Kontrollverfahren und Kooperationen sollten im Jahr 2006 Masken fehlerfrei und die Chipproduktion günstig machen

Winzige Strukturen im globalen Denken

Von Annegret Handel-Kempf

Halbleiter sind ein potenziell profitables, aber auch enorm empfindliches Geschäft. Sie lassen keine halben Sachen zu und veranlassten Hersteller im Jahr 2006, komplette Weltmärkte zu besetzen.

Kein Wunder, denn Chips sind überall: In Computern, Handys, Waschmaschinen und vielen Geräten des Alltags mehr. Auf ihnen befinden sich Prozessoren, die regeln, steuern und Befehle umsetzen. Diese zentralen Verarbeitungseinheiten werden immer kleiner und schneller. Nicht nur, um mit Spielen und multimedialen Anwendungen Schritt halten zu können, sondern auch, weil die Miniaturisierung für die Hersteller Vorteile bringt: Kleiner ist gleich leichter und billiger.

Folge: Die Chips werden immer winziger und leistungsfähiger, sind allerdings in der Produktion zunehmend kostenanfällig. Die Branche bemüht sich seit etwa 15 Jahren um eine neue Strategie, die überbordende Entwicklungs- und Maskenkosten begrenzen soll.

Sorgfalt tut Not: So genannte Fotomasken sind für die Herstellung elektronischer Bauteile elementar. Bei den Masken, die ähnlichen einem zu belichtenden Film funktionieren, handelt es sich um Nanotechnologieprodukte aus hochreinem Quarz oder Glas. Die Nanostrukturen auf ihnen geben vor, wie der zu bauende Chip später funktioniert.

Doch Fotomasken und ihre Bearbeitung schwangen sich um das Jahr 2006 herum zu Kostenhöhenflügen auf. Am stärksten schlug damals die Prüfung von Fotomasken in Masken-Shops bei den Herstellungskosten zu Buche.

Verlagerung vom „Lab“ zum „Fab“

Umfassende Prüfsysteme für die Suche nach Fehlern fanden darüber hinaus zunehmend ihren Weg vom Labor in die Fertigung der Wafer-Fabs, wodurch auch die Betriebskosten für Chiphersteller nach oben zu schnellen drohten. Mängel und neue Problemherde, beispielsweise allmähliche entstehende, progressive Defekte, sollten direkt vor Ort entdeckt und bekämpft werden.

Ist eine Reparatur rentabel, werden weniger defekte Chips als Ausbeute beklagt. Doch auch Messtechnik und Anlagen für die Maskenreparatur sind teuer. Ionenstrahl- und Lasersysteme waren schon 2006 die Hauptreparateure für Maskenfehler.

Immer neue Hürden tauchten auf, die es zu überwinden galt: Ursprünglich erwies sich die Analyse der Masken im Labor als teure Bremse, dann das Material, schließlich die Notwendigkeit einer Analyse im Herstellungsprozess. An der so genannten „Lab to Fab-Transmission“ arbeitete unter anderem ein Dreier-Team, das aus dem Dresdner Fraunhofer-Center Nanoelektronische Technologien (CNT), sowie AMD und Infineon bestand und sich beispielsweise mit der erforderlichen Hardware und Installation beschäftigte.

„Transparente Analytikmodule aus dem Labor müssen in die Massenproduktion gebracht werden“, erläuterte Dirk Stenkamp, damals Vorsitzender der Geschäftsführung Carl Zeiss NTS GmbH, die zur Oberkochener Ideenschmiede Carl Zeiss SMT AG gehörte, im April 2006. „Dort arbeiten sie mit einem deutlich höheren Durchsatz und führen in der Summe zu exakteren Ergebnissen“.

Ausbauen, statt neu anschaffen

Damit nicht für jedes Analytikmodul eine neue kostspielige Plattform eingekauft werden musste, arbeitete Zeiss daran, die Komplexität zu reduzieren. Auf diese Weise wollten die Oberkochener den Kunden eine Plattform-Verwendung bieten, die sich auf wechselnde Anforderungen und wachsende Leistungsansprüche flexibel einstellt.

Auf der Semicon Europe 2006 in München stellte Carl Zeiss NTS die Nano-Workstation NEON vor, die auf der Plattform eines hochauflösenden Elektronenmikroskops mit einer Gemini Elektronenstrahlsäule basierte. Später sollten eine Ionenstrahlsäule und ein Gasinjektionssystem, das die chemischen Prozesse kontrolliert, integriert werden. Heraus kommen sollte nach mehreren Investitionsphasen des Nutzers ein komplettes CrossBeam System als flexibles, anwendungsspezifisches Tool. Zusätzliche Detektions- und Analyseprogramme, beispielsweise ein Massenspektrometer, das etwa zur Messung der Häufigkeit von Ionen und deren Massenfragmenten diente, waren konfigurierbar. Die Nano-Arbeitsstation sollte so auch für sehr anspruchsvolle Anwendungen in der Nanotechnologie, Materialanalyse und biomedizinischen Forschung einsetzbar sein.

