mini|Bei der Immersionslithographie durchquert die Ultraviolettstrahlung von oben ein System von Linsen (1.) und einen dünnen Flüssigkeitsfilm (2.; hier Wasser), bevor es den Fotolack auf der Oberseite des Wafers (3.) erreicht.
Die Immersionslithografie ist eine Technik im Produktionsprozess der Mikroelektronik zur schärferen Abbildung bei der fotolithografischen Strukturierung. Die Technik nutzt dabei dasselbe Prinzip wie die Immersionsmikroskopie, sie dient aber nicht der Betrachtung eines Objekts, sondern der verkleinerten Projektion einer auf einer Fotomaske vorhandenen Struktur in eine Fotolackschicht, vgl. Fotolithografie (Halbleitertechnik). Es handelt sich dabei um eine Verbesserung der Projektionsbelichtung, bei der die Luft im Spalt zwischen der letzten Linse und der Wafer-Oberfläche durch eine Immersionsflüssigkeit (transparente Flüssigkeit mit möglichst hohem Brechungsindex) ersetzt wird. Dies erlaubt im Vergleich zu bauähnlichen Anlagen ohne Immersionsmedium die Herstellung von kleineren Strukturen, da eine größere numerische Apertur (NA) und Abbildungstiefe (engl. , DOF) erreicht werden.
Die Einführung der Immersionslithografie ermöglichte es, bestehende Lithografiesysteme (Kombination aus Linsensystem, Fotomasken, Fotolacke usw.) auf Basis von ArF-Excimerlasern – nach deren Wellenlänge auch 193-nm-Lithografie genannt – weiterhin zu nutzen und dennoch kleinere Strukturen zu fertigen. Damit konnte die Einführung kostenintensiver und noch nicht für die industrielle Massenproduktion tauglicher Alternativen, wie die EUV- oder Elektronenstrahllithografie, vorerst weiter verschoben werden. In der Evolution der Lithografiesysteme ist es nach derzeitigem Wissen das letzte, das auf Brechung basiert.
Die Immersionslithografie ist die gängigste Technik, um integrierte Schaltkreise mit Strukturgrößen von 28 nm bis zu 10 nm in der industriellen Massenproduktion zu fertigen und stellt damit eine Schlüsseltechnik für die Herstellung von Produkten der Mikroelektronik wie Hauptprozessoren von Computern, System-on-a-Chip von Smartphones usw. dar.
Geschichte Die Verbesserung der Auflösung optischer Systeme durch den Einsatz von Immersionsflüssigkeiten ist seit langer Zeit aus dem Bereich der Mikroskopie bekannt, vgl. Immersion (Mikroskopie). Der im Vergleich zu Luft größere Brechungsindex (n > nLuft ≈ 1) bewirkt eine Vergrößerung der numerischen Apertur von optischen Systemen und somit größere Abbildungstiefe sowie eine Verbesserung des Auflösungsvermögens. Der Einsatz von Immersionstechniken in der Fotolithografie wurde erstmals im Jahre 1981 von Hitachi zum Patent angemeldet, Ende der 1980er Jahre weiter erwogen und an einem Immersionsmikroskop gezeigt, Ende der 1990er für moderne Lacksysteme demonstriert und seit Anfang der 2000er Jahre dessen technische Umsetzung stärker verfolgt. Ausgangspunkt war die Erkenntnis, dass die konventionellen „trockenen“ Lithografiesysteme, das heißt konventionelle Systeme ohne Immersionsmedium, in absehbarer Zeit nicht mehr in der Lage sein werden, die benötigten Auflösungen bereitzustellen. In diesem Zusammenhang war die Immersionslithografie ein aussichtsreicher Kandidat, um auch weiterhin die Skalierung von mikroelektronischen Schaltkreisen fortzuführen.
