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Wo die Probleme mit der Extreme Ultraviolet Lithography (EUV) liegen

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Auftragsfertiger und Hersteller, die eine eigene Fertigung haben, sind derzeit sehr bemüht zu betonen, dass man eine immer kleinere Fertigung oder Optimierung der bestehenden Fertigungsgröße problemlos realisieren könne. Allerdings wird auch ersichtlich, dass Intel, Gobal Foundries, Samsung und Co. das Thema "Extreme Ultraviolet Lithography" – kurz EUV oder EUVL – derzeit noch versuchen zu Umschiffen. Technische Probleme und vor allem die Kosten einer solchen Fertigung sind eine enorme Hürde.

Auf dem Meeting der Technology and Manufacturing Group (TMG) sprach Intel zuletzt über die Optimierungen der Fertigung in 14 nm und die Fortschritte der Fertigung in 10 nm.

Das Magazin Semiconductor Engineering hat sich nun mit einigen Experten in diesem Bereich zusammengesetzt und das Thema näher erläutert. Mit in der Runde waren Gregory McIntyre, Direktor des Advanced Patterning Department bei Imec, Harry Levinson, Senior Fellow und Senior Director of Technology Research bei GlobalFoundries, David Fried, Chief Technology Officer bei Coventor, Naoya Hayashi, Research Fellow bei Dai Nippon Printing (DNP), und Aki Fujimura, Chief Executive bei D2S.

Geringere Wellenlängen, aber ungenaue Strukturen

EUV ist ein Fotolithografie-Verfahren, welches Wellenlängen von 13,5 nm (91,82 eV) nutzt. Bisherige und aktuelle Fertigungsverfahren verwenden Wellenlängen von 248,0 nm mit KrF-Excimerlaser und 193,0 nm mit ArF-Excimerlaser. Die Verwendung dieser geringeren Wellenlängen sorgt aber auch dafür, dass die verwendeten Photonen um den Faktor 14 energiereicher sind. Dies sorgt dann wiederum dafür, dass die Handhabung der Photonen deutlich schwieriger wird, schließlich will man Strukturen von Größen von 5 bis 7 nm abbilden können.

Eines der größten Probleme ist dabei die Line-Edge Roughness (LER). Die LER beschreibt die Problematik, dass sich mit EUV derzeit keine scharfkantigen geraden Linien abbilden lassen. Dies entsteht durch ein Rauschen im gebündelten Strahl der EUV-Photonen. Nur etwa 40 % der Photonen schlagen den gewünschten Weg ein, 60 % des kompletten Strahls sind derzeit das Rauschen.

Ein weiteres Problem sind die Edged Pillars. Dabei handelt es sich um Strukturen, die eigentlich ebenfalls scharfkantig sein sollten, die an solchen Enden aber runde Köpfe in der Fertigung ausbilden. Diese Fehler überhaupt zu erkennen, ist ein weiteres Problem, denn wir sprechen hier von Fehlern, die in Größenordnungen von 0,3 nm auftreten. Diese Fehler zu messen, ist extrem schwierig und eine weitere Herausforderung für die Unternehmen.

Fertigungsgrößen werden kleiner – Fertigungszeiten erhöhen sich

Durch höhere Wellenlängen können also immer kleinere Fertigungsgrößen erreicht werden. Auf die Probleme bei der Fertigung selbst sind wir bereits eingegangen. Es gibt aber auch eine weitere Ebene in der EUVL. Für jede Fertigung müssen Masken erstellt werden. Bereits in diesen Masken muss beachtet werden, dass die Genauigkeit dieser einen Einfluss auf die letztendliche Fertigung hat.

Bereits bei der Fertigung der Masken können Dinge wie LER und Edged Pillars kompensiert werden – wenn man sich denn der Problematik bewusst ist und den Fehler auch messen konnte.

Über die Masken müssen solche Fehler also kompensiert werden und hier bewegen wir uns in Größenordnungen von vier bis fünf Ångström. Ein Ångström entspricht 100.000 fm, 100 pm oder 0,1 nm. Ein Ångström ist die typische Größenordnung für Atomradien und Abstände von Atomen in Kristallstrukturen und zeigt, wie genau die Abbildungsverfahren in der EUVL inzwischen sein müssen.

