Derzeit findet in San Jose die LithoVision 2010 statt. Hier treffen sich alle Größen der Industrie, um aktuelle Forschungsergebnisse zu diskutieren und einen Ausblick auf zukünftige Entwicklungen zu gewähren. Zu den Teilnehmern gehören nicht nur die Hersteller der Lithografie-Maschinen, auch Tools genannt, sondern auch die Anwender. Themenschwerpunkte der diesjährigen Veranstaltung sind:
Roadmap der Industrie und zukünftige Trends
Ermöglichung der 32-nm-Produktion
Entwicklung der EUVL-Technologie (Extreme Ultra Violet Lithography)
Weiterentwicklung der Immersionslithografie, Masken-Lösungen für Doppelbelichtungstechnik (Double-Exposure- oder Double-Patterning-Verfahren)
alternative Belichtungstechnologien
Auf der Veranstaltung ist natürlich auch der größte Halbleiterhersteller der Welt vertreten und gibt einen Ausblick auf seine nächsten Prozesse. Wie in obigen Bild von 2009 zu erkennen ist, war damals noch nicht entschieden, welche grundlegende Technologie nach dem 32-nm-Prozess verwendet werden soll. Zum erstaunen vieler hat Intel verkündet bis einschließlich dem 15-nm-Prozess auf die Lithografie mit Licht der Wellenlänge 193 nm setzen zu wollen, welches mit Argon-Fluorid-Excimer-Lasern (ArF) erzeugt wird. Sogar 11 nm sollen bei Nutzung von fünf Masken möglich sein. Erst danach will man für die Massenfertigung auf eine andere Technologie umsteigen. Hauptgrund für diese Entscheidung sind wohl die Verzögerungen bei der EUVL-Entwicklung. Weshalb für den 22-nm- (2011) und 15-nm-Prozess (2013) die notwendigen EUV Tools nicht rechtzeitig bereitstehen würden. Dies ist durchaus eine beeindruckende Entwicklung, wenn man sich die Formel zur Berechnung der Auflösung anschaut. Denn es werden mittlerweile Strukturen belichtet, die viel kleiner als die Wellenlänge der verwendeten elektromagnetischen Strahlung sind!
Kleinste Struktur = k ⋅ λ / NA
Es kann demnach an drei Stellschrauben zur Verbesserung des Auflösungsvermögens gedreht werden, um noch feinere Strukturen zu erzeugen. Man kann die Wellenlänge λ des Lichtes, mit dem die Wafer belichtet werden, verkleinern, die numerische Apertur NA vergrößern oder den Prozessfaktor k verbessern. In der Vergangenheit wurde in erster Linie die Wellenlänge des „Lichts“ verkleinert. 1985 kamen noch 435-nm-Lichtquellen zum Einsatz. 1998 wurde dann auf 248-nm-Krypton-Fluorid-Excimer-Laser (KrF) und 2003 auf die heute noch verwendeten 193-nm-ArF-Excimer-Laser umgestellt. Als Zwischenschritt hin zur EUVL waren ursprünglich noch 157-nm-Fluor-Excimer-Laser (F2) als Lichtquelle geplant. Die gesamte Industrie hatte bereits enorme Entwicklungsaufwendungen in das Projekt gesteckt, als es letztlich gecancelt wurde (THE INTERNATIONAL TECHNOLOGY ROADMAP FOR SEMICONDUCTORS). Hauptgrund war wohl die Entscheidung seitens Intel für die Imersionslithografie, da man sich davon geringere Kosten versprach. An den beiden anderen Stellschrauben zur Verkleinerung der Auflösung wurde beim 45-nm-Prozess gedreht. So hat AMD bzw. GlobalFoundries die Imersionslithographie eingeführt, bei der eine Flüssigkeit zwischen Belichtungsobjektiv und Wafer eingebracht wird, um so die NA zu erhöhen. Intel hingegen hat zunächst auf die Verbesserung von k gesetzt und verwendet dazu Doppelbelichtungstechniken für besonders feine Strukturen. Aktuell verwendet Intel beide Techniken für den 32-nm-Prozess.
Seit längerem fällt immer wieder das Schlagwort EUV-Lithografie (EUVL). Es soll also eine neue Lichtquelle Verwendung finden, die extrem ultraviolettes Licht (EUV) mit einer Wellenlänge von nur 13,5 nm aussendet. Da für diesen Wellenlängenbereich keine transparenten Medien vorhanden sind, können für das abbildende Optische System keine aus Linsen aufgebauten Objektive verwendet werden. Deswegen wurden beispielsweise von Zeiss Spiegelsysteme entwickelt. Die große Herausforderung besteht darin, das Abbildungssystem bestehend aus mindestens 6 Spiegeln zu beherrschen und über eine möglichst große Bildhöhe frei von Abbildungsfehlern, also beugungsbegrenzt, zu bleiben.
Ursprünglich sollte die EUVL bereits 2010 eingeführt werden. Vielfältige Probleme mit der Lichtquelle (derzeit noch zu schwach), nötigen neuen Lacken (müssen auf neue Wellenlänge angepasst werden), der Maskenfertigung (reflektierende Masken statt transmittierender) und deren Inspektion haben die Einführung immer wieder verzögert. Außerdem muss der gesamte Belichtungsvorgang unter Vakuum stattfinden. Die geringste Kontaminierung führt zum erblinden der Spiegel und die Masken können nicht mehr verwendet werden. Vereinzelte Lebenszeichen konnte man aber vernehmen. So vermeldeten IBM und dessen Entwicklungspartner bereits im Februar 2008 einen ersten erfolgreichen Test. Auf der LithoVision 2010 wurden die '"pre-production" EUV-Tools TwinScan NXE:3100 von ASML und "EUV1 tool" von Nikon vorgestellt.
Samsung und TSMC haben bereits EUV-Tools bestellt, um die eigene Prozessentwicklung voran zu bringen. Wobei besonders Samsung Druck bei der Einführung von EUV macht, da man sich gewaltige Kosteneinsparungen verspricht. Denn EUVL soll die einfache Belichtung zurückbringen und somit die Durchlaufzeit verringern. 2012 soll nach aktuellem Stand die Technik fertig entwickelt sein. Vielleicht ergeht der EUVL aber das gleiche Schicksal wie der 157-nm-Technologie. Denn die maskenlose E-Beam-Lithographie steht bereits in den Startlöchern. TSMC und Mapper Lithography BV arbeiten beispielsweise derzeit an einem Elektronenstrahl-Lithografietool, dass mit 10.000 Strahlen parallel arbeitet. Mit den Elektronenstrahlen werden die Strukturen direkt auf den Wafer geschrieben, eine Maske wird nicht mehr benötigt. Intel evaluiert derzeit alle Technologien und kann sich eine Kombination aus allem ab dem 11-nm-Prozess vorstellen. Bei 15 nm will man erste Pilotlinien für EUVL und maskenlose Lithografie betreiben, um so beide Ansätze genauer evaluieren zu können.
Die Entwicklung bleibt also spannend. Welche Technologie sich durchsetzen wird, ist derzeit nicht abschätzbar. Für die nächsten Jahre scheint die Industrie aber eine klare Vorstellung zu haben, wie die Strukturgrößen weiter verkleinert werden können. Knifflig wird es wohl erst ab dem 11-nm-Prozess. Dieser sollte nach dem aktuellen Tick-Tock-Schema von Intel frühestens 2015 eingeführt werden. Bis dahin bleibt also noch Zeit, um die anstehenden Probleme zu lösen.
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