SCHOTT solutions Nr. 1/2013 > Mikrolithografie

Aufgrund des kurzwelligen EUV-Lichts erfolgt die Belichtung der Wafer im Hochvakuum und über hochpräzise Spiegel. Grafik: ASML

Der feinste Photonenpinsel


Mit der Extrem-Ultraviolett-Technologie (EUVL) ist es gelungen, in der Chipproduktion einen bahnbrechenden Technologiewechsel zu vollziehen. Der Belichtungsgerätehersteller ASML hat mit der Serienproduktion entsprechender EUV-Waferscanner, der „TWINSCAN NXE”-Reihe, begonnen und wird das erste Gerät bis Ende des Jahres ausliefern. SCHOTT ist mit Komponenten und Know-how dabei.


Thomas H. Loewe

Die Zukunft ist heute – dank Mikrochips aus Silizium. Smartphones und Tablets sind Paradebeispiele. Und die Nachfrage nach immer leistungsfähigeren Prozessoren und Speichern nimmt extrem zu. Aber bisherige Belichtungsmaschinen, sogenannte Waferscanner, stoßen an Grenzen. Denn die Chipstrukturen sind jetzt schon kleiner als die Lichtwellen, die sie auf die ­Siliziumplättchen drucken. „Wir brauchten einen feineren Pinsel, damit die Miniaturisierung fortgeführt werden kann”, erklärt Jos Benschop, Vice President Research bei ASML, dem Weltmarkt­führer im Bereich Belichtungsgeräte. Jetzt hat das niederländische Unternehmen die lang ersehnte EUV-Technologie zur Marktreife geführt. Damit sind künftig Superchips mit extrem verringerten Strukturabständen von 18 Nanometern (1.8 x 10–5 mm) und kleiner realisierbar. Beim technologischen Quantensprung vertraut ASML auch auf höchste Präzision von SCHOTT: „ASML hat ein Hightech-Gerät entwickelt, das an den Grenzen der Physik kratzt. Wir sind stolz, als Partner mit Know-how und Produkten dabei zu sein”, sagt Antoon Wesselink, General Manager bei SCHOTT Benelux.
Für die neuste Generation von EUV-Waferscannern der ASML „TWINSCAN NXE” Serie liefert der Technologiekonzern SCHOTT unter anderem mehrere Meter lange Lichtleiter aus hochreinem Quarzglas. Foto: ASML
Denn: Heutige Mikroprozessoren haben über eine Milliarde Transistoren. Damit die winzigen Bauteile auf engstem Raum ­unterkommen, muss das Licht bei deren Fertigung schon jetzt ­besonders kurzwellig sein. Der Halbleiterdruck erinnert an die Funktionsweise eines Diaprojektors: Zunächst wird ein „Dia” des Schaltkreises, die sogenannte Fotomaske, mit Licht bestrahlt. Ein Linsensystem – beim EUV-System sind es Spiegel – fokussiert das Licht auf Siliziumwafer. Diese sind mit fotosensitivem Lack vor­behandelt, anschließend ätzen Chemikalien die unbelichteten Stellen an. Es entsteht ein dreidimensionales Bild der Schaltkreis-projektion. Nachträglich lassen sich Fremdatome ­gezielt in den Schaltkreis einbauen und Oxid- oder Metallschichten aufbringen. Insgesamt durchlaufen die Siliziumscheiben über 20 Produktionsschritte. Je nach Größe des Schaltkreises können pro Scheibe bis zu 50.000 einzelne Chips entstehen.

In den bisherigen Lithografiegeräten wurde für die Belichtung der Wafer ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 193 Na-nometern auf Basis von Argon-Fluor-Excimer-Lasern verwendet. Das neue Verfahren nutzt das extrem ultraviolette Lichtspektrum – kurz EUV – mit einer Wellenlänge von 13,5 Nanometern, das durch Plasmalaser-Strahlungsquellen (LDP und LPP) erzeugt wird. Die Arbeit mit dem extremen UV bringt neue Herausforderungen, denn: „EUV-Licht ist so kurzwellig, dass es bereits von der Luft komplett absorbiert wird. Die Belichtungder Wafer muss deshalb im Hochvakuum erfolgen”, erklärt Produktentwickler Jürgen Meinl, SCHOTT Lighting & Imaging, der für ASML mit Kollegen bereits an den Vorgängersystemenarbeitete. Die Eigenschaft der EUV-Strahlen macht es erforderlich, das herkömmliche Linsensystem von Wafersteppern durch Spiegel zu ersetzen. Denn auch die optischen Linsen würden die EUV-Photonen sofort absorbieren. Und selbst die Spiegel müssen besondere Eigenschaften haben, um den hohen Anforderungen zu genügen. Zum Beispiel sind sie laut Experten so glatt, dass bei ­einem Spiegel der Größe Deutschlands die Höhenunterschiede unter einem einzigen Millimeter liegen würden.
Die Zukunft der Halbleiterindustrie heißt EUVL: Die neue Technologie ermöglicht Superchips mit extrem verringerten Strukturabständen von 18 Nanometern und kleiner. Dies bedeutet nicht nur ein Plus an Leistung, sondern auch kostengünstigere Chipfertigung. Foto: Fraunhofer IWS

Serienfertigung startet in 2014


Höchste Präzision ist auch bei der Positionsbestimmung der Siliziumscheiben und der Ausrichtung der Belichtungsmaske gefordert. Dafür integrierte ASML in seine Prototypen Dutzende Sensoren, die mit Licht arbeiten. Die Sensoren selbst dürfen das
Belichtungssystem nicht beeinflussen. Denn die riesige Chipmaschine ist auf wenige Millikelvin genau temperiert. Um das Licht auf die Sensoren zu bringen, ist deshalb ein aufwendiges Lichtleitsystem aus Glasfasern notwendig. SCHOTT entwickelte dafür neue Glasfaserbündel aus hochreinem Quarz. Selbst die kleinste Verunreinigung würde in diesen Größenordnungen den Produktionsprozess stören. Obwohl ein Lichtleiterbündel aus eintausend einzelnen Fasern besteht, misst es nur 3,5 Millimeter im Durchmesser.

Von den Bündeln sind in dem neuen ASML-Gerät mehrere Meter verlegt. Dort, wo das Faserbündel in die Vakuumkammer eintritt, schaffen besondere Glas-Metall-Durchführungen von SCHOTT einen luftdichten Übergang. Und weitere wichtige Komponenten für das Hightech-Projekt kommen von SCHOTT: Für Photomasken- und Siliziumwaferhalter war ein Material mit besonders niedrigen Ausdehnungseigenschaften notwendig. Diese Anforderungen erfüllt ZERODUR® Glaskeramik. Der Werkstoff hat einen extrem geringen Ausdehnungskoeffizienten und ist deshalb für Anwendungen geeignet, die allerhöchste Präzision erfordern.

Die ersten EUV-Lithografiegeräte der „twinscan NXE”-­Familie von ASML haben ihre Abnehmer schon erreicht und mittlerweile über 30.000 Wafer belichtet. Die Serienfertigung startet ab 2014 in vollem Umfang und schon jetzt liegen mehr als ein Dutzend Bestellungen vor. <