Ein weiterer Punkt betrifft die Masken, die zur Fertigung verwendet werden, denn auch diese müssen hergestellt werden. Üblicherweise sprechen wir hier von Zeitdauern von 60 Stunden für eine solche Maske. Die Unternehmen entwickeln daher Verfahren, um die Dauer für die Fertigung einer Maske zu verkürzen. Dazu hat man Multi-Beam-Masken entwickelt.

Solche Multi-Beam-Masken können in zehn Stunden gefertigt werden und damit deutlich schneller, als dies sonst der Fall ist. Hinzu kommt, dass Multi-Beam-Masken immer die gleiche Dauer zur Fertigung benötigen, egal wie komplex der zu fertigende Chip ist. Mit diesen Multi-Beam-Masken kann die Genauigkeit erhöht werden und der Edge Placement Error (EPE) wird reduziert.

Wer sich noch etwas genauer mit dem Thema und der Problematik auseinandersetzen möchte, kann sich das komplette Interview durchlesen. Dort wird auf viele weitere Aspekte eingegangen.

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Kommentare (7)

#1
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Registriert seit: 27.07.2008

Fregattenkapitän
Beiträge: 3023
Ja, hier schlägt wohl die Heisenbergsche Unschärferelation so langsam durch.

Kein Wunder, dass die Firmen da noch einen Bogen drumherum machen. Um da eine Lösung zu finden ist vergleichbar wie die Relativitätstheorie neu zu kreieren. Es bedarf in diesem Fall eine komplett neue Wissenschaft, die die Dinge der Quantenwelt noch deutlich genauer definieren kann, als das was wir bis jetzt herausgefunden haben.
Erst wenn man den Grund herausfindet, warum sich Photonen nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit an einen Ort befinden, erst dann kann man vielleicht etwas gegen ihr Verhalten unternehmen. Aber das ist vermutlich so als ob man die Gravitation aufheben könne. Und nein, ich rede nicht von einem Heisenberg-Kompensator. ;)
Ein weiterer Punkt ist die immer kleinere Wellenlänge, die physikalisch zu immer mehr Energie in dieser Welle führt.
Es ist kontraproduktiv immer mehr Energie auf einen immer kleineren Punkt zu konzentrieren. Dadurch zerstört man mehr als man erschafft.
Ich sehe so langsam das Ende der Fahnenstange erreicht. Leider lassen sich Naturgesetze nicht so einfach aufheben, was auch gut ist, da wir dadurch arge Probleme bekommen würden.
#2
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Registriert seit: 09.04.2011

Oberbootsmann
Beiträge: 940
Zitat Pickebuh;25460601

Erst wenn man den Grund herausfindet, warum sich Photonen nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit an einen Ort befinden, erst dann kann man vielleicht etwas gegen ihr Verhalten unternehmen.


Das Rauschen des Strahls hat hiermit nichts zu tun. Es ist ja nicht so, dass Photonen von sich aus gebogene Kurven fliegen - oder? Ich denke das liegt schlicht an der Bündelung des Strahls, das mit höherer Energie der Teilchen (E=h*f), immer aufwendiger wird. Energie intensiver. Dazu kommen noch die Linsen.

Aus dem Artikel:"Durch höhere Wellenlängen können also immer kleinere Fertigungsgrößen erreicht werden."

Muss das nicht heißen "Durch kleinere Wellenlängen"?
#3
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Registriert seit: 27.07.2008

Fregattenkapitän
Beiträge: 3023
Photonen sind Wellen und Teilchen zugleich. Dabei ist es egal ob du Photonen oder Elektronen nimmst. Ab einer gewissen Größe, wird alles unscharf, siehe Heisenberg.
Wer also in die aller kleinste Welt der Atome vordringt, was eben in dem Bereich von 1-0,1nm und kleiner fällt, der wird keine klaren Ortsbestimmungen mehr erhalten.
Dazu gibt es den berühmten Versuchsaufbau "Doppelspalt-Experiment". Da wird es sehr schön erklärt warum dem so ist.
Quantenmechanik - Doppelspalt, Verschränkung und Nichtlokalität | Doku - YouTube
#4
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Registriert seit: 19.04.2008
PorscheTown
Vizeadmiral
Beiträge: 6810
UV Licht hat eine relativ große Wellenlänge verglichen mit Gamma oder Röntgen Strahlung.
Oder einfach im Vergleich zum Transistor Gate:


