Fotolithografie (Halbleitertechnik)

Bedeutung und Grundprinzip

Die Fotolithografie ist eine zentrale Methode der Halbleiter- und Mikrosystemtechnik. Sie überträgt das Bild einer Fotomaske durch Belichtung auf einen lichtempfindlichen Fotolack auf einem Substrat, meist einem Wafer. Dadurch entsteht eine vorübergehende Maske für weitere chemische oder physikalische Bearbeitungsschritte. In ihren offenen Bereichen lassen sich beispielsweise darunterliegende Schichten ätzen, Fremdatome durch Dotierung oder Ionenimplantation einbringen oder Materialien selektiv abscheiden. Nach der Strukturübertragung wird der Fotolack wieder entfernt.

Der Fotolack bildet zunächst eine dünne, ganzflächige Opferschicht. Licht verändert lokal seine chemischen Eigenschaften: Bei einem Positivlack werden die belichteten Bereiche gegenüber der Entwicklerlösung löslich; bei einem Negativlack bleiben die belichteten, ausgehärteten Bereiche stehen und die unbelichteten werden entfernt. Durch vielfache Wiederholung von Lackstrukturierung und Strukturübertragung entstehen die verschiedenen Ebenen integrierter Schaltungen beziehungsweise „Mikrochips“. Die Leistungsfähigkeit der Fotolithografie beeinflusst deshalb wesentlich, wie weit die Mikroprozessortechnik dem „Mooreschen Gesetz“ folgen kann.

Ablauf und Prozesskontrolle

Der flüssige Fotolack wird meist durch Rotationsbeschichtung, auch Spin-Coating genannt, gleichmäßig auf den Wafer aufgebracht. Ein erster Ausheizschritt bei etwa 110 °C, der Pre Bake oder Soft Bake, entfernt Lösungsmittel und einen Großteil des Wassers und stabilisiert die Schicht. Etwas Restwasser muss für die späteren chemischen Reaktionen erhalten bleiben. Vor dem Lackauftrag kann Hexamethyldisilazan (HMDS) als Haftvermittler dienen. Antireflexionsschichten verringern Reflexionen und stehende Wellen; weitere Hilfsschichten verbessern die Planarität oder schützen den Lack bei der Immersionslithografie.

Vor der Belichtung wird der Wafer anhand besonderer Markierungen aus früheren Prozessschritten oder anlagenspezifischer Fixpunkte genau ausgerichtet. Je nach Anlage unterscheiden sich unter anderem Lichtwellenlänge, Maskenposition, Polarisation und Belichtungsfolge. Die Belichtung löst die gewünschte photochemische Reaktion aus. Ein anschließender Post Exposure Bake lässt photochemische Bestandteile diffundieren, glättet Lackprofile und verstärkt bei chemisch verstärkten Fotolacken die Reaktion.

Bei der Entwicklung entfernt eine Entwicklerlösung, beispielsweise eine schwach basische TMAH-Lösung, die löslichen Lackbereiche durch Sprühen, Tauchen oder Auftropfen. Danach wird der Wafer mit deionisiertem Wasser gespült und trockengeschleudert. Ein Hard Bake bei etwa 100 bis 180 °C trocknet und stabilisiert den strukturierten Lack gegebenenfalls durch Vernetzung, damit er Belastungen wie Trockenätzen oder Ionenimplantation standhält.

In der industriellen Fertigung werden Rückseite und Rand der Wafer-Vorderseite bis zu 2 mm breit mit Lösungsmittel gereinigt. Die Randentlackung, englisch Edge Bead Removal (EBR), beseitigt die durch Oberflächenspannung entstehende Lackwulst. Lackreste, Partikel und Dickenabweichungen könnten den Wafer anheben oder verbiegen, den engen Fokusbereich verlassen und Abbildungsfehler verursachen. Eine breitbandige Kantenbelichtung nach Beschichtung und Soft Bake kann den Lackrand zusätzlich stabilisieren.

