ASML und imec EUV-Lithografie für Strukturgrößen unter 3 nm

Die TWINSCAN NXE:3400B hat ASML so ausgelegt, dass sie in der Stückzahlproduktion für die 7- und 5-nm-Prozess Einsatz finden kann.
Die TWINSCAN NXE:3400B hat ASML so ausgelegt, dass sie in der Stückzahlproduktion für die 7- und 5-nm-Prozess Einsatz finden kann.

Die ersten EUV-Geräte dringen gerade in die Chip-Produktion vor, da entwickeln imec und ASML bereits EUV-Systeme für den 3-nm-Knoten und darunter.

Die derzeit verwendete UEV-Lithografie, die jetzt zaghaft Eingang in die ersten kommerziellen IC-Produktionslinien finden, sind allerdings immer noch verbesserungswürdig. Deshalb haben sich die Partner ASML und imec zunächst vorgenommen, die Einführung der bestehenden EUV-Systeme mit einer Numerischen Apertur (NA) von 0,33 für die IC-Fertigung in großen Stückzahlen zu beschleunigen.

Parallel dazu wollen sie aber auch neue EUV-Systeme mit höherer NA entwickeln, die sich sogar für die Fertigung von ICs eigenen würden, deren Strukturen unter 3 nm liegen.

High-NA-EUV-Research Lab gegründet

Dazu haben die Partner das High-NA-EUV-Research Lab gegründet. Denn auf eine höhere NA kommt es an: Solche Systeme projizieren die Strahlung unter größeren Winkeln auf die Wafer, was die Auflösung erhöht, so dass diese Maschinen noch kleinere Strukturen abbilden können als die heutigen Systeme. Dazu hat ASML mit der EXE:5000 bereits ein erstes Gerät gebaut, das im neuen Research-Lab installiert wird. Seine NA beträgt 0,55. Ab 2021 soll dieser Scanner soweit ausgereift sein, dass er in realen Fertigungen Verwendung finden kann.  Laut ASML wird seine Auflösung seine Overlay-Präzisiion den EUV-Vorgänger um 70 Prozent übertreffen.

2014 hatten ASML und imec  mit dem Advanced Patterning Center ein gemeinsames Forschungszentrum gegründet, das sich der Entwicklung neuer Lithografie-Techniken widmen und ein Ecosystem dafür bilden sollte. Jetzt wird im Reinraum von imec der neuste Produktions-EUV-Scanner von ASML, der NXE:3400B, installiert, der eine NA von 0,33 erreicht.  Dort können imec, ASML und die Partnerfirmen die Prozesse analysieren, um die EUV-Technik weiter zu industrialisieren.

Der EUV-Scanner NXE:3400B arbeitet mit einer Strahlungsquelle (13,5 nm), die 250 W liefert und auf einen Durchsatz von über 125 Wafern pro Stunde kommt. Damit erfüllt er eine Mindestvoraussetzung, um in der Stückzahlfertigung wirtschaftlich arbeiten zu können. In der Vergangenheit bestand eine der größten Hürde für die Kommerzialisierung der EUV-Lithografie darin, der Strahlungsquelle genügend Energie zu entlocken, um die Wafer angemessen schnell belichten zu können.

Ohne die entsprechenden Fertigungstoleranzen einhalten zu können, würde allerdings der schönste Durchsatz nichts nützen. Deshalb arbeiten in der NXE:3400B die neusten Sensoren, die für eine präzise Prozesskontrolle bei hohem Durchsatz sorgen sollen. Weil die teuren EUV-Geräte nur für die kritischsten Prozessschritte, also für die Formierung der kleinsten Strukturen verwendet werden, müssen sie gut abgestimmt im Zusammenspiel mit den herkömmlichen Lithografie-Geräten arbeiten. Es kommt also auf eine gute Anpassung der Lithografie-Schritte zwischen den Maschinen an, vor allem darauf, einen guten Overlay zwischen der NXE:3400B und dem neusten Immersion-Scanner vom Typ NXT:2000i (193 nm) von ASML zu erzielen. Diese Maschine wird im kommenden Jahr im Reinraum von imec installiert. ASML wird mit dem YiledStar und mit den Multielectronbeam-System auch den Metrologieteil abdecken.

ASML spricht von einem holistischen Ansatz. Denn die EUV-Maschinen an sich bilden nur ein Teil einer kompletten EUV-Prozesskette. Neben der Metrologie, um die sich ASML intensiv kümmert, spielen viele andere Einflussfaktoren eine Rolle. ASML und imec wollen das Gesamtsystem orchestrieren und die Hersteller der verschiedener Elemente der Prozesskette zu einem Ecosystem zusammen führen.

Die erwähnte EUV-Strahlungsquelle spielt dabei eine große Rolle. Eine weitere Herausforderung für die EUV-Lithografie stellen die Materialien dar, aus denen die photoempfindlichen Schichten aufgebaut werden. Mit ihnen werden die Wafer beschichtet,  auf die der EUV-Scanner über die Masken die Muster projiziert. Deshalb müssen die Masken selber auf die Bedingungen des übrigen Systems abgestimmt entwickelt und gefertigt werden.

Als ein harter Knochen für die EUV-Lithografie haben sich die Pellicles erwiesen. In einfachen Lithografiesystemen waren das simple lichtdurchlässige Membranen, die die Masken während der Belichtung als »Stabfänger« geschützt haben. Sie sollten Fremdpartikel abhalten. Fallen sie auf das Pellicle, so werden sie auf dem Wafer völlig unscharf abgebildet und können das Ergebnis nicht so verfälschen, als ob sie auf der Maske lägen. Lange hatte die EUV-Gemeinde gedacht, Pellicles wären für die reflektiven EUV-Masken (also nicht transparent wie in der herkömmlichen Lithografie) in EUV-Scannern nicht erforderlich. Es hat sich aber herausgestellt, dass sie doch wünschenswert sind. Für diese Pellicles kommt es darauf an, Materialien zu finden, die gegenüber der verwendeten Strahlung transparent sind, damit ein Großteil der so mühsam in der Strahlungsquelle erzeugten Energie auch tatsächlich auf der Wafer-Oberfläche ankommt und das vorgesehene Feld möglichst schnell belichten kann. Außerdem könne sie bis 1.000 °C warm werden. Hier und an vielen weiteren Stellen muss noch intensiv geforscht und entwickelt werden, was in dem High-NA-EUV-Research Lab geschehen soll.