Quelltext der Seite Next-Generation-Lithografie

Unter '''Next-Generation-Lithografie''' ('''NGL''', dt. „''Lithografieverfahren der nächsten Generation''“) werden in der [[Halbleitertechnik]] Strukturierungsverfahren zusammengefasst, die Kandidaten für die Nachfolge der [[Fotolithografie (Halbleitertechnik)|konventionellen Fotolithografie]] auf Basis von [[Ultraviolettstrahlung]] in der industriellen Fertigung von [[Mikroelektronik|mikroelektronischen Schaltkreisen]] sind. Die Verfahren können grob in drei Gruppen eingeteilt werden:
# Verfahren basierend auf [[Elektromagnetische Strahlung|elektromagnetischer Strahlung]] mit noch kürzerer Wellenlänge, beispielsweise [[EUV-Lithografie|EUV-]] und [[Röntgenlithografie]]
# Verfahren basierend auf anderen [[Teilchenstrahlung]]en, beispielsweise [[Elektronenstrahllithografie|Elektronen-]] und [[Ionenstrahllithografie]]
# alternative Verfahren, wie [[Nanoprägelithografie]] oder die [[Step-and-flash-imprint-Lithografie]]

== Hintergrund ==
Das 2021 in der Halbleitertechnik hauptsächlich verwendete Strukturierungsprinzip, die Fotolithografie, basiert auf der Übertragung eines Strukturmusters von einer [[Fotomaske]] in eine fotostrukturierbare, das heißt lichtempfindliche, dünne Schicht aus [[Fotolack]] (Resist) auf einem [[Wafer]]. Ergebnis ist eine strukturierte Fotolackschicht auf dem Wafer, die als Maskierungsschicht für Nachfolgeprozesse, wie dem Ätzen von darunterliegendem Material oder der [[Ionenimplantation]], genutzt wird. Seit der Anfangsphase der Mikroelektronik hat sich an diesem Grundprinzip relativ wenig verändert, auch wenn der Trend hin zu höheren [[Integrationsdichte]]n und somit kleineren Bauelementen eine stetige Weiterentwicklung notwendig machte. Wichtige Parameter für die Verbesserung des [[Auflösungsvermögen]]s sind zum einen die [[Wellenlänge]] des eingesetzten [[Licht]]s, zum anderen die numerische Apertur der Fotolithografieanlage.

Die Wellenlänge des eingesetzten Lichts begrenzt durch auftretende [[Beugung (Physik)|Beugungseffekte]] die maximale Auflösung einer [[Optische Abbildung|Abbildung]] im Resist, wenn die gewünschten Strukturgrößen im Bereich der Wellenlänge des eingesetzten Lichts und darunter liegen. Um kleinere Strukturen fertigen zu können, wurde daher immer kürzerer Wellenlänge eingesetzt, sodass man vom anfangs eingesetzten sichtbaren Licht (436&nbsp;nm, g-Linie einer [[Quecksilberdampflampe]]) über immer kürzere [[Ultraviolett]]-Linien dieser und anderer Lampen schließlich bei Wellenlängen im [[Vakuum-Ultraviolett]] ([[Argonfluorid|ArF]]-[[Excimerlaser]], 193&nbsp;nm) angekommen ist. Weitere Verbesserungen sind Optimierungen im Anlagenbau sowie die Einführung diverser Spezialtechniken, wie der [[Immersionslithografie]], [[Schrägbeleuchtung]] oder [[Mehrfachstrukturierung]]. Diese Entwicklungen führten dazu, dass 2019 Produkte in der sogenannten [[7-nm-Technik]] mittels Immersionslithografie und ArF-Excimerlasern herstellbar sind. Diese Entwicklung wurde noch vor wenigen Jahren für technisch und physikalisch unmöglich gehalten, weshalb bereits in den 1990er Jahren mit der Suche nach alternativen Verfahren begonnen wurde, der Next-Generation-Lithografie.
<!-- == Anforderungen ==
* Vergleichbarer Waferdurchsatz (> 100 Wafer pro Stunde) bei vergleichbaren Platzbedarf der Anlagen
* Vergleichbare Belichtungsfeldgrößen
*
-->

== EUV-Lithografie ==
{{Hauptartikel|EUV-Lithografie}}

Als konsequente Fortsetzung der optischen Lithografie hin zu kürzeren Wellenlängen und damit kleineren Strukturen ist die EUV-Lithografie (engl. {{lang|en|''extreme ultra violet''}}) mit einer Wellenlänge von 13,5&nbsp;nm. Sie wurde lange Zeit als notwendiger Schritt für die Fertigung von Schaltkreisen mit Strukturen von 22&nbsp;nm, 16&nbsp;nm und kleiner gehandelt. Erstmals in der Produktion kam sie jedoch erst 2018 bei [[Samsung]] mit der Einführung dessen 7-nm-FinFET-Technologie (7LPP) zum Einsatz.<ref name="samsung7nm">{{Internetquelle |url=https://news.samsung.com/global/samsung-electronics-starts-production-of-euv-based-7nm-lpp-process |titel=Samsung Electronics starts production of EUV based 7nm chips |abruf=2019-02-13}}</ref> Technologieführer [[TSMC]] fertigt seinen 7-nm-Prozess (CLN7FF) mit Mehrfachbelichtung mittels 193-nm-Immersionslithografie, will aber 2020 mit der 2. Generation (CLN7FF+) ebenfalls EUV für die kritischsten Ebenen einsetzen.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.anandtech.com/show/12677/tsmc-kicks-off-volume-production-of-7nm-chips |titel=TSMC kicks off volume production of 7nm chips |abruf=2019-02-13}}</ref>

