Konkurrenz für ASML Neuer Ansatz für EUV-Lithographie: Effizienter und günstiger als ASMLs Standard

Anbieter zum Thema

ASML Netherlands B.V.

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

SPEA GmbH Systeme f. professionelle Elektronik und Automation

ET System electronic GmbH

Durch die nötige Menge an benötigten Lichtreflexionen in der aktuellen Bauweise der Maschinen in der EUV-Lithographie kommt etwa 1 Prozent der EUV-Energie beim Wafer an - das ist ziemlich kostenintensiv. Ein Entwurf des OIST schlägt eine Veränderung des Projektionsweges vor, sodass mehr als zehn Prozent beim Wafer ankommen.

EUV-Lithographiesysteme sind bei der Herstellung fortgeschrittener Halbleiter-Chips inzwischen nahezu unerlässlich, um auf Siliziumwafern die feinen Strukturen etwa für KI-Prozessoren oder DRAM-Speicher zu erzeugen. Der erfolgreichste Anbieter dieser Systeme dürfte das niederländische Unternehmen ASML sein, das die weltgrößten Halbleiterhersteller TSMC, Samsung und Intel mit den Geräten versorgt. Sollte ASML mal ins Schlingern geraten und keine der teils kostspieligen Maschinen mehr bauen können, dann steht die Halbleiterei möglicherweise vor einem Problem.

Allerdings steht sie das hinsichtlich der EUV-Lithographie ohnehin. Denn die konventionelle Bauweise der EUV-Systeme verschwendet sehr viel Energie. Das EUV-Licht wird mit Spiegeln gelenkt, die die Strahlen entlang des optischen Pfads in einem Zickzackmuster durch den offenen Raum reflektieren. „Da bei dieser Methode das Licht jedoch von der zentralen Achse abweicht, werden wichtige optische Eigenschaften geopfert und die Gesamtleistung des Systems verringert“, erklären die Verantwortlichen des OIST, des Okinawa Institute of Science and Technology. Professor Tsumoru Shintake schlägt deswegen einen neuen Aufbau vor, der EUV-Lithographie in ihrer Komplexität und in ihren Kosten reduzieren würde.

Bildergalerie

EUV-Licht und der Leistungsabfall pro Reflexion

In der EUV-Lithographie wird ein CO₂-Laser verwendet, um extrem ultraviolettes (EUV) Licht zu erzeugen, das für die Herstellung winziger Halbleiterstrukturen notwendig ist. Dabei werden Tröpfchen aus flüssigem Zinn in einer Vakuumkammer erzeugt und von einem Hochleistungslaser auf Basis von Kohlendioxid (CO₂) beschossen. Der Laser erhitzt das Zinn und erzeugt ein Plasma, 40 Mal heißer als die Sonne, das EUV-Licht mit einer Wellenlänge von 13,5 nm emittiert. Speziell beschichtete Spiegel sammeln und fokussieren dieses EUV-Licht, das anschließend durch eine Maske geleitet wird, um das gewünschte Muster auf einen mit Photoresist beschichteten Siliziumwafer zu projizieren.

Der Einsatz eines CO₂-Lasers bietet den Vorteil, dass er die hohe Leistung und die präzisen Impulse liefert, die für die effiziente Erzeugung des Plasmas notwendig sind. Allerdings erfordert die Integration und Steuerung des Systems aufgrund seiner Komplexität eine präzise Abstimmung, was zu hohen Betriebs- und Wartungskosten führt. Der CO₂-Laserantrieb benötigt neben einer großen Menge an elektrischer Energie auch eine große Menge an Wasser zur Kühlung.

Es könnte also besser gehen. An dieser Stelle kommt Shintakes Vorschlag zum Zug, der vom OIST bereits zum Patent angemeldet wurde. Shintake schlägt vor, die Menge der Spiegel von der EUV-Quelle bis zum Wafer auf vier zu reduzieren, denn auf diesem Wege kämen mehr als 10 Prozent der aufgewandten Energie durch. „Das bedeutet, dass selbst eine kleine EUV-Quelle mit einer Leistung von einigen zehn Watt genauso effektiv arbeiten kann. Dies kann zu einer erheblichen Reduzierung des Stromverbrauchs führen“, argumentiert Shintake.

Problemfliege mit einer Klappe geschlagen

Der Projektor, Herzstück der EUV-Lithographie, überträgt das Bild der Fotomaske auf den Siliziumwafer. In Shintakes Vision besteht er aus nur zwei Spiegeln, ähnlich wie ein astronomisches Teleskop. „Diese Konfiguration ist unvorstellbar einfach, wenn man bedenkt, dass herkömmliche Projektoren mindestens sechs reflektierende Spiegel benötigen. Möglich wurde dies durch ein sorgfältiges Überdenken der Theorie zur Korrektur der Aberration in der Optik. Es ist ein Triumph der klassischen Physik vor der Quantenphysik“, so Professor Shintake. „Die Leistung wurde mit einer optischen Simulationssoftware (OpTaliX) überprüft und ist garantiert ausreichend für die Produktion fortschrittlicher Halbleiter.“

Shintake überwand die Problemstellung, dass zu viele Spiegel benötigt würden, mit der Erfindung des sogenannten „dualen Linienfeld“, das eine flache Spiegelphotomaske von vorn mit EUV-Licht bestrahlt, ohne den optischen Pfad zu beeinträchtigen. Er erklärt: „Wenn man zwei Taschenlampen, eine in jeder Hand, diagonal und im gleichen Winkel auf einen Spiegel vor sich richtet, dann trifft das Licht der einen Taschenlampe immer auf die andere, was in der Lithografie inakzeptabel ist. Wenn man aber die Hände nach außen bewegt, ohne den Winkel der Taschenlampen zu verändern, bis die Mitte von beiden Seiten perfekt ausgeleuchtet ist, kann das Licht reflektiert werden, ohne mit dem Licht der gegenüberliegenden Taschenlampen zu kollidieren.“

Sollte sich der Ansatz von Shintake umsetzen lassen, wie es die ausführlichen Tests in der Simulation annehmen lassen, dann könnten damit die Kosten für die EUV-Lithografie und auch für die Herstellung fortschrittlicher Halbleiter-Chips erheblich sinken. Einerseits werden die Energiekosten reduziert, andererseits wird das System weniger komplex und damit zuverlässiger. Dank des optimierten optischen Pfads arbeitet das System mit einer EUV-Lichtquelle von nur 20 W, was zu einem Gesamtstromverbrauch von weniger als 100 kW führt. Herkömmliche Systeme benötigen oft mehr als 1MW Leistung. (sb)

Präziseste Maschine zur Chipfertigung

High-NA-EUVL: Riesige Technik für winzige Transistoren

Hochmoderne CMOS-Prozesstechnik

High-EUV-Anlage in 5 Monaten aufgebaut – Intel zerstreut Kostenbedenken

(ID:50125394)