Nach der Entwicklung werden Defekte, Ausrichtung und Linienbreite kontrolliert. Die Overlay-Messung prüft die Lage gegenüber älteren Strukturebenen; die CD-Messung erfasst die kritische Linienbreite. Bei zu vielen Fehlern wird die Lackschicht entfernt und der Vorgang als Rework wiederholt. Nach erfolgreicher Strukturübertragung entfernt man die Maske meist mit einem Plasmaverascher im Sauerstoffplasma, alternativ nasschemisch. Das passende Verfahren hängt vom Lack und von den übrigen Schichten ab.

Abbildung, Auflösung und Schärfentiefe

Von der Maske bis zur fertigen Lackstruktur werden mehrere Bildstufen unterschieden: Das Maskenbild ist die Intensitätsverteilung des elektromagnetischen Feldes direkt hinter der Maske. Das Aerial Image oder Luftbild liegt unmittelbar vor der Absorption im Fotolack vor. Das Dosisbild beschreibt die im Lackvolumen absorbierte Energie. Das latente Bild ist die Verteilung der dadurch erzeugten, chemisch wirksamen Verbindungen. Das entwickelte Bild bezeichnet schließlich die nach der Entwicklung auf dem Substrat verbleibende Lackverteilung.

Das Auflösungsvermögen gibt an, wie kleine Strukturen ein optisches System im Fotolack abbilden kann. Näherungsweise gilt CD = k₁ · λ/NA. CD ist die kritische Abmessung beziehungsweise kleinste abbildbare Linienbreite, λ die Lichtwellenlänge und NA die numerische Apertur der letzten Linse vor dem Wafer. Der vom Abbildungs- und Lacksystem abhängige Faktor k₁ beträgt in der Produktion ungefähr 0,4. Er wurde von etwa 0,8 bis auf 0,38 gesenkt; das theoretische Minimum liegt bei 0,25. Eine kürzere Wellenlänge, ein kleinerer k₁-Wert oder eine größere numerische Apertur verbessert somit die Auflösung.

Die Schärfentiefe, englisch Depth of Focus (DOF), folgt näherungsweise DOF = k₂ · λ/NA²; k₂ ist ein prozessspezifischer Rayleigh-Koeffizient. Eine hohe Schärfentiefe ermöglicht eine gleichmäßige Abbildung über die Lackdicke und gleicht Unebenheiten des Wafers aus. Da sie mit steigender numerischer Apertur sinkt, muss die NA zwischen hoher Auflösung und ausreichendem Fokusbereich abgestimmt werden.

Für besonders kritische Ebenen wie Gate-Kontakte oder erste Metallisierungsebenen nutzt man Auflösung erhöhende Techniken: Optical Proximity Correction (OPC), Phasenmasken, Schrägbeleuchtung, polarisiertes Licht, Quellen-Masken-Optimierung, Subresolution Assist Features und reflexionsmindernde Schichten gleichen vor allem Beugungseffekte aus. Mehrfachstrukturierungen wie Double Exposure und Double Patterning erzeugen ebenfalls Strukturen unterhalb der gewöhnlichen Beugungsgrenze. So sind 65 nm mit einem 193-nm-ArF-Excimerlaser beziehungsweise 28 nm mit zusätzlichem Immersionsmedium möglich. Weniger anspruchsvolle Ebenen werden aus Kostengründen weiterhin mit einfacheren Systemen belichtet.

Belichtungstechniken

Bei der Kontaktbelichtung liegt die Fotomaske direkt auf dem Wafer. Unter den Schattenwurfverfahren erreicht sie die beste Auflösung, weil nur die Lackdicke einen Abstand und damit Beugungsverluste verursacht. Der Kontakt kann jedoch Maske oder Lack beschädigen, besonders wenn Staub dazwischenliegt. Maskendefekte und Verunreinigungen werden außerdem im Verhältnis 1:1 übertragen und können beispielsweise Kurzschlüsse verursachen.

