EUV-Lithografie (auch kurz EUVL) ist ein Fotolithografie-Verfahren, das sogenannte extrem ultraviolette Strahlung (, EUV) nutzt. Dabei handelt es sich um elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 10 und 121 nm bzw. Photonen-Energien zwischen etwa 10,25 und 124 eV.
EUV-Lithografie ermöglicht es, nach Ausreizen bisheriger Belichtungsmethoden die Strukturverkleinerung in der Halbleiterindustrie fortzusetzen, um kleinere, effizientere und schnellere integrierte Schaltkreise herstellen zu können.
mini | Wellenlängenbereiche, der von verschiedenen Fotolithografie-Verfahren verwendeten Strahlung: EUV liegt im Bereich zwischen 10 und 121 nm|zentriert|1000x1000px
Hintergrund und wesentliche Probleme Die EUV-Lithografie kann als Weiterführung der optischen Lithografie mit kleineren Wellenlängen angesehen werden. Der Technologiesprung von den um 2008 verwendeten 193-nm-Belichtungsanlagen zu 13,5 nm erfordert die Lösung einer ganzen Reihe technischer Probleme. Im Februar 2008 präsentierten IBM und AMD die erste vollständige Belichtung eines Wafers mit EUVL mit einem realen Chip in 45-nm-Technologie. Technische Details wurden nicht veröffentlicht.AMD Testing Functional Devices Made Using Extreme Ultra-Violet (EUV) Lithography on Test Chip. AMD-Pressemeldung, 26. Februar 2008.
Die Verringerung der Wellenlänge bringt eine Vielzahl von Herausforderungen und technologischen Änderungen mit sich, die weitaus komplexer sind als bei den bisherigen Verringerungen der Wellenlänge, beispielsweise von 248 nm (KrF-Excimerlaser) auf 193 nm (ArF-Excimerlaser). Neben Problemen, die bei jeder Wellenlängenverringerung auftreten, wie Bereitstellung von hochwertigen und stabilen Strahlungsquellen ausreichender Strahlungsleistung oder einem Fotolacksystem, das den hohen Anforderungen an die Auflösung und Ätzresistenz gerecht wird, kommen bei der EUV-Lithografie vor allem folgende Herausforderungen neu hinzu:
Die hohe Absorption bringt es mit sich, dass keine refraktiven Optiken, z. B. Linsen, verwendet werden können, stattdessen müssen Optiken eingesetzt werden, deren optische Bauelemente Spiegel sind. Die Masken müssen ebenfalls stark reflektierende (rund 70 %) Oberflächen besitzen und unterscheiden sich somit von den konventionellen Belichtungsmasken. Da es keine Laser für EUV gibt, können diese nicht als Lichtquellen verwendet werden. Stattdessen verwendet man Plasma-Lichtquellen. Diese haben jedoch schlechtere Eigenschaften als Laser und können Rückstände in das System einbringen. Die EUV-Technik stellt aufgrund der Rayleigh-Streuung an die Formtreue der Masken, Spiegel und der zu belichtenden Materialien viel höhere Anforderungen bezüglich der Oberflächenrauheit (0,25 nm). Mit ihrer sehr kurzen Wellenlänge von 13,5 nm wird die EUV-Strahlung schon von Luft und von den meisten Materialien stark absorbiert. Die mittlere Absorptionslänge in Luft liegt unter einem Millimeter, somit wird die Verwendung von Vakuum unumgänglich.
EUV-Lithografiesysteme
Ein EUV-Lithografiesystem besteht vereinfacht aus folgenden Elementen: Strahlungsquelle mit Schutz vor Rückständen und Kollektor abbildende Optik und Maske Wafer mit Fotolack
mini | rechts | EUV-Lithografiesystem
Strahlungsquelle
EUV-Strahlung wird bei der Erzeugung von Plasmen frei. Solche Plasmen werden in Gasen durch starke elektrische Entladungen (, GDPP, LPP-Strahlungsquelle) oder durch Fokussierung von Laserstrahlung (, LPP) erzeugt. Je nach Art des Mediums liegt ein Teil des emittierten Strahlungsspektrums im gewünschten Bereich von 2 % Bandbreite der Zentralwellenlänge 13,5 nm. Als Medium wurde zunächst Xenon verwendet, wegen einer höheren Konversionseffizienz konnte sich Zinn (vgl.) durchsetzen. Diese Technik wurde in den letzten Jahren von den drei wichtigsten Firmen auf diesem Gebiet Ushio Lighting, Cymer (heute Teil von ASML und das aktuell verwendete System) und Gigaphoton kontinuierlich weiterentwickelt.
