Zwei Mitarbeiter der ZEISS SMT arbeiten im Reinraum an einer DUV-Technologie

DUV-Lithographie

DUV-Lithographie-Optiken von ZEISS

Auflösung und Präzision als Innovationstreiber

Kürzer, feiner, präziser – und für den Menschen unsichtbar

Das für den Menschen sichtbare Spektrum von Licht liegt etwa zwischen 400 und 800 Nanometern Wellenlänge. Für die heutigen Ansprüche in der Halbleiterfertigung ist das viel zu lang. Um die feinen Strukturen von Mikrochips auf die Silizium-Wafer zu belichten, braucht es Wellenlängen unterhalb des für Menschen sichtbaren Spektrums. Mit Lithographie-Optiken von ZEISS SMT (kein Vertrieb in Deutschland) können Chiphersteller weltweit mit Nanometer-Präzision belichten – im Bereich des "deep ultraviolet light" (DUV-Licht) mit Wellenlängen von 365, 248 und 193 Nanometern.

So funktioniert DUV-Lithographie

Das benötigte DUV-Licht wird von Excimerlasern erzeugt. Dies sind Gaslaser, die elektromagnetische Strahlung im ultravioletten Wellenlängenbereich erzeugen können. Excimerlaser sind zur Zeit die flexibelsten und leistungsstärksten Quellen für Licht im ultravioletten Bereich des Spektrums.

Das Bild zeigt ein Modul, das in Excimerlasern verbaut wird.
Die Optiken für die Excimerlaser müssen bei hohen Lichtintensitäten und geringen Wellenlängen arbeiten. Der Bereich Optics Modules (OM) von ZEISS SMT liefert diese Optiken.
Je nach Wellenlänge kommen unterschiedliche Gase zum Einsatz. Bei 248 Nanometern ist es Kryptonfluorid (KrF), bei 193 Nanometern wird die Lichtwellenlänge mit Argonfluorid (ArF) erzeugt.
Die Projektionsmaske oder auch das Reticle, enthält dabei sozusagen den Bauplan für einen Mikrochip.
Über das optische System von ZEISS SMT werden die Informationen auf der Maske verkleinert und auf Siliziumscheiben, sogenannte Wafer, projiziert. Ähnlich wie bei einem Diaprojektor, bei dem das Bild auf eine Leinwand projiziert wird, bildet das DUV-Licht das Muster der Maske stark verkleinert auf dem Wafer ab.
Die Qualität und Form des Beleuchtungssystems sowie das Auflösungsvermögen der Projektionsoptik bestimmen mit darüber, wie klein die Strukturen auf einem Mikrochip sein können.
Mit DUV-Licht sind Strukturen bis zu einer Auflösung von 40 Nanometern möglich – dank einem in der DUV-Lithographie erstmalig eingesetzten neuen Verfahren: die Immersionslithographie.

Numerische Apertur

Bessere Auflösung durch Immersion

Die Auflösung bei vorangegangenen Lithographie-Technologien war begrenzt durch den Luftraum über dem Wafer. Ernst Abbe formulierte bereits, dass die Auflösung von Lichtmikroskopen begrenzt ist durch die Wellenlänge des Lichts und die numerische Apertur (auch Abbe-Limit genannt). Die numerische Apertur ergibt sich aus dem Brechungsindex des letzten Mediums über der Bildebene und dem Öffnungswinkel der Optik. Der Öffnungswinkel der Optik wiederum hängt von der Größe der Optik ab. Ältere Lithographie-Technologien sind hier an eine wirtschaftlich sinnvolle Grenze gestoßen. Für eine bessere Auflösung musste also neu gedacht werden. Die Lösung liegt in einer Immersionsflüssigkeit, die den Luftraum über dem Wafer ausfüllt. Das Immersions-Prinzip hatte Abbe bereits in der Mikroskopie erforscht und konnte nun auch erfolgreich mit Immersionsoptiken bei der DUV-Lithographie eingesetzt werden.

Mitarbeiter schraubt an einem DUV-Produkt Starlith 1900i

Mit Immersion zur besseren Auflösung

In der Mikroskopie ist die Methode bereits lange bewährt. Seit Mitte der 2000er findet sie auch innerhalb der Optiken für die Mikrochipherstellung bei ZEISS SMT Anwendung. Zwischen Optik und Wafer wird eine Flüssigkeit eingebracht und der Optikkopf darin eingetaucht (Immersion). Durch den höheren Brechungsindex des Wassers wird der Lichtstrahl stärker umgelenkt, wodurch sich die numerische Apertur erhöht, und die Auflösung sich entscheidend verbessert. So können ZEISS Lithographie-Optiken mit der Lichtwellenlänge von 193 Nanometern Auflösungen von unter 40 Nanometern erreichen.