Hohe Auflösungen mit großen Ansprüchen

Die Chiphersteller waren mit ihren aus Leiterbahnen und Transistoren bestehenden Strukturen auf dem Weg zur 45 Nanometer-Dimension. Dies war auch der Anspruch von Nikon damals auf der Fachmesse Semicon. Ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter. IBM meisterte Insidern zufolge bereits die 29 Nanometer-Marke, was bedeutete, dass knapp zwanzigtausend Leiterbahnen nebeneinander gelegt, gerade einmal die Dicke eines menschlichen Haares erreichen.

In diesen Winzigst-Strukturen würden die mit Atomkraft agierenden Ionen mit ihrer geballten Power bei der Reparatur von Masken mehr zerstören als nützen. Deshalb wurde zunehmend auf die sanfteren Elektronenstrahlen gesetzt. Licht, als Alternative, stieß an seine physikalischen Auflösungs-Grenzen.

Obwohl er eine Wellenlänge besitzt, ist der Elektronenstrahl keine elektromagnetische Welle, wechselwirkt jedoch stark mit Materie. Zudem können Elektronenstrahlen, anders als Ionenstrahlen, auch große Flächen atomisch genau vermessen. Für die vier bis fünf Unternehmen, die weltweit Elektronenstrahlmess- und Reparatur-Systeme produzierten, standen die Zeichen im Zeitalter der Nanotechnologie 2006 somit auf Ausbau dieses Feldes.

Engagement der Elektronenstrahlen

Die Carl Zeiss SMT hatte in enger Zusammenarbeit mit NaWoTec das Elektronenstrahl basierte Maskenreparatursystem MeRiT MG entwickelt. Es kombinierte die Gemini Rasterelektronen-Mikroskop-Plattform mit dem Gasinjektionssystem von NaWoTec, das die chemischen Prozesse bei der Maskenreparatur kontrollierte. Das MeRiT MG System war auch für die Behebung von Schäden an zukünftigen Masken für die Mikrolithografie ausgelegt. Dies galt für Chip-Strukturen von 65 Nanometer und darunter, sowie für Masken der zukünftigen EUV-Lithografie. Mit dem kombinierten Produktportfolio der von SMS entwickelten AIMS-Technologie und MeRiT hatte der Geschäftsbereich Semiconductor Metrology Systems der Carl Zeiss SMT eine Komplettlösung für die Evaluierung von Maskenfehlern, deren Reparatur und der anschließenden Prozesskontrolle in einer Hand.

„Noch ist der Marktanteil unserer Maskenreparatur in Jena gering, da das bislang fokussierte Ionensteuerung und Laser machen“, berichtete SMS-Geschäftsführer Oliver Kienzle, ein Dreiviertel Jahr nach der Eingliederung von NaWoTec in SMS. „Doch diese beiden Technologien reichen nicht für künftige Auflösungen“.

Auf der Suche nach dem perfekten Print

Die Zeiss-Manager waren viel in Fernost unterwegs. „Im Maskenbereich geht der Trend enorm zu Asien. Alle neuen Shops werden dort aufgebaut, die Anwender sind dort“, berichtete Frank Averdung, damals Vorsitzender der Geschäftsführung von Carl Zeiss SMS. „Mittelfristig werden fast alle in Asien sein“. Für eine präzise Fertigung gehe es darum, wo das Know How ist. Allen sei eine Frage gemein: „Was muss ich machen, damit die Maske richtig printet?“

Mit 125 Millionen Euro Umsatz verzeichneten Process Controll Solutions (PCS), denen Stenkamp vorstand, bei Carl Zeiss SMT im vorausgegangenen Geschäftsjahr eine zwanzigprozentige Steigerung. 540 Millionen Euro Umsatz fuhren Lithography Imaging Solutions ein. „Erste Systeme der Elektronenstrahlbasierten Maskenreparaturlösung MeRiT MG gehen Ende des Jahres mit 50 Nanometern Auflösung in Produktion“, kündigte Hermann Gerlinger, damals Vorstandsvorsitzender der Carl Zeiss SMT AG, auf der Semicon Europe 2006 an.

