B06-4-EUV Lithographie

Übersicht
6.
B. Grenzen Integration
6. Technologie
6.4 EUV
Lithographie:
1. Optische Lithographie
2. e-beam / AFM /STM
3. Röntgen
4. EUV (soft X-ray)
5. Imprint Technologie
Prof. Dr. H. Baumgärtner
B6.4 - 1
Die Extrem UV Lithographie ist eine Weiterentwicklung der optischen Lithographie
unter dem Einsatz von noch kurzwelligerem, extremen UV-Licht. Bisher kann noch
nicht abgesehen werden in wie weit die EUV Lithographie realisiert werden kann, trotz
der Tatsache, dass z.B. Intel bereits 2005/2006 den Einsatz der EUV Lithographie
angekündigt hat.
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Extreme UV
B. Grenzen Integration
6. Technologie
6.4 EUV
"Schlüsseltechnologie für Strukturgrößen unter 65 nm"
Quelle: Xenon Plasma
Wellenlänge: 13,5 nm ⇒ effizienteste Optik
Ziel: • optische Leistung: 100 W
•
Durchsatz:
120 Wafer / hr
•
Wiederholrate:
f > 5 kHz
Erstmals Serienfertigung von Nanotechnologie
Auflösung bis in atomaren Bereich möglich
Prof. Dr. H. Baumgärtner
Quelle: Physik Journal 12 (2002)
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EUV-Strahlung wird bei der Erzeugung eines Xenon Plasma frei. Es wird durch starke
elektrische Entladungen oder durch Fokussierung von Laserstrahlung erzeugt. Je nach
Art des Gases liegt ein Teil des emittierten Strahlungsspektrums im gewünschten
Bereich. Xenon Gasentladung Æ 13,4 nm bester Bereich für Abbildungsoptik.
Alles bisher Bekannte deutet darauf hin, dass das EUV das günstigere Verfahren wird
Ziel: 10 nm Auflösung, mit Weiterentwicklung evtl. sogar kleiner.
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B. Grenzen Integration
6. Technologie
6.4 EUV
Aufbau
Absorption im Gas ⇒ Vakuum
Reflektierende Masken
keine Linsen ⇒ Spiegeloptik
Quelle: Intel
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Statt der transparenten Masken werden bei in diesem Beispiel Reflexionen genutzt. Statt
dem Laser produced Plasma kann auch elektr. Entladung genutzt werden. Die
Spiegeloptik ist sehr aufwendig und kurzlebig, daher entsprechend kostenintensiv.
Vakuumprozess (Absorption der Wellenlänge in Luft).
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EUV Quelle
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6. Technologie
6.4 EUV
Anforderungen:
• opt. Leistung:
100 W in 1 mm3 (Stand: 10 W)
• Wiederholrate:
> 5 kHz
• Belichtungsfleck:
2 x 20 mm (Scanner)
• Räumliche Lage
des Plasmafleckes: 0,1 mm stabil
Anregung:
•
Laser
•
Gasentladung
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Problem: 100 W fokusiert in einem Punkt bei der Wellenlänge von 13,5 nm.
Um die optisch geforderte Leistung zu bekommen können entweder Laser oder
Gasentladung benutzt werden. Momentan sind beide Verfahren gleichauf.
Riesiger Energieverbrauch:
- aus viel Laser Leistung => wenig EUV Leistung durch schlechten Laserwirkungsgrad
- Leistungsübertrag von Quelle auf Maske schlecht durch Spiegel (nur ca. 1/10)
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Laser produced Plasma
Nd:YAG-Laser:
B. Grenzen Integration
6. Technologie
6.4 EUV
λ = 1,06 µm, f = 6kHz
1,7 kW optische Leistung ⇒
10 W EUV Leistung in 150 µm Ø ⇒
1 W auf Maske
Problem: • Standzeit der Spiegel (Temperatur): ist ca. 109 Pulse
soll 1010 Pulse ≈ 1/2 Jahr
• Laserleistung:
soll >10 kW
ist 2,5 kW
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Durch die hohen Verluste erreicht nur ein geringer Anteil der Leistung den Wafer.
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Laser produced Plasma
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6. Technologie
6.4 EUV
Quelle: Intel
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B6.4 - 6
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B. Grenzen Integration
6. Technologie
6.4 EUV
Gasentladungsplasma
Prinzip:
elektrische Entladung eines Xe - Plasmas
Verdichten durch eigenen Strom
ca. 2000 bar
Effizienz: ca. 1 % der elektr. Leistung
d.h. für Popt. = 100 W ⇒ Pel. = 10 kW
Vorteil:
Probleme:
kein Laser nötig
• neu, fehlende Erfahrung
Quelle: Physik Journal 12 (2002)
• Elektrodenerosion ⇒ Verunreinigungen
Von HL-Industrie bevorzugt (Serie ab 2007 ?)