Hochflexible Beleuchtungssysteme für Abbildungs-Optimierung

Um die Grenzen der optischen Auflösung zu erweitern, spielt die Wahl der Beleuchtungseinstellung eine entscheidende Rolle bei der Optimierung des Belichtungsprozesses. Die Beleuchtungseinstellung und das Maskenlayout werden gemeinsam optimiert, um sicherzustellen, dass der Abbildungsprozess zielgerichtet abläuft und eine ausreichende Toleranz gegenüber Prozessschwankungen aufweist. Um die fortschrittlichste Source Mask Optimization zu unterstützen, bieten ZEISS Beleuchtungssysteme praktisch unendliche Freiheitsgrade für kundenspezifische Optimierungen. Seit 2009 sind die Immersionssysteme mit der FlexRay-Beleuchtung ausgestattet: Ein Array von Mikrospiegeln ermöglicht es, benutzerdefinierte Beleuchtungseinstellungen in Echtzeit und ohne Vorlaufzeiten zu realisieren. Das gewährleistet die höchste und robusteste Abbildungsqualität selbst für die fortschrittlichsten Chipdesigns.

ZEISS als Technologieführer

Unserem strategischen Partner ASML gelang es – mit Optiken von ZEISS SMT – als erstem Hersteller weltweit, die Immersionslithographie zur Produktionsreife zu bringen. Mit dem ersten Prototyp einer Immersionsoptik änderte ZEISS SMT 2003 die Roadmap der optischen Lithographie. Galt zuvor noch die 157-Nanometer-Lithographie als Technologie der Zukunft, setzte sich nun die Immersionslithographie durch, um das Moore'sche Gesetz weiterzuführen. Heute sind ZEISS Lithographie-Optiken in Wafersteppern und Waferscannern unseres strategischen Partners ASML Kernelemente der modernen Mikrochipproduktion und Taktgeber für die Halbleiterindustrie.

Zur Optischen Lithographie

Rund 80 Prozent aller Mikrochips weltweit werden mithilfe der Optiken von ZEISS gefertigt.

Dr. Thomas Stammler
Chief Technology Officer

DUV-Technologie-Highlights

DUV-Lithographie-Optiken von ZEISS SMT: Kein Vertrieb in Deutschland

Lithographie bei 193 Nanometern (ArF)

Eine Steigerung der Auflösung erreicht man mit der Immersionstechnologie. Das Starlith® 1982i von ZEISS ist eines der erfolgreichsten und umsatzstärksten Produkte von ZEISS. Es ermöglicht Auflösungen von unter 40 Nanometern unter Einsatz eines Excimerlasers mit Argonfluorid (ArF).

Das Starlith® 1460 von ZEISS ist eine Lithographie-Optik, die Auflösungen von 55 nm ermöglicht. Es wird weltweit in der Volumenproduktion von Mikrochips eingesetzt und arbeitet mit der Ausführung als „trockenes“ (dry) System, d.h. zwischen der letzten Linse und dem Wafer befindet sich Luft.
Lithographie bei 248 Nanometern (KrF)

Die Lithographie-Optik Starlith® 860 ist eine der meistverkauften Optiken der ZEISS SMT für Excimerlaser mit Kryptonfluorid (KrF). Sie ermöglicht Auflösungen von 110 bis 90 Nanometern.

Das Starlith® 1000 ist ebenfalls ein Volumenprodukt. Es arbeitet mit der Lichtwellenlänge von 248 Nanometern und erreicht Auflösungen von bis zu 80 Nanometern.
Lithographie bei 365 Nanometern (I-Linie)

Das Starlith® 400 von ZEISS arbeitet mit der Wellenlänge 365 Nanometer und findet zum Beispiel bei der Lithographie von nicht kritischen Strukturen Anwendung. Die Optik ermöglicht dabei Strukturen von 220 Nanometern und verwendet eine Hochdruck-Quecksilber-Dampflampe.
Line Narrowing Module (LNM)

Die in der Laserkammer erzeugte Strahlung ist quasi monochromatisch und muss dennoch in der Bandbreite der Wellenlänge weiter reduziert werden, damit es bei der Projektion der Strukturen von der Photomaske auf den Wafer nicht zu Abbildungsfehlern kommt.

Das Line Narrowing Module (LNM) übernimmt als Modul zur Bandbreiten-Reduzierung diese Aufgabe, indem das Laserlicht aufgespalten und auf die gewünschte Bandbreite der Wellenlänge reduziert wird.
Optikkomponenten für Laser

Die tiefe Ultraviolettstrahlung der DUV-Laser hat eine sehr hohe Energiedichte, was bei im Laser verwendeten Materialien zu Degradationserscheinungen führen kann. ZEISS SMT hat sich deshalb darauf spezialisiert, die Physik und Chemie der Degradation in den optischen Materialien zu verstehen und widerstandsfähige optische Komponenten zu entwickeln.

Diese können im Laser verschiedene Aufgaben übernehmen: Prismen, die den Strahl weiten oder reduzieren, Beamsplitter, die einen Teil des Lichts reflektieren und den anderen Teil passieren lassen, sowie reflektierende und antireflektierende Beschichtungen.
Beleuchtungssysteme

Die Beleuchtung der Fotomaske spielt eine zentrale Rolle in der Optimierung des lithographischen Abbildungsprozesses – hier sind Flexibilität und Kontrolle entscheidend. Für jeden Projektionsobjektiv-Typ wird ein individuelles Beleuchtungssystem entwickelt. Das stellt sicher, dass die Module optimal zusammenpassen und in den Fabriken der Kunden die beste Performance liefern.