Licht für die nächsten Chipgenerationen

In wenigen Jahren sind die Grenzen der optischen Belichtungstechnik endgültig ausgereizt. Als aussichtsreichster Kandidat für eine neue Lithographie gilt extreme ultraviolette (EUV) Strahlung mit Wellenlängen von 11 bis 14 Nanometern. Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen hat weltweit die Nase vorn bei der Entwicklung von EUV-Strahlungsquellen, zwei Firmen wurden bereits mit Partnern gegründet. Dies berichtet das Fraunhofer-Magazin in seiner neuen Ausgabe.

„EUV ist die Belichtungstechnologie für den Pentium 10“, behauptet Prof. Reinhart Poprawe, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT. Denn er ist überzeugt, dass die in Aachen entwickelte Lichtquelle eine neue Ära der Lithographie in der Halbleiterindustrie einläuten kann. Die bisherige optische Lithographie stößt in wenigen Jahren an Grenzen, die nicht weiter hinausgeschoben werden können. Will die Chipindustrie aber an ihrem raschen Tempo zu immer kleineren Strukturen festhalten, muss sie den großen Technologiesprung hin zu einer neuen Lithographie wagen. Den Takt schlägt seit 37 Jahren mit erstaunlicher Regelmäßigkeit das Moore’sche Gesetz: Es besagt, dass sich alle 18 Monate die Kapazität der Mikrochips verdoppelt, während sich gleichzeitig die Fertigungskosten halbieren.

Begrenzt wird die stetige Verkleinerung der Chipstrukturen durch die Wellenlänge der dazu verwendeten Lichtquellen. Mit sichtbarem Licht kommen die Halbleiterhersteller schon lange nicht mehr aus. Derzeit werden Ultraviolett-Laser eingesetzt, doch auch sie erreichen demnächst ihre untere Grenze von 90 Nanometern. Dann geht die Ära der lichtoptischen Lithographie zu Ende. Bis vor kurzem galten eine ganze Reihe von Verfahren als mögliche Kandidaten für die Lithographie der nächsten Generation. Nach einer Evaluation Ende vergangenen Jahres blieben nur noch die Elektronenstrahl-Lithographie und die EUV-Lithographie in der engeren Wahl.

Obwohl sie die jüngste der Lithographietechnologien ist, scheint derzeit die EUV-Lithographie technologisch die größten Chancen als Nachfolger der bisherigen Lithographie zu haben. EUV löst voraussichtlich die heutige Prozesstechnologie ab. Bereits 1997 gründeten Intel, Motorola und AMD ein Konsortium, um EUV serienreif zu machen – inzwischen sind mit IBM, Infineon und Micron alle wichtigen Halbleiterhersteller im Club der Extremen Ultravioletten vertreten.

Die EUV-Lithographie setzt den Trend zu kürzeren Wellenlängen konsequent fort. Extremes Ultraviolett mit Wellenlängen von 11 bis 14 Nanometern liegt weit unterhalb des sichtbaren Lichts nahe bei den Röntgenstrahlen. Die kurzwellige EUV-Strahlung bringt allerdings gravierende Unterschiede, denn sie wird von allen Materialien, selbst von Gas, absorbiert. Daher muss der gesamte Belichtungsprozess im Vakuum stattfinden. Außerdem können nicht wie bisher transparente Masken oder refraktive Optiken wie Linsen eingesetzt werden, EUV-Licht kann nur über hochreflektierende Spiegel geführt werden.

Die technologischen Hürden liegen sowohl in der Entwicklung neuer leistungsfähiger und wirtschaftlicher EUV-Strahlungsquellen wie auch darauf angepasster Spiegeloptiken zur Strahlformung und -führung. EUV-Strahlung kann auf unterschiedliche Arten erzeugt werden: Zwei Verfahren konkurrieren derzeit weltweit um die Führung: laserproduzierte Plasmen und Gasentladungsplasmen – beide Richtungen werden auch am ILT verfolgt.

