Halbleiter 01.03.2002, 17:33 Uhr

In der Maske steckt kritisches Know-how

Auf der Jagd nach immer kleineren Chipstrukturen sind die Hersteller der Fotomasken für die Lithografie ein kritischer Faktor. Vor allem müssen sie die Gesetze der Optik überlisten, wenn Strukturen kleiner als die verwendete Lichtwellenlänge abgebildet werden sollen.

Fotomasken sind längst kein simples Werkzeug für die Chipherstellung mehr. „Mit der Erzeugung von 130 nm großen Strukturen bei Wellenlängen von 248 nm hat die optische Lithografie den so genannten deep-sub-wavelength-Bereich erreicht“, meinte kürzlich Jack Moneta, Senior Vice-President beim Maskenhersteller Photronics. Von deep-sub-wavelength spreche man immer dann, wenn die Größe der kritischen Chipstrukturen kleiner ist als die halbe Wellenlänge der zu ihrer Belichtung verwendeten Lichtquelle.

In diesem Bereich der optischen Lithografie – von dem man vor wenigen Jahren annahm, dass er gar nicht mehr lichtoptisch beherrschbar sein würde – ist die Fotomaske selbst ein High-Tech-Bauteil. Verfahren wie Optical Proximity Correction (OPC) oder Phase-Shift-Masks (PSM) erlauben das eigentlich Unmögliche: scharfe, exakte Strukturen auf den Wafern abzubilden. Moneta stellte anlässlich des International Strategy Symposium der Branchenorganisation SEMI in Lissabon dar, wie die Lithografie die eigentlich hinderlichen Gesetze der Optik nutzt.

Beugungseffekte werden z. B. bei der OPC durch zusätzliche Strukturen auf den Masken ausgeglichen. Die Maske zeigt also ein anderes Bild, als nachher auf dem fertigen Chip erscheint. Die zusätzlichen Strukturen erzeugen durch Beugung Interferenzen genau so, dass die gewünschte Information scharf auf dem Chip abgebildet wird. Bei den Phase-Shift-Masks wird nicht nur die geometrische Struktur in durchsichtigen und nicht durchsichtigen Bereichen abgebildet, es wird auch durch unterschiedliche Dicken der durchlässigen Schichten und damit veränderte Brechung des Lichts gleichfalls Interferenz so erzeugt, dass die gewünschten Strukturen abgebildet werden können.

„Dabei haben wir den Chipherstellern gegenüber ein Problem“, meinte Moneta in einem Anflug von Galgenhumor, „wir brauchen uns um Ausbeuten keine Gedanken zu machen: Auf einer Maske muss alles zu 100 % stimmen.“ Kein Wunder, dass derzeit die Kosten eines Maskensatzes für komplexe High-End-Chips in die Millionen Dollar gehen können und das Datenvolumen eines solchen Maskensatzes schnell 500 GByte erreicht.

Und mit der nächsten Lithografiegeneration, die mit so genanntem Extrem-UV-Licht arbeitet, wird sich das Maskengeschäft noch einmal radikal verändern. Moneta: „Dann werden wir aufgrund der extrem kurzen Wellenlängen nicht mehr mit durchlässigen, sondern mit reflektierenden Masken arbeiten müssen.“ Das sei verglichen mit den derzeitigen Maskentechnologien noch einmal eine Steigerung des Aufwandes.

Seit einigen Jahren macht der Umsatz der Fotomaskenhersteller relativ konstant 1,5 % bis 2 % des Umsatzes der Chipindustrie aus. Ein Umstand, den Moneta offen kritisierte, denn die Aufwendungen für Entwicklung und Fertigung steigen mit jeder neuen Generation. „Bis 1997 stiegen die Kosten für eine Maskenfabrik moderat an und betrugen damals knapp 12 Mio. Dollar pro Fertigungslinie.“ Bis 2002 hatte sich dieser Wert auf 61 Mio. Dollar fast versechsfacht, bis 2006 soll er nochmals auf 103 Mio. Dollar ansteigen. Gleichzeitig tue sich im F&E-Etat der Firmen eine Lücke von 510 Mio. Dollar auf.

Moneta merkte allerdings selbstkritisch an, dass die Maskenindustrie an dieser Entwicklung nicht ganz unschuldig sei. In den Anfangszeiten der Chipindustrie lag ihr Umsatzanteil nämlich wesentlich höher. Als dann jedoch verkleinernde Masken aufkamen, deren Strukturen leichter zu erzeugen waren, konnte die Industrie ihre Produkte deutlich verbilligen und erreichte jenes Niveau, von dem sie jetzt nur schwer wieder wegkommt. Als zusätzlich problematisch erweist es sich laut Moneta, dass eine neue Maskengeneration grundsätzlich ein bis zwei Jahre vor Beginn der Massenproduktion einer neuen Generation Chips verfügbar sein müsse.

Zur Lösung dieser Probleme regte Moneta enge Kooperationen sowohl zwischen der Chipindustrie und den Maskenherstellern, aber auch zwischen den Herstellern von Lithografiegeräten und der Maskenindustrie an. Das würde auch das Verständnis der Maskenhersteller vom Lithografieprozess beim Endkunden verbessern: „Dann können wir z. B. bei der Maskenerstellung nur die Fehler kostspielig reparieren, die sich auch im Belichtungsergebnis bemerkbar machen.“ jdb

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