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High-NA EUVL

Der nächste entscheidende Schritt in der Lithografie

Blick in ein EUV-System von ASML.
Blick in ein EUV-System von ASML.
© ASML

Imec erwartet, dass 2025 die ersten High-NA-EUV-Lithografiesysteme (EUV: Extrem Ultraviolett) in der Massenfertigung eingeführt werden. Sie sind der Schlüssel, um das Mooresche Gesetz bis zu Logik-Chips mit 2-nm-Strukturen und kleiner voranzutreiben.

Schon 2019 war ein wichtiger Meilenstein für die EUV-Lithografie (EUV: Extrem Ultraviolett). Damals wurde EUV zum ersten Mal für die Massenproduktion von Logik-Chips mit 7-nm-Strukturen eingesetzt und zwar, um die kritischsten Schichten des Back-End-of-Line (BEOL) der Chips zu strukturieren. Damit wurden Metallstrukturen mit einem Abstand von 36 bis 40 nm möglich.

Mit einer äußerst kurzen Wellenlänge von 13,5 nm wurde die EUV-Lithografie eingeführt, um die 193-nm-Lithografie (Immersionslithografie) abzulösen - ein Wechsel, der durch die Rayleigh-Gleichung für die Auflösung diktiert wurde. Nach dieser Gleichung kann die Auflösung eines Lithografiesystems und damit seine Fähigkeit, Strukturen mit einem bestimmten Half-Pitch oder einer kritischen Abmessung (CD) zu erzeugen - verbessert werden, wenn bei der Belichtung des Wafers Licht mit einer kleineren Wellenlänge verwendet wird. Darüber hinaus könnten die komplexen und teuren Mehrfachbelichtungen bei 193 nm - bei der ein Chip-Pattern in zwei oder mehr einfachere Masken aufgeteilt werden muss - wieder auf eine einzige EUV-Belichtung reduziert werden.

Auf der Entwicklungsseite haben Forscher kontinuierlich versucht, die Einzelbelichtungsfähigkeit des derzeit modernsten EUV-Fullfield-Scanners, des ASML NXE:3400B, weiter zu verbessern. Anfang dieses Jahres konnten imec und ASML beispielsweise die Fähigkeit zur Einzelbelichtung von Lines/Spaces (Leiterbahnen und Abstand zur nächsten Leiterbahn) mit einem Raster von 28 nm demonstrieren, was den kritischen BEOL-Metallschichten eines 5nm-Logikknotens entspricht. Damit nähert sich der derzeitige Scanner seiner Auflösungsgrenze für die Großserienfertigung, die bei etwa 13 nm (26 nm Pitch) liegt. Parallel zur Entwicklung im Bereich der Logik prüfen die Speicherhersteller zunehmend den Einsatz der EUV-Lithografie, um die Anforderungen an die hohe Dichte künftiger Speicher zu erfüllen - zum Beispiel für die Strukturierung kritischer DRAM-Strukturen.

Gleichzeitig werden Optionen für die EUV-Lithografie mit Mehrfachbelichtung erforscht, um die EUV-Technologie für die nächsten Knoten zu entwickeln. Diese »Tricks« eröffnen zwar die Fertigung von weniger anspruchsvollen Pitches, haben aber auch einen entscheidenden Nachteil: eine größere Anzahl von Verarbeitungsschritten. Das treibt die Kosten, die Komplexität und die Verarbeitungszeit des Herstellungsprozesses in die Höhe.

2023 wird einen neuen Meilenstein in der Entwicklung der EUV-Lithografie markieren. Dann wird voraussichtlich die erste Generation von neuen EUV-Lithographiesystemen auf den Markt kommen: ein High-NA EUV-Lithografie-Scanner, der die kritischsten Strukturen von Logikchips mit 2 nm (und noch kleiner) mit weniger Arbeitsschritten erzeugen kann. Der Übergang zur High-NA-Lithografie wird wiederum durch die Rayleigh-Gleichung gerechtfertigt, die eine zweite Möglichkeit zur Verbesserung der Auflösung bietet: die Erhöhung der numerischen Apertur (NA) der Projektionslinse. Die NA steuert die Lichtmenge (genauer gesagt, die Anzahl der Beugungsordnungen), die zur Erzeugung des Bildes verwendet wird, und damit die Qualität des Bildes.

Der Übergang zu Bildgebungsgeräten mit höherer NA wurde bereits früher vollzogen, man denke nur an den Übergang von der 193-nm-Trockenlithografie zur 193-nm-Immersionslithografie. Damals ermöglichte der optische Trick, die Luft zwischen Linse und Wafer durch Wasser zu ersetzen, eine Erhöhung der NA um 45 Prozent. Im Falle der EUV-Lithografie wird ASML durch eine Umgestaltung der Optik innerhalb des Lithografiesystems die derzeitige NA von 0,33 auf 0,55 erhöhen (d. h. eine Erhöhung der NA um 67 Prozent) kommen. Die EUV-Lithografie mit 0,55 NA verspricht, eine Auflösung von 8 nm zu ermöglichen, was Leiterbahnen/Abstände mit einem Pitch von 16 nm in einer einzigen Belichtung entspricht.

Lithographie-Scanner
Abbildung 1: Simulation des EXE:5000 High-NA EUV-Lithografie-Scanners von ASML.
© ASML

Ein ehrgeiziger Zeitplan

Die 0,55NA-EUV-Lithografie ermöglicht feinere Strukturen als die derzeitige 0,33NA-EUV-Lithografie. Der Aufwand ist jedoch beachtlich. Die Entwicklung von EUV-Lithografiesystemen reicht bis in die 2000er Jahre zurück, wobei zwischen der Installation der ersten EUV-Scanner in der Vorserienfertigung und der jüngsten Einführung der EUV-Lithografie in der Großserienfertigung zehn Jahre lagen. Bei High-NA soll diese Zeitspanne auf nur drei Jahre verkürzt werden, wobei ein erster Prototyp (EXE:5000) für 2023 vorgesehen ist.

Vor der Verfügbarkeit des ersten High-NA-Systems werden spezielle Laborausrüstungen und EUV-Lithographie-Werkzeuge und -Materialien der aktuellen Generation bis an ihre äußersten Grenzen gebracht, um die neue High-NA-EUV-Lithographie-Technologie so gut wie möglich vorzubereiten und das Risiko zu verringern.

Gleichzeitig arbeitet imec mit ASML zusammen, um ein gemeinsames High-NA-Labor zu eröffnen, in dem die High-NA-Systeme gebaut, mit einer Beschichtungs- und Entwicklungsstrecke verbunden und mit Messgeräten ausgerüstet werden sollen. Gemeinsam werden sie das Eco-System für die Industrie schaffen, um die Prozessanforderungen zu erfüllen und die Infrastruktur aufzubauen, die mit der Entwicklung von High-NA-Werkzeugen einhergeht - einschließlich anamorpher Bildgebung, neuer Maskentechnologie, Messtechnik, Resist-Screening und Materialentwicklung für die Dünnschichtstrukturierung, usw. Darüber hinaus werden die Kunden Zugang zum High-NA-Labor haben, um ihre speziellen High-NA-Anwendungsfälle zu entwickeln.


  1. Der nächste entscheidende Schritt in der Lithografie
  2. Prozess- und Messtechnik: eine gemeinsame Anstrengung
  3. AttoLab: für eine schnellere Entwicklung des High-NA Patterning Ecosystems
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