Die Lithografie, ein neuer Meilenstein

Aus Sicht von Multibeam kann der heutige Tag als Meilenstein für die globale Halbleiterindustrie bezeichnet werden, da das Unternehmen heute die MB-Plattform auf den Markt gebracht hat – die weltweit erste Mehrsäulen-Elektronenstrahllithografie (MEBL), die Chipfabriken verbessern kann.

Berichten zufolge ist das neue Lithografiesystem, das für das Drucken von Mustern auf Chips unerlässlich ist, ein System, das für die Massenproduktion konzipiert wurde. Die vollautomatische Präzisionsmustertechnologie wird in den Bereichen Rapid Prototyping, Advanced Packaging, High-Mix-Produktion, Chip-ID, Verbindungshalbleiter und anderen Anwendungen eingesetzt. Laut Multibeam wird die neu veröffentlichte Plattform die Elektronenstrahllithografie (EBL) mit neuen Produktivitätsvorteilen revolutionieren und gleichzeitig eine hohe Auflösung, feine Strukturen, ein weites Sichtfeld und eine große Schärfentiefe ermöglichen.

Aber tatsächlich scheint die Technologie von Multibeam von der Branche aufgegeben worden zu sein. Werfen wir einen Blick darauf, welche Wellen sie schlagen wollen.

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Betrachtet man die aktuelle Chipproduktion, gibt es drei Hauptschulungsoptionen, nämlich die EUV-Geräte von ASML, Nanoimprint und Multi-Beam-Direktschreiben, die mittlerweile weit verbreitet sind.

Unter ihnen wurde die EUV-Lithografietechnologie bereits weithin eingeführt, daher werden wir hier nicht näher darauf eingehen. Was wir jedoch verstehen müssen, ist, dass mit der Miniaturisierung des Chipprozesses die Entwicklungs- und Produktionskosten der Lithografiemaschine und sogar der Maske und des Fotolacks zu einem Hindernis für den weiteren Fortschritt der Lithografietechnologie werden. Mit der Forschung und Entwicklung und Förderung der letzten Jahrzehnte ist dies jedoch zur gängigen Produktionsmethode geworden.

Seit den 1990er Jahren befindet sich NIL in einer Forschungs- und Entwicklungsphase, die dem Prägeverfahren ähnelt. Zunächst bildet das Elektronenstrahlsystem gemäß einem vordefinierten Design ein Muster auf der Vorlage. Dann wird ein Resist auf ein separates Substrat aufgetragen. Die gemusterte Vorlage wird auf das Substrat gedrückt, um auf dem Substrat ein Muster mit Strukturgrößen von bis zu 5 nm oder sogar noch kleiner zu bilden. In Bezug auf die Anwendungen ist NIL in zwei Lager unterteilt: Speicher und Sonstiges. Unter diesen hat Canon in der Vergangenheit seit einiger Zeit NIL-Systeme entwickelt, die für die Herstellung von NAND-Flash und anderen Speichertypen konzipiert sind.

Allerdings gibt es bei NIL Herausforderungen wie Überlagerung, Defektrate und Ausbeute, die verhindern, dass sich NIL zu einer Mainstream-Technologie entwickelt. „Imprint-Lithographie ist eine Kontaktstrukturierungsmethode. Imprint-Lithographie wird in Anwendungen eingesetzt, die fehlertolerant sind“, betonen Analysten. Eine weitere Option ist Multi-Beam-Write-Through. Wie Nanoimprint ist dies keine wirklich neue Technologie.

Bereits in den 80er Jahren des 20. Jahrhunderts entwickelte IBM diese Direktschreiblithografie-Technologie. Im Prinzip verwendet das Mehrstrahl-Direktschreiben einen beschleunigten Elektronenstrahl, um Strukturen kleiner als 10 Nanometer auf einem Substrat zu charakterisieren, das mit einem elektronenstrahlempfindlichen Fotolack beschichtet ist. Die Einwirkung eines Elektronenstrahls verändert die Löslichkeit des Fotolacks und ermöglicht die selektive Entfernung belichteter oder unbelichteter Bereiche des Fotolacks durch Eintauchen des Fotolacks in den Entwickler.