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B6.4 - 7
Beim Gasentladungsplasma wird der Laser vermieden, jedoch ist dieses Verfahren noch
in der Entwicklung.
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Mechanischer Aufbau
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6. Technologie
6.4 EUV
Absorptionslänge in Luft < 1mm ⇒ UHV (p < 10-7 mbar)
Probleme:
• Ausgasen
• Standzeit, Service
⇒ in situ Reinigung durch Gase
Maske und Chuck:
Geschwindigkeit
0,5...2 m/s
Genauigkeit:
einige nm
vgl ICE:
v = 200 km/h = 55 m/s
Bremsen auf ca. 100 nm genau
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Quelle: Intel
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Spiegeloptik
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Starke Absorption in allen Materialien ⇒ reflektierende Spiegel
Si / Mo Multilayer:
40 Schichten à 30 Atome (λ/2)
nur ca. 70% Reflexion / Spiegel:
für 10 Spiegel: Reflexion:
Wärme:
2,8%
97,2%
vgl. normale Spiegel: 99,999% Reflexion
⇒ starke Quellen
Probleme: • Ebenheit:
Quelle: Intel
0,2 nm auf 10 cm Spiegelgröße (atomar glatt)
oder 2 mm auf 1000 km
• Absorption ⇒ Standzeit soll 3000 Betriebsstunden
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Die Spiegeloptik muss auf die Wellenlänge abgestimmt sein, was die Produktion sehr
aufwendig macht. Die 30% Verluste bei der Reflexion werden in der Optik in Wärme
umgewandelt, was die Standzeit stark einschränkt. Ziel ist daher das Verbessern des
Reflexionsverhaltens.
Durch die Erwärmung der Spiegel kommt es zu Verzerrungen der Abbildung bzw. wird
die Standzeit reduziert.
Energieverbrauch und geringe Standzeit der Spiegel verbunden mit hohen Kosten für die
Justierung bzw. den Austausch der Spiegel führt zu immensen Betriebskosten.
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Maske
Starke Absorption in allen Materialien ⇒ reflektierende Masken
Probleme:
•
Defekte
•
Temperaturausdehnung:
kein Partikel > 50 nm
Messmethode, Messzeit
(z.B mit STM 1 Woche)
0,15 nm / °C für 15 cm
oder 10-9 / °C (typ. 10-6)
•
Preis:
ca. 100.000 € pro Maske
⇒ Maskenreparatur
Quelle: Intel
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Die Masken müssen perfekt sein und dürfen keine Defekte aufweisen => Detektion von
Verunreinigungen extrem zeitintensiv.
Die geforderte Temperaturstabilität von 10-9 /°C dürfte nahezu unmöglich sein.
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6.4 EUV
Projektion
Prinzip: Step (Wafer) and Scan (Maske)
Auflösung:
aktuell:
100 nm (NA ≈ 0,1)
Ziel:
30 nm (NA ≈ 0,25)
Probleme: • Durchsatz:
256 MB DRAM: 80 Wafer / hr
EUV:
120 Wafer / hr
für 10-20 Mio $ Kosten /Anlage
für 30-60 Mio $ Kosten /Anlage
• mechanische Genauigkeit: Ziel ± 3 nm
• Vakuum
• Lebensdauer Abb.-System (Temperatur)
Prof. Dr. H. Baumgärtner
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Um die optischen Verluste weiter zu minimieren muß ein Ultra-Hoch-Vakuum erzeugt
werden.
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Ergebnis
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Quelle: Intel
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Fazit
B. Grenzen Integration
6. Technologie
6.4 EUV
Schlüsseltechnologie für Strukturgrößen unter 65 nm (ab 2007)
Kritische Punkte:
• Quelle:
Leistung
• Maske:
Defektfrei, Reparatur, Lagerung, Temperatur
• Optik:
Standzeit, Lebensdauer
• Aufbau:
Durchsatz
• Anlage:
Preis
Prof. Dr. H. Baumgärtner
B6.4 - 13
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Letzte Meldung
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6.4 EUV
Solid State Technology, 26.2.2007:
Statement of TI, IBM, Molecular Imprints:
• Analysis of the limits of scaling:
• Voltage barrier around 1 V
• Speed limitation due to interconnects
• Variability increasing
• EUV challenges (resist, source) pushed EUV out past 32 nm
• There is no consensus that EUV would be affordable
for mainstream CMOS
Prof. Dr. H. Baumgärtner
B6.4 - 15
Der in der Roadmap angekündigter Zeitpunkt für die Serienreife ist bereits überschritten.
Während Intel auf EUV setzt, versuchen TI, IBM und Molecular Imprints mit der
Imprint Technologie den Weg für die Zukunft zu finden. Es ist unwahrscheinlich dass
beide Verfahren parallel Verwendung finden.
Anderes Statement: evtl. Ende der Verkleinerung absehbar, zwar technisch möglich aber
nicht mehr rentabel (Beispiel Concorde).
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