The Scale of the Universe 2
#5
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Registriert seit: 06.02.2014
Im sonnigen Süden
Admiral
Beiträge: 12411
Wenn massig Profit herausgeschlagen werden kann, hat die Wissenschaft noch immer Lösungen gefunden!
Sicher es wird aufwendiger und langsamer aber noch ist Fahnenstange zum Klettern da!
#6
Registriert seit: 27.05.2008
Simmerath 52152
Bootsmann
Beiträge: 726
Das eigentliche problem ist alle wollen es kleiner haben
aktuell ist man bei realen 40nm
Das maximum wird wohl 32nm in 3D chipherstellung sein
das ist die letzten Verkleinerung der Architekturen.
Kleinere Transistoren sind nicht möglich, also muss eine Lösung her wie man höheren Takt bekommt.
Und auf lange Sicht eine Lösung wie man seriellen code beschleunigt und wenn irgendwann das maximum erreicht wurde geht es schlicht nicht schneller.
Das euv verfahren kann uns real auf 10nm bringen. Schließlich wird von UV auf Röntgenstrahlung über, was allerdings zu Problemen führt
Röntgenstrahlung ist im piko Bereich der klar die Unschärfe Darstellt (atome sind im 100piko Bereich)
oder anders gesagt 0,1nm
1nm ist 0,000 001mm
1piko ist 0,000 000 001mm
Also das euv ist ein Zwitter aus röntgen und normalen ultraviolett licht.
Was wieder physikalisch nonsense ist.Entweder man nutzt röntgen oder eben ultraviolett
ultraviolett = 10 hoch minus 8 bis minus 6, 10-999nm
röntgen = 10 hoch minus 11 bis minus 9, 10-0,01nm
quasi röntgen geht soweit bis die Größe von Atomen
erst gamma Strahlung durchdringt Atome
bis zum maximum von Hohenstrahlung die derzeit eher theoretischer Natur sind. 0,000 000 000 000 001mm
das ist die kleinste Wellenlänge
Ab Gammastrahlung ist Welle und Teilchen nicht mehr zu unterscheiden wegen der Unschärfe.
Physik lässt sich schwerlich umgehen, daher wird wohl bis 10nm das maximum erreicht sein was mit Belichtung geht
Danach kann man nur noch röntgen einsetzen und das lässt sich nicht kontrollieren. Also ist ein Schaltkreis nicht möglich
#7
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Registriert seit: 09.04.2011

Oberbootsmann
Beiträge: 940
@Pickebuh
Diese physikalischen Grundlagen kenne ich schon. Wenn man aber etwas zu EUV liest oder anschaut, scheinen die Probleme wo anderes zu liegen. Klar spielen bestimmte physikalische Gesetze eine Rolle, aber bei EUV werden sie die Probleme noch lösen können.
Ausbreitung des Lichts, Beugung des Lichts beim Doppelspalt, Impuls und Ortbarkeit und so weiter können wir als Laien nicht so einfach zur Interpretation der Lithography-Technik benutzen. Da spielen viele komplizierte Dinge mit rein. Magnetfelder, Linsen, Spiegel, Gangunterschiede, Interferenzen.
Ich denke derzeit sind die Fertigungsanforderung entscheidender. Beim EUV benutzen die Spiegel, wenn man die auf die Größe Deutschland beziehen würde, wäre die größte Erhebung 1mm.

In Zukunft, bei noch kleineren Wellenlängen, wird man irdenwann Probleme haben, mit Kollektoren und Spiegel einen gebündelten Stahl lenken zu können, da aufgrund hoher Energie die Oberflächen der Optiken leiden und wegen kurzer Wellenlängen die Reflektion versagt. Aber das sind jetzt nur meine Gedanken, hab mich damit nicht so ausführlich beschäftigt.

Zitat
Wer also in die aller kleinste Welt der Atome vordringt, was eben in dem Bereich von 1-0,1nm und kleiner fällt, der wird keine klaren Ortsbestimmungen mehr erhalten.

Weiß nicht genau wie du das meinst, aber das gilt auch für große Wellenlängen. Dachte ich jedenfalls.

@angelsdecay
Zitat
Ab Gammastrahlung ist Welle und Teilchen nicht mehr zu unterscheiden wegen der Unschärfe.

Meinst du messtechnisch? Ich wüsste nicht, dass das Frequenzabhängig ist. Lass mich aber gern eines besseren belehren.
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