Chinas EUV-Messökosystem nimmt Gestalt an

Bei modernen Chips wird nicht nur die Lithografie schwieriger – auch das Messen und Prüfen der Strukturen wird zur Schlüsselaufgabe. Die EUV-Lithografie arbeitet mit einer Wellenlänge von 13,5 Nanometern, während etablierte DUV-Messsysteme häufig bei 193 oder 248 Nanometern arbeiten. Je kleiner die Strukturen und je dreidimensionaler die Transistoren werden, desto stärker müssen Auflösung, Geschwindigkeit und möglichst zerstörungsfreie Prüfung zusammengebracht werden.5532

China entwickelt dabei nicht nachweislich bereits eine vollständig validierte heimische EUV-Lithografiemaschine. Sichtbar wird vielmehr ein wachsendes Ökosystem rund um die EUV-Messtechnik: Lichtquellen, Spiegel, Vakuumsysteme, Detektoren, Präzisionsbühnen, Rekonstruktionsalgorithmen und Prozesskontrollsoftware können jeweils Einstiegspunkte sein. Entscheidend wird am Ende sein, ob daraus ein dauerhaft laufendes, kalibrierbares System mit belastbarer Verbindung zu den Prozessdaten einer Chipfabrik entsteht.

Warum GAA-Transistoren neue Messverfahren benötigen

Der Übergang von FinFETs zu Gate-All-around-Transistoren (GAA) macht die entscheidenden Strukturen stärker dreidimensional. Kanäle, Gates und Grenzflächen liegen teilweise unter Deckschichten oder an Materialübergängen. Eine reine Oberflächenprüfung reicht dann nicht mehr aus, um kritische Abmessungen, Seitenwandprofile, Schichtversatz oder verborgene Defekte zuverlässig zu bestimmen.8

Die Bedeutung der 13,5-Nanometer-Strahlung liegt zudem nicht allein in der kürzeren Wellenlänge. Bei Streumessungen beeinflussen sowohl die Defektgröße als auch die Beleuchtungswellenlänge die Signalstärke. Kürzere Wellenlängen können die Empfindlichkeit für Defekte im Nanometerbereich erhöhen; das tatsächliche Ergebnis hängt aber ebenso von Quellenleistung, Optik, Detektorrauschen, Material und Auswertealgorithmus ab.18

Verfahren wie Scatterometrie, kohärente Diffraktionsbildgebung (CDI) und reflektive Bildgebung leiten Strukturparameter aus Beugungs- und Streusignalen ab, ohne die Waferoberfläche mit einer Sonde berühren zu müssen. Das US-amerikanische National Institute of Standards and Technology (NIST) hat mit einer Tisch-HHG-Quelle EUV-Diffraktometrie an Linien-und-Zwischenraum-Strukturen mit kritischen Abmessungen unter 50 Nanometern durchgeführt. Eine weitere Studie zeigte bei zweidimensionalen Verbindungsstrukturen eine Empfindlichkeit für Merkmale außerhalb der Ebene im Bereich eines einzelnen Nanometers.3334

Warum EUV-Masken mit derselben Wellenlänge geprüft werden

Eine EUV-Maske ist keine transparente Schablone, sondern ein komplexer Stapel reflektierender Schichten. Phasenfehler, die bei einer anderen Wellenlänge unauffällig erscheinen, können bei der Belichtung dennoch auf den Wafer übertragen werden. Als actinic inspection wird deshalb meist die Prüfung mit derselben Wellenlänge wie bei der Belichtung bezeichnet – also mit 13,5 Nanometern. Sie erlaubt eine direktere Einschätzung, ob ein Maskenfehler tatsächlich druckbar ist.48

Hier liegt ein wichtiger Grund für das Interesse an der Hochoberschwingungserzeugung (HHG). HHG kann kohärentes EUV-Licht mit räumlicher und zeitlicher Kohärenz erzeugen und eignet sich damit für kohärente Streumikroskopie, Diffraktionsmessungen und linsenlose Bildgebung. Samsung stellte bereits ein System zur Nachprüfung von EUV-Maskenfehlern vor, das eine eigenständige HHG-Quelle nutzt. Das zeigt, dass HHG zumindest in spezialisierten Maskenprüf- und Forschungsgeräten in den industriellen Entwicklungsbereich vorgedrungen ist.42

