Coherent in der Halbleiterherstellung: EUV-Lithografie

Die weltweite Halbleiterindustrie wächst explosionsartig und wird bis 2030 voraussichtlich einen Markt von 1 Billion Dollar erreichen (gegenüber 500 Milliarden Dollar im Jahr 2023). Diese Expansion wird vor allem durch die fortschreitende Miniaturisierung und die zunehmende Leistung von Mikroprozessoren vorangetrieben. Jede Generation dieser kleineren, leistungsfähigeren Chips ermöglicht völlig neue Technologien und senkt gleichzeitig die Kosten für bestehende Anwendungen. So entsteht ein Erfolgsyzyklus, bei dem Verbesserungen in der Chiptechnologie zu neuen Produkten und Dienstleistungen führen, die wiederum die Nachfrage nach noch fortschrittlicheren Halbleitern ankurbeln.

Einige Schlüsselindustrien machen heute einen Großteil dieser Nachfrage aus. Eine davon ist die Automobilindustrie, in der Fahrzeuge zu Smartphones auf Rädern werden und erhebliche Rechenleistung integrieren. Ein weiterer Bereich, der das Wachstum antreibt, ist Hochleistungs-Computing. Hier geht es vor allem darum, die wachsende Nachfrage nach künstlicher Intelligenz (KI) und Cloud Computing zu erfüllen. Zusammen mit diesen Märkten kommt mit der Ausbreitung von 5G-Netzwerken die Funkinfrastruktur.

Und schließlich spielen Mikroprozessoren eine große Rolle in industriellen Märkten wie Fabrikautomatisierung und Logistik. Obwohl dieser Markt im Vergleich zu den Konsumgütermärkten relativ langsam wächst, ist er im Bereich Halbleiter sehr stabil und nachhaltig.

Coherent bietet seit Jahrzehnten Laser, Optiken und Materialien an, die für die Halbleiterherstellung und Geräteintegration unerlässlich sind. In manchen Fällen war unsere Technologie ein Schlüsselfaktor für die Herstellung von Mikroelektronik.

Und unsere Beteiligung an diesem Markt wird voraussichtlich noch zunehmen. Während die Schaltkreise kleiner werden, um die erwähnten Trends zu unterstützen, werden immer präzisere und ausgefeiltere Werkzeuge für ihre Herstellung, Montage und Inspektion nötig. Das bietet noch größere Chancen für Coherent, da sich mit unserer Technologie häufig die Präzision und der Durchsatz in der Fertigung steigern lassen.

In diesem Blogbeitrag sehen wir uns genauer an, wie Produkte von Coherent Fortschritte im grundlegendsten Schritt der Halbleiterherstellung unterstützen: der Mikrolithografie.

Extrem Ultraviolett (EUV)-Lithografie

Bei der Lithografie, einem Kernprozess in der Halbleiterfertigung, werden Schaltkreismuster von Masken auf lichtempfindliche Schichten auf einem Siliziumwafer projiziert, um die eigentlichen Bauelementstrukturen (z. B. Transistoren) zu erzeugen. Bei der traditionellen Halbleiterlithografie wird dies mit Excimer-Lasern bei 248 nm oder 193 nm erreicht. Diese Laser haben in der Branche den „10-nm-Knoten“ ermöglicht (Knoten ist ein Begriff im Zusammenhang mit Chip-Generationen, die häufig kleinere Größen beinhalten). Um jedoch zu kleineren Knoten überzugehen, die noch kleinere Strukturen enthalten können, sind aus physikalischen Gründen kürzere Lichtwellenlängen erforderlich. 

Die Extrem-Ultraviolett-Lithografie (EUV) ist ein entscheidender Fortschritt auf diesem Gebiet. Die EUV-Lithografie verwendet Licht mit einer Wellenlänge von etwa 13,5 nm. Dies hat es den Chipherstellern ermöglicht, die 7-nm-, 5-nm-, 3-nm- und 2-nm-Knoten zu erreichen. 