Bei der EUV-Lithografie müssen die Systeme vollständig im Hochvakuum betrieben werden und die Strahlung kann nicht mehr durch Linsen, sondern nur durch Spiegel gelenkt werden. Bei 13&nbsp;nm gibt es keine nutzbaren Materialien ausreichender Transparenz und auch Gase jeder Art absorbieren die Strahlung stark. Lange Zeit galt der geringe Durchsatz und vor allem der Mangel einer geeigneten Hochleistungsstrahlungsquelle als Problem, da die benötigte EUV-Strahlung nicht, wie noch in der UV-Lithografie üblich, direkt durch einen Laser emittiert werden kann. Das von Samsung eingesetzte Lithografiesystem [[ASML]] Twinscan NXE:3400B gilt als erstes System, das eine für die Volumenproduktion ausreichende Leistung bringt. Als EUV-Strahlungsquelle kommt hierbei ein gepulster [[CO2-Laser|CO<sub>2</sub>-Laser]] zum Einsatz, der fallende Zinntropfen in einer Vakuumkammer  ionisiert. Das entstehende Plasma strahlt die gewünschte EUV-Strahlung aus, die anschließend durch Spiegel gebündelt  wird.<ref>{{Internetquelle |autor=Martin-W. Buchenau, Joachim Hofer |url=https://www.handelsblatt.com/technik/it-internet/trumpf-zeiss-und-asml-die-schwaben-spielen-eine-entscheidende-rolle-im-globalen-chipgeschaeft/24360844.html |titel=Die Schwaben spielen eine entscheidende Rolle im globalen Chipgeschäft |werk=handelsblatt |datum=2019-05-20 |abruf=2019-08-04}}</ref>

== Röntgenlithografie ==
{{Hauptartikel|Röntgenlithografie}}

Bei der Verwendung von [[Röntgenstrahlung|Röntgenstrahlen]] aus Quellen mit der nötigen [[Konvergenz (Optik)|Konvergenz]] (z.&nbsp;B. [[Synchrotronstrahlung]]) lassen sich theoretisch kleinere Strukturen herstellen, bzw. das Verfahren besitzt eine erheblich größere [[Schärfentiefe|Tiefenschärfe]]. Die Maskentechnik gestaltet sich allerdings sehr aufwändig, so dass bis heute keine großtechnische Anwendung dieses Verfahrens abzusehen ist. Sie ist nahe verwandt mit der [[EUV-Lithografie]]. Erhebliche Forschungstätigkeiten wurden in den späten 1980er und frühen 1990er Jahren zum Beispiel am ersten Berliner Elektronensynchrotron [[Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft für Synchrotronstrahlung|BESSY]] vom [[Fraunhofer-Gesellschaft|Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnik]] durchgeführt. Die dort verwendete Synchrotronstrahlung hatte ein Emissionsmaximum bei einer Wellenlänge von ca. 7&nbsp;nm. Die Röntgenlithografie wird im Rahmen des [[LIGA-Verfahren]]s zur Herstellung von dreidimensionalen Strukturen mit großem Aspektverhältnis (Verhältnis von Höhe zu lateraler Abmessung) eingesetzt. Diese Strukturen finden Anwendung in der [[Mikrosystemtechnik]]. Wesentliche Arbeiten zu dieser Röntgentiefenlithografie werden am [[Forschungszentrum Karlsruhe]] mit der dort vorhandenen Synchrotronstrahlungsquelle [[ANKA (Synchrotronstrahlungslabor)|ANKA]]<ref>[https://www.anka.kit.edu/ Website der Synchrotronstrahlungsquelle ANKA]</ref> und dem Synchrotronstrahlungslabor durchgeführt.

== Elektronen- und Ionenstrahllithografie ==
{{Hauptartikel|Elektronenstrahllithografie|Ionenstrahllithografie}}
[[Datei:Alu bridge.jpg|mini|Metallische brückenförmige Struktur aus Aluminium, hergestellt mit Elektronenstrahllithografie]]

Mit Teilchenstrahllithografien ([[Elektronenstrahllithografie|Elektronen-]] und [[Ionenstrahllithografie]]) lassen sich die technischen Schwierigkeiten bei der hochauflösenden Lithografie besser beherrschen. Die Ursache hierfür liegt im Beugungsverhalten solcher [[Teilchenstrahl]]en. Nimmt man näherungsweise die halbe Wellenlänge der zur Belichtung eingesetzten Strahlung, dann ist erkennbar, dass das Auflösungsvermögen von Teilchenstrahlen deutlich erhöht ist. Denn die [[De-Broglie-Wellenlänge]] von Elektronen mit einer Energie von einigen Kiloelektronenvolt beträgt nur wenige [[Pikometer]] (im Vergleich zu Nanometern bei „photonischen Verfahren“).