Vier Lichtquellenrouten im Vergleich

LPP: hohe Leistung, hohe Komplexität

Bei der laserinduzierten Plasmaerzeugung (LPP) trifft ein Hochleistungslaser auf Flüssigkeitströpfchen aus Zinn. Das entstehende Plasma emittiert EUV-Licht bei 13,5 Nanometern. ASML nutzt dieses Grundprinzip in seinen kommerziellen EUV-Belichtungssystemen.55

Der große Vorteil von LPP ist die vergleichsweise hohe Leistung, die für Lithografie und möglicherweise auch für Inspektion mit hohem Durchsatz relevant ist. Dem stehen ein leistungsstarker Antriebslaser, die Kontrolle der Zinntröpfchen, die Unterdrückung von Trümmern, die Verschmutzung des Kollektors, Wärmemanagement und aufwendige Wartung gegenüber. Für junge Unternehmen bedeutet diese Route entsprechend hohe Investitions- und Servicehürden.

DPP: kompakter, aber nicht problemlos

Bei der entladungsinduzierten Plasmaerzeugung (DPP) entsteht das EUV-Plasma durch eine elektrische Entladung. Das kann kompaktere Systeme ermöglichen und ist für bestimmte Leistungsanforderungen in der Messtechnik interessant. Chinesische Berichte nennen DPP als eine der dort untersuchten Routen.1726

Zu lösen bleiben jedoch unter anderem Elektrodenverschleiß, Trümmer, Plasmastabilität, Quellenlebensdauer und Wartungsintervalle. Für den Einsatz in einer Fertigung genügt es nicht, 13,5-Nanometer-Licht zu erzeugen; die Quelle muss über lange Zeit reproduzierbar arbeiten.

Freie-Elektronen-Laser und Synchrotron: stark in der Forschung

Freie-Elektronen-Laser und Synchrotronquellen bieten hohe Helligkeit, Kohärenz und teilweise flexible Wellenlängen. Sie eignen sich daher für Referenzmessungen, Materialforschung, Maskenanalyse und Prozessentwicklung. Ihre großen Beschleunigeranlagen sind jedoch teuer und infrastrukturell anspruchsvoll – keine naheliegende Lösung für eine gewöhnliche Produktionshalle.

Wahrscheinlicher ist zunächst eine Rolle als Forschungs- und Referenzplattform. Solche Quellen können Vergleichsdaten für kompaktere Messsysteme liefern und zur Entwicklung von Materialien und Messverfahren beitragen.

SSMB: langfristige Perspektive für hohe Durchschnittsleistung

Die von der Tsinghua-Universität vorangetriebene Steady-State Microbunching-Technologie (SSMB) nutzt einen Elektronenstrahl in einem Speicherring. Laser und Undulator formen dabei Mikroballungen, die während der Umläufe aufrechterhalten werden und kohärente Strahlung erzeugen. Ein grundlegendes Prinzip wurde experimentell demonstriert; spätere Konzepte zielen auf 13,5 Nanometer, schmale Bandbreite und hohe Durchschnittsleistung.124

Die Attraktivität von SSMB liegt in der möglichen Verbindung aus hoher Wiederholrate eines Speicherrings und der Helligkeit kohärenter Strahlung. In Konzeptstudien wird eine Leistung von mehr als einem Kilowatt pro Werkzeug genannt. Das ist jedoch ein Entwicklungsziel und kein Beleg für eine bereits gebaute oder von einer Chipfabrik qualifizierte Serienquelle.310

Zu den offenen Fragen gehören die Stabilität des Elektronenstrahls, die Laser-Modulation, die Kontrolle des Speicherrings, die Strahlqualität, die Größe der Infrastruktur und die Kosten. SSMB ist daher eher eine langfristige Option für leistungsstarke EUV-Quellen als eine kurzfristig realisierbare Tischlösung.

