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Langer Überlebenskampf der Lichtoptik

02.02.2007
Um ihre Position als Megatechnologie weiterhin aufrechterhalten zu können, benötigt die Halbleiterindustrie dringend Photomasken, die immer kleineren Strukturen gerecht werden. Über die neuesten Entwicklungen auf diesem innovativen Technologiesektor diskutierten anlässlich der von der VDE/VDI-Gesellschaft Mikroelektronik, Mikro- und Feinwerktechnik (GMM) vom 22. bis 25. Januar im Minatec Conference Center in Grenoble veranstalteten Fachtagung „23rd European Mask and Lithography Conference EMLC2007“ führende Fachvertreter aus aller Welt.
Die insgesamt 72 wissenschaftlichen „Papers“, die entweder in Form eines Vortrags oder als Poster vorgestellt wurden, verteilten sich zu jeweils 50 Prozent auf Europa und nichteuropäische Länder. Die meisten Vorträge (Teilnehmer) kamen aus den USA, gefolgt von Deutschland, Frankreich und Japan.

In einem Punkt sind sich die Experten einig: Von der Verfügbarkeit innovativer Maskentechnologien hängt es ab, ob das Moore´sche Gesetz, welches seit über 40 Jahren den Takt in der Chipindustrie bestimmt, weiterhin Gültigkeit besitzt. Die von dem Intel-Gründer Gordon Moore im Jahre 1965 formulierte Zukunftsformel besagt zum einen, dass sich die Anzahl der Transistoren von integrierten Schaltungen alle 18 Monate verdoppelt was gleichbedeutend ist mit der Aussage, dass alle 3 Jahre eine neue Chip-Generation auf den Markt kommt, welche die 4-fache Menge an Transistoren auf den Chip vereint als die vorhergehende Generation. Zum anderen besagt das Gesetz auch, dass in jeder neuen Generation die Transistoren gegenüber der Vorhergehenden günstiger werden sollen.

Noch kein technischer Durchbruch bei Extrem-UV (EUV)

Damit ist die „Miniaturisierungsfalle“ vorgezeichnet, denn mittlerweile haben die Schaltungsgeometrien der ICs Dimensionen erreicht, welche die lithographischen Masken im Zuge der weiteren Miniaturisierung zu einem kritischen Element werden lassen, da nach den Gesetzen der Schulphysik die stetige Verkleinerung der Chipstrukturen durch die Wellenlänge der hierfür verwendeten Lichtquellen limitiert ist. Vor diesem Hintergrund ist es nicht verwunderlich, dass sich auf der EMLC2007 zehn Beiträge der Lithographie mit extrem kurzwelligem UV-Licht (EUV) widmeten. Der technologische Durchbruch lässt aber nach wie vor auf sich warten. „Zurzeit gibt es weltweit nur zwei Belichtungsmaschinen, die eine steht in den USA in Albany, die andere im belgischen Leuven“, kommentiert EMLC-Chairman Dr. Uwe Behringer, Geschäftsführer der Unternehmensberater Firma UBC Microelectronics. Der Flaschenhals dieser Technologie sei die Herstellung defektfreier Masken.

Andere Entwickler haben ihren Fokus hingegen weiterhin auf die erprobte Lichtoptik gerichtet und versuchen, mit Hilfe technischer und physikalischer Tricks die von der Natur gesetzten Limits zu überbrücken. Die vorläufig letzte Stufe der Lichtoptik ist die 193 nm-Linie, die sich mit Hilfe eines Argon-Fluorid (ArF)-Excimerlasers generieren lässt. Die nächste Stufe wäre die 157nm-Linie, die sich mit Fluor (F2)-Excimerlasern erzielen lässt. Allerdings scheuen viele Entwickler den damit verbundenen finanziellen und wirtschaftlichen Aufwand, weil sowohl neue Masken- und Linsenmaterialien als auch neue Resistsysteme für 157nm zu entwickeln sind.