Um dieses EUV-Licht zu erzeugen, beleuchtet ein leistungsstarker CO₂-Infrarotlaser einen Strom winziger geschmolzener Zinntröpfchen. Der Laser lässt das Zinn verdampfen und bildet ein Plasma (ein Gas, in dem Elektronen aus den Atomen herausgelöst werden). Dieses Plasma emittiert das EUV-Licht. 

Die Erzeugung und Abgabe von Licht dieser Wellenlänge ist sehr komplex und anspruchsvoll und erfordert ein hohes Maß an Präzision sowie einen zuverlässigen Betrieb unter extremen Bedingungen. Letzteres ist von entscheidender Bedeutung, denn Ausfallzeiten in einer Halbleiterproduktionsanlage können pro Stunde Hunderttausende oder sogar Millionen von Dollar kosten. 

Coherent liefert zahlreiche Optiken für EUV-Lithografie-Werkzeuge, darunter Diamantfenster, Lasermodulatoren und ZnSe-Laseroptiken.

Optiken für die EUV-Lithografie

Der CO₂-Laser und das Strahlführungssystem in einem EUV-Lithografie-Werkzeug enthalten zahlreiche optische Komponenten wie Linsen und Spiegel. Natürlich ist Coherent (früher II-VI) seit den 1970er Jahren Marktführer im Bereich der Infrarotoptik. Es ist die Technologie, auf der das Unternehmen gegründet wurde, und es gibt niemanden, der sie besser versteht als wir. Deshalb sind wir auch der größte Anbieter von CO₂-Laseroptik für EUV-CO₂-Lasersysteme.

Eine weitere wichtige Optik in EUV-Systemen sind Diamantfenster. Diese werden benötigt, um verschiedene Module innerhalb des Lasersystems gegen Umwelteinflüsse abzudichten und gleichzeitig das sehr leistungsstarke CO₂-Laserlicht ungedämpft durchzulassen.

ZnSe wird zwar häufig für Fenster bei dieser Wellenlänge und im EUV-System verwendet, aber der Diamant wird aus mehreren Gründen in den extrem anspruchsvollen Bereichen bevorzugt. Ein Hauptgrund ist seine geringe thermische Linsenbildung bei sehr hohen Leistungen. Die thermische Linsenbildung verursacht Strahlverzerrungen, Aberrationen und Änderungen der Fokusposition, die alle die Systemleistung beeinträchtigen würden.

Darüber hinaus hat der Diamant unter allen bekannten Materialien die höchste Wärmeleitfähigkeit, einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) und eine außergewöhnlich hohe Härte. Das bedeutet, dass der Diamant die hohe Leistung des Laserstrahls mit minimaler Verzerrung oder Verschlechterung verarbeiten kann. Außerdem kann er der durch die Absorption des Laserlichts verursachten Erwärmung standhalten und diese effizient ableiten.

Coherent ist als vertikal integrierter Hersteller ein führender Anbieter für diese großflächigen polykristallinen Diamantfenster. Wir züchten die Diamanten mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) in unseren Reaktoren, die auf unseren eigenen geschützten Designs und Verfahrenstechniken basieren. Dadurch sind wir in der Lage, das Kristallwachstum so zu steuern, dass genau die Eigenschaften erzielt werden, die für EUV-Lithografiesystemfenster benötigt werden.

Strukturelle Komponenten für die EUV-Lithografie

Unsere Expertise umfasst auch die Herstellung von Komponenten für EUV-Lithografiesysteme aus spezialisierten Keramiken wie reaktionsgebundenem Siliziumkarbid (RB-SiC).

RB-SiC weist eine hervorragende mechanische und thermische Stabilität auf und eignet sich daher ideal für eine Vielzahl von Anwendungen in der Halbleiterindustrie, einschließlich Inspektion, Messtechnik und Lithografie. Die Stabilität der Struktur, die das optische EUV-System trägt, ist entscheidend und nur mit solchen RB-SiC-Keramiken möglich. RB-SiC hat großes Potenzial für strukturelle Komponenten.