Japanisch-deutsche Kontrolle des Herstellprozesses in der Halbleiterfertigung als Ziel

Bereits besiegelt war seit Anfang des Jahres 2006 die strategische Partnerschaft zwischen Carl Zeiss Nano Technology Systems (NTS), die zur 1900 Mitarbeiter zählenden Carl Zeiss SMT AG gehörte, und der japanischen SII NanoTechnology (SIINT), einem Tochterunternehmen von Seiko Instruments Incorporation. Sie wollten in Vertrieb, Service und Applikationsunterstützung von Elektronen- und Ionenstrahl basierten Abbildungs- und Analysesystemen zusammen arbeiten. Gerlinger sprach von einer „Kombination der auf dem Weltmarkt führenden Technologien für LAB- und FAB-Anwendung durch gemeinsame Entwicklung“.

Die Allianz zwischen den jeweils seit 125 Jahren bestehenden und auf der Grundlage einer ähnlichen Philosophie agierenden Traditionsunternehmen wurde von NTS-Chef Stenkamp mit mehreren Jahren Vorlauf behutsam angestoßen. „Die Partner sind in die Firmenkultur integrierbar“, sagte Stenkamp. „Sie können vom Brand des jeweils anderen profitieren. Zeiss wird in Japan sehr hoch geschätzt.“

Ziel sollte damals sein, gemeinsam zum globalen Marktführer für Systemlösungen rund um die Nanotechnologien zu werden. Zusammen sollten neue Errungenschaften für die Nanotechnologie entwickelt werden, speziell um den Herstellprozess in der Halbleiterfertigung zu kontrollieren. Dazu planten beide Unternehmen eine Zusammenführung ihrer jeweiligen Produkt- und Lösungsportfolios mit Raster- und Transmissionselektronenmikroskopen (SEM / TEM), fokussierten Ionenstrahlsystemen (FIB), sowie Röntgenfluoreszenzsystemen (XRF) für Abbildung, Analyse und Messung im Nanometerbereich.

250 Millionen Euro Umsatz wollte Zeiss SMT im Jahr 2010 mit Process Controll Solutions erwirtschaften, ein Viertel davon aus der Kooperation mit SIINT. Angepeilt wurden doppelte Marktanteile bei SEM, Cross Beam und TEM.

Stenkamp freute sich darüber, einen Fuß in den japanischen Markt gesetzt zu haben: „Die Verbindung unserer leistungsstarken Gemini Rasterelektronenmikroskop-Technologie mit der weltweit führenden Ionenstrahl-Technologie von SIINT schafft für den Kunden einen signifikanten Mehrwert. In der Kombination dieser Systeme entsteht ein einzigartiges, global verfügbares Produkt- und Lösungsportfolio für zukunftsweisende Forschung und industrielle Anwendungen in der Nanotechnologie.“

Dr. Hiroyuki Funamoto, damals Präsident und CEO von SIINT, das sich im Vertrieb auf den asiatischen Raum, besonders Japan, konzentrierte, während sich NTS um Europa, Amerika und „den Rest der Welt“ kümmern wollte: „Beide Partner bringen einzigartige Kompetenzen in diese Zusammenarbeit ein, mit dem Ziel weltweiter Technologieführerschaft.“

Hightech mit Bodenhaftung

Ein absehbares Ziel der Nanotechnologie waren und sind die weitere Miniaturisierung der Halbleiter- und der Optoelektronik. Ihre Haupttreiber sind Elektronenstrahlen. In der Medizin offerierten Nanopartikel die Chance, neuartige Diagnostika und Therapeutika zu entwickeln, zum Beispiel die Magnetresonanztomographie.

Der Nutzen von Neuentwicklungen in der Nanotechnologie und bei Prüfsystemen lag nicht nur in Preisbegrenzungen und Innovationssprüngen, sondern war auch im Alltag, und vor allem in Sicherheitsfragen, zu spüren. Ein Beispiel:

Wie häufig müssen Flugzeuge gewartet werden: Nach 10 000 Betriebsstunden oder früher, um kein Risiko einzugehen, oder später, um unnötige Kosten zu vermeiden? – Wie Markus Wiederspahn, damals bei SMT, am Rande der Semicon berichtete, hatte die Royal Air Force nach Verwendung des Elektronenstrahl-Inspektions-Systems Supra 25 einen anstehenden Wartungszyklus vorgezogen. Grund: „Die Maschine wäre sonst runtergefallen“, so Wiederspahn.

Ausschließlich die Royal Air Force setzte damals weltweit an ihren Stützpunkten eine Cat Scan-Blackbox ein, die das Prozess spezifische Tool integrierte, sowie automatische Checks und Meldungen vornahm.

Halbleiter made in Germany- mehr als ein Stück IT-Historie.