Erste Demonstrationsversuche mit der Immersionslithografie wurden in den folgenden Jahren (2003/2004) für HeCd-, Nd:YAG- und ArF-Lasersysteme (entsprechend den Wellenlängen 442 nm, 213 nm bzw. 193 nm) vorgestellt. Zum damaligen Zeitpunkt wurden „trockene“ ArF-Scanner mit 193 nm Wellenlänge (193-nm-Lithografie) bereits in der industriellen Produktion eingesetzt und auch die Entwicklung von Immersions-ArF-Scannern (auch 193i-Lithografie genannt) kam schnell voran. Dazu trugen unter anderem die relativ geringen technischen Anpassungen bei, die notwendig waren, um bestehende „trockene“ Systeme in Immersionssysteme umzubauen. Dies erforderte zwar eine Teilneukonstruktion entsprechender Anlagen, der Aufwand war jedoch deutlich geringer als die Einführung von Fluor-Excimerlasersystemen (157 nm Wellenlänge) oder alternativer Verfahren wie der EUV-, Röntgen- oder Elektronenstrahllithografie, da bei diesen die bisher verwendeten Fotolacke und Laseroptiken nicht mehr genutzt werden können. So wurde bereits 2004 der erste für die Massenproduktion taugliche 193i-Scanner (ASML AT1150i, NA = 0,75) an das Albany NanoTech geliefert. Der Einsatz der Immersionsscanner, bereits mit der für Wasser praktisch maximal erreichbaren NA von 1,3–1,35, begann mit der Einführung des 55-nm-Technologieknotens durch mehrere Hersteller von Flash-Speichern. Die Kosten für industrielle Immersionslithografiesysteme sind stark abhängig vom Hersteller, sie betrugen 2010 ca. 30 Mio. USD für Nikons NSR-S620D-Anlagen und 55 Mio. USD für ASMLs TwinScan-NXT:1950i-Anlagen.
Alternative: 157-nm-Fotolithografie Lange Zeit war die Umstellung der Fotolithografie auf Systeme mit immer kürzeren Wellenlänge ein wesentlicher Faktor um die Abbildungsauflösung zu verbessern. Daher wurde vor der Einführung der 193-nm-Immersionslithografie auch über „trockene“ Systeme mit einer Wellenlänge kürzer der bereits eingesetzten ArF-Excimerlaser (Wellenlängen 193 nm) geforscht. Ein Kandidat hierfür war der F2-Excimerlaser mit einer Wellenlänge von 157,67 nm. Mit diesem System hätten höhere Auflösungen auch ohne die in einem Immersionssystem notwendigen starkbrechenden Materialien möglich werden können. Die Umstellung der 157-nm-Lithografie, die bis 2003er Jahre noch als wirklicher Kandidat für den Ersatz/Nachfolger damaliger trockener 193-nm-Anlagen angesehen wurde, gestaltete sich jedoch schwieriger als gedacht. Die 193-nm-Immersionslithografie machte hingegen entscheidende Fortschritte. Mit der Entscheidung Intels (damals wie heute einer der Technologietreiber in der Halbleitertechnik) und weiterer Halbleiter- und Anlagenhersteller für die 193-nm-Immersionslithografie mit hochreinem Wasser und gegen die Belichtung mit 157 nm wurde die Entwicklung der 157-nm-Fotolithografie deutlich verlangsamt und spätestens mit der ITRS-Ausgabe im Jahr 2005 galt diese Technik nicht länger als Alternative oder Nachfolger für die 193-nm-(Immersions-)Fotolithografie.
Wesentliche Herausforderungen bei der Technologieentwicklung der 157-nm-Fotolithografie waren unter anderem die Suche nach neuen Fotolacken und Linsenmaterialien. Dabei wurde die Suche nach neuen und für die 157-nm-Technik passenden Fotolacken vor allem durch das Absorptionsverhalten typischerweise eingesetzter organischer Moleküle behindert. So absorbieren Phenol- und Carbonsäuregruppen sehr gut Ultraviolett mit einer Wellenlänge von 157 nm, sodass die Strahlung nicht ausreichend tief in die Fotolackschicht eindringen kann. Das Problem zu hoher Absorption besteht auch bei (starkbrechenden) Materialien für Linsen und Immersionsflüssigkeiten. So liegt die Wellenlänge der 157-nm-UV-Strahlung am Rand des Transmissionsfensters von typischerweise verwendetem speziellem Quarzglas (Suprasil 3301/3302https://www.wisag.ch/quarzglas-quarzgut/heraeus-quarzglas-fuer-die-optik Website der Fa. Heraeus). Dies hat unter anderem eine stärkere Erwärmung im Betrieb zur Folge, was sich wiederum negativ auf das optische System und die Abbildungsgenauigkeit auswirkt. Ausreichende Transmission bei 157 nm zeigen CaF2-Kristalle. Die aufwendige Herstellung und Bearbeitung großformatiger Kristalle führt jedoch zu geringen Ausbeuten und vergleichsweise hohen Kosten. Bei hochbrechenden Immersionsflüssigkeiten wirkt sich der steigende Absorptionskoeffizient noch stärker aus. So steigt beispielsweise für die oft präferierten Perfluorpolyether (PFPE) – PFPE sind ausreichend chemisch inert, nicht giftig, nicht korrodierend und weitgehend reinraumtauglich – der Absorptionskoeffizient von 0,1–0,6 cm−1 bei 193 nm auf 6–19 cm−1 bei 157 nm. Einige wenige PFPE bieten jedoch einen ausreichend geringen Absorptionskoeffizient von unter 1 cm−1 bei 157 nm. Jedoch steigt bei diesen PFPE der Absorptionskoeffizient nach höheren Strahlungsdosen deutlich an, das heißt, sie sind nicht widerstandsfähig genug gegenüber der Laserstrahlung. Daher gilt bislang, dass für den industriellen Einsatz bisher keine passenden Materialien zur Verfügung stehen.