Bei der Proximitybelichtung befindet sich die Maske etwa 10 bis 50 µm über dem Fotolack. Dieser „Proximity Gap“ schützt Maske und Lack vor gegenseitiger Beschädigung, führt gegenüber dem direkten Kontakt aber zu stärkerer Beugung.

Bei der Projektionsbelichtung bildet ein Linsensystem die Maske typischerweise im Verhältnis 5:1 oder 4:1 verkleinert ab. Dadurch wirken Maskenpartikel kleiner, und die Maske ist wegen ihrer größeren Strukturen leichter und preiswerter herzustellen. Weil ein Maskenbild nicht den gesamten Wafer bedeckt, bewegt eine hochpräzise Mechanik den Wafer rasterförmig. Dieses Step-and-Repeat-Verfahren wird in Wafer-Steppern eingesetzt. Wegen der begrenzten Schärfentiefe sind dabei dünne Fotolacke nötig; Kontakt- und Proximityverfahren können dagegen auch dicke Lacke wie SU-8 belichten. Hohe Aspektverhältnisse, also Strukturen, die tiefer als breit sind, lassen sich erzeugen, indem man den dünnen Fotolack auf eine dickere Schicht aufbringt und deren Struktur anschließend anisotrop, etwa durch reaktives Ionenätzen oder Ionendünnung, überträgt.

Die Immersionslithografie ist eine Projektionsbelichtung mit einer Flüssigkeit, beispielsweise Reinstwasser, zwischen letzter Linse und Fotolack. Ihr höherer Brechungsindex steigert die numerische Apertur und ermöglicht kleinere Strukturen. IBM veröffentlichte im Februar 2006 Laborergebnisse mit 29,9 nm Linienbreite; 2007 kam das Verfahren erstmals in der Massenproduktion zum Einsatz. Im Januar 2010 wurden mit 193-nm-Strahlung 32 nm erreicht. In Verbindung mit Double Patterning waren bei 193 nm 22 nm möglich; eine Kombination mit der 32-nm-Immersionslithografie könnte 16 nm ermöglichen. Dafür wurden auch Flüssigkeiten mit Brechungsindizes bis 1,8 untersucht.

Bei der Grautonlithografie wird die Belichtungsdosis seitlich variiert, damit nach der Entwicklung statt einer binären Lackstruktur eine gewünschte dreidimensionale Topografie entsteht. Realisierbar ist dies durch Mehrfachbelichtungen, Grautonmasken mit unterschiedlichen Transmissionsgraden oder Pseudo-Grautonmasken mit Strukturen unterhalb der Auflösungsgrenze. Die Lacktopografie kann anschließend durch stark anisotropes Trockenätzen übertragen werden. Bei der maskenlosen Laserlithografie erzeugt eine UV-Quelle das latente Bild direkt durch Rasterung oder Abtastung. Stark fokussierte ultrakurze Laserpulse können über Mehrphotonenabsorption nahezu beliebige 3D-Strukturen in photosensitiven Materialien wie SU-8, Ormoceren, Polydimethylsiloxan oder Chalkogenid-Gläsern erzeugen; der Artikel kennzeichnet diesen Abschnitt allerdings als unzureichend belegt.

Defekte und ihre Erkennung

Wichtige Fehlerquellen sind Partikel, ungleichmäßige Lackdicken sowie mechanische Schäden an Maske oder Wafer. Staub auf Maske oder Lack wirkt als zusätzliche Abschattung. Partikel auf Waferrückseite oder Auflage verschieben die Lackoberfläche örtlich in Z-Richtung und verursachen Fokusfehler. Lackprobleme reichen von globalen Abweichungen durch falsche Prozessparameter oder veränderte Lackeigenschaften bis zu lokalen, oft kometenförmigen Inhomogenitäten durch Partikel, nachtropfende Düsen oder Rückspritzer.

Die Fertigung und Handhabung erfolgen deshalb im Reinraum. Fotomasken werden regelmäßig kontrolliert und gegebenenfalls mit gereinigter Luft abgeblasen. Ein Pellikel, eine transparente Folie wenige Millimeter über dem Maskenfeld, verhindert, dass Partikel in den feinen Maskengräben liegen. Das ist besonders wichtig, weil eine Maske beim Step-and-Repeat-Verfahren ungefähr zwei bis sechs Chips pro Belichtungsfeld enthält und sich ein Maskendefekt daher vielfach auf dem Wafer wiederholt.

