Licht für die kommende Chipgeneration

Die Halbleiterindustrie steht vor einem großen Technologiesprung: Ab 2009 sollen die Schaltungen mit extremer ultravioletter Strahlung belichtet werden. Für ihre EUV-Quelle werden Aachener Forscher heute in Dresden mit dem Wissenschaftspreis des Stifterverbands geehrt.

Seit den Anfängen der Halbleiterfertigung werden Chips durch Belichtung hergestellt. Dabei projiziert ein Stepper Licht durch eine Maske auf die Oberfläche eines Siliziumwafers, der mit Fotolack überzogen ist, und überträgt so die winzigen Strukturen. Um mehr Transistoren auf einem Chip unterzubringen, müssen die Strukturen kleiner werden. Dies zwingt die Hersteller, zu Lichtquellen mit immer kürzerer Wellenlänge überzugehen. Durch ausgefeilte Techniken gelang es sogar, Strukturen zu erzeugen, die kleiner als die Wellenlänge sind. So werden heute mit Lithographieanlagen, in denen Excimerlaser bei 193 Nanometer im ultravioletten Bereich arbeiten, Prozessoren in 90-Nanometertechnik hergestellt. Doch bei etwa 50 Nanometern gerät die klassische optische Lithographie an ihre Grenzen.

Deshalb müssen vollständig neue Lithographietechniken entwickelt werden. Da die enormen Forschungs- und Entwicklungskosten die Möglichkeiten einzelner Hersteller überschreiten, hat die Halbleiterbranche weltweit verschiedene Techniken wie die EUV-, Röntgen-, Elektronenstrahl und Ionenstrahl-Lithographie untersucht und sich für den aussichtsreichsten Weg entschieden: EUV. Diese Technologie steht nun in den Roadmaps aller Halbleiterhersteller. Intel etwa will sie ab dem Jahr 2009 in der Massenproduktion einsetzen.

Die EUV-Lithographie verwendet Strahlung mit einer Wellenlänge von nur 13,5 Nanometern. Doch dieser Technologiesprung stellt eine größere Herausforderung dar als alle bisherigen Generationswechsel, denn es bedeutet die Entwicklung völlig neuer Lichtquellen, optischer Komponenten und Fotolacken. Da EUV von allen Materialien – auch von Luft – absorbiert wird, muss der gesamte Lithographieprozess im Vakuum ablaufen. Klassische Optiken können das extrem kurzwellige Licht nicht fokussieren; daher muss mit Multischicht-Spiegeln gearbeitet werden. Halbleiterhersteller stehen also vor vielen ungelösten technischen Problemen und einem gigantischen Investitionsrisiko.

„Dreh und Angelpunkt der EUV-Lithographie ist die Verfügbarkeit einer leistungsfähigen und wirtschaftlichen EUV-Quelle“, betont Dr. Klaus Bergmann vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT. EUVStrahlung kann man in einem extrem heißen Plasma erzeugen – und zwar auf zwei unterschiedliche Arten: durch Gasentladung oder durch Laserinduzierung. Die Aachener Forscher erreichten mit ihrem Konzept der Hohlkathoden-Gasentladung im internationalen Vergleich Spitzenwerte. Wegen der fruchtbaren und engen Zusammenarbeit von Forschung und Industrie wird der Verbund von Fraunhofer ILT, Lehrstuhl für Lasertechnik der RWTH Aachen sowie der Firmen AIXUV und Philips Extrem UV auf der Jahrestagung der Fraunhofer-Gesellschaft nun mit dem Wissenschaftspreis des Stifterverbands ausgezeichnet.

Die Grundlagen für das patentierte Konzept entstanden in den Jahren 1997 bis 2000 am ILT und am Lehrstuhl für Lasertechnik. Ein internationaler Vergleich zeigte, dass die „Aachener Lampe“ den US-amerikanischen Lösungen überlegen war. Um aber im Wettbewerb mithalten zu können, waren starke Industriepartner nötig. Im Jahr 2000 gründete Dr. Rainer Lebert – damals Mitarbeiter am ILT – die Firma AIXUV aus. Das Unternehmen fertigt und vertreibt kompakte und zuverlässige EUV-Laborquellen für Grundlagenuntersuchungen und darauf basierend Systeme für die EUV-Messtechnik und Qualitätskontrolle. „Wir haben beispielsweise an Infineon einen EUV-Photolack-Belichter geliefert, mit dem bereits Strukturen mit 50 Nanometern erzeugt wurden. Und für Schott entwickelten wir ein EUV-Reflektometer zur Maskenqualifikation“, erinnert sich Lebert an einige Aufträge.

Ein weiterer entscheidender Schritt zur Industrialisierung gelang den Forschern im Jahre 2001 mit der Gründung der Philips Extreme UV GmbH, einem Gemeinschaftsunternehmen der Fraunhofer-Gesellschaft und von Philips. Ziel dieses Unternehmens ist es, EUV-Quellen für die Halbleiterserienfertigung zu entwickeln. Dazu wurde ein Vertrag über die Lieferung von vier Prototypen mit dem holländischen Marktführer für Lithographiegeräte ASML abgeschlossen. „im Vergleich zu den Konkurrenten in den USA und Japan hatten wir einen guten Start“, erinnert sich Dr. Joseph Pankert, Geschäftsführer von Philips Extreme UV. „Derzeit macht aber insbesondere Intel gehörigen Druck. Unser Konzept hat den großen Vorteil, dass es am billigsten, einfachsten und kompaktesten ist. Im kommenden Jahr wollen wir den nächsten Prototypen einer EUV-Quelle mit besonders hoher Leistung an ASML ausliefern.“

Die Anforderungen der Halbleiterindustrie sind sehr hoch: Die EUV-Quelle muss mindestens 100 Watt Lichtleistung bringen. Inzwischen ist es den Forschern von Philips Extreme UV gelungen, den Weltrekord auf etwa 30 Watt zu erhöhen. Damit die Chipfertigung wirtschaftlich ist, müssen etwa 120 Wafer in der Stunde belichtet werden. Das Plasma darf nur einen Millimeter groß sein und muss 220 000 °C erreichen. Solche extremen Temperaturen lassen sich nur in kurzen energiereichen Pulsen beherrschen, um die Materialien, aus denen die Lichtquelle gebaut ist, nicht zu zerstören.

Ansprechpartner:

Dr. Klaus Bergmann
Telefon: 02 41 / 89 06-3 02, Fax: -1 21, klaus.bergmann@ilt.fraunhofer.de

Dr. Rainer Lebert
Telefon: 02 41 / 89 06-1 41, Fax: -1 21, lebert@aixuv.de

Dr. Joseph Pankert
Telefon: 02 41 / 89 06-4 80, Fax: -1 21, joseph.pankert@philips.com