Die Lichtdosis, die auf den Fotolack einfällt, hat direkten Einfluss auf die Prozessdauer und somit den Waferdurchsatz. Laut Literatur wurde für die erste Generation von EUV-Lithografieanlagen eine Strahlung mit 13,5 nm Wellenlänge und einer Strahlungsleistung von ca. 100 W benötigt, um einen ausreichend hohen und halbwegs ökonomischen Durchsatz von ca. 60 Wafern pro Stunde für 28-nm-Produkte und darunter zu gewährleisten. 2016 stellte ASML ein Laborsystem mit einer Strahlungsleistung von 210 W vor.
In aktuellen Vorrichtungen (Stand 2025) werden zunächst 60.000 Zinntropfen pro Sekunde mit einer Strahlungsleistung von ca. 500 W erzeugt. Diese Tropfen mit einem Durchmesser von 25 Mikrometern fallen in eine Vakuumkammer, in der ihre Position mittels einer Hochgeschwindigkeitskamera gemessen wird. Jeder Tropfen wird dann zuerst von zwei Laser-Vorpulsen getroffen, die ihn in eine pfannkuchenartige Form bringen, um dann im folgenden Schritt mit dem Hauptpuls-Laser in Plasma umgewandelt zu werden, das EUV-Licht mit einer Wellenlänge von 13,5 Nanometern emittiert.Why EUV Is So Difficult. Semiconductor Engineering, 17. November 2016.
Schutz vor Rückständen Das in der Strahlungsquelle erzeugte Plasma besteht aus Ionen und Elektronen, die sich mit großer Geschwindigkeit bewegen. Um zu verhindern, dass diese Plasmateilchen Schäden an den verwendeten Optiken verursachen, werden sie abgefangen (Folienfallen, Puffergas) oder es werden Reinigungsverfahren (chemische Prozesse oder thermische Verfahren) für betroffene Optiken angewendet.
Trotzdem kommt es zu einer stetigen Verschmutzung der Spiegeloberflächen, die eine Reinigung im Abstand von etwa 100 Stunden notwendig macht. Diese im Vergleich zur 193-nm-Lithografie kurzen Intervalle steigern den Wartungsaufwand und vermindern infolgedessen den Durchsatz.
Kollektor Das Plasma in der Quelle emittiert Strahlung in alle Raumrichtungen. Damit diese Strahlung für einen Belichtungsprozess nutzbar wird, muss ein möglichst großer Teil davon durch eine Sammeloptik (Kollektor) in Richtung der eigentlichen Lithografieanlage reflektiert werden. Für Quellen nach dem GDPP-Prinzip (engl. ) werden angepasste Wolter-Teleskope verwendet, in denen die Strahlung unter streifendem Einfallswinkel reflektiert wird. Für LPP-Quellen (engl. ) kommen Bragg-Spiegel aus Molybdän und Silizium bei nahezu senkrechtem Einfallswinkel zum Einsatz.
Als optische Schnittstelle zur Lithografieanlage ist ein Zwischenfokus definiert (engl. , IF), an dem mindestens 100 W EUV-Strahlung (2 Prozent spektrale Bandbreite) zur Verfügung gestellt werden müssen.
Abbildende Optik und Maske Durch ein komplexes optisches System von sechs oder mehr Spiegeln wird die Strahlung für den eigentlichen Belichtungsprozess vorbereitet. Für EUV-Strahlung kommen Bragg-Spiegel (engl. ) zum Einsatz, die aus einer großen Anzahl (z. B. 50 oder 100) von Molybdän/Silizium-Schichtpaaren bestehen. Die Möglichkeit solche Mo-Si-Spiegel herzustellen und ihr im Vergleich hoher Reflexionsgrad sind einer der Gründe für die Wahl der Wellenlänge von 13,5 nm. Einer Alterung der Spiegel durch Diffusion der Atome von einer Schicht in eine andere kann durch Zwischenschichten von einigen Atomlagen Dicke vorgebeugt werden. Die Oberfläche des Bragg-Spiegels wird durch eine Schutzschicht (engl. ) geschützt. Die Anforderungen an die Ebenheit – ca. 2 nm für einen Spiegel mit 30 cm Durchmesser – der Spiegelsubstrate und die Qualität der Schichten sind enorm und stellen technologische Herausforderungen dar. Der theoretisch erreichbare Reflexionsgrad dieser Spiegel liegt bei etwa 72 Prozent, in einem Sechs-Spiegel-System gehen damit mehr als 86 Prozent der Strahlung an diesen Spiegeln verloren. Daher müssen zum einen ausreichend starke Strahlungsquellen – Quellen mit 100 W Strahlungsleistung bei 13,5 nm werden vermutlich in der ersten Generation von EUV-Anlagen benötigt – zur Verfügung stehen, zum anderen kann nur eine sehr begrenzte Anzahl optischer Elemente genutzt werden. Aufgrund der hohen Strahlungsleistungen und der hohen Absorption muss das System zudem stärker gekühlt werden als konventionelle Systeme – trotz der Vorgaben bezüglich konstanter Temperatur.