Wafer werden überwiegend optisch untersucht und automatisch mit einem Referenzbild verglichen. Die Rasterelektronenmikroskopie dient eher lokalen Detail- und Linienbreitenmessungen zur Überwachung von Belichtungsdosis und Fokus, da der Elektronenstrahl den Lack chemisch verändern und spätere Prozesse beeinflussen kann. Bei Masken messen automatische optische Systeme die örtliche Intensitätsverteilung von transmittiertem und reflektiertem Laserlicht und vergleichen sie mit Layoutdaten, Referenzmessungen oder einem benachbarten gleichen Chip.

Entwicklung und künftige Verfahren

Die Halbleitertechnik übernahm das Verfahren 1955 durch Jules Andrus und Walter L. Bond von den Bell Labs aus der fotografischen Lithografie. Seitdem verbesserten vor allem kürzere Lichtwellenlängen, Optiken, Fotolacke und Verfahren zur Beherrschung von Beugungseffekten die erreichbaren Strukturgrößen.

Anfang der 1970er Jahre nutzte man die g-Linie einer Quecksilberdampflampe bei 434 nm. Mit Kontakt- oder Proximitybelichtung und Lacken auf Novolak-Basis, mit oder ohne Diazonaphthoquinon (DNQ), entstanden Strukturen von 5 bis 6 µm, etwa für den Intel 8080. Bei Wafern mit 2 oder 3 Zoll Durchmesser genügte eine Ganzwaferbelichtung. Anfang der 1980er Jahre folgte die i-Linie bei 365 nm. Mitte der 1980er Jahre erlaubte sie ungefähr 1 µm große Strukturen, etwa beim Intel 80386. Projektionsanlagen mit 4- oder 5-facher Verkleinerung und Stepper wurden für 4-Zoll-Wafer eingeführt.

Anfang der 1990er Jahre ermöglichten zunächst Quellen von 240 bis 255 nm und danach KrF-Excimerlaser mit 248 nm Strukturen unter einem Mikrometer. Chemisch verstärkte Lacke auf Basis von Poly(hydroxystyrol) setzen dabei durch einen Fotosäuregenerator unter 248-nm-Licht eine Säure frei. Diese kann Positivlack photokatalytisch zersetzen und dadurch Dosis und Belichtungszeit verringern. Zusammen mit Phasenmasken waren 1993 kommerzielle Strukturen von 0,5 µm möglich.

Anfang der 2000er Jahre wechselte die Industrie zu ArF-Excimerlasern mit 193 nm. Diese weiterhin eingesetzte Technik ermöglicht die kleinsten Strukturen des 45-nm-Technologieknotens trocken sowie der 28-nm-Planartechnik und 22-nm-FinFET-Technik mit Immersion. Die geplante 157-nm-Lithografie mit F₂-Excimerlasern scheiterte unter anderem an Materialproblemen, etwa unzureichendem Calciumfluorid für die letzte Linse. Bei 193,4 nm und Wasser mit dem Brechungsindex 1,436 beträgt die effektive Wellenlänge 193,4 nm/1,436 = 134,7 nm. Der begrenzte Zusatznutzen einer 157-nm-Immersion mit 118 nm effektiver Wellenlänge rechtfertigte den Aufwand nicht.

Als Next-Generation-Lithografie werden seit den 1990er Jahren mögliche Nachfolger erforscht. Dazu gehören Verfahren mit kürzerwelliger elektromagnetischer Strahlung wie EUV- und Röntgenlithografie, die neue Optiken und Materialien benötigen; Teilchenstrahlverfahren wie Elektronen- und Ionenstrahllithografie; sowie alternative Ansätze wie Nanoprägelithografie und Step-and-Flash-Imprint-Lithografie.