Mikrolektronik: Maskenherstellung

Die Herausforderung in der modernen Mikroelektronik ist rasch auf den Punkt gebracht, denn die ungebremste Miniaturisierung in der Mikroelektronik verlangt weiterhin ihren Tribut.

Nach wie vor wünscht sich die Halbleiterindustrie innovative Photomasken, die den immer komplexeren und kompakteren Strukturen gerecht werden. Fakt ist, dass sich auf dem Weg zu immer feineren Chip-Strukturen die Maskentechnik zunehmend als „Flaschenhals“ erweist. Doch mit welcher Technologie können sich die Chip-Hersteller bestmöglich für die Zukunft rüsten? Hierauf gibt es bisher keine eindeutige Antwort, denn gleich mehrere Verfahren stehen in direktem Wettbewerb zueinander. Über die jüngsten Entwicklungen auf diesem hoch innovativen Sektor diskutierten anlässlich der von der VDE/VDI-Gesellschaft Mikroelektronik, Mikro- und Feinwerktechnik (GMM) veranstalteten Fachtagung „25th European Mask and Lithography Conference, EMLC2009“ in Dresden führende Experten aus aller Welt.

Auch wenn sich bisher kein „Königsweg“ abzeichnet, sehen einige Branchenvertreter in der Lithographie mit extrem kurzwelligen UV-Licht (EUVL) die größten Potenziale. Das ist eine Wellenlänge, bei der die von der Natur gesetzte Schranke bei der Verwendung sichtbaren Lichts deutlich unterboten wird. Als Vertreter der Firma Sematech kündigte Henry Yun anlässlich der EMLC2009 die Marktreife entsprechender Masken für den 22 Nanometer-Bereich für 2012 – 2013 an. Das größte Problem dieser Technologie besteht in der Herstellung defektfreier Masken. „Es sind bedeutende Fortschritte erzielt worden, aber es bleibt noch viel zu tun, um allen Herausforderungen Paroli zu bieten“, erläuterte Yun. Für das Jahr 2010 kündigte er eine Pilotlinie an, mit der sich das gesetzte Ziel von maximal 0.04 Fehlstellen pro Quadratzentimeter voraussichtlich realisieren lasse.

Mit Nanoimprint zu kostengünstigeren Sensoren

Ein grundlegend anderes Verfahren ist die Nanoimprint-Lithographie, die erstmals im Mai 2003 anlässlich der „47th International Conference on Electron, Ion and Photon Beam (EIPBN)“ in Tampa im US-Bundesstaat Florida der Öffentlichkeit vorgestellt wurde. Bei dem Verfahren wird ein Stempel – ein so genanntes Template – mit Hilfe von Elektronenlithographie and anschließendem Ätzen strukturiert. Dieser Stempel, mit sich Strukturfeinheiten von bis zu 20nm erzielen lassen, wird in ein niederviskoses Polymer auf der Siliziumscheibe gedrückt. Danach wird durch UV-Bestrahlung durch den Stempel das Polymer gehärtet und der Stempel wird vom Wafer getrennt. Bislang war es aber schwierig, beim Auftrag mehrerer übereinander liegender Schichten eine ausreichende Überlagerungspräzision zu erzielen. Ähnliche Probleme ergaben sich durch anhaftende Rückstände des Polymers, die zu Verunreinigungen führten. Über neueste Fortschritte auf dem Weg zu einer rückstandsfreien Nanoimprint-Lithographie berichtete Andre Mayer von der Universität Wuppertal anlässlich der EMLC2009. Eine konkrete Anwendung hat er bereits vor Augen. „Wir betrachten die Nanoimprint-Lithographie insbesondere als kostengünstige Alternative in der Sensorherstellung“, erklärte er.

Eine weitere Alternative ist das Double-Exposure- oder Double-Patterning-Verfahren, wie es unter anderem von der Weilburger Vistec Semiconductor Systems GmbH vorangetrieben wird. Bei diesem Verfahren wird ein Wafer zweimal belichtet. Der technologische Kunstgriff besteht nun darin, zunächst eine Struktur mit der maximal erreichbaren optischen Auflösung, zum Beispiel mit 45 nm Strukturbreite aufzubringen und danach die Position des Wafers um die halbe Auflösung, also 22 nm zu verändern, um auf diese Weise eine zweite Struktur zu generieren. Durch Double-Patterning konnten in Kombination mit der Immersionslithographie bei 193 nm bereits Strukturgrößen von 22 nm erzielt werden. Der zu Grunde liegende physikalische Trick basiert bei Letzterer auf einer Immersionsschicht, die sich zwischen dem Objektiv der Belichtungsanlage und dem Wafer befindet. Durch das Medium wird der Gesamtbrechungsindex der Linse erhöht und damit die numerische Apertur, kurz NA genannt, der Linse vergrößert. Je größer ihr Wert ist, desto besser lassen sich die feinen Strukturen der Masken in den Photolack auf dem Wafer übertragen.

Auch maskenlose Verfahren für die Herstellung von Chips sind am Innovationswettlauf beteiligt. Bei der maskenlosen Lithographie – auch kurz ML2 oder (international) „Maskless Lithography“ genannt – werden die Design-Daten direkt vom Elektronenstrahl in den Resist auf dem Wafer geschrieben. Es handelt sich um ebenso einfaches wie elegantes Verfahren, das bisher wegen der sehr geringen Durchsatzmengen aber wenig Beachtung gefunden hat. Wie Anagnostis Paraskevopoulos vom Berliner Fraunhofer-Institut für Telekommunikation (Heinrich-Hertz-Institut) versicherte, seien auf dem Gebiet mittlerweile bedeutende Fortschritte auf dem Weg zu Hochgeschwindigkeitssystemen erzielt worden. Zur Erzeugung von Strukturen in Nanometerbereich werden bei der maskenlosen Lithographie dünne Schichten, die aus Mehrlagenschichtsystemen dielektrischer Schichten mit darin befindlichen metallischen Nanopartikeln oder dünnen Metallschichten bestehen, mit ultrakurzen Laserimpulsen in Fernfeldanordnung bestrahlt. Sollte es im industriellen Maßstab gelingen, das Beschreiben der Wafer deutlich zu verkürzen, könnte sich die maskenlose Lithographie auch als kostengünstige Alternative auf dem Markt durchsetzen. Rolf Froböse