30 Nanometer mit Fotolithografie

Physik Journal - Forschern bei IBM ist es gelungen, Strukturen von knapp 30 nm fotolithografisch herzustellen.

Je mehr Transistoren auf einen Prozessor passen sollen, desto kleinere Strukturen müssen in die Siliziumrohlinge geätzt werden. Moderne Chipfabriken nutzen heute ultraviolettes Licht mit 193 Nanometer Wellenlänge und erreichen über fokussierende Linsen und Immersionsschichten aus Wasser 65 nm Auflösung. Während man bislang davon ausging, dass die Grenzen der Machbarkeit bei 32 nm erreicht sein sollten, gelang Forschern vom IBM-Labor im kalifornischen San José der Schritt bis auf 29,9 nm. Damit lässt sich die bewährte Technologie der Fotolithografie mit ultraviolettem Licht noch etwa länger nutzen als es die Roadmap der Chipentwickler bisher vorgesehen hat.

Während der Standard in der Mikroelektronik derzeit Strukturen von 90 nm sind (rechts), ist es IBM gelungen, mit Fotolithografie knapp 30 nm (links) zu erreichen. (Quelle: IBM)

Der Kunstgriff des Teams um Robert D. Allen vom IBM Almaden Research Center liegt in einem extrem feinen Hell-Dunkel-Muster zweier interferierender Laserstrahlen. In einer Testanlage reichten nur die hellen Bereiche des Interferenzmusters aus, um den lichtempfindlichen Fotolack auf dem Siliziumwafer zu fixieren. In einem darauf folgenden Ätzprozess sind diese Bereiche geschützt und das umliegende Silizium geht in Lösung.

Doch allein mithilfe der Interferenz zweier 193-nm-Strahlen gelang es nicht, die 30-nm-Schwelle zu überwinden. Zusätzlich befindet sich zwischen der Belichtungsmaske und dem Rohling eine Immersionsflüssigkeit. Bewährt hat sich hier unter anderem Wasser. In Materialien mit hohen Brechungsindizes zwischen 1,6 und 1,7 verschiebt sich die Wellenlänge des eingestrahlten Licht zu kürzeren Wellenlängen und lässt sich stärker fokussieren. Derzeit arbeiten die Entwickler schon an geeigneten Werkstoffen, um sowohl für die Linsen, den Fotolack als auch die Immersionsflüssigkeit Brechungswerte von 1,9 zu erreichen. Gekoppelt mit der Belichtung über Interferenzmuster ließen sich noch geringfügig kleinere Strukturen erzeugen.

Dieses Ausreizen der herkömmlichen, optischen Lithografie hat seine Gründe. Denn für den nächsten Schritt in Größenordnungen unter 25 nm werden die Chiphersteller auf extremes ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 13 nm umstellen müssen. Da in diesem EUV-Bereich jedoch keine transparenten Linsensysteme mehr für die Fokussierung existieren, müssen deutlich komplexere Spiegelsysteme diese Aufgabe übernehmen. Das treibt die Kosten für eine Chipfabrik deutlich in die Höhe.

Jan Oliver Löfken

Quelle: Physik Journal, April 2006, S. 18