Coherent stellt RB-SiC sowohl mit traditionellen keramischen Herstellungsverfahren als auch mit neu entwickelten additiven Fertigungstechniken her. Mit diesen Verfahren lassen sich große und komplexe Formen mit nahezu netzartigen Geometrien herstellen, die nur wenig Präzisionsnachbearbeitung erfordern.

Coherent: Ihr Partner für Innovation und Erfolg

Wir haben uns gerade angesehen, wie die Produkte von Coherent die von Halbleiterwerkzeug-Herstellern benötigte Mischung aus innovativer Technologie und hoher Leistung liefern. Aber auch andere Unternehmen stellen Hochleistungsprodukte her. Oft entscheiden sich unsere Kunden aber auch aus anderen Gründen für Coherent.

Einer dieser Faktoren sind die Betriebskosten. Im Halbleitergeschäft sind die mit einem Produkt verbundenen Betriebskosten für den Benutzer häufig wichtiger als der ursprüngliche Anschaffungspreis. Dafür gibt es eine Reihe von Gründen.

Der erste ist die bereits erwähnte Ausfallzeit. Selbst eine kurze ungeplante Ausfallzeit in einer Halbleiterproduktionslinie kann hohe Kosten verursachen. Daher sind Zuverlässigkeit und Betriebszeit von entscheidender Bedeutung, weil sie dem Benutzer Geld sparen und dazu beitragen, dass er seine eigenen Produktionspläne einhalten kann.

Der zweite Grund ist die betriebliche Konsistenz und Stabilität. Die Herstellung von Halbleitern umfasst zahlreiche Schritte. Jede Abweichung im Betrieb der Anlagen während eines dieser Schritte kann die Eigenschaften der hergestellten Schaltkreise auf eine Weise verändern, die möglicherweise nicht sofort bemerkt wird. Dies bedeutet, dass ein Hersteller möglicherweise einige Zeit lang fehlerhafte Teile produziert, bevor das Problem entdeckt wird. Dies führt zu Ausschussteilen oder Nacharbeit, was beides kostspielig und zeitaufwändig sein kann.

Aus diesem Grund bevorzugen die Hersteller von Werkzeugen Anbieter, die über fundierte Kenntnisse ihrer eigenen Technologien verfügen und eine lange Erfolgsgeschichte vorweisen können. Sie wollen mit Unternehmen zusammenarbeiten, deren Produkte die Spezifikationen erfüllen, pünktlich geliefert werden und Tag für Tag in der anspruchsvollen Halbleiterfertigung eine konstante Leistung erbringen. Coherent zeichnet sich in dieser Hinsicht durch eine jahrzehntelange Erfolgsgeschichte aus, die die Erwartungen übertrifft.

Mit dem immer schnelleren technologischen Wandel kommt aber noch ein weiterer Faktor hinzu. Die Hersteller von Halbleiterwerkzeugen suchen Lieferanten, die über beträchtliche interne Ressourcen und betriebliche Größe verfügen und sich zu erheblichen Investitionen in die Technologie verpflichten können. Diese sind erforderlich, um mit den fortlaufenden Innovationszyklen Schritt zu halten, die für die Herstellung von Anlagen zur Fertigung dieser immer kleiner werdenden Schaltkreise erforderlich sind.

Die Kunden von Coherent wollen die Gewissheit haben, dass wir uns langfristig für einen reaktionsschnellen Service einsetzen.

Sie wollen auch sicher sein, dass der Anbieter wahrscheinlich jahrzehntelang im Geschäft bleibt und für den Service und die Versorgung mit Ersatzteilen zur Verfügung stehen wird. Außerdem wollen sie, dass der Service sofort zur Verfügung steht – wo und wann immer er benötigt wird. Die Größe und Stabilität von Coherent in Verbindung mit unserer umfassenden globalen Serviceinfrastruktur gibt unseren Kunden die Gewissheit, dass wir all diese Anforderungen heute und in Zukunft erfüllen werden.  

Erfahren Sie mehr über die Produkte und Dienstleistungen von Coherent für die Halbleiterindustrie.

Verwandte Ressourcen