Der Trick mit dem Brechungsindex

Alternativ wird seit einigen Jahren versucht, mit dem bewährten ArF-Excimerlaser Strukturfeinheiten zu erzielen, die theoretisch erst mit der 157 nm-Linie machbar wären. Hierzu ist es allerdings erforderlich, zwischen der Linse und dem Wafer eine Immersionsschicht zu integrieren, wodurch Brechungsindex und damit auch Tiefenschärfe erhöht wird. Zunächst kam als Immersions-Flüssigkeit reines Wasser zum Einsatz, dessen numerische Apertur bei 1.38 liegt. Die numerische Apertur, kurz NA genannt, beschreibt das Auflösungsvermögen eines Objektivs. Je größer ihr Wert ist, desto besser löst ein Objektiv Details im Präparat auf. „Inzwischen sind NA-Werte bis zu 1.6 oder 1.7 im Gespräch“, erläutert Behringer. Derartige Brechungsindices lassen sich unter anderem mit organischen Öle oder konzentrierten Salzlösungen erzielen. Mit Hilfe dieser Technik soll es möglich sein, Strukturgrößen von in nächster Zukunft 65nm bis 45nm zu erreichen. Experten wie Behringer schließen auch nicht aus, dass es auch mit Hilfe der Immersionstechnik möglich ist, bis in den 32 nm-Bereich vorzudringen.

Einen Dämpfer bekam hingegen die anfängliche Euphorie um die Nanoimprint-Lithographie, die erstmals im Mai 2003 anlässlich der „47th International Conference on Electron, Ion and Photon Beam (EIPBN)“ in Tampa im US-Bundesstaat Florida der Öffentlichkeit vorgestellt wurde. Bei dem Verfahren wird eine Art Stempel, der mit Hilfe eines hoch auflösenden Elektronenstrahlschreibers erzeugte Strukturen im „sub-100 nm-Bereich“ enthält, in ein niederviskoses Polymer gedrückt. Behringer zufolge gestalte es sich aber schwierig, beim Auftrag mehrerer übereinander liegender Schichten eine ausreichende Überlagerungspräzision zu erzielen. So liege Toleranzgrenze der Ungenauigkeit bei Strukturen von 65nm bei nur 20 nm.

Einen anderen Zugang zur verbesserten Auflösung bieten die so genannten RET-Technologien (Resolution Enhancement Techniques), unter denen die OPC-Technik (Optical Proximity Correction) die größte Bedeutung erlangt hat. In der OPC-Technik werden die ursprünglichen Strukturen des Design-Datensatzes so verändert, dass die durch die Beugung des Lichts bedingte „Strukturverschmierung“ weitgehend kompensiert wird. Im Zuge dieser Verschmierung wird zum Beispiel eine quadratische Struktur in der Maske durch die Beugung des Lichts an der Maske und Abbildungsfehler in dem Linsensystem zu einem Kreis im Resist. Durch die OPC-Technik werden die Ecken des Quadrats in der Maske mit zusätzliche Strukturen versehen, wodurch die absorbierte Lichtenergie in den Ecken vergrößert wird, was wiederum die Verrundung des Resistbildes minimiert. Unter dem Strich lassen sich auf diese Weise Strukturfeinheiten darstellen, die deutlich kleiner sind als die Wellenlänge des verwendeten Lichts.

Relativ neu ist der Einsatz der Doppelbelichtungstechnik in der Lithografie. Die Idee hier ist, dass man bei sehr eng zusammen stehende Strukturen im Design jede zweite Struktur im Design weglässt. Die Maske beinhaltet also nur die eine Hälfte des Designs. Die belichteten Strukturen im Photolack werden prozessiert. Danach wird neuer Photolack auf den Wafer gebracht. Dieser wird nun mit Hilfe einer Maske belichtet, die das komplementäre Design enthält. Ähnlich wie bei der Nanoimprint-Technologie gestaltet sich das exakte Überlagern, das exakte Zusammenbringen der sich komplementär ergänzenden Strukturen jedoch als schwierig.

Rolf Froböse | Rolf Froböse
Weitere Informationen:
http://www.vde.com

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