Da keine teuren Fotomasken erforderlich sind, ist die Direktschreibtechnik attraktiv. Der Durchsatz der Einzelstrahl-Elektronenstrahllithografie ist jedoch zu langsam und zu teuer für die IC-Produktion in großen Stückzahlen. Analysten sagen auch unverblümt, dass das eigentliche Problem beim Direktschreiben der Durchsatz ist. Das direkte Schreiben in die Lithografie ist für die Waferlithografie zu langsam, selbst wenn Hunderttausende oder sogar Millionen Strahlen verwendet werden.

Infolgedessen können Single-Beam-Direktschreibwerkzeuge nur für Nischenanwendungen wie Verbindungshalbleiter und Photonik verwendet werden. Frühe Akteure wie KLA und Mapper verlassen das Unternehmen, und diejenigen, die übernommen werden, werden übernommen.

Doch Multibeam bleibt zuversichtlich. Mit der MEBL-Technologie hoffen sie, diese Jahrzehnte alte Technologie wiederzubeleben. Laut den Gründern von Multibeam ist es so, als hätte man die Geschwindigkeit einer Druckerpresse oder eines 3D-Druckers, aber mit der Anpassungsflexibilität und Anpassungsfähigkeit eines Bleistifts.

David K. Lam, CEO und Vorsitzender von Multibeam, sagte in einem Interview, dass Multibeam einige Teile der Chipherstellung 100-mal produktiver machen könne als bestehende Systeme.

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Nach Ansicht von Multibeam ist dies ein bahnbrechender Schritt. Berichten zufolge verwendet Multibeam zur Lösung des Durchsatzproblems im Produktionsprozess mehrere Mikrosäulen, die separat und parallel betrieben werden können und mit fortschrittlichen Steuerungssystemen ausgestattet sind.

Berichten zufolge hat das Team des Unternehmens die Plattform von Anfang an so konzipiert, dass sie eine Massenproduktion ermöglicht, und mehr als 40 Patente schützen diese Innovationen. Neben einer mehrspaltigen Vektorschreibarchitektur, die Produktivität, Genauigkeit und Geschwindigkeit verbessert, bietet die Plattform automatisiertes Laden und Ausrichten der Wafer von der Kassette bis zum Belichtungsprozess im System.

Darüber hinaus optimieren ein automatisiertes Vakuumrückgewinnungssystem und ein schneller Säulenwechselprozess sowie eine Kalibrierungstechnologie die Betriebszeit. Erweiterte Automatisierungsfunktionen reduzieren den Bedieneraufwand und verbessern die Systembetriebskosten weiter.

Als maskenlose Lithografielösung bietet die Plattform weitere Vorteile. Die Entwicklung einer optischen Maske kann Wochen dauern, während mit der MB-Plattform das Design in wenigen Stunden fertiggestellt werden kann. Dies gibt den Herstellern mehr Freiheit beim IC-Design, senkt die Kosten und beschleunigt die Markteinführung.

Um die Designflexibilität noch weiter zu erhöhen, nutzt die Plattform die Technologie des EDA-Marktführers Synopsys, um Schreibrezepte zu generieren, mit denen Kunden die komplexesten Muster erstellen können. Mit einem leistungsstarken, integrierten Datenaufbereitungssystem, das in Zusammenarbeit mit Synopsys entwickelt wurde, schreibt das System Chip-Layouts direkt auf den Wafer, ohne dass Masken erforderlich sind.

„Wir haben die Elektronenstrahllithografie im Grunde neu erfunden“, sagt Lam. „Wir sind uns durchaus bewusst, dass sie jahrzehntelang vernachlässigt wurde. Die Leute meinen, sie sei zu langsam. Wenn ich nicht belächelt werde, dann habe ich Glück. Man muss diesem Team allerdings zugutehalten, dass es in jeder Hinsicht wirklich viel Mühe investiert hat, um Funktionen zu entwickeln, die mit der optischen Technologie (der Konkurrenz) nicht möglich sind.“

Ken MacWilliams, Präsident von Multibeam, sagte, dass spezielles Silizium Chipdesignern helfen kann, Produkte schneller auf den Markt zu bringen. Dank innovativer Verpackungen können Chipdesignunternehmen wie Nvidia zwei Chips in ein und dasselbe Gehäuse packen und sie zusammenarbeiten lassen, als wären sie ein einziger Chip. Dies trägt zur Leistungssteigerung bei.