Warum HHG für die nächste Generation der Messtechnik wichtig ist

Bei HHG wird ein Femtosekundenlaser auf ein Gas oder ein anderes Medium fokussiert. Dabei entstehen hohe Harmonische, die bis in den EUV- und weichen Röntgenbereich reichen. Gegenüber Zinnplasmen bietet die Technologie mehrere mögliche Vorteile:

• Tischgeräte-Potenzial: Sie benötigt keine große Synchrotronanlage und kann in Labor- oder Spezialmesssysteme integriert werden.
• Hohe Kohärenz: Das unterstützt CDI, Scatterometrie, Ptychografie und kohärente Maskenprüfung.
• Flexible Wellenlängen: Je nach Material, Geometrie und Messmodell können unterschiedliche Spektralbereiche interessant sein.
• Weniger Trümmer: Da kein Zinntröpfchenplasma erforderlich ist, entfällt ein Teil der entsprechenden Verschmutzungsprobleme.
• Ultrakurze Pulse: Damit werden zeitaufgelöste Messungen und Materialforschung möglich.3544

HHG ist besonders dort interessant, wo hohe Kohärenz wichtiger ist als die für die Belichtung benötigte Spitzenleistung. NIST hat bereits EUV-Diffraktometrie mit einer Tisch-HHG-Quelle demonstriert.3335

Die Nachteile sind allerdings ebenso eindeutig: Der Umwandlungswirkungsgrad und die nutzbare EUV-Leistung sind niedrig. Strahlstabilität, Wiederholrate, optische Verluste, Dauerbetrieb und die Geschwindigkeit großflächiger Scans müssen weiter verbessert werden. Eine technische Analyse zur vollständigen EUV-Maskenprüfung nannte je nach Anwendung eine erforderliche Quellenleistung von ungefähr 1 bis 100 Milliwatt. Der konkrete Bedarf hängt jedoch von Defektempfindlichkeit, Scanfläche, Signal-Rausch-Verhältnis und Durchsatz ab.51

Öffentliche Berichte nennen ASML, Intel, Samsung und TSMC als Unternehmen, die HHG-basierte Mess- oder Prüfverfahren genutzt oder bewertet haben.1824 Das ist als industrielle Prüfung des Potenzials zu verstehen – nicht als Beleg dafür, dass HHG bereits die Plasmaquellen in allen Hochdurchsatzsystemen ersetzt hätte.

Chinas entstehendes Ökosystem

Öffentliche Berichte nennen fünf chinesische Unternehmen, die in unterschiedlichen Bereichen aktiv sein sollen: Huaxin Aurora (华芯极光), Langdao Technology (朗道科技), Yunqi Jiyao (云栖极耀), Huari Laser (华日激光) und Haoyu Xinguang (皓宇芯光). Die Aktivitäten reichen demnach von Lichtquellen und Lasern bis zu Geräten und Systemintegration; Haoyu Xinguang konzentriert sich besonders auf die HHG-Route.17

Auf akademischer Seite ist das SSMB-Programm der Tsinghua-Universität die am klarsten dokumentierte chinesische Beschleunigerroute. Die experimentelle Prinzipdemonstration entstand gemeinsam mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin und der deutschen Physikalisch-Technischen Bundesanstalt. Das unterstreicht, wie stark dieser Bereich weiterhin auf anspruchsvolle Beschleuniger- und Metrologieforschung angewiesen ist.214

Ein belastbares heimisches Ökosystem muss jedoch weit über die Quelle hinausreichen. Notwendig sind unter anderem:

• EUV-taugliche Vakuumkammern, Mehrschichtspiegel und Verschmutzungskontrolle;
• Detektoren, Präzisionsbühnen, Ausrichtung, Kalibrierung und Radiometrie;
• Software für Streumodelle, Bildrekonstruktion, Defektklassifizierung und Prozesskontrolle;
• Maskenrohlinge, Pellicles, Fotolacke und Teststrukturen für Waferprozesse;
• Kooperationen mit Chipfabriken, um Messdaten mit tatsächlicher Belichtung, elektrischen Bauteileigenschaften und Ausbeute zu korrelieren.

