Halbleiter 14.01.2005, 18:36 Uhr

Deutschland führt bei Elektronenstrahl-Lithografie

VDI nachrichten, Düsseldorf, 14. 1. 05 -Zusammen mit weiteren Partnern arbeiten Leica Microsystems Lithography und das Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie (ISIT) derzeit an einer auf Elektronenstrahltechnik basierenden Fertigungstechnologie für Chips. Mit der Realisierung eines Prototypen konnte jetzt die erste Phase des vom Forschungsministerium geförderten Projektes erfolgreich abgeschlossen werden.

Schnelles Prototyping und hohe Flexibilität hinsichtlich der Stückzahlen vor allem bei der Fertigung anwendungsspezifischer Schaltungen für Embedded-Anwendungen werden massiv an Bedeutung gewinnen“, ist Anton Heuberger, Begründer und Leiter des Fraunhofer-Instituts für Siliziumtechnologie (ISIT) in Itzehoe, überzeugt. Mit dieser Meinung steht Heuberger im Einklang mit vielen anderen Experten, doch die Halbleiterindustrie steckt im Dilemma. Zwar gilt nach wie vor das so genannte Moore“sche Gesetz, wonach sich die Integrationsdichte der Schaltungen und damit die Leistungsfähigkeit alle 18 Monate bei gleich bleibendem Preis verdoppelt. Aber nur, wenn von einem bestimmten Bauteil viele Millionen Stück produziert werden.

Denn die traditionelle lithografische Halbleiterfertigung verwendet Photomasken, die optisch verkleinert auf die jeweiligen lichtempfindlichen Schichten der Siliziumscheiben (Wafer) abgebildet werden. Und die Herstellung dieser Maskensätze ist aufgrund immer kleinerer Strukturbreiten inzwischen extrem teuer. Kosten von 1 Mio. $ und darüber gelten als durchaus normal. Eine kostengünstige Produktion mittlerer oder gar kleiner Stückzahlen ist so nur eingeschränkt oder gar nicht möglich.
Eine Alternative zur Maskenlithografie stellt das direkte Beschreiben der Wafer mit einem Elektronenstrahl dar. Dieses Verfahren lässt beliebig feine Strukturen zu, hatte jedoch zumindest in der Vergangenheit den großen Nachteil, dass es sehr langsam war. Das soll sich mit dem Forschungsprojekt Projection-ML2 zur Entwicklung und dem konzeptionellen Aufbau eines Prototypen für die Projection Mask-Less Lithography ändern. Ziel des vom BMBF geförderten Forschungsvorhabens, an dem sich in Deutschland neben Leica Microsystems Lithography und dem Itzehoer Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie auch das Heinrich-Hertz-Institut (Fraunhofer-Institut HHI), das Fraunhofer-Institut IOF, IMS-Jena, IMS-Chips und Equicon beteiligen, ist die Entwicklung einer maskenlosen Technik zur Chipfertigung, die auf innovativer Elektronenstrahltechnik basiert und das Fast-Prototyping sowie die Produktion von Chipserien mit kleinen bis mittleren Stückzahlen in 45-nm-Technologie ermöglicht.
Die massive Bündelung des Know-how in den Bereichen moderner Elektronenstrahloptik, mikroelektronisch-mechanischer Systeme (MEMS), drahtloser Kommunikationstechnik, hochpräziser Mechanik und dem Entwurf von Elektronenstrahl-Lithografiesystemen schlägt sich inzwischen in ersten konkreten Ergebnissen nieder. So konnte mit der Realisierung des Demonstrators eines programmierbaren Aperturplattensystems (APS) jetzt eine der schwierigsten technischen Hürden überwunden werden.
Das APS ersetzt die Maske eines konventionellen Lithografiesystems. Aperturen im mikromechanischen Plattensystem formen aus einem homogenen Elektronen-Breitstrahl eine Vielzahl von Einzelstrahlen. Durch die individuelle Ansteuerung dieser Aperturen können die Strahlen beliebig ein- und ausgeblendet werden, womit eine dynamische Anpassung an das auf den Wafer zu schreibende Muster ermöglicht wird. Dabei wird eine extrem hohe Genauigkeit erzielt. Hans-Joachim Doering, Projektleiter bei Leica Microsystems Lithography, veranschaulicht die Komplexität und Präzision des APS: „Das ist so, als würde man an einem Schwarz-Weiß-Fernseher mit einem Bildschirm von nur 2 cm x 2 cm Fläche ein Bild mit 4000 Zeilen generieren und dieses Bild dann nochmals 200fach verkleinert auf dem Wafer abbilden.“
Der mit Hilfe einer speziellen am ISIT entwickelten MEMS-Technik aufgebaute APS-Demonstrator besteht derzeit aus 64 x 64 Aperturen und ist inzwischen in einem Teststand eingebaut. Mit den 4096 Elektronenstrahlen werden derzeit Versuche zur Überprüfung des Wirkprinzips durchgeführt. Läuft alles weiterhin nach Plan, sollen im Konzeptgerät 290 000 und im späteren Produktionsgerät sogar mehr als 1 Mio. individuelle Strahlen den Wafer gleichzeitig beschreiben. Doering ist zuversichtlich, dass dies bis 2008 gelingen wird. „Wenn es um künftige Alternativen zur Maskenlithografie geht, hat Deutschland derzeit beste Karten, international die Führungsrolle zu übernehmen. Die uns inzwischen zur Verfügung stehenden Technologien werden die Idee des Elektronenstrahlschreibens in den nächsten Jahren aus wirtschaftlicher Sicht grundlegend revolutionieren.“
Heuberger ist ebenfalls optimistisch, dass das Gesamtprojekt in der vorgegebenen Zeit erfolgreich abgeschlossen werden kann. „Gerade in der Mikrosystemtechnik wurden in Deutschland den letzten Jahre immense Fortschritte erzielt. Der jetzige APS-Demonstrator lässt die Möglichkeiten erahnen, die diese vergleichsweise noch junge Technologie bietet. Da wir auf diesem Gebiet frühzeitig mit der Forschung begonnen haben, haben wir im internationalen Vergleich derzeit einen Vorsprung von mindestens zwei Jahren. Den wollen und werden wir nutzen.“WERNER WIESMEIER

Von Werner Wiesmeier
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