Lithographie Das lange Warten auf EUV

Das Mooresche Gesetz bleibt nur bestehen, wenn ein Wechsel von der Photolithographie zur EUV-Lithographie stattfindet. Allerdings tun sich die Ingenieure schwer, die wichtigste Hürde zu nehmen: die Leistung der Strahlungsquelle auf 200 W zu steigern. Doch eine Alternative dazu gibt es nicht.

Problematisch dabei ist nur, dass es immer noch nicht klar ist, ob diese Technik überhaupt jemals den Reifegrad für eine Volumenfertigung erreichen wird. »Weltweit haben Industrie und Forschungsinstitute viel Geld und Arbeit in die Entwicklung der EUV-Lithographie (Extrem Ultraviolett) gesteckt und dadurch auch schon beachtliche Fortschritte erzielt. Aber selbst zum heutigen Zeitpunkt kann nicht garantiert werden, dass die EUV-Lithographie die Produktionsreife erreicht«, erklärt Kurt Ronse, Director für das Advanced Lithography Program vom IMEC.

Dreh- und Angelpunkt ist die EUV-Lichtquelle. Ihre Energie liegt noch weit unter dem Wert, der für eine wirtschaftliche Fertigung in hohen Stückzahlen erforderlich wäre. Dies hatte sich auch auf dem kürzlich abgehaltenen internationalen Symposium zum Thema »EUV-Lithographie« bestätigt. Das heißt nicht, dass bereits alle anderen Probleme der EUV-Lithographie gelöst sind. Auch heute noch arbeiten die Forscher daran, die Auflösung und Empfindlichkeit der verwendeten Resiste zu verbessern und die Defekte in den Masken zu reduzieren. Wirklich entscheidend aber ist die Lichtquelle.

Das derzeit beim IMEC installierte Alpha-Tool NXE:3100 von ASML arbeitet mit einer 20-W-Lichtquelle. Um nur annähernd den Wafer-Durchsatz zu erreichen, der für eine kosteneffektive Nutzung der EUV-Lithographie notwendig ist, sind aber 200 W notwendig. Das spiegelt sich auch in der Forderung der Experten auf dem Symposium wider: Bis 2014 ist eine zuverlässige 200-W-Lichtquelle notwendig.

Laut Ronse konnten die Hersteller der Lichtquellen (Cymer, Gigaphoton, Xtreme Technologies/Ushio) bereits heute deutlich höhere Leistungen demonstrieren, aber bislang nur im Labor. »Cymer hat in den letzten sechs Monaten eine Lichtquelle gezeigt, die für kurze Zeit eine Leistung von bis zu 200 W erzeugen konnte. Jetzt geht es aber erst einmal darum, diese Technik auszureifen, damit die Leistung auch zuverlässig zur Verfügung steht.«

Und das ist alles andere als trivial, das lassen zumindest die bislang gemachten Erfahrungen beim IMEC vermuten: Ende 2006 hatte das IMEC begonnen, ein Alpha-Tool des EUV-Lithographiesystems von ASML zu installieren. Aber es dauerte bis Anfang 2012, bevor es den Ingenieuren gelang, mithilfe eines Upgrades der Lichtquelle überhaupt erst einmal die stabile EUV-Verfügbarkeit zu erzielen. Das ist eine lange Zeit, allerdings fügt Ronse aufmunternd hinzu: »Die Leistung der verwendeten Lichtquelle wuchs in den letzten Jahren bereits um den Faktor 20. Wenn jetzt noch einmal eine Steigerung um den Faktor 10 erreicht wird, dann ist die EUV-Technik für die Fertigung nutzbar.«

Ronse will zwar nicht garantieren, dass es jemals eine Lichtquelle geben wird, die stabil 200 W zur Verfügung stellt, er hält es allerdings für durchaus machbar. Außerdem ist er überzeugt, dass es eigentlich keine wirkliche Alternative zur EUV-Lithographie gibt. Denn die Fortschritte bei konkurrierenden Ansätzen wie beispielsweise der E-Beam-Technik seien noch viel kleiner als bei der EUV-Lithographie. Erschwerend für die E-Beam-Technik kommt hinzu, dass hier einzelne Unternehmen unterschiedliche Konzepte verfolgen und somit noch nicht einmal an einem Strang gezogen wird.

Dass der Ruf nach EUV gerade jetzt laut wird, begründet Ronse damit, dass die bekannten Tricks, mit denen die Halbleiterhersteller bislang die Stufen der Prozesstechnologie immer weiter hinunterklettern konnten, an ihre Grenzen stoßen. Ronse: »Bei 14 nm sehe ich den Wendepunkt. Dieser Technologieknoten lässt sich nur noch mit EUV ökonomisch produzieren. Nur mit der EUV-Lithographie ist es möglich, die Fläche einer SRAM-Zelle beim Übergang auf den 14-nm-Knoten wirklich um 50 Prozent zu skalieren.«

Zwar gibt es auf der 1x-nm-Technologie-Ebene Alternativen zu EUV wie beispielsweise 193i DAS (Directed Self-Assembly) und 193i SAQP (Self-Aligned Quadruple Patterning), aber Ronse ist der Überzeugung, dass die EUV-Technik die größten Möglichkeiten bietet: »Mit Triple- oder sogar Quadruple-Patterning wird die IC-Fertigung so teuer, dass es sich nicht mehr lohnt.« Und genau das merken die IC-Hersteller jetzt: Triple- und Quadruple-Patterning machen nicht nur immer mehr und teurere Masken notwendig, sondern die Entwicklungszeiten für die Technologien verlängern sich, und der Overlay zwischen den Masken wird immer kritischer. Ronse: »Bei 14 nm würde sich die Zahl der Masken um den Faktor 3 reduzieren, wenn die Hersteller statt Multi-Patterning die EUV-Lithographie nutzen könnten. EUV-Masken sind zwar teurer als 193-nm-Masken, aber wenn man rechnet, dass man mit Triple-Patterning die dreifache Maskenanzahl pro Lage braucht, wird der EUV-Maskensatz wieder günstiger.«

Doch auch wenn Ronse optimistisch ist, was die 200-W-Leistung angeht - sie wäre nur ein kleiner Schritt auf das Ziel hin, das die Hersteller anstreben: eine Lichtquelle, die eine Leistung von 500 bis 1000 W erzeugt. Auf dem Symposium wurde das Jahr 2016 genannt, bis dahin sollen solche Lichtquellen zur Verfügung stehen. Allerdings dürfte es schwierig werden, das Zeitfenster zu treffen. Denn 1000 W zu erreichen, ist mit den heutigen Konzepten unmöglich.