. DUV wird von Excimerlasern erzeugt. Forscher haben eine Vielzahl von Gasen getestet, um emittierende Stoffe mit hoher Effizienz zu identifizieren. Schließlich haben sie einige gute emittierende Stoffe wie KrF (248 nm), ArF (193 nm) und F2 (157 nm) gefunden und auf deren Grundlage Fotolithografieanlagen entwickelt.

Andererseits wird EUV von fast allen Materialien absorbiert, selbst die besten Spiegel absorbieren einen großen Teil davon. Selbst wenn man eine starke EUV-Strahlungsquelle findet, kann man ohne einen guten Spiegel keine EUV-Maschine bauen. Mit anderen Worten, der geschwindigkeitsbestimmende Faktor bei EUV ist der Spiegel und nicht die Lichtquelle. Deshalb muss man viele Wellenlängen an verschiedenen Materialien testen. Die optimale Wellenlänge ist 13,5 nm, bei der die Reflektivität auf einem mehrschichtigen Mo/Si-Spiegel bis zu 70 % beträgt. Dies ist der Grund, warum die gegenwärtigen EUV-Maschinen auf dieser Wellenlänge basieren.

Die Wellenlänge von 6,7 nm wird als nächste Wahl in Betracht gezogen, weil sie die zweithöchste Reflektivität aufweist, die etwa die Hälfte der Reflektivität bei 13,5 nm beträgt. Theoretisch kann man eine EUV-Maschine für diese Wellenlänge bauen. Es gibt jedoch einige Dinge zu beachten:

Zunächst ist zwar die Reflektivität bei 6,7 nm nur geringfügig niedriger als bei 13,5 nm (61 % gegenüber 70 %), man muss jedoch bedenken, dass EUV-Licht vor dem Erreichen des Wafers 11 Mal reflektiert werden muss. Dies bedeutet, dass jeder kleine Nachteil um den Faktor 11 verstärkt wird. Wenn man die Rechnung macht, ist die Transmissionsrate bei 6,7 nm nur ein Viertel der Rate bei 13,5 nm.

Zweitens müssen mehrschichtige Spiegel konstruktive Interferenzen zwischen den verschiedenen Schichten aufweisen, um die optimale Reflektivität zu erreichen. Dies bedeutet, dass jede kleine Abweichung zwischen der Wellenlänge und der Spiegelperiode die Reflektivität stark verringert. Dieser Effekt ist bei kürzeren Wellenlängen noch deutlicher. Man kann sehen, dass die Reflektivitätskurve bei 13,5 nm wie ein Turm aussieht, während die Kurve bei 6,7 nm wie eine Nadel aussieht. Dies stellt eine große Herausforderung für die Lichtquelle dar.

Aber aus Sicht der Branchenentwicklung ist die B-EUV-Lichtquelle noch nicht ausgereift. Viele Forscher haben verschiedene Methoden zur Erzeugung von Strahlung mit einer Wellenlänge von 6,7 nm getestet (z. B. Plasma, das von einem Gadolinium-Laser erzeugt wird), aber es gibt bisher keine branchenübliche Methode. Zweitens interagieren diese kürzerwelligen Photonen mit höherer Energie schlecht mit den herkömmlichen Fotolackmaterialien, die in der Chipherstellung verwendet werden. Drittens wurde bisher kein mehrschichtiger Spiegel für diese Strahlung hergestellt, da Licht mit einer Wellenlänge von 6,5 nm bis 6,7 nm von fast allen Materialien absorbiert und nicht reflektiert wird.

Schließlich müssen diese Photolithografiewerkzeuge von Grund auf neu entwickelt werden, und es gibt derzeit kein Ökosystem, das diese Entwicklung unterstützt, einschließlich Komponenten und Verbrauchsmaterialien. Insgesamt müssen bei der Herstellung einer B-EUV-Maschine (oder einer Weichen-Röntgenstrahlmaschine?) Brüche durchgebrochen werden bei der Lichtquelle, den Projektionsspiegeln, dem Fotolack und sogar bei Verbrauchsmaterialien wie Folien oder Photomasken.

