Kann man auch 3-nm-Chips herstellen, ohne EUV-Technologie?

In der Halbleiterentwicklung der letzten Jahrzehnte kann man sagen, dass jede Miniaturisierungsschritte auf die Lithografieleistung angewiesen war. Vom DUV zum EUV, von 193 nm auf 13,5 nm und schließlich zum High-NA EUV hat sich die gesamte Branche um eine zentrale Variable herum weiterentwickelt: wie man mit kürzeren Wellenlängen feinere Linien auf Siliziumscheibenätzen kann. Es ist jedoch eine unbestreitbare Tatsache, dass die Lithografie immer teurer, komplexer und unverzichtbarer wird.

Mit fortschreitender Miniaturisierung der Prozesstechnologie steigen die Preise für Wafer linear an. Die Preise für 5-nm/3-nm-Wafer haben bereits die Marke von 20.000 US-Dollar überschritten, und es wird prognostiziert, dass der Preis für einen einzelnen 2-nm-Wafer den historischen Höchstwert von 30.000 US-Dollar erreichen wird. Der Kerngrund für diese Preisschwung ist die extreme Schwierigkeit der Musterung bei fortschrittlichen Prozesstechnologien. Eine EUV-Lithografieanlage kostet über 150 Millionen US-Dollar, und die Lieferzeit beträgt über ein Jahr. Der High-NA EUV ist noch teurer, und weltweit gibt es nur einen Anbieter, nämlich ASML. Angesichts des Explosionsanstiegs der KI-Rechenleistung wird diese Engstelle noch stärker spürbar.

Genau in diesem Kontext hat ein junges Unternehmen aus Lund, Schweden, namens AlixLabs einen völlig anderen Ansatz vorgeschlagen: Statt die Muster zu ätzen, werden sie "geteilt". Das Unternehmen plant, seine APS-Technologie (Atomic Layer Etching Pitch Splitting) einzusetzen, um Musterungen im 5-nm- oder sogar 3-nm-Bereich ohne EUV zu erreichen.

Der Ursprung der Technologie: Ein Zufallsfund im Labor

Um Weihnachten 2015 hat ein zunächst unbedeutendes Experiment im Labor der Universität Lund in Schweden versehentlich einen neuen technologischen Weg eröffnet.

Forscher der Universität Lund in Schweden versuchten, die Größe von Oberflächen-Nanodrähten zu verkleinern, als sie ein ungewöhnliches Phänomen beobachteten: Die Nanodrähte wurden nicht nur dünner, sondern "teilten" sich auch in zwei dünnere Strukturen auf. Der leitende Forscher Jonas Sundqvist erkannte schnell, dass dies etwas Außergewöhnliches war. Für diejenigen, die mit Halbleiterprozessen vertraut sind, war die Bedeutung dieses Phänomens klar: Es entspricht einer natürlichen Mehrfachmusterung. Diese Entdeckung hat die theoretische Möglichkeit eröffnet, die Miniaturisierung (Scaling) ohne Lithografie zu erreichen.

Atomare Ätzung spaltet eine Linie in zwei auf

In der Zeit, als EUV noch nicht reif war, gründete die Branche auf SADP (Self-Aligned Double Patterning) und SAQP (Self-Aligned Quadruple Patterning), um die Miniaturisierung fortzusetzen. Die Kosten dieser Lösungen waren jedoch ein exponentielles Ansteigen der Prozesskomplexität.

Im Jahr 2019 gründeten Jonas Sundqvist zusammen mit seinen Mitbegründern Amin Karimi und Stefan Svedberg das Unternehmen Alixlabs, dessen Hauptsitz in Lund liegt. Danach haben sie diese Technologie weiterentwickelt.

Die Kerntechnologie von AlixLabs basiert auf einer Erweiterung der Atomlagenätzung (ALE). Ähnlich wie die etabliertere Atomlagenabscheidung (ALD) ist auch die ALE ein selbstbegrenzender Prozess, aber in entgegengesetzter Richtung: ALD fügt Atome Schicht für Schicht hinzu, während ALE Atome Schicht für Schicht entfernt.

Diese atomare Subtraktion bringt drei Schlüsselkompetenzen mit sich: Erstens, eine extreme Größenkontrollfähigkeit. Jeder Ätzschritt erfolgt auf atomarer Ebene, was es möglich macht, die CD-Kontrolle in den Sub-10-nm-Bereich zu bringen. Zweitens, eine Selbstausrichtungsfähigkeit der Morphologie. Die Seitenwände von Nanostrukturen können während des Ätzprozesses als natürliche Masken dienen. Drittens, eine hohe Dimensionalitätstreue von 3D-Strukturen. Im Vergleich zur herkömmlichen Ätzung ist die ALE für komplexe Strukturen (wie FinFETs und GAA) freundlicher.