EUV-Strahlung wird vor allem an den inneren Orbitalen der Atome absorbiert. Die relativ hohe Absorption an Sauerstoff-, Argon- oder Stickstoff-Atomen bedeutet zudem, dass die Strahlung bereits im optischen System merklich abgeschwächt wird. Daher muss sich das ganze optische System, von der Quelle bis zum Wafer, zumindest in einem schwachen Vakuum befinden. Dies erhöht den technischen Aufwand gegenüber 193-nm-Lithografiesystem weiter.
Da für EUV-Strahlung keine transparenten Medien zur Verfügung stehen, wird die Lithografiemaske ebenfalls als Bragg-Spiegel ausgeführt, der in seiner Oberfläche ein Bild der herzustellenden Strukturen trägt. Dazu wird eine absorbierende Schicht aus Chrom oder Tantalnitrid an der Maskenoberfläche mittels Trockenätzverfahren strukturiertF. Letzkus, J. Butschke, M. Irmscher, F. M. Kamm, C. Koepernik, J. Mathuni, J. Rau and G. Ruhl.: Dry etch processes for the fabrication of EUV masks. In: Microelectronic Engineering. Vol. 73–74, 2004, S. 282–288, doi:10.1016/j.mee.2004.02.054.F. Sobela: Absorber stack optimization towards EUV lithography mask blank pilot production. In: 24th Annual BACUS Symposium on Photomask Technology, Proc. SPIE. 5567, S. 781, doi:10.1117/12.568787 (, abgerufen am 12. Juli 2010).. Eine besondere Schwierigkeit liegt in der defektfreien Ausführung der Maske. Sowohl Strukturierungsfehler in der Absorberschicht als auch Defekte in den darunterliegenden Multilagen können zu Abbildungsfehlern führen. Kritische Defektgrößen liegen dabei deutlich unter 30 nm.Ted Liang et al.: . In: 2007 EUV Symposium, Sapporo, Japan. Abgerufen am 13. Juli 2010 (Vortragsfolien). Wird durch ein Partikel unterhalb der Multilagen die Ebenheit der Schichten verändert, kann ein Phasendefekt entstehen. Befindet sich dagegen ein Partikel im oberen Bereich der Multilagen, entsteht durch die Absorption des Partikels ein Amplitudendefekt. Defekte in den Multilagen können häufig nur unter EUV-Strahlung detektiert werden, wodurch die Maskeninspektion sehr aufwendig wird. Die Defektfreiheit der Multilagen der Maske ist eine der größten technologischen Herausforderungen der EUV-Lithographie.. 8. Juli 2010, abgerufen am 13. Juli 2010.
Aufgrund des schrägen Einfalls der EUV-Strahlung (typischerweise 5° gegenüber der Oberflächennormale) entsteht durch Unebenheiten der Maskenoberfläche ein lateraler Versatz des Maskenbildes, der zu Lagefehlern der abbildenden Struktur auf der Waferoberfläche führt. Die Masken müssen daher eine Ebenheit von kleiner als 50 nm haben, wodurch die Herstellung der Maskensubstrate sehr aufwendig und teuer wird.Phil Seidel, Chris Van Peski, Stefan Wurm: . In: EUV Mask Flatness & Carrier/Loadport Workshop October 19th 2006, Barcelona Spain. Abgerufen am 13. Juli 2010 (Vortragsfolien).
Wafer und Fotolack Von der Maske wird die Strahlung auf den mit einem geeigneten Fotolack (Resist) beschichteten Wafer reflektiert. Die chemischen und photochemischen Eigenschaften des Fotolacks bestimmen wesentlich die Qualität der herstellbaren Strukturen. Gewünscht ist eine hohe Empfindlichkeit für EUV-Strahlung, eine hohe Auflösung und eine geringe Kantenrauigkeit, die 3σ-Abweichung der vorhergesagten Linienkante, z. B. 1,5 nm für den 45-nm-Technologieknoten. Die wesentliche Herausforderung besteht darin, diese Eigenschaften gleichzeitig mit einem Fotolack zu realisieren. Der Fotolack wird nach der Belichtung in einer Prozesskette entwickelt, um schließlich die gewünschten Strukturen zu erhalten.