„Inländisch“ bedeutet deshalb nicht bloß, dass mehrere Unternehmen an EUV-Quellen arbeiten. Entscheidend sind eine lieferfähige Gesamtanlage, ein stabiles Kalibrierkonzept und ein verlässlicher Datenkreislauf aus der realen Fertigung.

Die fünf größten Hürden auf dem Weg zur Serienanlage

1. Nutzleistung und Durchsatz

Die von der Quelle erzeugte Leistung ist nicht identisch mit der Leistung, die nach optischen Verlusten am Messobjekt ankommt und in ein verwertbares Signal umgewandelt wird. Empfindlichkeit, Scanfläche, Belichtungszeit und Rauschen müssen so ausbalanciert werden, dass wirtschaftliche Prüfgeschwindigkeiten möglich sind.

2. Stabilität im Dauerbetrieb

Eine Chipfabrik benötigt ein Werkzeug, das über Schichten und Monate hinweg reproduzierbare Ergebnisse liefert – nicht nur eine Laboranlage, die kurzfristig gute Werte erreicht. Wellenlänge, Dosis, Strahlrichtung, Kohärenz und Detektorantwort müssen überwacht, kalibriert und gewartet werden können.

3. Lebensdauer und Wartbarkeit

Laser, Plasmakomponenten, Vakuumsysteme, Spiegel und Detektoren bestimmen Wartungsintervalle und Betriebskosten. Trümmer, Verschmutzung, Alterung der Optik und der Austausch kritischer Komponenten können über die Wirtschaftlichkeit einer Anlage entscheiden.

4. Zusammenhang mit dem tatsächlichen Waferergebnis

Ein hochauflösendes Bild ist noch kein Produktionsnachweis. Die gemessenen kritischen Abmessungen, Überlagerungsfehler oder Defektmerkmale müssen mit der tatsächlichen Druckbarkeit auf dem Wafer, der Bauteilleistung und der Ausbeute zusammenhängen. Erst dann kann die Messung in die Prozesssteuerung eingehen.

5. Integration von Prozess und Software

EUV-Messtechnik muss mit Masken, Fotolacken, Dünnschichten, Wafer-Topografie, automatischer Materialzufuhr, Datenschnittstellen und den Prozesskontrollsystemen der Fabrik zusammenarbeiten. Langwierige Kundenqualifikationen, Vergleichstests und Felddaten sind oft entscheidender als eine einzelne erfolgreiche Demonstration.3050

Woran sich echte Reife erkennen lässt

Die wichtigste Frage lautet künftig nicht, ob ein Team 13,5-Nanometer-Licht erzeugen kann. Aussagekräftiger sind überprüfbare Kennzahlen: Gibt es Daten aus dem Dauerbetrieb? Werden nutzbare Leistung und Scan-Durchsatz veröffentlicht? Sind Defektmessungen metrologisch kalibriert? Besteht eine Korrelation zu Elektronenstrahlmessungen, Synchrotronmessungen oder elektrischen Waferdaten? Hat eine Chipfabrik ein System langfristig getestet und qualifiziert?

Nach dem derzeit öffentlich verfügbaren Stand zeichnet sich ein stufenweiser Weg ab: HHG könnte zunächst in Forschung, Maskenprüfung und spezialisierten Messgeräten eingesetzt werden. Kompaktere Plasmaquellen wie DPP könnten bestimmte Inline-Anwendungen adressieren. Synchrotronquellen und SSMB bleiben wichtige Plattformen für anspruchsvolle Lichtquellen- und Metrologieforschung, während LPP bei den leistungsintensivsten und durchsatzstärksten Aufgaben seine Bedeutung behält.

Chinas EUV-Messökosystem zeigt damit erste Konturen – von der Lichtquellenentwicklung bis zur Systemintegration. Zwischen einem solchen Ökosystem und einer produktionsreifen Anlage liegt jedoch noch eine erhebliche Lücke. Entscheidend ist nicht die isolierte Erzeugung von 13,5-Nanometer-Strahlung, sondern die Verbindung von Quelle, Optik, Detektor, Algorithmen, Prozessmaterialien und Fabrikvalidierung zu einem zuverlässig laufenden Werkzeug.