Immersions-Lithografie für feinere Chips

Die optische Lithografie hat noch nicht ausgedient und EUV kommt.

Kernfrage der Prozesstechnologie für die Chips der Zukunft mit Strukturen um und unter 65 nm: Lässt sich die optische Lithographie zum Aufbelichten der Schaltungselemente auf die Siliziumwafer dann immer noch verwenden? Oder muss endlich die extrem kurzwellige, röntgennahe EUV-Lithographie her, teuer, noch nicht erprobt und neuartig, wie sie ist?
Die Entscheidung muss bald fallen, denn massive Investitionen in die Fertigung sind fällig. Die Hersteller der Waferstepper werden ungeduldig. Ende Januar versuchte das „Lithography Forum“ der weltweiten Industrie-Kooperative International Sematech (ISMT) in Los Angeles die Antwort zu finden.
Bis zum nächsten „node“ der Chipgeometrie bei 65 nm herrscht jetzt ein vorläufiger, vorsichtiger Konsens: für ArF-Laserlicht der Wellenlänge 193 nm und für den neuen Favoriten Immersionslithographie. „Immersion“, weil der Zwischenraum (1 mm) zwischen Objektiv und Wafer mit einer Licht brechenden Flüssigkeit, im einfachsten Fall Wasser, aufgefüllt wird.
Warum die „nasse“ Lithographie? Weil sie die erreichbare optische Auflösung der Chipstrukturen verbessert, ohne die Wellenlänge der Lichtquelle weiter zu verringern. Das geht so: Die Auflösung R gehorcht der einfachen Formel R = k1 x l/NA. Darin ist k1 eine hier weniger relevante Verfahrenskonstante. Wichtiger ist l, die Wellenlänge der Belichtungslampe. Je kleiner l, desto kleinere Chipstrukturen lassen sich beim Belichten auflösen. Das war bisher der Weg zu feineren Chips (siehe Grafik).
Doch da ist noch die Division durch NA, die „numerische Apertur“ der eingesetzten Optik. NA selbst besteht aus zwei Faktoren: dem Brechungsindex des Mediums zwischen Lichtquelle und Wafer (Luftzwischenräume und Linsen) und dem Sinus des Zerstreuungswinkels des Lichtstrahls zwischen Objektiv und Wafer (hier ebenfalls vernachlässigbar).
Darin liegt die Grundidee der Immersionslithographie: Warum nicht auch den Brechungsindex optimieren? Wasser hat einen nahezu 50 % größeren Index als Luft. Deswegen das Auffüllen des Zwischenraums zum Wafer mit einer geeigneten, hoch brechenden Flüssigkeit. So ließe sich die numerische Apertur mit „katadioptrischen“ Linsen von heute etwa 0,8 auf weit über 1,5 vergrößern. Das brächte feinere Chipstrukturen. Eigentlich kein neuer Kunstgriff: Bei Mikroskopen wird er seit langem eingesetzt.
Also, alle Probleme für immer gelöst? Wie immer, leider nein. Auch mit Flüssigkeiten mit größerem Brechungsindex können Laserlichtquellen mit 193 nm und 157 nm Wellenlänge (trotz allerlei weiterer optischer Tricks) nur Chipstrukturen bis zu 45 nm erzeugen. Vielleicht noch bis 32 nm. Dann aber müsste die immer noch nicht ganz ausgereifte EUV-Lithographie übernehmen.
Doch mit Ausnahme des Chipgiganten Intel, der alle Ressourcen auf EUV ausrichtet und in die Firmen Nikon und Cymer investiert, will da keiner richtig ran. Sicherlich nicht beim Übergang auf 65 nm, der 2007 fällig wird. Obwohl die großen Waferstepper-Hersteller ASML, Nikon und Canon hart an ihren ersten Scannern für EUV arbeiten.
„Das Litho-Forum war eine seltene Gelegenheit für die Industrie, alle führenden Technologien zu bewerten“, sagt Walt Trybula von ISMT. Mit aller Vorsicht – man weiß ja nie, welche plötzlichen Durchbrüche irgendwo im Verborgenen schlummern. „Die Ergebnisse sollen die Strategieplaner beim Abschätzen jeder Technologie zur Lösung kritischer Fragen und langfristiger Fertigungsprobleme unterstützen.“ Endergebnis: Mehr als 350 Forum-Teilnehmer von 120 Firmen stimmten für die Immersionslithographie für 65-nn-Chips mit 193 nm Laserlicht. Für die nasse Lithographie bei 193 nm stimmten auch ASML, Nikon und Canon.
Beim nächsten node, den 45-nm-Chips mit 157-nm-Belichtung, aller Voraussicht nach 2009 fällig, gingen die Meinungen dann wieder auseinander. Da drohen in jedem Fall massive Änderungen der Infrastruktur: bei den Werkzeugen, bei Masken, bei Resist- und Linsenmaterialien. „Die Technologie ist hier momentan auf kleiner Flamme“, sagt John Wiesner von Nikon. Die nasse Lithografie gilt auf jeden Fall aber als Rückzugsposition, sollte EUV nicht funktionieren.
Weitere konkurrierende Technologien – Electron Projection (EPL), maskenlos optisch oder mit Ladungsteilchen, Nano-Imprint, usw. – standen ebenfalls zur Diskussion. Da wurden auch Faktoren wie Wirtschaftlichkeit und Einführungszeitraum bewertet, einschließlich der Zuliefertechnologien und deren Metrologie. Fazit: interessant, aber noch nicht reif für den Einsatz in der Produktion.
Bleibt als langfristige Zukunftsperspektive doch wieder die Lithografie mit extremem UV-Licht: Peter Silverman von Intel ist jedenfalls fest überzeugt, dass EUV ab 2009 funktioniert – dank der gut dotierten Forschungskooperative EUV LLC: „EUV ist in einer aktiven Kommerzialisierungsphase.“ Doug Dunn, CEO des niederländischen Stepperherstellers ASML, blickt noch weiter voraus und mahnt die Industrie zur Konzentration: „EUV ist die einzige glaubhafte Technologie, die sich bis 22 nm und darunter verfeinern lässt.“
WERNER SCHULZ