Hintergrund und Funktionsweise mini|Der Einsatz eines Immersionsmediums erlaubt eine höhere numerische Apertur (NA) und damit eine Verbesserung des Auflösungsvermögens. Mit Wasser kann ein Einfallswinkel von 55° an der Grenzfläche Linse Linse und Wasser realisiert werden. Bei der Verwendung von Luft liegt die praktisch erreichbare Grenze bereits bei etwa 35°
Um die Funktionsweise einer Immersionslithografieanlage zu verstehen, sind zunächst ein paar Grundlagen für die Bestimmung des Auflösungsvermögens eines optischen Systems notwendig. Die minimal erreichbare Auflösung eines optischen Systems kann durch folgende Gleichung beschrieben werden:
mit dem Auflösungskoeffizient (eine Prozesskonstante), der Vakuum-Wellenlänge des für die Belichtung genutzten Laserlichts , dem Brechungsindex des einfallenden Mediums und dem Öffnungswinkel der Linse . Das Produkt wird auch als numerische Apertur (NA) der Abbildungslinse bezeichnet.
Der Koeffizient ist abhängig vom genutzten Belichtungsprozess und wird über die Belichtungsbedingungen, die Maskentechnik und die Eigenschaften des Fotolacks bestimmt. Dieser Wert konnte durch zahlreiche Verbesserungen (Lackchemie usw.) in den letzten Jahrzehnten von ca. 0,8 bis auf 0,38 gesenkt und damit das Auflösungsvermögen der Fotolithografieanlagen verbessert werden. Darüber hinaus wurden in der Vergangenheit die minimale Auflösung durch die Reduzierung der Belichtungswellenlänge (von den Emissionslinien h und i einer Quecksilberdampflampe über KrF-Excimerlaser zu ArF-Excimerlasern, also von 434 nm, 365 nm, 248 nm bis hin zu 193 nm), der Verbesserung der Fotolackeigenschaften oder den Einsatz neuer Belichtungstechniken, z. B. Schrägbelichtung, erreicht. Dieser Trend konnte nach der Einführung der ArF-Excimerlaser nicht mehr fortgesetzt werden, da eine weitere Reduzierung der Wellenlänge (F2-Excimerlaser, 157 nm) an neue Grenzen stößt. Haupthindernis ist, dass in diesem Spektralbereich viele der bisher verwendeten Materialien (Linsen, Fotolacke, Fotomaske, Pellikel usw.) nicht mehr ausreichend transparent sind. Die Entwicklung einer 157-nm-Fotolithografie verlangt daher nach der Suche und Einführung neuer Materialien mit hinreichend guten Eigenschaften. Diese Suche sowie die verhältnismäßig umfangreichen Änderungen an den bestehenden Anlagenkonzepten sind jedoch aufwendig und daher kostenintensiv. Aus diesem Grund wurde nach alternativen Verfahren, z. B. Elektronenstrahllithografie, sowie weiteren „technischen Tricks“ gesucht, mit denen ein besseres Auflösungsvermögen im industriellen Maßstab erzielt werden kann.
Einer dieser „technischen Tricks“ ist die Änderung der numerischen Apertur des Systems – weitere sind beispielsweise die Mehrfachstrukturierungen –, denn die Fähigkeit eines optischen Systems, Strukturen abzubilden, ist indirekt proportional zur numerischen Apertur der bildgebenden Geräte (vergleiche Formel oben). Die NA beträgt bei „trockenen“ Fotolithografiesystemen maximal 1 – theoretischer Grenzwert durch die Brechzahl von Luft, reale Spitzenwerte liegen bei ca. 0,95. Da es unmöglich ist, eine Auflösung durch stärkere Brechung (an der Linse) weiter zu erhöhen, kann eine Erhöhung der NA nur durch den Austausch des Kopplungsmediums, der Luft (nLuft ≈ 1), zwischen der letzten Linse (derzeit meist aus Quarz) und dem mit Fotolack beschichteten Wafer durch ein Immersionsmedium mit höherem Brechungsindex erreicht werden. Diese Änderung hat einen sehr wirkungsvollen Effekt auf das Auflösungsvermögen, da die Wellenlänge des Lasers (im Vakuum 193 nm) in Wasser bei ca. 134 nm liegt.