Umgehen von EUV: Die horizontale Geometrie von APS?

Auf dieser Grundlage hat AlixLabs den Kernprozess APS (Atomic Pitch Splitting) vorgeschlagen. Im Wesentlichen nutzt es die ALE, um bestehende Muster zu kopieren und zu teilen, um eine Dichteverdopplung zu erreichen. In Bezug auf das Ergebnis ähnelt es SADP/SAQP, aber der Weg ist völlig unterschiedlich: EUV ätzt direkt mit kürzeren Wellenlängen, was teuer ist; SADP/SAQP erfordert mehrfache Lithografie und Abscheidungsprozesse, was den Prozess komplex macht; APS teilt die Strukturen durch Ätzen, was den Prozess relativ vereinfacht.

Wie in der folgenden Abbildung gezeigt, erfordert der herkömmliche SADP-Prozess bei der Halbierung des Pitchs (40 nm → 20 nm) mehrere Schritte wie Lithografie, Photolackbehandlung, Oxidschichtabscheidung, Spacer-Ätzung, Hartmaskenätzung und Reinigung. Die Technologie von AlixLabs besteht nur aus zwei Schritten: Lithografie und APS. Darüber hinaus ist die Qualität der mit APS hergestellten Strukturen gut, und die Linienhomogenität und -senkrechtigkeit sind nicht schlechter als bei herkömmlichen Prozessen.

Vergleich von APS und herkömmlichem SADP

Alixlabs hat auch demonstriert, wie APS in den realen Prozessfluss integriert werden kann. Der grobe Ablauf ist wie folgt: NIL (Nanoimprintlithografie) → Entfernen von Restlack → Musterübertragung → Entlackung → APS. Das heißt, man erstellt zunächst eine noch nicht feine genug Struktur mit herkömmlichen Methoden und führt dann die atomare Ätzungsteilung mit APS auf der bestehenden Struktur durch. Das Ergebnis ist eine Halbierung von 205 nm auf 109 nm ohne die Notwendigkeit von Lithografie.

Wie APS in den realen Prozessfluss integriert wird

Wichtig ist auch, dass APS kein "lokales Optimierungswerkzeug" für einen bestimmten Knotenpunkt ist, sondern eine universelle Fähigkeit zur Strukturskalierung. Experimente mit verschiedenen Anfangsabständen von 100 nm bis 20 nm zeigen, dass APS stabil eine etwa zweifache Abstandsreduzierung und eine gleichzeitige Verringerung der Linienbreite erreichen kann.

100 nm → 54 nm → 32 nm → 20 nm, in jeder Spalte wird eine "annähernde Halbierung des Abstands" erreicht

Im Jahr 2024 wurde erfolgreich eine APS-Musterung auf Silizium (Si)-Substraten basierend auf EBL realisiert, was einen Sprung von Verbindungshalbleitern zu den herrschenden Silizium-Halbleitern darstellt. Aus den experimentellen Ergebnissen geht hervor, dass APS auf Siliziummaterialien eine CD im 10-nm-Bereich und einen Halb-Pitch im 12,5-nm-Bereich erreicht hat. Dieser Wert nähert sich bereits der Leistungsfähigkeit von Low-NA EUV. Obwohl High-NA EUV immer noch Vorteile in Bezug auf die Grenzgröße und die Linienkantenrauhigkeit hat, bietet die Kombination "annähernd EUV-Leistung + deutlich niedrigere Kosten" von APS das Potenzial, als Ersatzlösung für einige Prozessschichten zu dienen.

APS vs. die drei am weitesten verbreiteten fortschrittlichen Prozesswege in der Branche

Was noch subversiver ist, ist, dass APS nicht nur eine einmalige Abstandsaufspaltung ermöglichen kann, sondern auch über eine wiederholbar einsetzbare "Schichtskalierungsfähigkeit" verfügt. Durch zwei APS-Behandlungen kann die ursprüngliche Struktur von etwa 95 nm auf die 20-nm-Ebene komprimiert werden, was dem Ergebnis der herkömmlichen Vierfachmusterung (SAQP) entspricht, aber der Weg ist stark vereinfacht. Dies bedeutet, dass die "Mehrfachmusterung" in fortschrittlichen Prozesstechnologien von einem auf komplexen Prozessstapeln basierenden Ingenieurproblem in ein auf atomarer Ätzung basierendes physikalisches Problem umgewandelt werden kann. Die auf der rechten Seite der folgenden Abbildung gezeigte 5-nm-Struktur und die annähernd gitternahe Atomanordnung deuten auch darauf hin, dass diese Technologie sich der Materialgrenze nähert und neue Wege für zukünftige Sub-5-nm- oder noch fortschrittlichere Knotenpunkte eröffnet.

