Zur Belichtung werden je nach Anforderung energiereiche Strahlen wie UV-Licht, Röntgenstrahlung, Elektronenstrahlen und Ionenstrahlen eingesetzt. Dabei gilt: Je kürzer die Wellenlänge der Strahlung, desto kleiner sind auch die erreichbaren Strukturbreiten. Den Zusammenhang beschreibt das Rayleigh-Kriterium:
$$CD=k_1\cdot\frac{\lambda}{NA}$$
Dabei ist λ die Belichtungswellenlänge, NA die numerische Apertur des Objektivs und k1 ein Prozessfaktor, der die Beleuchtungsart, die Maskentechnik und den Fotolack zusammenfasst. Die Schärfentiefe nimmt dabei mit dem Quadrat der Apertur ab:
$$DOF=k_2\cdot\frac{\lambda}{NA^2}$$
Jede Verbesserung der Auflösung wird also mit einem kleineren Fokusfenster bezahlt – deshalb sind planare Waferoberflächen (siehe CMP) eine Voraussetzung für feine Strukturen.
Die Wellenlängen im Überblick
| Wellenlänge |
Quelle |
Einsatz |
436 nm (g-Linie)
365 nm (i-Linie) |
Quecksilberdampflampe |
historisch; die i-Linie wird für unkritische Ebenen, Leistungshalbleiter und MEMS weiterhin genutzt |
| 248 nm |
Kryptonfluorid-Excimerlaser |
gröbere Ebenen, Analog- und Leistungstechnik |
| 193 nm |
Argonfluorid-Excimerlaser |
Arbeitspferd der Fertigung, trocken und als Immersionsbelichtung |
| 13,5 nm (EUV) |
Zinn-Plasma, mit Laser gezündet |
kritische Ebenen aller führenden Logik- und Speicherprozesse |
Ursprünglich war als Zwischenschritt auch der Fluorlaser mit 157 nm geplant. Er erwies sich als nicht praktikabel, da die dafür nötigen Calciumfluoridlinsen Feuchtigkeit aus der Luft aufnehmen; zudem wäre eine Immersionsbelichtung mit Wasser nicht möglich, weil Wasser Licht dieser Wellenlänge absorbiert.
Immersionsbelichtung
Statt die Wellenlänge weiter zu verkürzen, lässt sich die numerische Apertur erhöhen. Dazu wird der Spalt zwischen letzter Linse und Wafer mit hochreinem Wasser gefüllt, dessen Brechungsindex bei 193 nm etwa 1,44 beträgt. Damit sind Aperturen bis 1,35 möglich, gegenüber rund 0,93 in Luft. Eine einzelne Immersionsbelichtung löst dabei Strukturen bis etwa 38 nm Halbperiode auf – das ist die physikalische Grenze dieser Technik. Feinere Strukturen entstehen mit 193 nm nur noch, indem man ein Muster auf mehrere Belichtungen aufteilt (siehe Multipatterning).
EUV-Lithografie
Der Sprung auf extremes Ultraviolett mit 13,5 nm ist seit 2019 in der Serienfertigung. Die Strahlung entsteht, indem Zinntröpfchen von einem Hochleistungslaser zu einem Plasma verdampft werden; da EUV von Luft und von jedem Glas absorbiert wird, arbeitet die gesamte Anlage im Vakuum und bildet ausschließlich über Spiegel ab. Die heutige Anlagengeneration mit einer Apertur von 0,33 erreicht in einer Belichtung etwa 13 nm Halbperiode und ersetzt damit an vielen Ebenen zwei oder mehr Immersionsschritte.
Belichtbares Feld bei 0,33 NA und 0,55 NA
Seit 2024 kommt die High-NA-Generation mit einer Apertur von 0,55 hinzu, die etwa 8 nm Halbperiode auflöst. Der Preis dafür ist eine anamorphe Optik: Das Bild wird in einer Richtung um den Faktor 4, in der anderen um den Faktor 8 verkleinert, wodurch sich das belichtbare Feld auf 26 × 16,5 mm halbiert. Große Chips müssen deshalb aus zwei aneinandergesetzten Belichtungen entstehen. Im Juli 2026 wurden erstmals High-NA-belichtete Ebenen in einem Serienprodukt qualifiziert; der breite Einsatz wird für 2027 und 2028 erwartet.
Weitere Verfahren
Röntgen- und Ionenstrahlen haben die Fertigung nie erreicht und sind der Forschung vorbehalten. Elektronenstrahlschreiber sind dagegen unverzichtbar – nicht zur Belichtung der Wafer, sondern zur Herstellung der Fotomasken.