Mehrere Optionen für die Lichtquelle

Um dieses Konzept umzusetzen, haben einige Hersteller in den letzten Monaten Fortschritte bei den relevanten Lichtquellen und verschiedenen Technologien erzielt. Beispielsweise wird Ende des vergangenen Jahres in einem Labor in Kalifornien die Grundlage für die nächste Entwicklung der extremen Ultraviolett(Extreme Ultraviolet, EUV)-Fotolithografie gelegt.

Das Projekt wird vom Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) geleitet und zielt darauf ab, die nächste Phase der Entwicklung der EUV-Fotolithografie voranzutreiben. Der Kern des Projekts ist ein eigenentwickeltes Antriebssystem – der Großapertur-Thulium (BAT)-Laser. Laut Angaben des Labors wird in diesem Projekt getestet, ob der BAT-Laser die Effizienz der EUV-Lichtquelle auf etwa das Zehnfache der derzeitigen branchenüblichen Kohlendioxid(CO2)-Laser erhöhen kann.

Ein Startup namens Inversion nutzt ebenfalls ein Phänomen namens Laser Wakefield Acceleration (LWFA), um eine kompakte, hochleistungsfähige Lichtquelle herzustellen. Laut Angaben des Unternehmens nutzt LWFA die Wechselwirkung eines starken Laserimpulses mit einem Plasma, um Elektronen innerhalb einer sehr kurzen Entfernung auf extrem hohe Energien zu beschleunigen. Dieser Prozess ähnelt dem Surfen eines Surfers auf der Wellenfront hinter einem Boot: Die Elektronen „surfen“ auf der Plasmawelle und gewinnen dabei Energie.

Inversion geht davon aus, dass das Unternehmen mit LWFA in kurzer Entfernung Elektronen auf Energien von mehreren GeV beschleunigen kann. Diese hochenergetischen Elektronen durchlaufen dann einen Freie-Elektronen-Laser, der eine magnetische Struktur nutzt, um die Elektronen dazu zu bringen, kohärentes Licht mit einer exakten Wellenlänge zu emittieren. LWFA kann den herkömmlichen Teilchenbeschleuniger zur Erzeugung von hochenergetischem Licht um das 1000-fache verkleinern, auf die Größe eines Tischgeräts, d. h. von einigen Kilometern auf etwa einen Meter.

Laut ihrer Einschätzung plant Inversion, sein fortschrittliches Lichtprojektionssystem wie ein herkömmliches EUVL zu nutzen, aber die Wellenlänge des Lichts kann auf 13,5 nm oder darunter eingestellt werden, und das Ziel der nächsten Generation ist eine Wellenlänge von 6,7 nm.

Darüber hinaus entwickelt ein weiteres Startup namens Lace Lithography AS eine Fotolithografie-Technologie, die Atome, die auf eine Oberfläche geschossen werden, nutzt, um Merkmale zu definieren. Die Auflösung dieser Technologie übertrifft die der EUV-Fotolithografie. Das Unternehmen behauptet auf seiner Website: „Indem wir Atome anstelle von Licht nutzen, bieten wir Chipherstellern Funktionen, die 15 Jahre vor der aktuellen Technologie liegen, und dies zu niedrigeren Kosten und mit weniger Energieverbrauch.“

Das Startup xLight versucht ebenfalls, die herkömmliche EUV-Technologie zu übertreffen, und hat sich für den Freie-Elektronen-Laser (FEL) entschieden. Laut Angaben des Unternehmens handelt es sich dabei im Wesentlichen um eine hochleistungsfähige Lichtquelle, die Elektronen nutzt, um Licht mit verschiedenen Wellenlängen zu erzeugen. Ein Teilchenbeschleuniger ist ein System, das geladene Teilchen beschleunigt.

Ehrlich gesagt sind Freie-Elektronen-Laser (FEL) und Teilchenbeschleuniger keine Neuheiten. Unternehmen, Forschungsinstitute und Universitäten haben seit Jahren Teilchenbeschleuniger betrieben, um winzige subatomare Teilchen wie Protonen, Neutronen und Quarks zu erzeugen. Diese Systeme werden normalerweise in der Physik und anderen wissenschaftlichen Anwendungen eingesetzt. Freie-Elektronen-Laser (FEL) gibt es schon seit langem.

