Halbleiterproduktion im NIL-Verfahren Chipfertigung: Nanoimprint als Alternative zur EUV-Lithografie?

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Canon hat neuartige Nanoimprint-Halbleiterfertigungsanlagen vorgestellt. Das FPA-1200NZ2C genannte System soll eine Alternative zu teuren EUV-Lithografiesystemen sein. Laut Canon lassen sich mit seiner NIL-Technologie Strukturen auf Wafern mit einer minimalen Linienbreite von nur 14 nm belichten – das entspricht in etwa einem 5-nm-Prozessknoten.

Halbleiterproduzenten müssen sich mit der Frage auseinandersetzen, auf welches Halbleiter-Fotolithografie-Verfahren sie setzen wollen. Extreme Ultraviolet Lithography (EUV) verwendet eine extreme ultraviolette Strahlungsquelle, um Schaltungsmuster (Pattern) auf den Wafer zu projizieren. EUV wird oft in der Herstellung fortschrittlicher Halbleiterchips mit kleinen Strukturen verwendet. Der Haken an der Sache: EUV-Systeme sind extrem teuer und technisch komplex. Dafür allerdings erreichen sie hohe Prozessgeschwindigkeiten, sodass sich damit mehrere hundert bis tausend WPH (Wafers Per Hour) verarbeiten lassen. Das macht EUV-Lithografie vor allem für die Massenproduktion interessant.

Als Alternative gilt die Nanoimprint Lithography (NIL), die anders als EUV-Systeme keine Schaltungsmuster projiziert, sondern sie mithilfe eines nanostrukturierten Stempels auf den Wafer prägt. Weil keine externe Belichtungsquelle wie UV-Licht oder Laser verwendet werden, sind NIL-Systeme meist günstiger, allerdings auch langsamer. Unter anderem das japanische Unternehmen Canon konzentriert sich auf die Konstruktion von NIL-Systemen und hat am 13. Oktober 2023 die Markteinführung des FPA-1200NZ2C Nanoimprint-Halbleiterherstellungssystems angekündigt. Im Vergleich mit einem EUV-System soll es in der Produktion nicht nur Strom sparen.

Was NIL kann – und können soll

Die NIL-Technologie von Canon ermöglicht das Erstellen von Pattern mit einer minimalen Linienbreite von 14 nm, was nach gängiger Nomenklatur etwa einem 5-nm-Prozessknoten entspricht. Damit stünde auf Augenhöhe mit top-aktuellen EUV-Systemen. Zum Vergleich: Die derzeit modernsten Logikchips produziert TSMC im 3-nm-Verfahren für iPhone-Hersteller Apple, auch Samsung Semiconductor produziert mittlerweile erste Chips auf diesem Prozessknoten. Beide Chiphersteller fertigen 5-nm-Chips seit etwa 2 Jahren.

In seiner Pressemitteilung gibt Canon einen mutigen Ausblick: „Darüber hinaus wird erwartet, dass mit weiteren Verbesserungen der Maskentechnologie NIL das Erstellen von Schaltungs-Pattern mit einer minimalen Linienbreite von 10 nm ermöglichen kann, was einem 2-nm-Knoten entspricht.“ Das neue System soll sich vor allem hinsichtlich Umgebungskontrollmechanismen hervortun, die eine Verunreinigung durch feine Partikel unterdrücken. Die Anlage bedruckt Wafer mit einem Durchmesser von 300 Millimetern, ist also für moderne Chipfabriken ausgelegt.

Eine durchaus interessante Angabe bleiben die Verantwortlichen von Canon in der offiziellen Ankündigungen und in den Systemspezifikationen allerdings schuldig: Welche WPH-Rate erreicht das System, sprich: Welcher Durchsatz lässt sich damit in der Fertigung realisieren?

Einen groben Richtwert gibt es aus dem Jahr 2020: Damals gaben die Entwickler von Canon die Durchsatzrate von „bis zu 90 Wafer pro Stunde“ für ihre NIL-Systeme an – siehe dazu das Papier „High Volume Semiconductor Manufacturing using Nanoimprint Lithography“ Vermutlich liegt die WPH mittlerweile etwas höher, doch eine offizielle Aussage fehlt. (sb)

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