Anders als bei den Lithografieverfahren, die [[Photon]]en nutzen, wird bei diesen Methoden die Energie mittels der Elektronen oder Ionen in den „Fotolack“ übertragen. Statt eines optischen Linsensystems werden beispielsweise [[Elektronenstrahlschreiber]] eingesetzt. Sie entsprechen vom Funktionsprinzip her modifizierten [[Elektronenmikroskop|Rasterelektronenmikroskopen]]. Solche Anlagen mit Direktschreibverfahren werden schon länger zur Herstellung von Fotomasken für die optische Lithografie eingesetzt – diese sind aber in der Regel vier- bzw. fünffach größer als die späteren, mit konventionellen Methoden abgebildeten Strukturen auf dem Wafer. Der geringe [[Durchsatz]] dieses Direktschreibverfahrens verhindert allerdings die Verwendung solcher Systeme bei der Massenproduktion von Halbleiterbauelementen.

Die hohen Kosten für hochauflösende Fotomasken jedoch führen zu vermehrten Versuchen, die Elektronenstrahllithografie auch in Chip-Produktionsanlagen einzuführen, wenigstens für Versuchsfertigungen der neuesten Technologien und besonders kritische (und damit besonders teure) Fertigungsschritte in der normalen Produktion. Aus diesem Grund wird auch nach alternativen Konzepten wie Multistrahlschreiber (bis zu mehreren hundert Elektronenstrahlen parallel) oder mit der konventionellen Fotolithografie vergleichbaren Techniken wie Flut- oder Projektionsbelichtung unter Einsatz von Ionenstrahlen gearbeitet. Mit ihnen wären höhere Wafer-Durchsätze möglich. Aber auch hier ist derzeit aufgrund der aufwändigen Maskentechnik keine Anwendung in großem Maßstab in Sicht.

== Nano-Imprint-Lithografie (NIL) ==
{{Hauptartikel|Nanoprägelithografie}}

Dieses Verfahren ist eine Alternative zur klassischen EUV-Lithografie. Statt Belichtung kommt hier ein Prägeverfahren zum Einsatz. Die Auflösungsgrenzen des Nano-Imprint-Verfahrens liegen derzeit bei 5&nbsp;nm.<ref name="LaPedus2018">{{Internetquelle |autor=Mark LaPedus |url=https://semiengineering.com/what-happened-to-nanoimprint-litho/ |titel=What Happened To Nanoimprint Litho? |werk= |hrsg= |datum=2018-03-28 |sprache=en |abruf=2019-03-11}}</ref> Der Hersteller ''Molecular Imprints'' bietet bereits einige kleinere Anlagen für einen 20-nm-Prozess zur Herstellung von [[Festplatte]]n an, wobei ein Ausstoß von bis zu 180 Scheiben pro Stunde erreicht werden soll.<ref>''{{Webarchiv |url=http://www.molecularimprints.com/Products/I2200page.html |text=Introducing the Imprio HD2200 |wayback=20090110215507}}.'' Produktseite, Molecular Imprints, abgerufen am 2. März 2009.</ref> Bislang konnte sich das Verfahren jedoch in der (Massen-)Produktion von mikroelektronischen integrierten Schaltkreisen nicht durchsetzen, die weitere Zukunft ist auch wegen guter Fortschritte bei der EUV-Lithografie nicht absehbar. Von den großen Herstellern arbeitet offiziell nur Toshiba an Anwendungen (DRAM) für die NIL.<ref name="LaPedus2018" />

== Literatur ==
* {{Literatur
   |Autor=Suman Chakraborty
   |Titel=Microfluidics and Microfabrication
   |Verlag=Springer
   |Datum=2009
   |ISBN=978-1-4419-1542-9
   |Kapitel=Abschnitt ''5.5. Next-Generation Lithography''
   |Seiten=213–220}}
* ''Lithography.'' In: ''International Technology Roadmap for Semiconductors 2011 Edition.'' 2011 ({{webarchiv|url=http://www.itrs.net/Links/2011ITRS/2011Chapters/2011Lithography.pdf|text=PDF|wayback=20120610140405}}).

== Weblinks ==
* {{Internetquelle
   |url=https://www.youtube.com/watch?v=He1ojcO7Sps&feature=youtube_gdata_player
   |titel=High-Resolution Patterning: A View of the Future - C. Grant Wilson’s plenary presentation at AL12
   |werk=YouTube
   |hrsg=SPIE
   |datum=2012-02-14
   |sprache=en
   |abruf=2012-06-27
   |kommentar=Vortrag über diverse Themen und Trends im Bereich Lithografie gestern, heute und morgen}}

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Lithografie (Halbleitertechnik)]]