In der Technologie von xLight werden Elektronen zunächst in einen Teilchenbeschleuniger injiziert und gelangen dann in einen Freie-Elektronen-Laser (FEL). xLight erklärt: „Der FEL nutzt die Elektronen aus dem Teilchenbeschleuniger und lässt sie durch einen Undulator mit einem periodischen Magnetfeld laufen, um einen kohärenten, hochintensiven Lichtstrahl zu erzeugen.“

Einfach ausgedrückt, wird EUV-Licht im Beschleuniger erzeugt. Dann wird das EUV-Licht durch eine Art Photonenröhre aus dem Teilchenbeschleuniger in die Waferfabrik geleitet. An diesem Punkt wird das EUV-Licht in eine Unter-Waferfabrik geleitet. In der Unter-Waferfabrik gibt es verschiedene unabhängige Systeme, die als „Umschaltstationen“ bezeichnet werden. Laut dem Video von xLight ist jede Umschaltstation für ein EUV-Werkzeug in der oberen Waferfabrik spezialisiert. Während des Betriebs wird das EUV-Licht an jede Rotationsstation in der Unter-Waferfabrik geleitet. Dann empfängt jede Rotationsstation das Licht und leitet es an das EUV-System in der oberen Etage der Waferfabrik weiter. Dies versorgt wiederum das EUV-Werkzeug mit Energie.

In diesem Fall enthält das EUV-Fotolithografiewerkzeug selbst keine LPP-Lichtquelle. Stattdessen wird EUV-Licht im Teilchenbeschleuniger erzeugt und dann an das EUV-Werkzeug in der Waferfabrik geleitet. Dies ist eine einfache Beschreibung eines komplexen Prozesses.

Trotzdem erzeugt die FEL-Lichtquelle von xLight eine viermal höhere Leistung als die derzeitigen LPP-Anlagen. xLight erklärt: „Durch die Bereitstellung von bis zu viermal höherer EUV-Leistung können Waferfabriken die Muster verbessern, die Produktivität und die Ausbeute erhöhen, was pro Scanner pro Jahr zusätzliche Multimillionen-Dollar-Einnahmen bedeutet und die Kosten pro Wafer um etwa 50 % senkt. Darüber hinaus kann ein einzelnes xLight-System bis zu 20 ASML-Systeme unterstützen und hat eine Lebensdauer von bis zu 30 Jahren, wodurch die Kapital- und Betriebskosten um mehr als das Dreifache gesenkt werden.“

Theoretisch kann die Technologie von xLight für Low-NA-EUV, High-NA-EUV und sogar Hyper-NA-EUV eingesetzt werden. Im Bereich der Forschung und Entwicklung arbeitet ASML an der Entwicklung der 0,75-Hyper-NA-EUV-Technologie, die auf eine noch weiter entfernte Zukunft abzielt.

xLight hat möglicherweise noch einen anderen Ansatzpunkt. Das Unternehmen ist Mitglied der Blue-X-Allianz. Blue-X, organisiert von EUV Litho, schlägt die Verwendung der EUV-Fotolithografie mit einer Wellenlänge von 6,7 nm vor. Die 6,7-nm-EUV-Technologie ist ebenfalls eine sehr zukunftsträchtige Technologie. Derzeit hat Blue-X 70 Mitgliedsorganisationen.

Neuer Durchbruch bei Fotolacken

Kürzlich hat die Johns Hopkins University einen neuen Durchbruch bei Fotolacken erzielt.

Das Forschungsteam von Michael Tsapatsis, Professor für Chemie und Biomolekularingenieurwesen an der Johns Hopkins University in den Vereinigten Staaten, hat festgestellt, dass Metalle wie Zink B-EUV-Licht absorbieren und Elektronen emittieren können, was wiederum eine chemische Reaktion in einer organischen Verbindung namens Imidazol auslöst. Diese Reaktionen ermöglichen es, sehr feine Muster auf Halbleiterwafern zu ätzen.

Interessanterweise zeigt Zink bei der herkömmlichen 13,5-nm-EUV-Strahlung schlechte Ergebnisse, ist aber bei kürzeren Wellenlängen sehr effektiv. Dies unterstreicht die Wichtigkeit, die richtige Wellenlänge mit dem richtigen Material zu kombinieren. Um diese metallorganischen Ver