Schließlich hat das System aufgrund seiner geringen Stellfläche einen geringeren Stromverbrauch und benötigt weniger Fertigungsfläche. Sein modulares Design erleichtert das Hinzufügen von Modulen je nach Bedarf neuer Anwendungen oder höherem Durchsatz. Darüber hinaus ist es vollständig in sich geschlossen und erfordert keine spezielle Umgebung, was die Kosten weiter senkt. Das System ist in den Konfigurationen 150 mm, 200 mm und 300 mm erhältlich.

Multibeam hat derzeit weder die höchste physikalische Auflösung bekannt gegeben, die es erreichen kann, noch wie viele Strahlen unabhängig voneinander auf der MB-Plattform laufen können. Sie sagen jedoch, dass ihre einzelnen Strahlen mit 5 kV laufen. Das Unternehmen behauptet außerdem, dass seine MB-Plattform in Bezug auf Tiefenschärfe und Sichtfeld 10x höher ist als die optische Laserauflösung und 100x höher als die optische Lithografie.

„Wir freuen uns über die Einführung der MB-Plattform und sind stolz, unser erstes Produktionssystem an SkyWater zu senden“, sagte Lam. „Das Wachstum der Halbleiterindustrie wird weiterhin von spannenden neuen Anwendungen vorangetrieben, wobei fortschrittliche Lithografie endlose Innovationen vorantreibt. Gleichzeitig explodieren Märkte wie KI und Edge Computing, angetrieben von spezialisiertem Silizium und fortschrittlicher Verpackung, und die Hersteller legen höchsten Wert auf schnelle Lernzyklen und einen kostengünstigen, nahtlosen Übergang zur Produktion, um die Markteinführungszeit zu beschleunigen. Für diese aufstrebenden Märkte bietet die MB-Plattform ergänzende Lithografielösungen und erweitert die Palette der Lithografieoptionen, die IC-Leitern zur Verfügung stehen“, fuhr Lam fort.

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Obwohl EBL für seine Strukturierungsfähigkeiten geschätzt wird, ist es aufgrund der geringen Produktionsmengen nur begrenzt möglich, neue Anwendungen von der Forschung und Entwicklung in die Produktion zu überführen. Mit der Weiterentwicklung der MB-Plattform entstehen neue Anwendungen, die technische, wirtschaftliche und zeitnahe Anforderungen stellen, die mit nicht maskenbasierten Lithografielösungen erfüllt werden können.

 

"Diese Dynamik bestärkt uns in unserer Überzeugung, dass ein EBL-System, das zur Verbesserung der Produktivität neu konzipiert wurde, erstmals in einem fortschrittlichen Knoten eingesetzt werden kann", sagte MacWilliams. "Die Leistungsvorteile sind besonders überzeugend bei fortschrittlichen Verpackungen, wo unsere Systeme die Chip-zu-Chip-Leistung sowie die Bandbreite und Latenz verbessern können. Dies hat dazu beigetragen, das voranzutreiben, was die Branche als ‚fortgeschrittene Integration‘ neuer Technologien zu bezeichnen beginnt, bei der neue Chip-zu-Chip-Verbindungen eine vergleichbare Leistung wie On-Chip-Verbindungen erreichen können."

„Wir sind stolz darauf, diese Transformation mit produktionserprobten Lithografielösungen zu ermöglichen, und sind zuversichtlich, dass unser System den Chipherstellern dabei helfen wird, lukrative neue Marktchancen zu nutzen“, fügte MacWilliams hinzu. Er merkte außerdem an, dass spezielle Siliziumwafer den Chipdesignern helfen können, Produkte schneller auf den Markt zu bringen. Dank innovativer Verpackungen können Chipdesignunternehmen wie Nvidia zwei Chips in ein und dasselbe Gehäuse packen und sie zusammenarbeiten lassen, als wären sie ein einziger Chip. Dies trägt zur Leistungssteigerung bei.

"Wir müssen zugeben, dass Moores Gesetz vorbei ist", sagte Lam. "Der Fahrplan von ASML zeigt, dass die Transistordichte in den nächsten 12 bis 14 Jahren nur um maximal 0,7-mal steigen wird. Daher besteht die einzige Möglichkeit, wirklich von den Vorteilen zu profitieren darin, mehr Chips zusammenzufügen. Dies setzt die fortschrittliche Verpackung stark unter Druck. Wir haben eine interessante Grafik, und zu unserer Ehre muss man sagen, dass Moores Gesetz die Transistordichte in den letzten 500 Jahren um den Faktor 20 erhöht hat. Die fortschrittliche Verpackung ist nur 15-mal besser."

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