Im Prinzip geht es darum, bestimmte Materialien in einem Plasma so stark aufzuheizen, dass sie EUV-Strahlung emittieren. Zurzeit arbeiten die Forschergruppen vor allem mit Xenon, aber auch Sauerstoff und Lithium geben die charakteristische EUV-Strahlung ab. Die Technik der laserproduzierten Plasmen ist nicht einfach zu beherrschen. Daher nimmt das Interesse an gasentladungsbasierten EUV-Strahlungsquellen zu. Gasentladungsplasmen erzeugen das Xenon-Plasma durch eine gepulste Entladung elektrisch gespeicherter Energie. In einer weltweit vergleichenden Untersuchung der fünf EUV-Strahlungsquellen, die den höchsten Entwicklungsstand erreicht haben, schaffte nur die EUV-Lampe des ILT als einzige außerhalb der USA den Sprung unter die Besten.

Die neuartige Entladungslampe, die von der Plasmatechnologie-Gruppe am ILT entwickelt, patentiert und als „Aachener Lampe“ bekannt wurde, ist wesentlich einfacher, kompakter und preisgünstiger als alternative Verfahren. Die Schlüsselkomponente, die Plasmakammer, hat nur die Größe einer Hutschachtel. Hinter dem Erfolg stecken jahrelange Forschungsarbeiten in der Plasmatechnik und ein Projekt, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wurde, um Deutschland auf diesem Gebiet eine Spitzenstellung zu sichern. Mit den heute schon erreichbaren Strahlungsleistungen von mehreren 100 mW liegt diese Quelle weltweit an der Spitze der gasentladungsbasierten Quellen und im Bereich der besten laserproduzierten Strahlungsquellen. „Im Vergleich zu den anderen Konzepten hat diese Strahlungsquelle ein wesentlich höheres Potenzial, die Anforderungen der EUV-Lithographie zu erfüllen“, ist sich Dr. Neff, Leiter der Abteilung Plasmatechnologie, sicher.

Mit zwei Partnerfirmen wird die Vermarktung vorbereitet. Während die AIXUV GmbH in Aachen, eine Ausgründung des ILT, schon in diesem Jahr eine Version für Labortests anbietet, wird in der neugegründeten Philips EUV GmbH, an der auch die Fraunhofer-Gesellschaft beteiligt ist, ein komplettes System für die EUV-Lithographie entwickelt. Schon im nächsten Jahr sollen erste Prototypen verfügbar sein. Für 2005 ist eine EUV-Quelle geplant, die alle notwendigen Parameter erreicht, denn ab dem Jahr 2007 wollen die Halbleiterhersteller die EUV-Lithographie zur Serienfertigung von integrierten Schaltkreisen einsetzen. Das ILT beteiligt sich in den nächsten Jahren intensiv an der Weiterentwicklung dieser EUV-Quellen hin zu den für die Chipfertigung benötigten Leistungen.

Vor der Einsatzreife der EUV-Lithographie stehen aber noch weitere Hürden, vor allem muss eine völlig neue Spiegeloptik entwickelt werden, die auf diese Wellenlänge angepasst ist. Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena und das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden forschen an optischen Komponenten für die EUV-Lithographie.

Ein riesiges Wachstumspotenzial steckt in der Lithographie zur Chipherstellung: Das Weltmarktvolumen wird derzeit allein für Laser auf etwa 800 Mio Mark geschätzt und bis zum Jahr 2005 ist mit einer Verdoppelung zu rechnen. Das Marktvolumen für die Optik beträgt sogar 1,6 Mrd Mark; das Volumen für die Waferbelichter rund 6,2 Mrd Mark.

„Auf das Jahrhundert des Elektrons, folgt nun das Jahrhundert des Photons“, sagt Prof. Poprawe in der berechtigten Hoffnung, dass Deutschland zur alten Stärke zurückfindet. Und Lothar Späth bringt es, nicht nur an Jenoptik denkend, auf den Punkt: „In der Elektronik können wir die USA nicht schlagen, aber in der Photonik“.