APS kann nicht nur "×2", sondern auch "×4" erreichen

Es ist bekannt, dass AlixLabs die Entwicklung eines 300-mm-APS-Geräts abgeschlossen hat und es in seiner Reinraumanlage in Lund stabil betreibt.

APS ist eine starke Ergänzung zur Nanoimprintlithografie (NIL) und kann die Auflösung von dichten Linienmustern erweitern. Es kann als Alternative zu herkömmlichen Mehrfachmusterungstechnologien (wie SADP, SAQP und LELE) dienen und hat das Potenzial, die Kosten zu senken, die Auflösung zu verbessern und eine bessere Nachhaltigkeit zu gewährleisten.

"Wir schätzen, dass APS die Herstellungskosten von Spitzenlogik- und Speicherwafern um bis zu 40 % pro Maskenschicht senken und gleichzeitig die Produktivität steigern kann", fügt Sundqvist hinzu.

Unterstützung von Großkonzernen: Schlüsselerfolg bei der Industrialisierung

Dieses junge Unternehmen hat zusammen mit Intel kürzlich erfolgreich eine 12,5-nm-Halb-Pitch-Finnenstruktur auf Bulk-Silizium demonstriert, ohne die Verwendung der Extreme-Ultraviolett-Lithografie (EUV) zu benötigen. Diese Abmessungen entsprechen den derzeitigen Spitzenlogikchips im 3-nm-Bereich. "Unsere Mission ist es, Geräte zu entwickeln, die es Unternehmen ermöglichen, die Produktion auf 5 nm oder darunter zu verkleinern, die nicht über EUV-Geräte verfügen. Indem wir die Abhängigkeit von EUV-Lithografie beseitigen, bieten wir der Branche einen Weg zu einer nachhaltigeren und kostengünstigeren Produktion von Hochdichtechips", so Sundqvist.

Im Jahr 2025 hat AlixLabs zusammen mit UMC (United Microelectronics Corporation) eine Wafer-Level-Demonstration durchgeführt und mit der Immersions-Argonfluorid-Lithografie (ArFi) erfolgreich einen Halb-Pitch von 19 nm erreicht.

Nach den neuesten Aussichten von AlixLabs im Jahr 2026 hat sich die Anwendung von APS in alle Schlüsselbereiche der Halbleiterherstellung ausgebreitet. Neben der klassischen Linienabstandsaufspaltung hat es derzeit drei neue Höhen: Durch die präzise Bearbeitung von Vias (Durchkontakten) löst APS die Engstelle bei der mehrschichtigen Schaltungsinterkonnektion. Vom harten Hartmaskenmaterial bis hin zum anspruchsvollen Photolack wird APS die extreme Flexibilität der Atomlagenätzung (ALE) unter Beweis stellen.

Um das traditionelle Lithografieverfahren zu überholen, reicht es nicht aus, nur über ein neues Verfahren zu verfügen. Es müssen auch passende Geräte vorhanden sein. Die von AlixLabs veröffentlichte Geräteroadmap zeigt, dass der kommerzielle Prozess in die Schnellspur geraten ist: Das Alpha-Gerät kann bereits für 300-mm-Waferdemonstrationen verwendet werden und hat den physikalischen Sprung von 0 auf 1 geschafft. Es kann sofort geliefert werden. Das Beta-Gerät mit automatisierter Clusterfähigkeit wird voraussichtlich im dritten Quartal 2026 ausgeliefert. Dies wird der Eintrittskarte für die Spitzenlinien von Halbleiterfabriken sein. Die Gamma-Plattform ist für die HVM (High-Volume Manufacturing) konzipiert und befindet sich derzeit in der Konzeptphase.

Fazit

Insgesamt bietet APS für diejenigen Waferfabriken, die keinen Zugang zu EUV-Kontingenten haben oder die hohen Kapital- und Betriebskosten nicht tragen können, nicht nur eine Alternative, sondern auch einen praktikablen "zweiten Weg".

Naturgemäß wird APS EUV nicht in absehbarer Zeit ersetzen. Für die neuesten Knotenpunkte, insbesondere die Grenzgrößen, auf die High-NA EUV abzielt, bleibt die Lithografie weiterhin das unverzichtbare Kernwerkzeug. In vielen nicht-kritischen Schichten und in kostensensitiven Anwendungsfällen hat APS jedoch das Potenzial, eine kosteng