Ultraviolettes Licht für die Chip-Fertigung Was ist DUV-Lithographie?

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80 Prozent aller weltweit gefertigten Mikrochips werden mit den Optiken von Zeiss SMT hergestellt. Mehr als 95 Prozent ihrer Strukturen entstehen mit Deep Ultraviolet Light, DUV-Licht, bei Wellenlängen von 193, 248 oder 365 Nanometern. Das ermöglicht optische Auflösungen bis zu 40 Nanometern. Zusammen mit der EUV- und High-NA-EUV-Lithographie ist die Technik der Taktgeber für eine vernetzte, digitale Zukunft.

Seit mehr als 50 Jahren ermöglicht die DUV-Technologie die steigende Nachfrage nach leistungsstarken Mikrochips mit kosteneffizienter Produktion zu kombinieren – und legt damit die Grundlage für die Digitalisierung. Die derzeit am Markt erhältlichen modernsten und leistungsstärksten Mikrochips weisen bis zu 100 Schichten – so genannte Layer – auf.

Dabei enthalten alle Mikrochips Layer, die mithilfe von DUV-Licht entstehen. Bei einigen High-End-Chips nutzen Chiphersteller für weitere Lagen zusätzlich EUV-Lithographie (EUV = extrem ultraviolettes Licht) – die derzeit fortschrittlichste Technologie in der Serienfertigung.

Mit dem extrem ultravioletten Licht (EUV-Licht) von nur 13,5 Nanometern sind feinste Strukturen im niedrigsten Nanometerbereich möglich. So kann die Halbleiterindustrie immer kleinere und leistungsfähigere Strukturen auf dem Wafer abbilden – einer dünnen, scheibenförmigen Siliziumplatte, die die Basis für die Mikrochips ist. Voraussichtlich noch ab diesem Jahr befähigt Zeiss SMT die Halbleiterindustrie mit der Weiterentwicklung zur High-NA-EUV-Lithographie die nächste Mikrochip-Generation zu realisieren.

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 Semiconductor Manufacturing Techology (SMT) - kein Vertrieb in Deutschland - können Chiphersteller weltweit mit Nanometer-Präzision belichten – im Bereich des (DUV-Licht mit Wellenlängen von 365, 248 und 193 Nanometern.

Die Auflösung bei vorangegangenen Lithographie-Technologien war begrenzt durch den Luftraum über dem Wafer. Ernst Abbe - seit 1899 Alleininhaber der Firma Carl Zeis war ein deutscher Physiker, Statistiker, Optiker, Industrieller und Sozialreformer, der zusammen mit Carl Zeiß und Otto Schott die Grundlagen der modernen Optik und viele optische Instrumente entwickelte - 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 Immersionsprinzip hatte Abbe bereits in der Mikroskopie erforscht und konnte auch erfolgreich mit Immersionsoptiken bei der DUV-Lithographie eingesetzt werden.

In der Mikroskopie war die Methode bereits lange bewährt. Seit Mitte der 2007 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.

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. Strategischer Partner von Zeiss SMT ist ASML. Ihm gelang es 2003 erstmalig als erstem Hersteller weltweit, die Immersionslithographie zur Produktionsreife zu bringen.

Die meisten Layer fertigen Chiphersteller nach wie vor mit DUV-Licht. Das zeigt sich auch in der nach wie vor hohen Nachfrage nach DUV-Optiken von Zeiss SMT. Denn die für DUV-Licht eingesetzten so genannten Excimerlaser oder Hochdruck-Quecksilber-Dampflampen sind im Betrieb deutlich günstiger als der Hochleistungs-CO₂-Laser für EUV-Licht.

Auch wenn wegen des Technologiesprungs von der EUV- zur High-NA-EUV-Lithographie diese in den vergangenen Monaten im Rampenlicht stand: Die DUV-Lithographie ist und bleibt ein stabiler und relevanter Faktor in der Halbleiterfertigung. Dafür sind drei Hebel entscheidend, die die Grenzen des Machbaren kontinuierlich verschieben:

• der Einsatz immer kürzerer Wellenlängen,

• eine höhere numerische Apertur (NA, Öffnungswinkel des Objektivs) und

• ein verringerter Prozessfaktor, durch den sich die Auflösungsgrenze des Objektivs verbessert.

Äußerlich sichtbar wird dies anhand der Größe der DUV-Lithographie-Optiken: Je kleiner die Auflösung, desto größer die Optik. Begonnen hat bei Zeiss SMT alles 1972 mit der „G-Linie“, die mit 436 Nanometern Wellenlänge Strukturen von 1000 Nanometern fertigen konnte. Die I-Linie mit einer Wellenlänge von 365 Nanometern markierte 1984 den Umstieg auf für den Menschen unsichtbares ultraviolettes Licht.

Mit dem „KrF“-System 1990 waren dann bei einer Lichtwellenlänge von 248 Nanometern Strukturen von 80 Nanometern möglich, sechs Jahre später folgte das „ArF“-System mit 193-Nanometer-Optiken, die Strukturen von 55 Nanometern ermöglichten. Beide Systeme nutzen Gaslaser als Lichtquelle, einmal mit Kryptonfluorid (KrF) und einmal Argonfluorid (ArF) für 193 Nanometer.

DUV-Investment bei Zeiss

Die steigende Anzahl an smarten Haushaltsgeräten, Lifestyle-Produkten die Elektromobilität benötigen auch immer mehr Mocrochips . In einem Elektroauto beispielsweise finden mehrere Tausend Platz – die meisten davon entstehen mit DUV-Technologie. Dem Trend folgt auch Zeiss SMT: Beispielsweise werden die Produktionsflächen am Standort Wetzlar durch eine neue Multifunktionsfabrik mit 150 Mitarbeitenden und einer Produktionsfläche von 12.000 Quadratmetern erweitert, um DUV-Komponenten zu fertigen. Der Spatenstich erfolgte im Frühjahr 2023 und am 28. Juni 2024 feierte das Unternehmen Richtfest.

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